3. 3
1. UVOD
U prirodi jedinke jedne vrste uvijek žive u grupama na određenomprostorui
predstavljaju jednu populaciju. Najznačajniji odnos koji se uspostavlja među
jedinkama jedne populacije je reproduktivni odnos zbog čega u populaciji
postoji stalna razmjena genetičkog materijala između jedinki koje je čine.
Populacijska genetika je oblast genetike koja proučava nasljedne pojave i
procesena razini reprodukcijski povezanih grupa organizama. Istražuje i
modelira moguće odnoseu genetičkoj strukturi populacije, faktorima održavanja
i narušavanja njene ravnoteže, dinamiku i prirodu tih promjena. Ukratko, to je
nauka koja proučava genetičku raznolikost individua i skupina
posmatrane vrste organizama. Temelje koncepta genetičkih opterećenja je
postavio Haldane 1937 godine. Crow (1958) je definisao genetičko opterećenje
kao proporcionalno smanjenje prosječne adaptivne vrijednosti (ili druge
mjerljive veličine) populacije relativno u odnosuna genotip koji posjeduje
maksimalnu ili optimalnu vrijednost. Genetičko opterećenje se obilježava
simbolom L i matematički se definicija može predstaviti kao L= Wmax-W/
Wmax odnosno, ako se „najboljem“ genotipu dodjeli adaptivna vrijednost
jednaka 1, tada je L=1- W. Genetičko opterećenje se definiše kao proporcija sa
kojom se smanjuje adaptivna vrijednost (fitness) optimalnih i prosječnih
genotipova uslijed prisustva štetnih gena (letalni, semiletalni, subvitalni). Postoji
mutaciono i segregaciono genetsko opterećenje. Svaka jedinka čiji je fitnes
manji od maksimalnog (W<1) je dio genetičkih opterećenja populacije.
Genetička opterećenja su mjera prosječnogindividualnog odstupanja od
optimalnog fenotipa u konkretnim uslovima životne sredine.
4. 4
2. RAZRADA TEME
2.1 Faktori genetičkog opterećenja
Bez postojanja genetičke varijabilnosti ne bi bilo ni evolucije. Mutacije su
evolutivni faktor koji generiše genetičku varijabilnost, i bez kojeg ne bi bilo
opstanka u promjenljivim uslovima spoljašnje sredine. Sa druge strane, i pored
njihove važne uloge u evoluciji živih sistema, većina mutacija je štetna. Nove
mutacije većinom smanjuju adaptivnu vrijednost jedinki, pa prirodna selekcija
djeluje tako da im smanjuje učestalost u populacijama. Svi štetni aleli nastali
mutacijama ne mogu biti odmah eliminisani, pa se zbog toga smanjuje prosječna
adaptivna vrijednost populacije. Ovakav efekat štetnih mutacija se naziva
mutaciono genetičko opterećenje. Haldane (1937) je izveo da je redukcija
adaptivne vrijednosti uslijed prisustva genetičkih opterećenja (L) proporcionalna
udvostručenojvrijednosti stopemutacije L=2u, ako se posmatra jedan lokus, sa
nepotpunom dominansom, kod diplodnih organizama. On je takođe ukazao da
mutaciona opterećenja mogu biti veoma velika, ako se uzmu u obzir mutacije
cijelog genoma. Ako se stopaštetnih mutacija cijelog genoma označava kao U,
onda je prosječna adaptivna vrijednost populacije 𝑊 = 𝑒 −U , dok je genetičko
opterećenje 𝐿 = 1 − 𝑊 = 1 − 𝑒 −𝑈 . Po njegovim pretpostavkama, prosječna
jedinka pri mutaciono-selekcionom balansu (kada bi se u prosjeku desila jedna
štetna mutacija po genomu po generaciji) ima za oko 60% nižu adaptivnu
vrijednost u odnosuna onu koja bi se očekivala pri uslovima bez mutacija. Ovaj
zaključak je postao osnovaza mnoge druge evolutivne fenomene, kao što su
izumiranje populacija, evolucija seksualne naspram aseksualne reprodukcije,
inbriding depresija, evolucija samooplodnje u odnosuna
stranooplodnju..Genetička opterećenja o kojima su pisali Haldane (1937), Crow
(1948) i Muller (1950) se odnosena opterećenja izazvana mutacijama, pa se
stoga nazivaju mutacionim genetičkim opterećenjima. Pored njih, u zavisnosti
od uzroka smanjenja prosječne adaptivne vrijednosti populacije, genetička
5. 5
opterećenja mogu biti segregaciona, inkompatibilna, drift, migraciona,
substituciona. U kojoj mjeri će štetni aleli redukovati prosječnu adaptivnu
vrijednost populacije zavisi od toga na koje komponente adaptivne vrijednosti
utiču. Teško je predvidjeti veličinu promjene u adaptivnim vrijednostima, ako se
izuzmu krajnje ekstremni mogući ishodi, tipa da su mutacije selektivno
neutralne, ili da su letalne. Selekcioni pritisak može biti različite jačine, a krajnji
efekat na prosječnu adaptivnu vrijednost populacije zavisi od mnogo drugih. Na
prosječnu adaptivnu vrijednost populacije utiče i način njene procjene. Kako je
prosječna adaptivna vrijednost određena primarno adaptivnom vrijednošću ženki
kod većine vrsta, svaki zaključak treba izvesti sa predostrožnošću. Posljednjih
godina se vode polemike oko različitih stopamutacija kod mužjaka i kod ženki i
da li je selekcija protiv štetnih alela jača kod mužjaka nego kod ženki . Ove
potencijalne razlike među polovima mogu, stoga, različito oblikovati prosječne
adaptivne vrijednosti populacije. Posljedica svake štetne mutacije, i kod muškog
i kod ženskog pola, jeste smanjenje adaptivne vrijednosti jedinke, jer negativan
efekat na adaptivnu vrijednost definiše mutaciju kao štetnu. Da li neka mutacija
djeluje na isti način, tj. da li ima isti efekat i na mužjaka i ženku je pitanje koje
zahtjeva eksperimentalnu procedurusa poznatim mutacijama radi upoređivanja.
Međutim, i ovaj pristup nosi određena ograničenja, između ostalog zbog malog
broja fenotipski vidljivih mutacija i poznatog efekta na adaptivnu vrijednost.
Drugi mogući pristup je mjerenje efekta štetnih mutacija kod visoko
inbridingovanih linija, preko procijena inbriding depresije. Razlika u
hromozomskoj konstituciji između mužjaka i ženki, odnosno razlika u polnim
hromozomima, je u ovom pristupu ograničenje, i činjenica za potencijalno loše
procjenjivanje s obzirom da bi se kod heterogametnog pola mutirani aleli
eksprimirali u hemizigotnom stanju. Dosadašnji rezultati svakako potvrđuju isti
pravac djelovanja štetnih mutacija kod oba pola, odnosno, smanjenje neke od
komponenti adaptivne vrijednosti. Oni takođe ukazuju na tendenciju da je
selekcioni pritisak snažniji kod mužjaka, što bi bilo u skladu sa teorijom o ulozi
6. 6
seksualne selekcije u redukciji genetičkih opterećenja i uspješnošćuu parenju
mužjaka, kao bitnom komponentom njihove adaptivne vrijednosti. Sve je više
podataka koji ukazuju na veću stopumutacija kod mužjaka, u poređenju sa
ženkama. Odnos stopemutacija mužjaka i stopemutacija ženki u prosjeku
iznosi oko 5 (α=5). Ova procjena se zasniva većinom na podacima dobijenim
ispitivanjem kičmenjačkih vrsta. Raniji podacina Drosophila nisu ukazivali na
razlike u stopama mutacije među polovima, ali nove procjene takođe potvrđuju
višu stopukod mužjaka, i to dva puta. Faktori koji leže u osnovi razlika između
polova jesu češćediobe muških gameta, samim tim i veći broj replikacija, pa se
povećava i vjerovatnoća nastanka mutacija. Pored razlika u veličini stope
mutacija koje postojeizmeđu različitih vrsta, smatra se i da različiti genotipovi
jedne vrste mogu imati različite stopemutacija. Jedinke se mogu razlikovati u
genetičkom kvalitetu, pa su jedinke lošijeg genetičkog kvaliteta, uslijed
posjedovanja štetnih alela obično i lošijeg fenotipskog stanja. Štetne mutacije
mogu imati efekat na ćelije i njihova stanja, metabolizam, što može voditi
sukcesivnim koracima i do grešaka u samoj replikaciji i reparaciji, pa bi krajnji
efekat bio i povećanje stopemutacija. Sharp i Agrawal (2012) su pokazali da
genotipovi “lošijeg kvaliteta” (genotipovi koji sadrže veći broj štetnih mutacija)
kod D. melanogaster imaju povećanu stopumutacije.
Veličina genetičkih opterećenja zavisi i od faktora spoljašnje sredine, naročito
pri stresnim promjenama sredine, u kojima bi bile izraženije razlike između
jedinki populacije. Kad bi mutaciona stopagenoma bila konstantna, onda bi
genetička opterećenja u ravnoteži bila ista kako u populaciji sa aseksualnim tako
i sa seksualnim tipom razmnožavanja.
7. 7
2.2 Matematička formulacija za genetička opterećenja
L = (Wmax – W)/Wmax
Wmax = 1 ; L = 1 - W
2.3 Kategorije genetičkihopterećenja
a) Ulazna (input) genetička opterećenja – smanjenje prosječnogfitnesa uslijed
uvođenja novih genetičkih varijanti, koje uslovljavaju pojavu genotipova sa
nižim fitnesom.
Mutaciona genetička opterećenja – mutacioni proces može održavati u
populaciji alel koji svojim nosiocima smanjuje fitnes.
Migraciona genetička opterećenja – imigranti uvode u genski fond populacije
alele koji svojim nosiocima smanjuju fitnes.
b) Balansna genetička opterećenja – smanjenje prosječnogfitnesa uslijed
mehanizama koji održavaju genetičku varijabilnost populacije.
Segregaciona opterećenja – u slučaju heteroze, homozigoti imaju niži fitnes, a
uvijek su prisutni u populaciji (segregacija – Mendelova pravila).
Rekombinaciona opterećenja – rekombinacije stvaraju nove kombinacije gena
koje mogu imati niži fitnes.
Heterogeno sredinska opterećenja – genotipovi žive i u mikrostaništima u
kojima imaju niži fitnes.
c) Supstituciona genetička opterećenja (cijena prirodne selekcije) – cijena koju
populacija plaća da bi došlo do zamjene jednog genskog alela drugim
(povoljnijim), tj. da bi povećala svoj prosječan fitnes.
2.4 Mutaciona genetička opterećenja
Nastaju zbog prisustva genskih alela koji se u populaciji održavaju putem
balansa između stopemutacije (u) i koeficijenta selekcije (s). Mnogi elementi
8. 8
genetičkog opterećenja manifestuju se još u prenatalnom periodu svake
generacije, ali se najčešće registruju kongenitalno. Kongenitalne anomalije ili
„urođene nepravilnosti” su anomalije oblika, strukture ili funkcije koje postoje
na rođenju i dovodedo smanjenja fizičke i mentalne sposobnosti.
Ako su mutacije neutralne, tj. ne utiču na fitnes svojih nosilaca, ne učestvuju u
genetičkim opterećenjima populacije.
Primjer 1.) Kodominantne interakcije alela
W = 1 – sq, q = 2u/s
L = s·2u/s L = 2u
Zaključak je da mutaciona opterećenja zavise samo od stopamutacija.
Za veći broj lokusa koji su međusobno nezavisni, ukupno genetičko opterećenje
je:
L = n·u n – broj lokusa ; u – prosječna stopamutacija po lokusu
2.5 Segregaciona genetičkaopterećenja
Na određenom lokusu postojiheteroza.
WAA = 1-s1, WAa = 1, Waa = 1-s3
Homozigoti su dio genetičkih opterećenja i uvijek prisutni u populaciji zbog
slobodnogkombinovanja i segregiranja alela (Mendelova pravila).
W = 1 – s1p2– s3q2
U ravnoteži: q = s1/(s1+s3) p = s3/(s1+s3)
W = 1 – s1s3/(s1+s3)
L = s1s3/(s1+s3)
9. 9
Primjer 1.) Srpastaanemija kod ljudi
Slika br. 1 Srpasti eritrociti
s1= 0.15, s3= 1 ⇒ L = 0.1
10% ljudi u populaciji u ravnoteži umrijeće prije polne zrelosti ili od malarije ili
od anemije ili će imati smanjenu fertilnost (genetička smrt). Za veći broj
nezavisnih alela sa heterozom efekat genetičkih opterećenja bio bi ogroman.
Npr. 20 nezavisnih gena, s1 i s3 kao kod srpasteanemije, samo 0,920= 12%
jedinki bi preživelo.
Npr. 1000 polimorfnih lokusa kod Drosophila, s1= s3= 0.01. Za jedan lokus L=
0.005, za 1000 lokusa preživjelo bi 0.9951000= 0.7% jedinki. Ni jedna
populacija ne bi mogla da podnesetako velika opterećenja.
2.6 Supstituciona genetičkaopterećenja
U populaciji postojejedinke sa genetičkom varijantom koja obezbjeđuje
preživljavanje u novim sredinskim uslovima.
Stanište koje naseljava jedna populacija se značajno izmijeni: velika količina
kiše, pad temperature, pojava novog predatora ili novog patogena, naglo opadne
količina hrane i slično. U populaciji postoje jedinke sa genetičkom varijantom
koja obezbjeđuje preživljavanje u novim sredinskim uslovima. Npr. pri pojavi
10. 10
novog predatora, jedinke koje bolje vide, brže trče ili imaju bolju kamuflažu,
bolje će preživljavati u novim uslovima. Npr. pri velikom sniženju temperature,
genetičke varijante koje uslovljavaju duže krzno, obezbjediće bolje
preživljavanje. Prije promjene sredine, takve genetičke varijante su bile rijetke,
jer nisu davale nikakvu prednostsvojim nosiocima, ili su čak bile štetne, a
održavale su se u populaciji mutacionim procesom. Nakon promjene sredine,
takve genetičke varijante će povećavati svoju učestalost, jer će njihovi nosioci
bolje preživljavati i ostavljati više potomaka (selekcija favorizuje te varijante).
Nakon X generacija, nove genetičke varijante biće fiksirane, tj. zamjeniće stare
(supstitucija).Supstitucija podrazumijeva da će tokom generacija doćido velike
“genetičke smrti” onih jedinki koje nemaju favorizovane alele. Ove smrti, do
kojih ne bi došlo bez promjene sredine, Holdejn je nazvao “cijena supstitucije”
ili “cijena prirodne selekcije”.
Svi genotipovi koji nemaju favorizovan alel su dio genetičkih opterećenja.
Holdejn je pretpostavio da postoji određen procenat jedinki koje populacija
može, u ovoj zamjeni, žrtvovati, a da nema opasnostipo opstanak populacije. To
određuje brzinu kojom se zamjena može odigrati, a ta brzina pozitivno zavisi i
od reproduktivnog potencijala vrste.
2.7 Holdejnova dilema
Da li su genetičke promjene u populaciji brže ako se dešavaju na većem broju
lokusa istovremeno?
(Odgovor:NE ) Do brzih genetičkih promjena u populaciji može doćisamo ako
se zamjene odvijaju istovremeno kod malog broja gena. Holdejn je smatrao da
su geni međusobno nezavisni što podrazumjeva multiplikativni model
genetičkih opterećenja (L1·L2·L3·.....Ln; n- broj lokusa). To podrazumijeva
ogromna genetička opterećenja; jedan genotip može nositi na jednom lokusu
povoljan alel, ali ne može biti favorizovan zbog neto negativnog efekta na
drugim lokusima.
11. 11
2.8 Genetička smrt
Cijena koju populacije plaćaju uslijed postojanja homozigota u uslovima
heteroze, okupiranja različitih mikrostaništa, supstitucije alela djelovanjem
prirodne selekcije, itd., manifestuje se preko tzv. genetičke smrti. Genetička
smrt ne podrazumijeva isključivo fizičku smrt jedinke, već može biti izražena
preko sterilnosti, smanjene fertilnosti, nemogućnosti pronalaženja partnera, ili
bilo kojih uzroka smanjenja reproduktivne sposobnostigenotipova sa nižim
fitnesom.
2.9 Holdejnova matematika
Npr. selekcija protiv recesivnog alela (alel A zamenjuje alel a):
WAA=1, WAa=1, Waa=1-s
W = 1 – sq2 L = sq2
U narednoj generaciji biće eliminisano sq2N jedinki
Ukupna smrtnost D= ∑sq2= -ln p0
Cijena kompletne zamjene iznosi: D·N
Npr. korisna mutacija A, početna učestalost p0=5·10-5,
N = 100 ⇒ D = 9.9 ≈ 10, D·N = 1000
Populacija mora da plati cijenu zamjene 10 puta veću od svoje veličine.
Pretpostavka je da populacija može da žrtvuje samo 10% svojih članova,
odnosno 100 generacija je potrebno da se izvrši kompletna supstitucija. Prema
Holdejnu D ima vrijednosti od 10 do 100, a reprezentativna vrijednost je 30. Za
D = 30, za zamjenu alela na jednom lokusu je potrebno 300 generacija, a da bi 2
populacije potpuno divergirale po 1000 lokusa potrebno je 300 000 generacija.
Po Holdejnu, za formiranje vrsta je potrebno 500 000 godina !!!!
12. 12
2.10 Problemgenetičkihopterećenja
Procjena veličine genetičkog opterećenja npr. svjetskog stanovništva i njegovih
pojedinih dijelova ima izuzetan teorijski i praktični (medicinski) značaj. Prema
prikazanim modelima, genetička opterećenja su jako velika u populacijama u
kojima postojivarijabilnost. Kako se u prirodnim populacijama održava
genetička varijabilnost uz velika genetička opterećenja? Koncepcija genetičkih
opterećenja je bila dobarargument “neutralistima” da je varijabilnost u prirodi
selektivno neutralna, tj. samo strukturna.
Neutralisti Selekcionisti
Aleli najčešće nemaju fenotipski i
selektivni efekat.
Aleli imaju fenotipski efekat na
osnovu koga djeluje selekcija, čak
i kada su njeni efekti mali.
Genetički drift je najvažniji za
održavanje određene učestalosti
neutralnih alela kroz generacije.
Prirodna selekcija je najvažnija za
determinaciju alelskih učestalosti.
Genetička varijabilnost je samo
strukturna (neutralna).
Genetička varijabilnost je
funkcionalna i neophodna za
evolucione promjene.
13. 13
2.1 Gametskidisekvilibrijum (gametska neravnoteža)
Neslučajne kombinacije genskih alela različitih genskih lokusa. Neke alelske
kombinacije različitih lokusa se pojavljuju u populaciji češće nego što je očekivano
na osnovu alelskih učestalosti (H-W učestalosti). Parametar (koeficijent)
gametskog disekvilibrijuma ( D ) je mjera odstupanja dobijenih od očekivanih
učestalosti gameta (mjera odstupanja od gametskog ekvilibrijuma).
2.12 Faktorikojiutiču na gametskidisekvilibrijum
Faktori koji utič u na gametski disekvilibrijum su sledeći:
REKOMBINACIJE – smanjuju disekvilibrijum. Geni koji su blisko locirani na
hromozomu pokazuju tendenciju da se vezano naslijeđuju (manja je učestalost
rekombinacija između njih).
Slika br.2 Rekombinacije
EPISTAZE – epistatičke interakcije između gena povećavaju GD, jer određene
kombinacije alela na različitim lokusima imaju veći fitnes; selekcija favorizuje
takve kombinacije; postojaćetendencija da se one nepromijenjene prenose u
naredne generacije; takve neslučajne kombinacije alela biće češćenego što se
očekuje (imamo GD).
14. 14
Kako se gametski ekvilibrijum uočava na populacionom nivou?
Primjer 1) Heterostilija kod Primula vulgaris. Najviše su zastupljena 2 tipa cvijeta
– dugačak tučak + niske antere i nizak tučak + visoke antere. Ranije se mislilo da
se radi o 2 osobine determinisane jednim genom (plejotropija), ali se pokazalo da
su tu 2 gena koja se ponašaju kao supergen: gen G (aleli G i g) i gen A (aleli A i a).
Selekcija održava GD jer druge varijante dovodedo samooprašivanja i time do
posledica inbridinga.
Slika br.3 Heterostilija kod Primula vulgaris
15. 15
3. ZAKLJUČAK
Populacijska genetika je oblast genetike koja proučava nasljedne pojave i procese
na razini reprodukcijski povezanih grupa organizama. To je nauka koja
proučava genetičku raznolikost individua i skupina posmatrane vrste organizama.
Temelje koncepta genetičkih opterećenja je postavio Haldane 1937 godine. Crow
(1958) je definisao genetičko opterećenje kao proporcionalno smanjenje prosječne
adaptivne vrijednosti (ili druge mjerljive veličine) populacije relativno u odnosuna
genotip koji posjeduje maksimalnu ili optimalnu vrijednost. Genetičko opterećenje
se obilježava simbolom L i matematički se definicija može predstaviti kao L=
Wmax-W/ Wmax odnosno, ako se „najboljem“ genotipu dodjeli adaptivna
vrijednost jednaka 1, tada je L=1- W. Genetičko opterećenje se definiše kao
proporcija sa kojom se smanjuje adaptivna vrijednost (fitness) optimalnih i
prosječnih genotipova uslijed prisustva štetnih gena (letalni, semiletalni,
subvitalni). Postoji mutaciono i segregaciono genetsko opterećenje. Svaka jedinka
čiji je fitnes manji od maksimalnog (W<1) je dio genetičkih opterećenja
populacije. Bez postojanja genetičke varijabilnosti ne bi bilo ni evolucije. Mutacije
su evolutivni faktor koji generiše genetičku varijabilnost, i bez kojeg ne bi bilo
opstanka u promjenljivim uslovima spoljašnje sredine. Sa druge strane, i pored
njihove važne uloge u evoluciji živih sistema, većina mutacija je štetna. Veličina
genetičkih opterećenja, pored mutacija zavisi i od faktora spoljašnje sredine,
naročito pri stresnim promjenama sredine, u kojima bi bile izraženije razlike
između jedinki populacije. Kad bi mutaciona stopagenoma bila konstantna, onda
bi genetička opterećenja u ravnoteži bila ista kako u populaciji sa aseksualnim tako
i sa seksualnim tipom razmnožavanja. Procjena veličine genetičkog opterećenja
npr. svjetskog stanovništva i njegovih pojedinih dijelova ima izuzetan teorijski i
praktični (medicinski) značaj.
16. 16
Cijena koju populacije plaćaju uslijed postojanja homozigota u uslovima heteroze,
okupiranja različitih mikrostaništa, supstitucije alela djelovanjem prirodne
selekcije, itd., manifestuje se preko tzv. genetičke smrti. Genetička smrt ne
podrazumijeva isključivo fizičku smrt jedinke, već može biti izražena preko
sterilnosti, smanjene fertilnosti, nemogućnosti pronalaženja partnera, ili bilo kojih
uzroka smanjenja reproduktivne sposobnostigenotipova sa nižim fitnesom.
Populacija mora da plati cijenu zamjene 10 puta veću od svoje veličine.
Pretpostavka je da populacija može da žrtvuje samo 10% svojih članova, odnosno
100 generacija je potrebno da se izvrši kompletna supstitucija. Prema Holdejnu D
ima vrijednosti od 10 do 100, a reprezentativna vrijednost je 30. Za D = 30, za
zamjenu alela na jednom lokusu je potrebno 300 generacija, a da bi 2 populacije
potpuno divergirale po 1000 lokusa potrebno je 300 000 generacija. Po Holdejnu,
za formiranje vrsta je potrebno 500 000 godina.
17. 17
4. LITERATURA
Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike,
Beograd, 1986.
Mrežni udžbenik iz Genetike, prof. dr. sc. Mirjana Pavlica
file:///C:/Users/Melisa/Downloads/Savic%20Veselinovic%20Marija.pdf