Баланс мутации и отбора

Равновесие аллелей в популяции, когда создание равно устранению путем отрицательного отбора

Баланс мутации и отбора — это равновесие количества вредных аллелей в популяции, которое возникает, когда скорость, с которой вредные аллели создаются в результате мутации, равна скорости, с которой вредные аллели устраняются в результате отбора . ^{[1] [2] [3] [4]} Большинство генетических мутаций нейтральны или вредны; полезные мутации относительно редки. Возникающему в результате притоку вредных мутаций в популяцию с течением времени противодействует негативный отбор , который удаляет вредные мутации. Оставляя в стороне другие факторы (например, балансирующий отбор и генетический дрейф ), равновесное число вредных аллелей затем определяется балансом между частотой вредных мутаций и скоростью, с которой отбор удаляет эти мутации.

Первоначально баланс мутаций и отбора был предложен для объяснения того, как генетическая изменчивость поддерживается в популяциях, хотя в настоящее время признано несколько других способов сохранения вредных мутаций, в частности, балансирующий отбор . ^[3] Тем не менее, эта концепция до сих пор широко используется в эволюционной генетике , например, для объяснения устойчивости вредных аллелей, как в случае спинальной мышечной атрофии , ^{[5] [4]} или, в теоретических моделях, может возникнуть баланс мутации и отбора. различными способами и даже применялся к полезным мутациям (т.е. балансу между избирательной потерей вариаций и созданием вариаций за счет полезных мутаций). ^[6]

Гаплоидная популяция

В качестве простого примера баланса мутации и отбора рассмотрим один локус в гаплоидной популяции с двумя возможными аллелями: нормальный аллель A с частотой и мутировавший вредный аллель B с частотой , который имеет небольшой относительный недостаток приспособленности . Предположим, что вредные мутации от A к B происходят со скоростью , а обратная полезная мутация от B к A происходит достаточно редко, чтобы ею можно было пренебречь (например, потому, что частота мутаций настолько низка, что мала). Затем каждый выбор поколения устраняет вредные мутанты, уменьшая их количество , а мутация создает более вредные аллели, увеличивая их количество . Баланс мутации и отбора возникает, когда эти силы нейтрализуются, и остается постоянным от поколения к поколению, что подразумевает . ^[3] Таким образом, при условии, что мутантный аллель не является слабо вредным (очень маленьким ) и частота мутаций не очень высока, равновесная частота вредного аллеля будет небольшой. ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle spq}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mu p}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle q=\mu /s}$ ${\displaystyle s}$

Диплоидная популяция

В диплоидной популяции вредный аллель В может оказывать различное влияние на индивидуальную приспособленность у гетерозигот АВ и гомозигот ВВ в зависимости от степени доминирования нормального аллеля А. Чтобы представить это математически, предположим, что относительная приспособленность вредных гомозигот и гетерозигот меньше, чем у нормальных гомозигот АА, в разы и соответственно, где - число между и, измеряющее степень доминирования ( указывает на то, что А полностью доминирует, а указывает на отсутствие доминирования). ). Для простоты предположим, что спаривание происходит случайно . ${\displaystyle 1-hs}$ ${\displaystyle 1-s}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle h=1/2}$

Степень доминирования влияет на относительную важность отбора гетерозигот по сравнению с гомозиготами. Если A не является полностью доминантным (т.е. не близок к нулю), то вредные мутации в первую очередь удаляются путем отбора на гетерозиготах, поскольку гетерозиготы содержат подавляющее большинство вредных аллелей B (при условии, что частота вредных мутаций не очень велика). Этот случай примерно эквивалентен предыдущему гаплоидному случаю, когда мутация превращает нормальные гомозиготы в гетерозиготы со скоростью, а отбор действует на гетерозиготы с коэффициентом отбора ; таким образом . ^[1] ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle hs}$ ${\displaystyle q\approx \mu /hs}$

В случае полного доминирования ( ) вредные аллели удаляются только путем отбора на гомозиготах BB . Пусть , и – частоты соответствующих генотипов . Частота нормальных аллелей А увеличивается со скоростью из-за избирательного устранения рецессивных гомозигот, тогда как мутация приводит к ее снижению (игнорируя обратные мутации ). Баланс мутации и отбора тогда дает , и поэтому частота вредных аллелей равна . ^[1] Эта равновесная частота потенциально существенно выше, чем в случае частичного доминирования, поскольку большое количество мутантных аллелей переносится гетерозиготами и защищено от отбора. ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle p_{AA}}$ ${\displaystyle 2p_{AB}}$ ${\displaystyle p_{BB}}$ ${\displaystyle p=p_{AA}+p_{AB}}$ ${\displaystyle 1/(1-sp_{BB})}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle 1-\mu }$ ${\displaystyle p_{BB}=\mu /s}$ ${\displaystyle q={\sqrt {\mu /s}}}$

Многие свойства неслучайной спаривающейся популяции можно объяснить случайной спаривающейся популяцией, эффективный размер популяции которой корректируется. Однако в нестационарной популяционной динамике распространенность рецессивных нарушений может быть ниже в случайно спаривающейся популяции во время и после фазы роста. ^{[7] [8]}

Смотрите также

• Отрицательный выбор
• Дисгеника
• Вирусные квазивиды

Рекомендации

1. Кроу, Джеймс Ф.; Кимура, Мотоо (1970). Введение в теорию популяционной генетики ([Переиздание] под ред.). Нью-Джерси: Блэкберн Пресс. ISBN 9781932846126.
2. Линч, Майкл (август 2010 г.). «Эволюция скорости мутаций». Тенденции в генетике . 26 (8): 345–352. дои :10.1016/j.tig.2010.05.003. ПМЦ 2910838 . ПМИД  20594608. 
3. Бартон, Николас Х. (2007). Эволюция . Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор. ISBN 9780879696849.
4. Херрон, Дж. К. и С. Фриман. 2014. Эволюционный анализ, 5-е издание. Пирсон.
5. Вирт, Б; Шмидт, Т; Ханен, Э; Рудник-Шёнеборн, С; Кравчак, М; Мюллер-Михсок, Б; Шенлинг, Дж; Зеррес, К. (1997). «Перестройки De Novo обнаружены у 2% больных со спинальной мышечной атрофией: мутационные механизмы, родительское происхождение, частота мутаций и значение для генетического консультирования». Американский журнал генетики человека . 61 (5): 1102–1111. дои : 10.1086/301608. ПМК 1716038 . ПМИД  9345102. 
6. Фишер, Дэниел С.; Десаи, Майкл М. (1 июля 2007 г.). «Баланс полезной мутации и отбора и влияние сцепления на положительный отбор». Генетика . 176 (3): 1759–1798. doi : 10.1534/genetics.106.067678. ЧВК 1931526 . ПМИД  17483432. 
7. Ла Рокка, Луис А.; Фрэнк, Джулия; Бентцен, Хайди Беате; Пантель, Жан-Тори; Геришер, Конрад; Бовье, Антон; Кравиц, Питер М. (22 декабря 2020 г.). «Более низкая распространенность рецессивных заболеваний в случайно спаривающейся популяции является временным явлением во время и после фазы роста». arXiv : 2012.04968 [q-bio.PE].
8. «Визуализация эффектов различных схем спаривания». YouTube .