Hardy–Weinberg-elv — a populációgenetika alapja és egyensúlya

Hardy–Weinberg-elv: a populációgenetika alapelve — hogyan alakítják az allélgyakoriságot mutáció, szelekció, genetikai sodródás és migráció? Érthető magyarázatok és példák.

A Hardy-Weinberg-törvényt egy angol matematikus, G. H. Hardy és egy német orvos, Wilhelm Weinberg egymástól függetlenül dolgozta ki. Ez a fogalom Hardy-Weinberg-egyensúly, Hardy-Weinberg-tétel vagy Hardy-Weinberg-elv néven is ismert. Néha Weinberg neve kerül az első helyre.

Ez a törvény a populációgenetika egyik alapja, és még ma is tanítják a hallgatóknak. Azt állítja, hogy bármely populációban az összes gén alléljainak aránya változatlan marad, hacsak nem zavarják meg (zavarják meg). Ez a populáció összes kromoszómáján található összes lókuszra érvényes. A lehetséges perturbációk a következők:

♦ génmutáció

♦ természetes kiválasztódás

♦ kis populációméret, ahol véletlenszerű hatások, például genetikai sodródás és beltenyésztés fordulhatnak elő. A H/W populációkat végtelen méretűnek feltételezzük.

♦ asszortatív párosodás a véletlenszerű párosodás helyett. Ez valójában a populációt kis csoportokra osztaná, lásd a fenti pontot.

♦ migráció a vizsgált populációba vagy a populációból.

Ebből következik, hogy a populációban az allélok gyakoriságában bekövetkező bármilyen szisztematikus változásnak az említett okok közül egy vagy több hatására kell visszavezethetőnek lennie. Természetesen, mint a mendeli öröklődés minden aspektusában, az allélek várható arányai is valószínűségek. Ezért fejlesztették ki a szignifikancia statisztikai tesztjeit, például a standard hibákat.

Bár minden változásnak perturbációnak kell lennie, nem minden perturbáció vezet változáshoz. A klasszikus eset a kiegyenlítő szelekció, például a heterozigóta előny: "Heterózis: egy lókuszon a heterozigóta alkalmasabb, mint bármelyik homozigóta". A kiegyenlítő szelekció olyan egyensúlyi populációhoz vezet, amelyben a Hardy-Weinberg-arányok a következők.

A Hardy–Weinberg-egyensúly matematikája (kétallélos lókus)

Egy egyszerű, két alléllel (A és a) rendelkező lókusz esetén jelölje az A allél gyakoriságát p-vel, az a allélét q-val (p + q = 1). Ha a párosodás véletlenszerű, az egyedek genotípus-összetételének eloszlása a következő stabil arányokra áll be már egy generáció után:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

Ez azt jelenti, hogy az allélgyakoriságok (p és q) nem változnak generációról generációra, ha a Hardy–Weinberg-feltételek teljesülnek. Agenotípus-arányokból könnyen visszaszámítható az allélgyakoriság: például p = frekvencia(AA) + 1/2 · frekvencia(Aa).

Feltételek és gyakori zavaró tényezők

A Hardy–Weinberg-egyensúly érvényéhez a következő feltételek egyidejű teljesülése szükséges (a cikk elején említett perturbációk részletesen):

• Végtelen (vagy nagyon nagy) populációméret — hogy a genetikai sodródás hatása elhanyagolható legyen.
• Véletlenszerű párosodás (véletlenszerű párosodás).
• Nincs szelekció — minden genotípusnak egyenlő a szaporodási sikere.
• Nincs mutáció (génmutáció).
• Nincs behozatal vagy kivonás (migráció).

Ha bármelyik feltétel sérül, az allél- és genotípusgyakoriságok idővel megváltozhatnak. A beltenyésztés és az asszortatív párosodás a genotípusok szerkezetét (pl. homozigóták arányát) torzítja anélkül, hogy feltétlenül megváltoztatná az allélgyakoriságokat azonnal.

Gyakorlati következmények, példák és egyensúlyok

• Kiegyenlítő szelekció: Ha a heterozigóta előny (például a sarlósejtes anémia és a malária-ellenállóság klasszikus esete), akkor a szelekció fenntarthat egy stabil allélgyakoriságot. Ilyen esetben a Hardy–Weinberg-arányok genotípus-eloszlása fennmaradhat, bár az allélgyakoriság a szelekció és a mutáció közötti egyensúlytól függően áll be.
• Mutáció–szelekció egyensúly: Recesszív káros allélek esetén közelítőleg q ≈ √(μ/s), ahol μ a mutációarány és s a homozigóta hátrányossága (szelektív hátrány). Ez ad becslést a rejtett (heterozigóta) hordozók gyakoriságára.
• Genetikai sodródás: Kis effektív populációméret esetén (effective population size) a véletlenszerű fluktuációk gyorsíthatják az allélok elvesztését vagy fixálódását.

Analitikai és gyakorlati alkalmazások

• Hardy–Weinberg-ellenőrzés: genetikai adatoknál gyakori vizsgálat, hogy egy adott lókusz megfelel-e az elvnek. Ha eltérés van, az gyanút adhat szelekcióra, nem véletlenszerű párosodásra, mintázott migrációra vagy genotípushibákra (például hibás mintavétel, laboratóriumi hibák).
• Statisztikai tesztek: chi-négyzet teszt, exaktnak nevezett Fisher-teszt vagy pontos Hardy–Weinberg-tesztek használhatók a konzisztencia vizsgálatára; ezekről a szignifikancia és statisztikai módszerek adnak keretet.
• Egészségügyi és konzervációs genetika: Hardy–Weinberg-számításokkal becsülhetők például a hordozók arányai, ami fontos örökletes betegségek nyomon követésénél és fajmegőrzési stratégiáknál.

Korlátok és kiterjesztések

A valós populációk ritkán felelnek meg teljesen az ideális feltételeknek. Emiatt a Hardy–Weinberg-elv inkább egy referenciaállapotként szolgál: ha egy populáció ettől eltér, az eltérés okainak feltárására ad irányt. Kiterjesztések léteznek több alléles lókuszokra, többszörös lokuszokra, valamint nem-autoszomális (például X-kromoszómához kötött) öröklődésre is; ezekben az esetekben a képletek és a dinamikák módosulnak.

Rövid összegzés

A Hardy–Weinberg-elv alapvető keretet ad ahhoz, hogy megértsük, mikor és miért változnak vagy nem változnak az allélek gyakoriságai egy populációban. Feltételezi a véletlenszerű párosodást, nagy populációt, és hogy nincs mutáció, migráció vagy szelekció. Deviációk ezen feltételektől fontos információt hordoznak a populáció evolúciós folyamatairól.

Kérdések és válaszok

K: Ki dolgozta ki a Hardy-Weinberg-törvényt?

K: Mi a Hardy-Weinberg-törvény másik neve?

K: Mit mond ki a törvény?

K: Milyen lehetséges perturbációk befolyásolhatják az allélfrekvenciákat?

K: Hogyan következnek be az allélfrekvencia változásai?

K: A kiegyenlítő szelekció példa olyan perturbációra, amely az allélfrekvenciák változásához vezet?

Keresés betűvel