Мовсесян А.А. Генетика популяций человека

2023. 504 с.

Серия: Классический учебник МГУ

Белая офсетная бумага

Задачи и цели популяционной генетики • Популяционная генетика и антропология • Закон Харди—Вайнберга • Инбридинг • Инбридинг в популяциях человека • Мутации • Мутации и наследственные заболевания человека • Естественный отбор • Взаимодействие отбора и других факторов эволюции • Естественный отбор в популяциях человека • Адаптация • Продолжается ли действие естественного отбора? • Дрейф генов • Теория коалесценции • Миграции и поток генов • Популяционная генетика количественных признаков.

Аннотация

В книге рассматриваются основные понятия современной популяционной генетики человека в наиболее доступной для биологов различных специальностей форме с использованием базовой математики и основных принципов теории вероятностей, необходимых для понимания теории генетики популяций.

Представленные в пособии концепции популяционной генетики, а также молекулярные и аналитические методы, которые были впервые разработаны для исследований... (Подробнее)

Оглавление

Оглавление				3
Предисловие				9
Глава 1. Цели и основные предпосылки популяционной генетики				12
1. Краткая история популяционной генетики				16
2. Популяционная генетика и антропология				18
3. Основные предпосылки популяционной генетики				20
4. Некоторые основные понятия популяционной генетики				24
4.1. Популяция				24
4.2. Структура популяции				25
4.3. Генофонд популяции				26
4.4. Гены, локусы и аллели				26
5. Математические модели				28
5.1. Теория вероятностей				29
Глава 2. Генетические маркеры				35
1. Классические маркеры				35
2. Молекулярно-генетические маркеры				38
2.1. Полимеразная цепная реакция				42
2.2. Однонуклеотидные полиморфизмы				46
2.3. Короткие рассеянные (диспергированные) повторы (Short Interspersed Nucleotide Elements, SINE)				48
2.4. Длинные рассеянные повторы (Long Interspersed Nucleotide Elements, LINE)				50
2.5. Сгруппированные или тандемные повторы (Tandem Repeats)				52
2.5.1. Сателлиты				53
2.5.2. Минисателлиты				53
2.5.3. Микросателлиты (Short Tandem Repeats, STR)				54
2.5.4. Вариации числа копий в геноме (Copy Number Variations, СNV)				57
2.6. Нерекомбинирующие сегменты генома				59
2.6.1. Y-хромосома				60
2.6.2. Митохондриальная ДНК				64
Глава 3. Закон Харди—Вайнберга				70
1. Частоты аллелей и генотипов				72
2. Частоты браков в случайно скрещивающейся популяции				74
3. Доказательство закона Харди—Вайнберга				78
3.1. Случайное объединение гамет				81
3.2. Использование статистики (2 для теста на равновесие Харди—Вайнберга)				84
3.3. Межполовые различия в частотах аллелей				87
3.4. Равновесие для генов, сцепленных с полом				88
4. Применение закона Харди—Вайнберга				92
5. Отклонения от равновесия Харди—Вайнберга				92
6. Гаметическое неравновесие				98
Глава 4. Инбридинг				107
1. Определение коэффициента инбридинга				108
2. Коэффициент путей				112
3. Как инбридинг меняет частоты генотипов?				116
4. Анализ фамилий				121
5. Принцип Валунда				126
6. Падение гетерозиготности в малых популяциях				130
7. Инбридинг в популяциях человека				135
Глава 5. Мутации				144
1. Распространение мутаций в популяциях				149
1.1. Судьба единичной мутации				149
1.2. Давление повторных мутаций				154
1.3. Равновесие между прямыми и обратными мутациями				157
1.4. Причины возникновения мутаций				164
1.5. Влияние возраста и пола на скорость мутаций				166
2. Рекомбинация и генная конверсия				168
3. Роль мутаций в эволюции популяций				171
3.1. Гаплотипы и гаплогруппы				173
3.2. Гаплогруппы Y-хромосомы				177
3.3. Гаплогруппы митохондриальной ДНК				179
4. Мутации и наследственные заболевания человека				181
4.1. Аутосомно-рецессивные заболевания				184
4.2. Аутосомно-доминантные заболевания				185
4.3. Сцепленные с полом заболевания				185
4.4. Отцовский тип наследования				187
4.5. Митохондриальный или цитоплазматический тип наследования				187
4.6. Хромосомные мутации				188
4.7. Геномные мутации				188
Глава 6. Естественный отбор				190
1. Действие естественного отбора				194
2. Различные модели отбора				200
2.1. Отбор против летальных рецессивных гомозигот				200
2.2. Частичный отбор против рецессивных гомозигот				203
2.3. Отбор против доминантных аллелей				207
2.4. Отбор в пользу гетерозигот				210
2.5. Отбор против гетерозигот				216
2.6. Промежуточность гетерозигот				220
2.7. Частотно-зависимый отбор				222
2.8. Общая модель действия естественного отбора				225
3. Взаимодействие отбора и мутаций				232
3.1. Равновесие между мутациями и отбором против рецессивных гомозигот				233
3.2. Равновесие между мутациями и отбором против доминантных аллелей				236
3.3. Равновесие между мутациями и отбором против гетерозигот				240
3.4. Равновесие для генов, сцепленных с полом				242
4. Взаимодействие отбора и инбридинга				244
5. Селективные зачистки и генетический автостоп				245
Глава 7. Естественный отбор в популяциях человека				250
1. Ассоциация генетических полиморфизмов с инфекционными заболеваниями				259
2. Отбор, связанный с малярией				264
3. Адаптация				270
3.1. Жизнь в высокогорье и адаптация к гипоксии				271
3.2. Эволюция толерантности к лактозе				275
3.3. Эволюция цвета кожи, волос и глаз				279
4. Отбор по неандертальским аллелям				287
5. Продолжается ли действие естественного отбора?				291
Глава 8. Дрейф генов				297
1. Эффективная численность популяции				298
1.1. Неравные численности особей разного пола				300
1.2. Периодическое уменьшение численности популяции				301
2. Случайный дрейф генов				303
2.1. Эффекты основателя популяции и бутылочного горлышка				314
3. Роль дрейфа генов в распространении наследственных заболеваний человека				319
4. Концепция нейтральной эволюции				323
5. Теория коалесценции				330
5.1. Основы процесса коалесценции				332
Глава 9. Миграции и поток генов				340
1. Различные модели миграции				343
1.1. Односторонний поток генов				346
1.2. Двусторонний поток генов				351
1.3. Изоляция расстоянием				353
1.4. «Родственно структурированная» миграция				355
1.5. Половые различия в миграции				357
2. Оценка примеси в популяциях человека				358
3. Последствия миграций в подразделенной популяции				364
4. Взаимодействие между миграциями и отбором				366
5. Взаимодействие между миграциями и дрейфом генов				369
6. Оценка генетической изменчивости в подразделенной популяции				372
7. Генетические расстояния				377
Глава 10. Количественные признаки				382
1. Типы количественных признаков				384
1.1. Фенотипическая варианса				385
1.2. Модель равных и аддитивных эффектов				388
2. Наследуемость количественных признаков				389
3. R-матрица				396
Резюме				401
1. Закон Харди—Вайнберга				402
2. Инбридинг				406
3. Мутации				411
4. Естественный отбор				415
5. Случайный дрейф генов				418
6. Концепция нейтральной эволюции				421
7. Теория коалесценции				422
8. Миграции и поток генов				423
9. Количественные признаки				426
Глоссарий				430
Список литературы				474
Предметно-именной указатель				493

Предисловие

Настоящий учебник основан на моем многолетнем опыте преподавания генетики популяций человека на кафедре антропологии МГУ имени М. В. Ломоносова. Генетика популяций — одно из ключевых направлений в биологических науках, позволяющее нам понять, как генетические факторы влияют на изменчивость популяций в пространстве и эволюцию их во времени. Знакомство с основными концепциями популяционной генетики стало необходимым во многих областях исследований, включая эволюционную биологию, экологию, систематику, селекцию растений и животных, генетику человека, антропологию и даже медицину и общественное здравоохранение, особенно с началом эпохи геномики.

Следует отметить, что многие из основных принципов популяционной генетики были сформулированы задолго до того, как стало известно о структуре ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли биохимическую структуру ДНК в 1953 г., тогда как многие идеи в популяционной генетике были впервые разработаны в 1930-х и 1940-х гг. Однако за последние два десятилетия открытия в области молекулярной биологии, технологии секвенирования ДНК и биоинформатики предоставили множество генетических данных для проверки гипотез популяционной генетики. Достижения в этих областях позволили нам не только обрабатывать большие наборы данных, но и использовать центральные для популяционной генетики принципы способами, невообразимыми для их авторов. Например, понятие об идентичности аллелей по происхождению играло решающую роль во многих популяционно-генетических теориях с 1920-х гг., но, связав этот старый принцип с современными геномными данными, мы можем применять его для выявления и локализации генетических заболеваний, картирования факторов риска общих системных заболеваний, изучения инбридинга и его последствий. Кроме того, мы уже можем определять геномные области, находящиеся под естественным отбором и важные для адаптации человека.

Теоретическая популяционная генетика — достаточно сложная дисциплина, оперирующая понятиями высшей математики. Мне хотелось изложить основные концепции генетики популяций в наиболее доступной для антропологов и биологов других специальностей форме с использованием базовой математики и основных принципов теории вероятностей, необходимых для понимания популяционной генетики, и объединить классические модели генетики популяций с последними достижениями в этой области. Основное внимание здесь уделяется микроэволюционным механизмам и тому, как они взаимодействуют для создания эволюционных изменений.

Хотя этот учебник посвящен популяционной генетике человека, важно понимать, что популяционная генетика является предметом, который относится ко всем организмам. Более того, благодаря огромному количеству новых данных о нашем собственном виде люди стали идеальным модельным организмом для популяционно-генетических исследований. Большинство как молекулярных, так и аналитических методов, которые были впервые разработаны для исследований на людях, применимы ко многим другим видам и к общему пониманию процессов эволюции внутри вида.

Моим научным руководителем в университете был известный антрополог и генетик, профессор кафедры антропологии Юрий Григорьевич Рычков, и я выражаю ему глубокую признательность за то, что он открыл мне увлекательный мир популяционной генетики человека. Я благодарю также своих студентов, интерес и любознательность которых вдохновили меня на написание этой книги.

Об авторе

Мовсесян Алла Арменовна

Доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник кафедры антропологии биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Читает на кафедре курсы лекций «Генетика популяций человека» и «Введение в молекулярную антропологию». Автор более 70 научных публикаций, в том числе в ведущих международных изданиях. Область научных интересов — палеофенетика, популяционно-генетический анализ древних популяций человека.