Hardy–Weinbergin laki: populaatiogenetiikan perusta ja määritelmä

Hardy–Weinbergin laki: selkeä katsaus populaatiogenetiikan perusteisiin, alleelifrekvensseihin, tasapainoon ja häiriöihin kuten valintaan, mutaatioon ja ajautumiseen.

Hardy-Weinbergin lain kehittivät englantilainen matemaatikko G.H. Hardy ja saksalainen lääkäri Wilhelm Weinberg toisistaan riippumatta. Tämä käsite tunnetaan myös nimellä Hardy-Weinbergin tasapaino, Hardy-Weinbergin teoreema tai Hardy-Weinbergin periaate. Joskus Weinbergin nimi mainitaan ensimmäisenä. Molemmat tutkijat esittivät 1900-luvun alussa yksinkertaisen matemaattisen mallin, joka kuvaa alleelien ja genotyyppien odotettuja osuuksia populaatioissa, kun populaatio ei koe mikään evolutiivinen voima.

Määritelmä ja matemaattinen muoto

Laki on populaatiogenetiikan perusta, ja sitä opetetaan opiskelijoille vielä nykyäänkin. Yksinkertaisimmassa tapauksessa, jossa käsitellään yhtä lokusta ja kahta alleelia (merkitään usein p ja q), Hardy–Weinbergin periaate sanoo, että alleelien frekvenssit pysyvät vakioina sukupolvesta toiseen, ja genotyyppifrekvenssit saavuttavat tasapainon, jonka odotetaan olevan p² (homozygootti ensimmäiselle alleelille), 2pq (heterotsygootti) ja q² (homozygootti toiselle alleelille), kun p + q = 1. Tasapaino saavutetaan yleensä yhden satunnaisen pariutumisen sukupolven aikana, jos kaikki ehdot toteutuvat.

Perusoletukset (mallin vaatimukset)

Sen mukaan kaikkien geenien kaikkien alleelien osuudet pysyvät samoina missä tahansa populaatiossa, ellei niitä häiritä. Tämä koskee kaikkia populaation kaikkien kromosomien kaikkia lokuksia. Hardy–Weinbergin tasapaino edellyttää useiden ehtojen toteutumista. Tyypillisesti mainitaan seuraavat häiriötekijät, jotka voivat rikkoa tasapainoa:

• ♦ geenimutaatio — uudet alleelit muuttavat frekvenssejä ajan kuluessa.
• ♦ luonnollinen valinta — eri genotyypeilla eroava fitness muuttaa alleelien osuuksia.
• ♦ pieni populaatiokoko, jossa voi esiintyä satunnaisvaikutuksia, kuten geneettistä ajautumista ja sisäsiittoisuutta. H/W-populaatioiden oletetaan olevan äärettömän kokoisia.
• ♦ assortatiivinen pariutuminen satunnaisen pariutumisen sijaan — esimerkiksi samankaltaiset yksilöt pariutuvat keskenään, mikä jakaa populaation käytännössä pienempiin osiin.
• ♦ muuttoliike tutkittavaan väestöön tai sieltä pois — geenivirta voi muuttaa frekvenssejä.

Seuraukset ja käytännön käyttö

Tästä seuraa, että minkä tahansa systemaattisen muutoksen alleelien frekvenssissä populaatiossa on johduttava yhden tai useamman tällaisen syyn vaikutuksesta. Hardy–Weinberg toimii siis nollahypoteesina: jos havaittu genotyyppijakauma poikkeaa merkittävästi odotetusta, voidaan tutkia, mikä tekijä (valinta, mutaatio, ajautuminen, muuttoliike tai ei-satunnainen pariutuminen) on todennäköinen selitys.

Kuten kaikissa Mendelin periytymiseen liittyvissä asioissa, alleelien odotetut osuudet ovat tietysti todennäköisyyksiä. Tästä syystä kehitettiin tilastolliset merkitsevyystestit, kuten keskivirheet, sekä chi‑neliötesti ja tarkat Fisherin tyyppiset testit H—W‑tasapainon testaamiseksi. Näitä käytetään esimerkiksi perinnöllisten tautien kantajafrekvenssien arvioimiseen ja populaatiorakenteen tutkimiseen.

Erityistapaukset ja laajennukset

Hardy–Weinbergin periaate laajenee myös useampiin alleeleihin samassa lokuksessa: jos on useita alleeleja, genotyyppifrekvenssit voidaan laskea vastaavien alleelifrekvenssien multinomijakaumana. Erityistapauksina mainitaan sukupuoleen kytketyt geenit (esim. X‑kromosoma), joissa tasapainon muoto poikkeaa autosomaalisesta tapauksesta, sekä lokukset, joita yhdistävät linkitys ja rekombinaatio — eri lokusten genotyyppijakaumat eivät ole aina riippumattomia.

Myös sisäsiittoisuuden vaikutus voidaan kuvata H‑W‑mallia laajentamalla: sisäsiittoisuuskertoimen F avulla voidaan laskea, kuinka paljon heterotsygoottien osuus alenee verrattuna odotettuun 2pq:hun.

Poikkeamat eivät aina johdu valinnasta

Vaikka kaikkien muutosten täytyy johtua häiriöistä, kaikki häiriöt eivät johda muutoksiin. Klassinen tapaus on tasapainottava valinta, kuten heterotsygoottien etu: "Heteroosi: heterotsygootti on paikassa sopivampi kuin jompikumpi homotsygootti". Tasapainottava valinta johtaa tasapainopopulaatioon, jossa on Hardy-Weinbergin suhteet (alleelifrekvenssit voivat olla muuttuneet alkuarvoista, mutta genotyyppijakauma suhteessa näihin frekvensseihin noudattaa H‑W‑suhteita).

Käytännön huomioita

Hardy–Weinbergin laki on keskeinen työkalu populaatiogenetiikassa ja kliinisessä genetiikassa: sitä käytetään arvioimaan kantajataajuuksia, havaitsemaan populaatiorakenteen vaikutuksia (esim. alaryhmät tai sukulaisparit), sekä tunnistamaan mahdollisia evolutiivisia voimia. On kuitenkin tärkeää muistaa, että todellisissa populaatioissa jokin H‑W:n oletuksista harvoin toteutuu täydellisesti — siksi havainnot on tulkittava yhdessä populaation luonnollisen historian ja demografian kanssa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Kuka kehitti Hardy-Weinbergin lain?

K: Mikä on Hardy-Weinbergin lain toinen nimi?

K: Mitä laki sanoo?

K: Mitkä ovat joitakin mahdollisia häiriöitä, jotka voivat vaikuttaa alleelifrekvensseihin?

Kysymys: Miten alleelifrekvenssin muutokset tapahtuvat?

K: Onko tasapainovalinta esimerkki häiriötekijästä, joka johtaa alleelifrekvenssien muutoksiin?

Hae kirjaimella