Populasjonsgenetikk

Populasjonsgenetikk er studiet av endringer i allel- og genotypefrekvens i naturlige populasjoner under påvirkning av evolusjonære prosesser som naturlig seleksjon, genetisk drift, mutasjoner og genflyt. Populasjonsgenetikken omhandler dessuten betydningen av faktorer som rekombinasjon og populasjonsstruktur. Populasjonsgenetikk søker å forklare fenomener som tilpasninger og artsdannelse.

Populasjonsgenetikk utgjorde en viktig komponent i den moderne syntesen innen evolusjonsbiologi på 1920 og 30-tallet. Sentrale aktører her var Sewall Wright, J. B. S. Haldane og Ronald A. Fisher.

Opprinnelig var populasjonsgenetikk en sterkt matematisk-teoretisk orientert disiplin, men er i dag i stor grad også en empirisk vitenskap som tar i bruk genetiske data som DNA-sekvenser, og ulike genetiske markører til å studere evolusjonære prosesser i naturlige populasjoner av planter og dyr.

Bakgrunn

En populasjon med kjønnet formering er en gruppe individer som kan reprodusere seg i mellom. Dette innebærer at de er av samme art og lever i nærheten av hverandre. En populasjon kan for eksempel være kjøttmeisene som bor i et gitt skogholt, ellert abborene som lever i et gitt tjern. Et gen i en slik populasjon kan forekomme i ulike former eller alleler. Genetiske variasjon påvirker igjen variasjon i fenotype. Et velkjent eksempel fra vår egen art er ulike alleler for pigment i øyets iris som forårsaker variasjon i øyenfarge (blå, grå, grønne og brune). Alle allelene som forekommer i en populasjon på et gitt gen omtales gjerne som populasjonens genforråd (engelsk: gene pool). Allefrekvens er andelen av et gitt allel i populasjonens genforråd, for eksempel andelen alleler som koder for blå øyne i en menneskepopulasjon.

Hardy-Weinberg

Hardy-Weinbergmodellen er sentral i populasjonsgenetikken. Dette er en null-modell som beskriver hvordan fordelingen av genotyper vil være i en tenkt, ideell populasjon som ikke er gjenstand for evolusjonære prosesser som naturlig seleksjon, genetisk drift, mutasjoner eller genflyt. Statistiske avvik fra Hardy-Weinbergforventningen kan derfor brukes som et verktøy til å studere evolusjonære prosesser i naturlige populasjoner.

Den enkleste versjonen av Hardy-Weinbergmodellen tar for seg et gen med to alleler. Hvert individ av en diploid organisme har to alleler arvet fra henholdsvis mor og far. Disse to allelene utgjør individets genotype. En blåøyd person har for eksempel to alleler for blå øyenfarge og har genotypen bb. Brunøyde individer har enten genotypen Bb eller BB, siden det brune pigmentet er dominant og det blå recessivt - det brune allelet overstyrer det fenotypiske uttrykket av det blå hos heterozygote Bb-individer. Siden allelene segregerer uavhengig i meiosen vil hver haploide kjønnscellene bære enten allelet arvet fra far eller fra mor med like stor sannsynlighet (gitt at det ikke skjer en mutasjon). Ved tilfeldig parring i populasjonen vil dermed allelene i genforrådet kombineres til neste generasjons genotyper i henhold til allelfrekvensene i inneværende generasjon. Hvis frekvensen av allel b = p vil frekvensen av den homozygote genotypen bb i neste generasjon (gitt antakelsene i Hardy-Weinbergmodelen) være lik sannsynligheten for befruktning mellom b-bærende sperm- og eggceller, altså p². På samme vis, hvis frekvensen av allel B er q blir frekvensen av genotypen BB = q². Det er to måter en heterozygot genotype kan produseres, enten ved at b-bærende sperm befrukter B -bærende egg (sannynlighet = pq) eller ved at B-bærende sperm befrukter b-bærende egg (sannsynlighet = pq). Forventet frekvens av heterozygoten Bb er dermed 2pq.

Hardy-Weinbergmodellen vil være gyldig gitt att følgende antakelser er oppfylt: 1) populasjonen er uendelig stor. Den enkle matematiske sammenhengen mellom sannsynlighet for befruktning og genotypefrekvens er kun gyldig i en uendelig stor populasjon. I en populasjon av endelig størrelse vil det være tilfeldige avvik fra forventningen. En illustrerende parallell er at sannsynligheten for å slå kron eller mynt er 50:50, men man vil oftest slå en overvekt av enten kron eller mynt om antall kast er begrenset. Endringer i allelfrekvens på grunn av tilfeldig sampling i endelige populasjoner utgjør prinsippet for evolusjon ved genetisk drift. 2) Tilfeldig parring. Den kombinatoriske sammenhengen mellom sannsynlighet for befruktning og genotypefrekvens baserer seg på tilfeldig parring. Dersom parringen ikke er tilfeldig, for eksempel ved innavl hvor slektninger har en tendens til å parre seg med hverandre, vil vi få avvik fra Hardy-Weinbergmodellens forutsigelser. Ved innavl vil like genotyper tendere til å parre seg med hverandre. BB -individer vil tendere til å parre seg med andre BB-individer og produsere BB -avkom og bb x bb parringer vil gi bb -avkom. Parringer mellom heterozygoter vil gi avkom med ulike genotyper. En Bb x Bb parring vil ifølge Mendels arvelover i snitt produsere 25% BB-avkom, 25% bb-avkom og 50%-Bb-avkom. Innavl fører altså til en lavere frekvens av heterozygoter enn Hardy-Weinbergmodellen forutsier. 3) Ingen seleksjon. Hardy-Weinbergmodellen baserer seg på at alle genotyper har lik fitness. Dersom noen genotyper har høyere fitness enn andre, det vil si høyere overlevelse eller høyere reprodukssjonsrate, vil disse genotypene bli overrepresentert i forhold til Hardy-Weinberg-forventningen. Naturlig seleksjon er en viktig evolusjonær prosess og er blant de mest potente mekanismene som vil kunne gi avvik fra Hardy-Weinbergforventningen på gitte gener i naturlige populasjoner. 4) Ingen mutasjoner. Hardy-Weinbergmodellen forutsetter at allelene forblir uforandret. I virkeligheten skjer det mutasjoner, det vil si tilfeldige endringer i DNA-sekvensen til et gen - et allel muterer til et nytt allel. Mutasjoner er en av de viktigste kildene til ny genetisk variasjon og dermed råmaterialet for evolusjon. 5) Ingen genflyt. Hardy-Weinbergmodellen forutsetter at ingen alleler kommer til genforrådet utenifra. Genflyt vil si at individer fra andre (potensielt genetisk forskjellige) populasjoner migrerer inn i populasjonen og utveksler gener med de lokale individer. Effekten av genflyt er genetisk homogenisering mellom populasjoner - de blir genetisk likere.

Ingen naturlig populasjon vil oppfylle Hardy-Weinbergmodellens forutsetninger til punkt og prikke. Modellens nytte ligger ikke i at den er biologisk sannsynlig, men i at ulike evolusjonære prosesser (seleksjon, genetisk drift, ikke-tilfeldig parring, mutasjoner og genflyt) vil gi ulike avvik fra Hardy-Weinbergs nullforventning. Hardy-Weinbergmodellen ligger således til grunn for et arsenal av statistiske verktøy som benyttes i populasjonsgenetikken til studie av evolusjon.

Evolusjonære prosesser

Naturlig seleksjon

Naturlig seleksjon baserer seg på det faktum at individer med visse egenskaper har større sannsynlighet for å overleve og reprodusere enn individer med andre egenskaper. Populasjonsgenetikk beskriver naturlig seleksjon ved å definere fitness som en genotypes reproduksjonssuksess i et gitt miljø. Det vil si gjennomsnittlig antall overlevende avkom produsert av individer med denne genotypen og hvor genotypens sannsynlighet for å overleve til reproduksjonsdyktig alder er innkalkulert. Naturlig seleksjon virker på fenotyper. Når fenotypisk variasjon har en arvelig basis vil seleksjon føre til endringer i allelfrekvens (og/eller genotypefrekvens) i populasjonen. Naturlig seleksjon er den vitenskapelige forklaringen på evolusjonen av tilpasninger.

Genetisk drift

Genetisk drift er tilfeldige endringer i allelfrekvens og forstås som regel som endringer grunnet tilfeldig sampling av alleler i endelige populasjoner. Det vil altså si at avkommet genotyper er tilfeldige utvalg av allelene til foreldrene. Siden genetisk drift er en tilfeldig prosess er den ulikt seleksjon ikke retningsbestemt. Om et allel øker eller avtar i frekvens fra en generasjon til den neste er rent tilfeldig og allelfrekvenser vil derfor typisk "danse" opp og ned over tid. Gitt tilstrekkelig tid vil imidlertid alleler gå tapt og ett av allelene (tilfeldig hvilket) vil fikseres, altså være det eneste som er igjen i populasjonen. Genetisk drift er en viktig evolusjonær prosess på molekylært nivå. Mange av de genetiske forskjellene vi observerer mellom ulike arter på DNA-sekvensnivå skyldes at genetisk drift har fiksert ulike alleler. Dette var utgangspunktet til Motoo Kimura og andre som på slutten av 1960-tallet utviklet nøytralteorien for molekylær evolusjon. På samme måte som Hardy-Weinbergmodellen er nøytralteorien en viktig nullmodell i populasjonsgenetikken og brukes som verktøy blant annet til å tidfeste når arter skilte lag i evolusjonshistorien – se molekylær klokke, til å rekonstruere fylogeni og til å identifisere gener som har vært gjenstand for naturlig seleksjon.

Mutasjoner

Mutasjoner er den grunnlegende kilden til all genetisk variasjon i form av nye alleler. Mutasjoner kan gi seg utslag i en lang rekke endringer i DNA-sekvenser. Mange vil ikke ha noen fenotypisk effekt, mens andre vil endre genets produkt eller ødelegge genets funksjon. Mutasjoner med positiv effekt på fitness danner grunnlaget for tilpasninger.

Genflyt

Genflyt vil si utveksling av gener mellom populasjoner, som regel av samme art. Genflyt skjer når individer eller deres spredningsenheter (pollen, frø, larver og sporer) migrerer mellom populasjoner og befruktning skjer mellom lokale og immigranter. Genflyt kan også skje mellom arter ved hybridisering og tilbakekryssing og omtales da som introgresjon. Genutveksling mellom arter kan også forekomme uten reproduksjon, for eksempel ved spredning via virus eller en annen vektor, og omtales da som horisontal genoverføring.