Hardy–Weinberg-principen: definition och betydelse i populationsgenetik

Hardy-Weinberg-lagen utvecklades oberoende av varandra av den engelske matematikern G.H. Hardy och den tyske läkaren Wilhelm Weinberg. Begreppet är också känt som Hardy-Weinberg-jämvikt, Hardy-Weinberg-satsen eller Hardy-Weinberg-principen. Ibland placeras Weinbergs namn först.

Definition och formel

Hardy–Weinberg-principen anger att i en idealiserad, oändligt stor population där inga evolutionära krafter verkar (mutation, migration, selektion, icke-slumpmässig parning etc.) förblir allelfrekvenserna konstant mellan generationer. För ett autosomalt locus med två alleler, beteckna frekvenserna som p och q (så att p + q = 1). Under förutsättning av slumpmässig parning blir fördelningen av genotyper efter en generations parning:

p² för homozygot för allele A,
2pq för heterozygot,
q² för homozygot för allele a.

Observera att genotypekvoterna når dessa värden efter en generation med slumpmässig parning och förblir sedan oförändrade så länge antagandena håller.

Antaganden (villkor för jämvikt)

Hardy–Weinberg-jämvikt gäller endast om följande villkor uppfylls:

Ingen genmutation.
Ingen naturligt urval som påverkar locuset.
En mycket stor (idealiskt oändlig) populationsstorlek så att slumpmässiga effekter som genetisk drift och inavel är försumbara.
Slumpmässig parning (ej assortativ parning), eftersom icke-slumpmässig parning i praktiken kan dela upp populationen i mindre grupper.
Ingen migration till eller från den studerade populationen.

Av dessa följer att varje systematisk förändring i frekvensen av alleler i en population måste bero på effekten av en eller flera av dessa orsaker.

Praktiska konsekvenser och användningsområden

Beräkning av förväntade genotypsfrekvenser: Genom att skatta allelfrekvenser i en population kan man förutse hur många individer av varje genotyp som förväntas under H-W.
Estimering av bärare vid recessiva sjukdomar: Om q² är sjukdomsfrekvensen för en autosomal recessiv sjukdom, kan man uppskatta q och därefter bärarefrekvensen 2pq.
Analys av populationsstruktur: Avvikelser från H-W kan indikera populationsegenskaper som strukturer, inavel eller migration.
Kvalitetskontroll i genotypningsstudier: Avvikelser kan också peka på tekniska fel, t.ex. systematiska genotypningsfel eller provkontamination.
Beräkning av inavelkoefficient: Inavel ger minskad heterozygositet; jämförelse mellan observerad och förväntad heterozygositet ger ett mått på inavel.

Hur man testar för Hardy–Weinberg-jämvikt

Vanliga statistiska tester är:

Chi-två-test (χ²) för stora prover där enhetsantal är tillräckligt stora.
Exacta tester (t.ex. Fisher-exakt eller exakta H-W-tester) för små prover eller när förväntade cellantal är låga.
Beräkning av standardfel och konfidensintervall för allelfrekvenser för att bedöma signifikans av avvikelser.

Det är viktigt att tolka statistiska avvikelser i ljuset av biologisk relevans: inte alla signifikanta avvikelser innebär biologisk selektion — de kan bero på provstorlek, fel i datainsamling eller populationens struktur.

Undantag och särskilda fall

Balanserande selektion: Vissa selektionstyper, som heterozygotfördel (heterosis), kan upprätthålla flera alleler i populationen. Ett sådant balanserat urval kan ge stabila allelfrekvenser samtidigt som genotypekvoter följer Hardy–Weinberg-fördelningen vid jämvikt.
X- och Y-kromosomala loci: För könsbundna loci (särskilt X-bundet) gäller andra förhållanden eftersom män och kvinnor har olika kopior av kromosomen.
Flera alleler: Principen förlängs till loci med fler än två alleler, men formlerna blir fler och beräkningen av förväntade genotypefrekvenser görs med produkten av allelfrekvenser.

Exempel

Om p = 0,7 och q = 0,3 blir förväntade genotypefrekvenser: p² = 0,49 (49 % homozygota AA), 2pq = 0,42 (42 % heterozygota), q² = 0,09 (9 % homozygota aa). Om observerade värden avviker kraftigt kan man pröva H-W via χ² eller exakta tester för att avgöra om avvikelsen är statistiskt signifikant och därefter undersöka möjliga orsaker.

Historik och kort kommentar

Hardy och Weinberg publicerade sina idéer oberoende av varandra i början av 1900-talet (1908). Principen utgör en grundläggande referenspunkt inom populationsgenetik och används fortfarande i både teoretiska studier och praktiska tillämpningar såsom epidemiologi, medicinsk genetik och bevarandebiologi.

Precis som i alla aspekter av mendelsk nedärvning är de förväntade proportionerna av alleler naturligtvis sannolikheter. Det var av den anledningen som statistiska signifikanstester, såsom standardfel, utvecklades. Även om alla förändringar måste bero på störningar är det inte alla störningar som leder till förändringar. Det klassiska fallet är balanserande urval, t.ex. heterozygotfördelar: \"Heterosis: heterozygoten på ett locus är bättre än en homozygot\". Balanserat urval leder till en jämviktspopulation med Hardy-Weinberg-proportioner.

Generalisering

Lagen gör det möjligt att förutsäga genotypfrekvenser utifrån kunskap om genfrekvenser.

Om allelerna A och a är i proportionerna p och q är de tre zygotiska typerna AA, Aa och aa i proportionerna p2: 2pq: q2.

På så sätt kan ekvationer skrivas i termer av allelfrekvenser och hypoteser om hur fenotyper ärvs kan testas utifrån populationsdata.

Frågor och svar

F: Vem utvecklade Hardy-Weinberg-lagen?

S: Hardy-Weinberg-lagen utvecklades oberoende av varandra av en engelsk matematiker, G.H. Hardy, och en tysk läkare, Wilhelm Weinberg.

F: Vad är ett annat namn på Hardy-Weinberg-lagen?

S: Begreppet är också känt som Hardy-Weinberg-jämvikt, Hardy-Weinberg-satsen eller Hardy-Weinberg-principen.

F: Vad säger lagen?

S: Lagen säger att proportionerna av alla geners alleler i en population förblir desamma om de inte störs (störs). Detta gäller för alla loci på alla kromosomer i populationen.

F: Vilka är några möjliga störningar som kan påverka allelfrekvenserna?

Svar: Möjliga störningar är genmutationer, naturligt urval, liten populationsstorlek där slumpmässiga effekter som genetisk drift och inavel kan förekomma, assortativ parning i stället för slumpmässig parning och migration in i eller ut ur den population som studeras.

F: Hur sker förändringar i allelfrekvensen?

S: Varje systematisk förändring av frekvensen av alleler i en population måste bero på effekten av en eller flera av dessa orsaker.

F: Är balanseringsurval ett exempel på en störning som leder till förändringar i allelfrekvenser?

Svar: Nej, balanserande urval som heterozygotfördelar kan leda till en jämviktspopulation med Hardy-Weinberg-proportioner utan att leda till några förändringar i allelfrekvenser.