Populatsioonigeneetika

Populatsioonigeneetika on geneetika haru, mis uurib geenide ja nende alleelide sageduste jaotust ja muutumist populatsioonides nelja põhilise evolutsioonimehhanismi tagajärjel: looduslik valik, geenitriiv, geenisiire ja mutatsioon. Võetakse arvesse ka rekombinatsioon, alampopulatsioonide (deemide) teke ja populatsioonistruktuur. Selle abil üritatakse seletada ka kohastumist ja liikide teket. Populatsioonigeneetikas leiavad laialdast rakendust mitmed statistilised uurimismeetodid ja valemid.
Populatsioonigeneetika oli üheks alustalaks sünteetilise evolutsiooniteooria tekkele, mille loojateks olid Sewall Wright, J. B. S. Haldane ja R. A. Fisher.
Algselt koosnes populatsioonigeneetika suures osas matemaatikast, kuid tänapäeval sisaldab see ka teoreetilist mõtlemist, laboritööd ja proovide kogumist.

Põhimõtted

Populatsioonigeneetika on teadusharu, mis uurib alleelide sagedusi ja vastastikmõju populatsioonides.

Seksuaalselt paljunev populatsioon on rühm organisme, milles iga paar suudab anda järglasi. See eeldab, et kõik liikmed kuuluvad samasse liiki ja elavad üksteise lähedal.

Näiteks loetakse üheks populatsiooniks ühes isoleeritud metsas elutsevad samast liigist kase-kedrikvaksikud. Selles populatsioonis olev geen võib esineda mitmes vormis, mis põhjustab erinevuse populatsiooni fenotüüpide vahel. Kase-kedrikvaksiku värvuse eest vastutavad kaks alleeli: must ja valge. Kõik geeni alleelivariandid moodustavad antud populatsiooni geenifondi. Alleelisageduste muutumist populatsioonis võib nimetada mikroevolutsiooniks. Näiteks alleel, mis määrab musta värvuse, muutub tavalisemaks.

Hardy-Weinbergi seadus

Looduslik valik tingib evolutsiooni ainult juhul, kui populatsioonis on piisavalt geneetilist variatsiooni. Enne, kui Mendel tegi oma avastused geneetilise pärandumise kohta, oli üheks levinumaks hüpoteesiks segunev pärandumine. Probleemiks oli geneetilise variatsiooni kiire kadumine ajas, mis muudab evolutsiooni loodusliku valiku mõjul ebatõenäoliseks. Hardy-Weinbergi seadus (H-W seadus) seletab, kuidas säilib variatsioon Mendeli seadusi järgivas populatsioonis. H-W seaduse kohaselt püsivad alleelisagedused (geneetiline variatsioon) populatsioonis muutumatuna, kui puuduvad valiku, mutatsioonide, rännete ja geenitriivi mõjud. Hardy-Weinbergi "tasakaal" viitab sellele alleelisageduste stabiilsusele ajas.
Teine osa H-W seaduses puudutab ühe generatsiooni vaba paaritumist. Sel juhul on alleelisageduste põhjal võimalik ennustada genotüüpide sagedusi. Lihtsaim variant on üksik lookus kahe alleeliga. Dominantset alleeli tähistatakse tähega A ja retsessiivset tähega a ning nende sagedused on vastavalt p ja q.

Sagedus(A) = p;

Sagedus(a) = q;
p + q = 1.

Kui populatsioon on H-W tasakaalus, siis:
AA homosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(AA) = p²
Aa heterosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(Aa) = 2pq
aa homosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(aa) = q²

Looduslik valik

Looduslik valik on fakt, mille kohaselt mõni omadus muudab organismi ellujäämise ja paljunemise tõenäolisemaks. Populatsioonigeneetika kirjeldab kohasust kui tõenäosust ellu jääda ja järglasi anda. Kohasus antakse tavaliselt valemiga
, kus s on valiku koefitsient. Looduslik valik mõjub fenotüüpidele ja koos sellega ka alleelide sagedustele. Kohasemad alleelid muutuvad sagedasemaks, sest neil on järglaste saamiseks mingi eelis. Sel viisil muudab looduslik valik kohasuste erinevused alleelisageduste muutuseks järgnevates generatsioonides.
Enne populatsioonigeneetika ilmumist oldi skeptilised selle suhtes, et kohasuste väikesed erinevused võiksid viia suuremate muutusteni evolutsioonis.
Populatsioonigeneetika lahendab selle, võrreldes valikut geenitriiviga. Looduslik valik on tugevam, kui s on suurem kui 1 jagatud efektiivse populatsiooni suurusega.

Kui see tingimus on täidetud, siis võimalus, et uus kasulik mutatsioon kinnistub populatsioonis, on võrdne 2s.

Aeg, mis kulub sellise alleeli fikseerumiseks, sõltub natuke geenitriivist ja on ligikaudu võrdeline

Geenisiire ja -ülekanne

Geenisiire ehk geenivool on geenide vahetus populatsioonide ulatuses, mis on üldjuhul samast liigist.

Näideteks sobivad migratsioon, organismide aretus või õietolm. Geenide ülekanne sisaldab hübriidorganismide teket ja horisontaalset geeniülekannet. Sisseränne võib muuta alleelisagedusi ja tuua uut geneetilist variatsiooni populatsiooni. Väljaränne seevastu võib mitmekesisust vähendada.

Reproduktsioonibarjäär

Populatsioonide laienedes tekib olukordi, kus keskkonna erinevuse tõttu hakkavad äärealadel lahknema uued liigid. Kui geenivool on piiratud mäestike, suurte veekogude või pikkade distantside tõttu, siis pika aja möödudes ei pruugi enam erinevatelt aladelt pärit isendid järglasi saada. Isegi inimese loodud ehitised, näiteks Suur Hiina müür, on pidurdanud taimede geenisiiret.

Olenevalt sellest, kui kaugele on kaks liiki lahknenud viimasest ühisest eellasest, võib veel järglaste saamine olla võimalik – hobusemära ja eeslitäku paaritamisel saame muula.

Sellised hübriidid on üldjuhul viljatud, kuna kahel erineval kromosoomikomplektil on suuri raskusi omavahelise paardumisega meioosis. Sel juhul võivad lähedasemad liigid omavahel tihti paarduda, aga hübriidid satuvad ebasoodsa valiku alla ja nad kaovad evolutsiooniga. Kuigi vahel moodustub ka edukaid hübriide, on nende omadused kas segu vanemate tunnustest või on neil täiesti uus fenotüüp.

Hübridiseerumise olulisus uute loomaliikide tekkel pole veel selge, aga on teada juhtumeid mitmesuguste loomade kohta.

Eriti hästi uuritud liik on hall puukonn.

Taimedel on hübridisatsioonil liigi tekkes oluline koht, sest taimed taluvad polüploidiat (rohkem kui kaks kromosoomi koopiat) paremini kui loomad.

Polüploidia on hübriidides oluline, sest lubab kahel erineval kromosoomikomplektil paarduda meioosis identse partneriga.

Polüploidsetel organismidel on ka rohkem geneetilist mitmekesisust, mis vähendab lähisugulaste paardumisel (inbriiding) tekkivat survet väikestes populatsioonides.

Geneetiline struktuur

Migratsiooni füüsilised piirangud koos populatsioonide vähese liikuvuse ja laienemisega (vagility) ning kalduvusega tagasi sünnikohta pöörduda (philopatry) ei lase populatsioonidel looduses olla nii geneetiliselt läbipõimunud kui juhuslike mudelite (panmixy) põhjal võiks väita.

Struktuursemad on sellised geograafilised piirkonnad, kus indiviidid on omavahel lähemas suguluses kui need, kes on juhuslikult valitud üldisest populatsioonist.

Seda võib põhjustada migratsioon ajaloolise kliimamuutuse tõttu või liigi leviku laienemine.

Mutatsioon

Mutatsioon on parim allikas geneetilise mitmekesisuse jaoks uute alleelide näol. Sellel võib olla erinevaid tagajärgi: ei oma mingit mõju, muudab geeni produkti või geen lakkab toimimast. Puuviljakärbse Drosophila melanogaster näitel on märgatud: kui mutatsioon mõjutab valku kodeerivat geeni, siis see on 70% tõenäosusega kahjulik, ülejäänud juhtudel ei muuda midagi või on kohasusele vähesel määral kasulik.

Mutatsioonid võivad olla osalised suurte DNA lõikude kordistumisel (duplikatsioon), tavaliselt geneetilise rekombinatsiooni teel.

Need duplikatsioonid (kümneid kuni sadu geenikoopiaid loomagenoomides miljoni aasta kohta) on suur osa toormaterjalist, millest arenevad uued geenid.

Uusi geene tekib mitmel moel: tavaliselt läbi duplikatsiooni ja ühe korduse muteerumise tõttu. Teiseks variandiks on erinevate geenide osade rekombineerimine, millega saadakse uus kombinatsioon koos uue funktsiooniga.

Siin toimivad valgu domeenid nagu moodulid, millel on oma funktsioon ja mida saab kokku segada, et luua uusi geene uute valkude jaoks, millel on uusi omadusi. Inimese silm kasutab nelja geeni, et luua valgustundlik struktuur, kolm värvuste eristamiseks ja üks hämaras valguses kujundite tuvastamiseks. Kõik neli pärinevad ühisest eellasgeenist.

Veel üheks eeliseks duplikaatsete geenide (või isegi terve genoomi) juures on suurem kõdusus (redundancy). See lubab ühel geenil leida uus funktsioon, samas kui teine teenib algset eesmärki.

Teist tüüpi mutatsioonid tekitavad aeg-ajalt uusi geene sinna, kus varem oli mittekodeeriv DNA.

Mutatsioonid, mis viivad geeni funktsiooni kadumisele, on oluliselt sagedasemad kui need, mis loovad uue täielikult funktsioneeriva geeni. Üldjuhul langevad funktsiooni kadumisega seotud mutatsioonid negatiivse valiku alla, aga kui valik on piisavalt nõrk ja taolist mutatsiooni juhtub piisavalt tihti, siis võib see evolutsiooni kulgu muuta.

Näiteks kipuvad evolutsiooni käigus kaduma minema need pigmendid, mis ei ole enam kasulikud, kui loomad on koopapimedusse elama asunud.

Kui puudub valik funktsiooni kadumise suunas, siis kiirus, millega funktsiooni kadu tekib, sõltub rohkem mutatsioonikiirusest kui efektiivsest populatsiooni suurusest.

Mutatsioonikiiruste erinevused

Mutatsioonide kahjulike mõjude tõttu rakkudele on organismidel välja arenenud sellised mehhanismid nagu DNA reparatsioon (parandus), et kõrvaldada või parandada mutatsioone.
 
Seega on optimaalne muteerumise kiirus tasakaal kõrge muteerumiskiiruse hinna ja kaitsemehhanismide tööshoidmise kulu vahel.

Viirused, mis kasutavad RNA-d geneetilise materjalina, muteeruvad oluliselt kiiremini (RNA kopeerimisel tehakse rohkem vigu) ning sellega üritavad viirused pidevalt areneda ja vältida peremeesorganismi immuunvastust.

Probleemid

Põhilised populatsioonigeneetika mudelid vaatlevad ainult ühte geeni lookust korraga. Praktikas on aga epistaatilised ja geeniaheldusseosed lookuste vahel ka olulised.

Epistaas

Epistaas on juhtum, kus ühe fenotüübi määrab mitu erinevat geeni. Looduslik valik ei mõjuta üksikuid lookusi, vaid fenotüüpi ning kõiki lookusi, mis selle moodustumisest osa võtsid.
Praktikas on paralleelselt kaks evolutsiooniteooriat: traditsiooniline populatsioonigeneetika tegeleb genotüüpidega ja biomeetrilist teooriat rakendatakse taime- ja loomaaretuses (tegeleb fenotüüpidega). Puuduv osa on genotüüpe ja fenotüüpe ühendav kaart. Sellest hoolimata võib ette tulla olukordi, kus saame analüüsimist jätkata, justkui teaksime seda kaarti. Neil juhtudel saame eeldada, et teame genotüübi ühest vastavust fenotüübile, näiteks sirprakuline aneemia, aga on palju olukordi, kus seda teha ei saa.

Geeniaheldus

Geeniaheldus tähendab alleelide pärandumist kahes või enamas lookuses nii, et nende alleelisagedused ei vasta haplotüüpide järgi leitud sagedustele.
Reaalsuses on tihti mõni alleel "ahelduse tasakaalutuses" geenidega mõnes muus lookuses, eriti need, mis asuvad lähestikku samal kromosoomil. Siin on probleem populatsioonigeneetika mudelite jaoks, mis arvestavad ühte geeni lookust korraga. Samas on võimalik loodusliku valiku mõju näha selective sweep (valikuline puhastus) näol. Aseksuaalselt paljunevates populatsioonides võib geeniaheldus olla täielik ning on võimalik tuletada ja lahendada populatsioonigeneetilisi valemeid, mis seksuaalse paljunemise korral käituksid üsna erinevalt.

Enamik mikroobe on aseksuaalsed. Mikroorganismide populatsioonigeneetika rajas vundamendi antibiootikumiresistentsuse ja eluohtlike patogeenide evolutsiooni uurimisele.

Rakendused

Populatsioonigeneetika võimaldab kogutud ja sekveneeritud DNA-st saada analüüsimeetodite abil infot, mis on kasutatav tõu- ja sordiaretuses ning populatsioonide kujunemise mudeldamisel.