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

Neli evolutsioonimehhanismi

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

Geenitriiv
Geenitriiv on alleelisageduste juhuslik muutus populatsioonis.

Järglaste alleelid moodustuvad juhuslikult vanemate alleelide seast.

Geenitriiv võib viia mõne geenivariandi täieliku kadumiseni ja sellega vähendada liigisisest variatsiooni. Vastupidi looduslikule valikule, mis teeb mõned geeniteisendid enam või vähem levinuks vastavalt nende paljunemise edukusele,

ei sõltu geenitriiv keskkonna ega kohanemise survest ja võib anda paljunemise seisukohast kasulikke, neutraalseid või kahjulikke tulemusi.

Geenitriiv mõjub intensiivsemalt vähem esindatud alleelidele kui sagedasematele. Teadlased vaidlevad selle üle, kumb on evolutsioonis olulisem, kas geenitriiv või looduslik valik. Ronald Fisher oli seisukohal, et geenitriiv mängib ainult väikest rolli evolutsioonis, ja see vaade jäi domineerivaks mitmekümneks aastaks. 1968. aastal võttis Motoo Kimura uuesti teema üles oma neutraalse molekulaarevolutsiooniteooriaga, mis väidab, et suurem osa muutustest geneetilises materjalis on tingitud neutraalsetest mutatsioonidest ja geenitriivist.

Seda on kritiseerinud John H. Gillespie ja Will Provine, kelle sõnul on looduslikul valikul aheldatud piirkondades suurem stohhastiline jõud.
Geenitriivi vaatlemiseks kasutatakse populatsioonigeneetikas hargnevaid protsesse või hajumise valemit, millega kirjeldatakse muutusi alleelisagedustes.
Neid lähenemisi kasutatakse tavaliselt koos Wright-Fisheri ja Morani mudelitega. Kui eeldame, et geenitriiv on ainus evolutsioonijõud, mis mõjub alleelile, siis pärast t generatsiooni on programmiga simuleeritud populatsioonides alleelisageduste erinevus Vt 

p ja q on alleelide algsagedused.

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.

Horisontaalne geeniülekanne

Horisontaalne geeniülekanne on geneetilise materjali kandumine ühest organismist teise, kes ei ole esimese järglane. Kõige sagedamini võib seda näha bakteritel.

Meditsiinis tähendab see antibiootikumiresistentsuse levikut. Kui ühel liigil on tekkinud resistentsus, levib see kiiresti erinevate bakteriliikide vahel. Horisontaalne geeniülekanne võib toimuda bakterist eukarüooti, näiteks pagaripärmi Saccharomyces cerevisiae ja adzuki oapõrnika Callosobruchus chinensis vahel.

Üks näide mahukamast ülekandest on partenogeneesi abil paljunevad lestalised bdelloid rotifers, kes võisid saada hulga geene bakteritelt, seentelt ja taimedelt.

Viirused suudavad ka DNA-d kanda organismide vahel, mis lubab geenide ülekannet bioloogiliste domeenide vahel.

Suured ülekanded võisid toimuda ka eukarüootse ja prokarüootse raku eellastes, kui tekkisid rakuorganellid kloroplast ja mitokonder.

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 valikulise puhastuse (selective sweep) 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.

Ajalugu 

Populatsioonigeneetika sünd oli kui kompromiss Mendeli ja biomeetrikute mudelite vahel. Võtmesammuks oli Briti bioloogi ja statistiku R.A. Fisheri töö. Fisher näitas alates 1918. aastast mitmes oma teadusartiklis ja lõpuks raamatus "The Genetical Theory of Natural Selection" (1930), et biomeetrikute mõõdetud pidev varieeruvus võib olla põhjustatud mitme geeni koosmõjust. Lisaks näitas veel loodusliku valiku mõju alleelisagedustele, mis viib sellega liike evolutsioonini. 1924. aasta alguses töötas teine Briti geneetik J. B. S. Haldane välja matemaatilise mudeli ühe lookuse alleelisageduse muutuse kirjeldamiseks erinevates tingimustes. Haldane rakendas statistilist analüüsi ka praktikas leiduvatele loodusliku valiku näidetele, näiteks kedrikvaksikute evolutsioonile, ja väitis, et valiku koefitsient võib olla suurem kui Fisher eeldas, mis lubaks kiiremini kohanevat evolutsiooni.

Tõuaretuses katseid teinud Ameerika bioloog Sewall Wright keskendus üksteist mõjutavate geenide kombinatsioonide uurimisele ja vaatles inbriidingut väikestes, suhteliselt isoleeritud populatsioonides, millel olid geenitriivi tunnused. 1932. aastal käis Wright välja "kohasuse maastiku" põhimõtte ja ei nõustunud väitega, et geenitriiv ja inbriiding võiksid viia väikese, isoleeritud alampopulatsiooni eemale "kohasuse tipust", võimaldades looduslikul valikul suunata see mõnda teise "kohasuse tippu".

Fisheri, Haldane'i ja Wrighti tööd panid aluse populatsioonigeneetika teadusharule. See sidus loodusliku valiku Mendeli geneetikaga, mis oli esimene kriitiline samm ühtse evolutseiooni toimimise teooria loomiseks. 

John Maynard Smith oli Haldane'i õpilane, samas kui W. D. Hamiltonile oli tugevat mõju avaldanud Fisheri kirjutised. Ameeriklane George R. Price töötas koos mõlemaga, nii Hamiltoni kui ka Maynard Smithiga. Ameeriklasele Richard Lewontinile ja jaapanlasele Motoo Kimurale oli suureks eeskujuks Wright.

Rakendused 

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

Viited

Välislingid
Population Genetics I

Geneetika
Evolutsioonibioloogia