Átírás

1 1 of 8 5/16/2009 3:04 PM Populáció-genetika A kiszámíthatatlan genetikai sodródás kiszámítható következményei Vagy 5 millió évvel ezelőtt egy pintycsapat sodródott az Egyenlítőn fekvő Galapagos-szigetek egyikére. Még a legközelebbi dél-amerikai szárazföldtől is ritkán vetődnek madárcsapatok a több száz kilométerre fekvő szigetekre. Ez a pintycsapat 15 új pintyfaj kialakulásához vezető, szétágazó evolúciós folyamat kiindulópontja lett. 1. cédula Néha előfordulhat, hogy egy nagyobb népességből kivándorló egyedek valamelyike hordoz egy, a népességben egyébként ritkán előforduló öröklődő rendellenességért felelős allélt. Dél-Afrika holland származá-sú telepeseinek többsége egy 1652-ben befutott hajó utasaitól szárma-zik. Azóta az afrikánernek nevezett népesség létszáma re nőtt. Ebben a népességben két öröklődő rendellenesség is nagyobb gyakoriságú, mint az európai anyaországban. Az egyik a Hunting-ton-kór, amely egy felnőttkorban jelentkező, dominánsan öröklődő halálos betegség, a másik a protoporfirogén-oxidáz enzim károsodá-sa, amely a barbiturátokkal szembeni olykor végzetes reakcióra vezet. Mindkét hibás allél egy-egy bevándorlótól ered, relatív gyakoriságuk a bevándorlók kis létszáma miatt volt magas, s ezt a gyenge szelekció mindmáig nem csökkentette számottevően. Ugyanerre az okra vezet-hető vissza a sarlósejtes vérszegénységért felelős allél viszonylag nagy gyakorisága Észak-Amerika fekete lakosságában, a Tay-Sach betegség gyakori megjelenése az askenázi zsidók között vagy az albínók gya-kori felbukkanása a

2 2 of 8 5/16/2009 3:04 PM hopi indián népességben. Az alapító hatás és a palacknyak A távoli Tristan da Cuhna-sziget mai lakói mindannyian a XIX. század elején érkezett bevándorló leszármazottai. Sőt, mint azt DNS alapú molekuláris genetikai módszerekkel bizonyították, a 250 lakos többsége abból a skót családból származik, amely 1817-ben érkezett a szigetre. A ma csak Afrikában élő gepárdok valaha a világ minden részén előfordultak. Most mindkét alfajuk csaknem monomorf: a kelet afrikai alfaj harminc példányában 49 enzimet vizsgáltak, s közülük csak kettő volt polimorf (P=0,04, H=0,01), a délafrikai alfaj 98 egyedében a polimorfizmus még kisebb, 0,02, a heterozigótaság pedig 0,0004 volt! Ebből megállapították, hogy a gepárdok létszáma legalább kétszer nagyon alacsonyra zuhant. Az evolúciógenetikusok már a század első évtizedeiben felismerték, hogy a populácók létszámcsökkenése genetikai összetételük megváltozásához vezet. Egy kis létszámú utódpopulációba nem feltétlenül kerül át az összes allél, amely a szülői populációban még jelen volt, mint ahogy a minőségellenörök által kiválasztott néhány mintadarab közé sem feltétlenül kerül selejtes darab.

3 3 of 8 5/16/2009 3:04 PM 2. cédula A genetikai sodródás folyamata N szaporodó egyedekből álló populációkban. Gondoljátok meg, mekkora a valószínűsége, hogy egy fekete és fehér golyókat azonos számban tartalmazó urnából egymás után 10 feketét húzzunk, úgy, hogy a kihúzott golyót húzás után visszateszem? (0,510). A kis létszámnak nem csak az a következménye, hogy az utódokba nem kerülnek be egyes ritka allélek, hanem az is, hogy a megmaradó allélek gyakorisága nem feltétlenül egyezik az alapítók eredeti populációjában talált gyakoriságukkal. Ha valaki sötét és világos alapszínű tarkababot összekever, ellenőrizheti, hogy a vaktában kiválasztott tíz babszemben a sötét és világos szemek aránya sorozatonként más és más lesz. Nagyon ritkán még az is elfordul, hogy csak világos vagy csak sötét bab lesz a mintában. Különösen jól érzékelhető, hogy a kis létszám miatt hogyan változik meg a populáció genetikai összetétele, ha valahol egy-két tucat egyed alapít elszigetelt populációt. A kóborló egyedek által alapított kis létszámú populációk további sorsát nagymértékben meghatározhatja, hogy pusztán a csoport kis létszáma miatt mintavételi hibából megváltozik a genetikai összetétel. Ezt nevezik alapító hatásnak (1. cédula). A populáció létszámának radikális csökkenése, a népesség palacknyakszerű szűkülése nem csak akkor fordulhat elő, ha az idegen helyre vetődő kóborló egyedek valahol letelepszenek. Az időjárási viszontagságok, például egy-egy hosszú aszály vagy egy kitartó esőzés, esetleg egy járvány is leszoríthatja egy-egy faj létszámát. A létszám fogyatkozása a genetikai összetétel esetleges megváltozásával is jár annak ellenére, hogy a katasztrófát követően a népesség sokszor robbanásszerűen növekszik.

4 4 of 8 5/16/2009 3:04 PM 1. ábra. A két ábra három időpontban mutatja, hogy a kromoszómák hány százaléka volt PP típusú a tíz kis illetve tíz nagy tenyészetben

5 5 of 8 5/16/2009 3:04 PM 2. ábra. A barna allélt hordozó tenyészetek számának generációnként változásaaz időben előre haladva Az evolúciógenetika angol és amerikai ősagyatyái, Ronald Fisher és Sewal Wright között már a húszas években megkezdődött a napjainkban felújuló vita arról, hogy ezeknek az esetleges genetikai összetétel változásoknak mi lehet az evolúciós szerepe. Sewal Wright csúszkáló genetikai egyensúly elmélete szerint, az evolúciós változások egyik motorja a populációk térbeli strukturáltságából adódó részleges és időszakos elszigetelődés s ebből adódóan a genetikai összetétel esetleges változása. Ronald Fisher szerint viszont a nagy méretű populációkban változhat leggyorsabban a genetikai összetétel, bennük legnagyobb az evolúciós változás. A genetikai sodródás és a mintavételi hiba Az alapító és a palacknyak hatás csak szélsőséges esetei egy nemzedékről nemzedékre minden populációban lejátszódó folyamatnak, amelyet genetikai sodródásnak nevezünk. Az ideális populációval ellentétben a valóságos népességek egyed-száma véges, ezért genetikai összetételük abban az esetben is változhat, amikor nincsenek kitéve szelekciónak, nincs migráció, nem képződnek új mutánsok és a párosodás is véletlenszerű. Az ivarosan szaporodó élőlények rengeteg ivarsejtet termelnek, de a szaporodó egyedek létszáma mindig jóval kisebb, mint az ivarsejteké. Ezért egy egyébként ideális populációban tekinthetjük úgy, hogy a szaporodó egyedek, azaz a következő nemzedék szülei, az ivarsejt-populációból véletlenszerűen kiválasztott minta (2. cédula). A szaporodó populáció genetikai összetétele az ivarsejt-populáció genetikai összetételén múlik, valamint azon, hogy a rengeteg ivarsejt közül melyikből lesz zigóta, illetve, hogy melyik zigótából lesz szaporodó egyed. Az ideális -hoz közeli eset, amikor sok egyedből származó halikrát és haltejet összekevernek, s a

6 6 of 8 5/16/2009 3:04 PM megtermékenyült petesejtek egy részét továbbszaporítják. Minél kisebb a továbbszaporított egyedek száma, az utódpopuláció összetétele annál inkább eltérhet a szülői populáció összetételétől. Ezt meggyőzően mutatja a 1. ábra. 3. cédula Tenyészetenként meghatározva a barna allél relatív gyakoriságát, összeadva és elosztva a tenyészetek számával kiszámíthatjuk az átlagos allélgyakoriságot.ez, mint az ábra mutatja a kezdeti 0,5-ös átlagos allélgyakoriság körül ingadozik. A genetikai sodródás folyamán tehát nem változik meg a tenyészetek átlagos összetétele. Ha a tenyészetek egyik felében az egyik, a másik felében pedig a másik allél fixálódik, az átlagos allélgyakoriság változatlanul 0,5 lesz. Sodródás a muslicatenyészetben

7 7 of 8 5/16/2009 3:04 PM 3. ábra. A különböző számú barna allélt tartalmazó tenyészetek várható száma generációnként a Fisher Wright-modell alapján 4. ábra. Az átlagos heterozigótaság változása Theodosius Dobzhansky, Nobel-díjas evolúciógenetikus 1955-ben tíz nagy (4000 egyed) és tíz kicsi (20 egyed) tenyészetet hozott létre ecetmuslicákból. A tenyészetekbe kerülő egyedek mindegyike heterozigóta volt egy mikroszkóp alatt jól látható kromoszóma-mutációra. Másfél év múlva összehasonlítva a tenyészetek összetételét azt találták, hogy a kis tenyészetek lényegesen nagyobb mértékben különböztek egymástól, mint a nagyok (1. ábra). A következő évben P. Buri egy másik ecetmuslicakísérlet eredményeit tette közzé. A kísérlettel a kis létszám populációgenetikai hatásainak megértésére szer-kesztett matematikai modelleket akarta ellenőrizni. 107 darab olyan 8 hímből és 8 nőstényből álló tenyészetett hozott létre, amelyek egyedeinek mindegyike hetero-zigóta volt az egyedek életképességét és termékenységét nem befolyásoló, azaz neutrális, barna szemmutációra. Az erre a mutációra homozigóta illetve heterozigóta egyedek a szemük színe alapján elkülöníthetőek egymástól. Minden tenyészet 16 barna és 16 vad szemszínért felelős alléllt tartalmazott. A tenyészeteket úgy tartották fenn, hogy az utódok közül mindig csak 8:8 egyedet tenyésztettek tovább. Minden generációban meghatározták a szaporodásra véletlenszerűen kiválasztott muslicák szemtípusát, s abból kiszámították a vad és a mutáns allélek számát, majd az allélgyakoriságot. A 2. ábra mutatja, mi történt a tenyészetekben. Az első generációban több olyan tenyészetet kaptak, amelyekben a vizsgált lokusz 32 allélja közül nem pontosan 16 volt mutáns, miközben a tenyészetek egy részében maradt a kiindulási 1:1 arány a mutáns és a vad allél között. A következő generációkban egyre inkább szétterült az allélok számának megoszlása, majd az 5. generációtól kezdett a két szélén felgyűrődni. A szélső tenyészetek olyan állapotba kerülnek, amelyből nincs visszaút, belőlük ugyanis az egyik vagy a másik allél kiesett, viszont minden út ezekhez a szélső, nyelő állapotokhoz vezet. Így érthető, hogy a 18. generációra már a tenyészetek fele homogén volt valamelyik allélra nézve, s e két állapot között lapos, azaz egyenletes a tenyészetek megoszlása. Tovább folytatva a kísérletet minden bizonnyal csupa monomorf tenyészetet kapnánk. Várhatóan a tenyészetek egyik fele a mutáns, a másik fele pedig a vad allélra nézve homogenizálódik (3. cédula). A 3. ábra mutatja, hogy a genetikai sodródást Markov-láncként modellező (4. cédula) populáció genetikai modell alapján a tenyészetek milyen megoszlását várjuk. A tényleges és a várt megoszlás közti különbség valószínűleg jóval kisebb lenne, ha nem csak 107, hanem 1000 tenyészettel végezzük a kísérletet. Az ellapulás és a felgyűrődés sebességét a modellben egyedül a populáció egyedszáma szabja meg, s így van ez a laboratóriumi tenyészetekben is. Azt várjuk, hogy a heterozigóták gyakorisága 1,39 N generáció, azaz esetünkben 1,39 16=22,2 generáció alatt feleződik. A folyamat azonban gyorsabb volt a laborban

8 8 of 8 5/16/2009 3:04 PM ennél. A 4. ábrán levő pontok az egyes tenyészetek heterozigóta gyakoriságainak átlagát adják meg minden generációban, míg az egyenes a 16 egyedre vonatkozó modell alapján várt átlagos heterozigótaságot. Az eltérést azzal magyarázhatjuk, hogy az utódok létrehozásában nem egyforma mértékben vett részt mind a nyolc egyed (például azért, mert az együtt tartott egyedek nem monogám párokat alkottak, s egyes hímek sikeresebbek voltak társaiknál), azaz az utódok genetikai összetételét ténylegesen meghatározó egyedszám kisebb 16-nál. Valójában a 9 egyedre vonatkozó modell (alsó vonal) előrejelzése egyezik jól meg a kapott eredménnyel. Azt mondhatjuk, hogy a tenyészeteknek a genetikai sodródás következtében fellépő homogenizálódását meghatározó effektív egyedszáma 9. A kérdéseink eddig egyetlen lokusz sorsára vonatkoztak sok szubpopulációban. De azonos modellek adnak választ arra a kérdésre is, hogyan csökken a véges egyedszám miatt sok lokuszon az átlagos heterozigótaság egy-egy populáción belül. Tehát közelítőleg 1,39 N generáció szükséges ahhoz, hogy a lokuszok felén fixálódjon valamelyik, kezdetben azonos gyakorisággal jelenlevő allél. 4. cédula A genetikai sodródás felfogható úgy, hogy a populáció egy adott generáció-ban a vizsgált allél száma által megha-tározott állapotokban lehet (0, 1, N lehet benne a vizsgált allélból; (lásd: 3. és 4. ábra). Megadható, hogy ezekből a lehetséges állapotokból milyen való-színűséggel kerülhet a többi állapotba. Markov-láncknak nevezzük azokat a fo-lyamatokat, amelyeknek nincs memó-riájuk, azaz amelyeknél a t időpont állapotának ismerete elegendő a t+1 időpont állapotának kiszámításához. Gyakorlati és elméleti tanulság A genetikai sodródás modellezése és kísérleti vizsgálata egyaránt azt mutatja, hogy a kis egyedszám (az egyedszám csökkenése) a genetikai polimorfizmus elveszté-séhez vezet, s mint ilyen, egy-egy populáció és egy-egy faj adaptációs, evolúciós lehetőségeit szűkíti, mivel a mutációk felszaporodása a mutációk csekély gyakori-sága miatt lassú folyamat. A természetes élőhelyek feldarabolása, területük szűkítése a populációk méretének csökkenéséhez, tehát homogenizálódáshoz vezet. Miközben a folyamat természetéből következően nem lehet megjósolni, melyik populációból melyik allél pontosan mennyi idő alatt vész el, az átlagos változásokat, s ezek sebességét elég pontosan megbecsülhetjük. Dr. Pásztor Erzsébet (ELTE Genetika Tanszék)