mendelististä genetiikkaa joukoissa: Hardyn ja Weinbergin "laki" Selektio, sattuma

Transkriptio

1 Populaatiogenetiikka = mendelististä genetiikkaa joukoissa: Hardyn ja Weinbergin "laki" Selektio, sattuma Monisteen sivu 53

2 Kurssilla on yksi ainoa populaatiogenetiikkaa sivuava empiirinen työ: Oman veriryhmän määritys Veriryhmästä päästään aasinsilloin HW-tasapainon kautta alleelifrekvensseihin ja niiden maantieteellisiin jakautumiin Populaatiogenetiikan lainalaisuuksia tutkitaan myös kuiviltaan tietokonesimulaatioiden avulla

3 Veriryhmäpolymorfismi 1900 Karl Landsteiner keksi, että ihmisveret luokittuvat kolmeen ryhmään A, B ja nolla seerumin ja punasolujen agglutinaatio-ominaisuuksien perusteella (Nobel-palkinto hälle 1930) von Dungern ja L. Hirzfeld selittivät AB0 -veriryhmät täysin periytyviksi, ja ehdottivat kahta eri geenilokusta A ja B antigeenien tuotantoon (2 lokusta, 2 alleelia molemmissa) Ludwik ja Hanka Hirzfeld julkaisivat eri roduista (kuten siihen aikaan sanottiin) ja kansallisuuksista suuren määrän veriryhmätietoja, joita olivat keränneet toimiessaan sotilaslääkäreinä Balkanilla.

4 Veriryhmäpolymorfismi Oikean periytymisselityksen keksi vuonna 1925 matemaatikko Felix Bernstein, Göttingen (joka kuului Cantorin ja Hilbertin luokkaan). Yksi lokus, kolme alleelia. Veriryhmägeeni oli ensimmäinen ihmisgenetiikan merkkigeeni eli geeni, jonka alleeleita voidaan käyttää esimerkiksi kartografisissa esityksissä yms.

5 Viime vuosisadan loppupuolella veriryhmäsysteemin molekyyligeneettinen perusta on selvitetty. Hämmästyttänee kreationisteja, mutta apinoilla (kädellisillä) on sama järjestelmä, toisin sanoen veriryhmien perustana oleva geneettinen muuntelu on vanhempaa kuin koko ihmiskunta. Martinko, Vincenk, Klein, Klein (1993) Primate ABO glycosyltransferases: Evidence for trans-species evolution. - Immunogenetics 37: 274-). On saatu mm. selville, että Helicobacter pylori käyttää veriryhmän määrittäviä komponentteja hyväkseen päästäkseen soluja raiskaamaan ja aiheuttaa sitten maha- ja pohjukaissuolihaavoja: Helicobacter pylori tuotti tutkijoilleen Nobelin vuonna

6 Joku juttu tuosta aiheesta: The Relationship of ABO Blood Group, Age, Gender, Smoking, and Helicobacter pylori Infection Mehmet Kanbay1, 4, Gürden Gür2, Hande Arslan3, Ugur Yilmaz2 and Sedat Boyacioĝlu2 (1) Department of Internal Medicine, Baskent University Faculty of Medicine, Fevzi Cakmak Caddesi, 10 Sokak, No. 45, Bahcelievler, Ankara, Turkey(2) Department of Gastroenterology, Baskent University Faculty of Medicine, Fevzi Cakmak Caddesi, 10 Sokak, No. 45, Bahcelievler, Ankara, Turkey(3) Department of Infectious Disease, Baskent University Faculty of Medicine, Fevzi Cakmak Caddesi, 10 Sokak, No. 45, Bahcelievler, Ankara, Turkey(4) 35 Sokak, 81/5, Bahcelievler, Ankara, Turkey Received: 21 August 2004 Accepted: 9 November 2004 Abstract It is well known that blood group antigens are related to the development of peptic ulcer and gastric carcinoma. This study sought to determine the relationship between H. pylori and ABO/Rhesus blood groups, age, gender, and smoking. Patients (335 women and 205 men; mean age, ± 15.0 years; range, years) who attended our outpatient clinic were enrolled in the study. All patients were randomly selected in each age group. Demographic data recorded for each patient included age, gender, and tobacco use. Blood samples were tested for H. pylori antibodies, and ABO/Rhesus blood group antigen typing was performed. Serum antibodies were tested against H. pylori infection. Prevalences of all blood groups were O (29.2%), A (38.2%), B (17.8%), and AB (14.8%). As expected from previous studies, we found that seropositivity for H. pylori increased with age. H. pylori Ig G antibody positivity was detected in 185 of 335 women (60.6%), compared with 88 of 205 men (42.9%), a statistically significant difference (P < 0.05). H. pylori Ig G antibody positivity was detected in 206 of 379 nonsmokers (54.3%) compared with 67 of 161 smokers (41.6%), a statistically significant difference (P < 0.05). Patients in blood groups A and O were more prone to H. pylori infection than were patients in other blood groups (P < 0.05), and patients in the AB blood group were less prone to H. pylori infection compared with patients in other blood groups (P < 0.05). The results of this study demonstrate that H. pylori infection can be related to ABO blood group, age, gender, and smoking. Key Words Helicobacter pylori - ABO blood groups - age - smoking

7 Balansoiva selektio on kehittänyt ja ylläpitää ABOveriryhmäpolymorfismia ihmiskunnassa ja kädellisissä Tauti Veriryhmä ero Veriryhmä altis tolerantti Pohjukaissuolihaava 0 36 % A Mahahaava 0 16 A Mahasyöpä A 20 0 Pernisiöösi anemia A 26 0 Rutto 0? muut Kolera 0? muut Isorokko A < Äiti-lapsi inkompatibiliteetti 0-äitien A-lapset: 5% Rh-tekijä Mahahaavat aiheuttaa Helicobacter pylori

8 0-alleelin (eli i) runsaus maailmassa (alkuperäiskansoissa) kertoo rutosta ja vaelluksista

9 Tehtävä: Määritetään kurssilaisten ABO-veriryhmä tavallisella agglutinaatiotestillä anti-a-ja anti-b-seerumilla. Taulukoidaan kaikkien ryhmien tulokset yhteen. Veriryhmä Fenotyyppi Genotyyppi 2001 kurssi ennen yht. suomalaiset % A I A /I A, I A /i 44.2 B I B /I B, I B /i 16.6 AB I A /I B i/i 31.2 Lasketaan sitten alleelifrekvenssit HW-mallin perusteella

10

11 Jos tarkastelette veriryhmän määritysreagensseja eli seerumeita, voitte oppia jotakin: Pulloissa ei olekaan seerumia (siis veren liemiosaa), joka olisi eristetty tietyn veriryhmähenkilön verestä sentrifugoimalla punasolut Vaan: vasta-aineet on tehty monoklonaalisella antipoditekniikalla hiiren hybridomasolulinjoissa tehtaassa

12 CELL 477

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 O-ryhmäläinen

23 Klug & Cummings O-ryhmäläinen Bombay-mutaatio

24 Kolmen alleelin Hardy & Weinberg -malli ABO -veriryhmät johtuvat saman geenilokuksen kolmesta eri alleelista, joiden frekvenssit ovat p, q ja r. I A p I B q i r I A p A p² AB pq A pr I B q AB pq B q² B qr i r A pr B qr 0 r² Kun (jos) populaatio on tasapainossa, saadaan genotyyppifrekvenssit alleelifrekvensseistä: (p + q + r)² = p² + q² +r² + 2pq + 2 pr + 2qr

25 I A I B i I A A AB A I B AB B B i A B 0

26 1) 0-veriryhmän edustajien genotyyppi tiedetään varmasti ja siinä on vain yksi tekijä f(i/i) = r². Lasketaan tästä i-alleelin frekvenssi: r = (0/Ν). r = = 2) Kun nyt tiedetään i-alleelin frekvenssi r, voidaan ratkaista p: A- veriryhmän frekvenssi on p² + 2p = 0.442, p = 3) Samoin voitaisiin laskea q: q² + 2q = 0.166, q = Estimaateilla on virhevaihtelu, joka riipuu näytekoosta. Mahdollinen virhe, joka johtuisi siitä, ettei H&W olisi voimassa on mahdoton havaita pelkkiä fenotyyppejä tarkastellen.

27 Yllä esitetty laskutapa ei kuitenkaan anna oikeata, eipä edes parasta mahdollista estimaattia alleelifrekvensseille. A, B ja AB veriryhmien keskinäistä suhdetta ei otettu huomioon. Aloitettiin vain O-ryhmästä. Kurssilla voidaan laskea ns. maximum likelihood -estimaatti iteroiva tietokoneohjelma joka ei anna kovin monen desimaalin eroa edelliseen, onpahan kuitenkin teoreettisesti tarkastellen oikeampi.

28 Populaatiogenetiikka on mendelististä genetiikkaa joukoissa Hardyn ja Weinbergin malli* kertoo, miten genotyypit johtuvat alleelien frekvensseistä *Malli = jonkun ilmiön matemaattinen tai verbaalinen formulointi

29 Miten geenit elelevät populaatioissa, vieläpä pitkiä aikoja? Populaatio on lisääntymisyhteisö ja lisääntymisjatkumo Yksilöt (genotyypit) ovat geenien tilapäisiä yhteenliittymiä, mutta populaatioissa geenit elelevät ikuisesti [kunnes katoavat] Nykyisin tavattavat geenit ovat eläneet jo puoli ikuisuutta, tosin muuttuen ja kehittyen Meioosi jakaa geenit tytärsoluille/gameeteille Geeneihin syntyy muutoksia eli mutaatioita. Saman geenin eri muotoja sanotaan alleeleiksi

30 Meioosissa kromosomit segregoituvat tutun mallin mukaan, ensin vastinkromosomien kinetokorit omiin napoihinsa (halkeamatta) ja sitten sisarkromosomit omiinsa, siten että kinetokori halkeaa. Diplodi yksilö tuottaa meioosissa haploideja gameetteja, ja tämä vuorottelu on myös populaatiogenetiikan perusjuttu Keksijät: Castle, Hardy, Weinberg, Tchetverikov, noin

31 Genotyyppejä AA 11 Aa 9 aa 5 Yksilöitä 25

32 Genotyyppejä AA 11 Aa 9 aa 5 Yksilöitä 25

33 Genotyyppejä AA 11 Alleeleita 2 x = 31 Aa 9 aa 5 2 x = 19 Yksilöitä 25 50

34 Alleeleita A 31 a 19 Alleeleita 50

35 Alleeleita A 31 31/50 = 0.62 a 19 19/50 = 0.38 Alleeleita 50

36 Kuvitellaanpa alleelit irrallisiksi Gameeteissa ne ovatkin irrallisia ja yleensä heitteillä

37 Alleelien satunnainen pariutuminen uusiksi genotyypeiksi

38 Hardyn ja Weinbergin malli!

39 Hardyn ja Weinbergin mallin osat Alleelit Alleelien frekvenssit p + q = 1, q = 1-p Genotyypit A a p q AA Aa aa Genotyyppifrekvenssit p 2 2pq q 2 (p + q) 2 =1 Fenotyyppifrekvenssit riippuvat dominanssisuhteista. Usein on tapana että a on resessiivinen alleeli, jolloin q 2 on resessiivisen (esim. sairauden) frekvenssi

40 A p a q A p p 2 pq a q pq q 2

41

42 Hardyn ja Weinbergin malli X-kromosomaaliselle alleeliparille f(a) = p f(a) = q Koirailla: genotyyppi A/Y = p, a/y =q Naarailla: genotyypit AA = p 2, Aa = 2pq, aa = q 2

43 HW XY-systeemissä, X-kromosomissa olevat tekijät A a Y A a naaraat (tai XX) koiraat (tai XY)

44 Mitokondrio ja Y-kromosomi eivät noudata mitään HW-mallia, koska ne periytyvät haploidisti

45 Hardyn ja Weinbergin tasapaino (equilibrium) Nämä genotyypit oli piirretty post-it lapulle aivan mielivaltaisesti, tähdäten vain siihen, että kaikkia tyyppejä on, mutta lukumäärästä piittaamatta Odotettu HW:n mukaan Genotyyppejä AA Aa aa Yksilöitä 25

46 Jotta Hardyn ja Weinbergin tasapaino olisi voimassa, populaation olisi täytettävä tietyt oletukset Gameettien pariutuminen on satunnaista (panmiksia) - ei (satunnaista enempää) sukusiitosta - ei alueellisia eroja alleelifrekvensseissä - ei siis immigraatiota - ei sukupuolieroja alleelifrekvensseissä - ei genotyyppien selektiota ennen laskentaa HW-tasapainossa oleva populaatio on siis MALLI Malli (hypoteesi) tuottaa testattavia ennusteita

47 HW-mallia käytetään paljon tutkittaessa populaatioita - Muuntelevien entsyymigeenien (allotsyymien) avulla - Mikrosatelliittimarkkereilla - Muilla nukleaarisilla merkkigeeneillä tms Jos HW-tasapaino vallitsee, todetaan populaatiota koskevien oletusten olevan voimassa - Jos havaitaan poikkemia, ne kertovat jostakin ekologisesta ilmiöstä, kuten migraatiosta, jakautumisesta osapopulaatioihin, yksilöiden epätasaisesta osanotosta lisääntymistapahtumassa, siitepölyn kaukoleviämisestä, luonnonvalinnasta yms.

48 Hardyn ja Weinbergin tasapainoilua Oletukset - gameettien satunnainen pariutuminen - koiraissa ja naaraissa frekvenssit samat - ei jakautumista osapopulaatioihin (ohjelma puuttuu) - ei valintaa fertilisaation ja laskennan välissä -jne -Oletusten rikkominen tai täyttämättä jääminen on ekologiaa - Kysymys: kuinka tehokkaasti havaitsemme oletusten rikkomista? - Vastausväline: mallin malli, eli ohjelma joka testaa testausta HWModels4.exe

49 Simulointilomake HWModels4.exe

50 Näytekoko Oletusarvo: 100 Alleelifrekvenssit m koiraat f naaraat Oletusarvo: 0.5 Starttinappi Näytön siivous Genotyyppien fitness Oletusarvo: 1 Itsesiitosaste Oletus: 0 HWModels4.exe

51 HWModels4.exe Asetetut alleelifrekvenssit Alleeliarpajaisten tuotto AA yksilöitä Aa Arvonnassa totetunut alleelifrekvenssi (laskettu yksilöistä) aa Testisuure X 2 Odotetut yksilömäärät Taulukkoarvot χ2 (laskettu havaitusta Vapausasteita on vain yksi, sillä alleelifrekvenssistä) yksi katoaa alleelifrekvensseihin

52 Kysymys: kuinka usein testisuure ylittää arvon näillä asetuksilla? HWModels4.exe

53 HWModels4.exe Koirailla ja naarailla erilaiset alleelifrekvenssit Kysymys: onko testisuure ei koskaan/aina/useammin kuin edellisillä asetuksilla suurempi kuin 3.841? Toisin sanoen: suurelta tuntuva ero on olemassa, mutta havaitsemmeko sen? Tarkkailkaa myös alleelifrekvenssin estimaattia.

54 HWModels4.exe Melko tuntuva selektio on laitettu tappamaan genotyyppejä ennen laskemista. Kysymys: onko testisuure ei koskaan/aina/useammin kuin edellisillä asetuksilla suurempi kuin 3.841? Toisin sanoen: suurelta tuntuva ero on olemassa, mutta havaitsemmeko sen? Tarkkailkaa myös alleelifrekvenssin estimaattia. Sehän muuttuu kovasti verrattuna asetettuun.

55 HWModels4.exe aa on miltei letaali Kokeile luontevampia frekvenssejä (p = f(a) korkea)?

56 Kun et siivoa ruutua joka välissä, voit havainnollistaa genotyyppifrekvenssien eroja Laskut lasketaan aina n-annoksina, tässä n = 100 HWModels4.exe