Фиксация (популяционная генетика)

Изменение генофонда

В популяционной генетике фиксация — это изменение генофонда от ситуации, когда в данной популяции существует не менее двух вариантов определенного гена ( аллели ), к ситуации, когда остается только один из аллелей. То есть аллель становится фиксированной . ^[1] При отсутствии мутации или преимущества гетерозигот любой аллель должен в конечном итоге либо полностью исчезнуть из популяции, либо зафиксироваться, т.е. навсегда утвердиться на 100% частоте в популяции. ^[2] Будет ли ген в конечном итоге потерян или зафиксирован, зависит от коэффициентов отбора и случайных колебаний пропорций аллелей. ^[3] Фиксация может относиться к гену в целом или к определенному положению нуклеотида в цепи ДНК ( локусу ).

В процессе замены ранее несуществующий аллель возникает путем мутации и подвергается фиксации путем распространения в популяции путем случайного генетического дрейфа или положительного отбора . Когда частота аллеля достигает 100%, то есть является единственным вариантом гена, присутствующим у любого члена, говорят, что он «фиксирован» в популяции. ^[1]

Аналогичным образом, считается, что генетические различия между таксонами зафиксированы у каждого вида .

История

Самое раннее упоминание о фиксации генов в опубликованных работах было обнаружено в статье Мотоо Кимуры 1962 года «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». В своей работе Кимура использует математические методы для определения вероятности фиксации мутантных генов в популяции. Он показал, что вероятность фиксации зависит от начальной частоты аллеля, а также от среднего и дисперсионного изменения частоты гена за поколение. ^[4]

Вероятность

Только в условиях генетического дрейфа каждый конечный набор генов или аллелей имеет «точку слияния», в которой все потомки сходятся к одному предку ( т.е. они «сливаются»). Этот факт можно использовать для определения скорости фиксации гена нейтрального аллеля (то есть того, который не подвергается какой-либо форме отбора) для популяции разного размера (при условии, что он конечен и отличен от нуля). Поскольку предполагается, что эффект естественного отбора пренебрежимо мал, вероятность того, что аллель в конечном итоге зафиксируется в своем локусе в любой момент времени, представляет собой просто ее частоту в популяции в этот момент. Например, если популяция включает аллель А с частотой, равной 20%, и аллель а с частотой, равной 80%, существует 80%-ная вероятность того, что через бесконечное число поколений а закрепится в локусе (при условии генетического дрейфа). является единственной действующей эволюционной силой). ${\displaystyle p}$

Для диплоидной популяции размера N и нейтральной частоты мутаций начальная частота новой мутации равна просто 1/(2 N ), а число новых мутаций на поколение равно . Поскольку скорость фиксации представляет собой скорость появления новых нейтральных мутаций, умноженную на вероятность их фиксации, общая скорость фиксации равна . Таким образом, скорость фиксации мутации, не подлежащей отбору, — это просто скорость внедрения таких мутаций. ^[5] ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle 2N\mu }$ ${\displaystyle 2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu }$

Для фиксированных размеров популяции вероятность фиксации нового аллеля с селективным преимуществом s можно аппроксимировать с помощью теории ветвящихся процессов. Популяция с непересекающимися поколениями n = 0, 1, 2, 3, ... и с генами (или «особями») в момент времени n образует цепь Маркова при следующих предположениях. Введение особи, обладающей аллелем с селективным преимуществом, соответствует . Число потомков любой отдельной особи должно следовать фиксированному распределению и определяться независимо. В этой структуре производящие функции для каждого удовлетворяют рекурсивному соотношению и могут использоваться для вычисления вероятностей отсутствия потомков в момент времени n. Можно показать, что , и более того, что сходятся к определенному значению , которое представляет собой вероятность того, что у индивидуума не будет потомков. Тогда вероятность фиксации такова , что неопределенное выживание полезного аллеля позволит увеличить его частоту до точки, где селективные силы обеспечат фиксацию. ${\displaystyle X_{n}}$ ${\displaystyle X_{0}=1}$ ${\displaystyle p_{n}(x)}$ ${\displaystyle X_{n}}$ ${\displaystyle p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))}$ ${\displaystyle \pi _{n}=P(X_{n}=0)}$ ${\displaystyle \pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})}$ ${\displaystyle \pi _{n}}$ ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle 1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}}$

Слабо вредные мутации могут случайно закрепиться в меньших популяциях, и вероятность фиксации будет зависеть от скорости дрейфа (~ ) и отбора (~ ), где – эффективный размер популяции . От этого соотношения зависит, будет ли доминировать отбор или дрейф, и пока это соотношение не слишком отрицательное, будет значительная вероятность того, что умеренно вредный аллель зафиксируется. Например, в диплоидной популяции размером , вредная аллель с коэффициентом отбора имеет вероятность фиксации, равную . Эту оценку можно получить непосредственно из работы Кимуры 1962 года. ^[4] Вредные аллели с удовлетворяющими коэффициентам отбора фактически нейтральны и, следовательно, имеют вероятность фиксации, приблизительно равную . ${\displaystyle 1/N_{e}}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{e}s}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle -s}$ ${\displaystyle (1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})}$ ${\displaystyle -s}$ ${\displaystyle 2N_{e}s\ll 1}$ ${\displaystyle 1/2N_{e}}$

На вероятность фиксации также влияют изменения численности популяции. Для растущих популяций коэффициенты отбора более эффективны. Это означает, что полезные аллели с большей вероятностью закрепятся, тогда как вредные аллели с большей вероятностью будут потеряны. В популяциях, размер которых сокращается, коэффициенты отбора не столь эффективны. Таким образом, существует более высокая вероятность потери полезных аллелей и исправления вредных аллелей. Это связано с тем, что если полезная мутация редка, она может быть потеряна исключительно из-за вероятности того, что у этой особи не будет потомства, независимо от коэффициента отбора. В растущих популяциях средний человек имеет более высокое ожидаемое количество потомков, тогда как в сокращающихся популяциях средний человек имеет меньшее количество ожидаемого потомства. Таким образом, в растущих популяциях более вероятно, что полезный аллель будет передан большему количеству людей в следующем поколении. Это продолжается до тех пор, пока аллель не распространится в популяции и в конечном итоге не зафиксируется. Однако в условиях сокращения популяции более вероятно, что аллель не будет передаваться просто потому, что родители не производят потомства. Это приведет к потере даже полезной мутации. ^[6]

Время

Кроме того, было проведено исследование среднего времени, необходимого для фиксации нейтральной мутации. Кимура и Охта (1969) показали, что новая мутация, которая в конечном итоге зафиксируется, потратит в среднем 4N _e поколений на полиморфизм в популяции. ^[2] Среднее время фиксации N _e — это эффективный размер популяции , количество особей в идеализированной популяции, находящейся в условиях генетического дрейфа, необходимое для создания эквивалентного количества генетического разнообразия. Обычно популяционная статистика, используемая для определения эффективного размера популяции, представляет собой гетерозиготность, но можно использовать и другие. ^[7]

Скорость фиксации также можно легко смоделировать, чтобы увидеть, сколько времени потребуется, чтобы ген зафиксировался в разных размерах популяции и поколениях. Например, в рамках моделирования генетического дрейфа проекта The Biology Project вы можете смоделировать генетический дрейф и посмотреть, как быстро ген цвета червей фиксируется с точки зрения поколений для разных размеров популяции.

Кроме того, скорость фиксации можно смоделировать с помощью слившихся деревьев. Сливающееся дерево отслеживает происхождение аллелей гена в популяции. ^[8] Его цель — проследить путь до единственной наследственной копии, называемой самым недавним общим предком. ^[9]

Примеры в исследованиях

В 1969 году Шварц из Университета Индианы смог искусственно вызвать фиксацию генов в кукурузе, подвергнув образцы неоптимальным условиям. Шварц обнаружил мутацию в гене Adh1, который в гомозиготном состоянии приводит к неспособности кукурузы вырабатывать алкогольдегидрогеназу. Затем Шварц подверг семенам, как с нормальной активностью алкогольдегидрогеназы, так и без активности, условия затопления и наблюдал, способны ли семена прорасти или нет. Он обнаружил, что при затоплении прорастали только семена с активностью алкогольдегидрогеназы. В конечном итоге это привело к фиксации гена аллели дикого типа Adh1. Мутация Adh1 была потеряна в экспериментальной популяции. ^[10]

В 2014 году Ли, Лэнгли и Бегун провели еще одно исследование, связанное с фиксацией генов. Они сосредоточились на данных о популяциях Drosophila melanogaster и эффектах генетического автостопа, вызванного выборочными зачистками . Генетический автостоп происходит, когда один аллель тщательно отбирается и фиксируется. Это приводит к тому, что окружающие области также фиксируются, даже если они для этого не выбраны. ^[11] Изучая данные о популяциях Drosophila melanogaster , Lee et al. обнаружили уменьшенную степень гетерогенности в пределах 25 пар оснований фокальных замен. Они связывают это с небольшим эффектом автостопа. Они также обнаружили, что соседние фиксации, которые меняли полярность аминокислот, сохраняя при этом общую полярность белка, находились под более сильным давлением отбора. Кроме того, они обнаружили, что замены в медленно эволюционирующих генах связаны с более сильными генетическими эффектами автостопа. ^[12]

Рекомендации

1. Ари Закей (2007). Случайный генетический дрейф и фиксация генов (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 29 августа 2013 г.
2. Кимура, Мотоо; Охта, Томоко (26 июля 1968 г.). «Среднее количество поколений до фиксации мутантного гена в конечной популяции». Генетика . 61 (3): 763–771. дои : 10.1093/генетика/61.3.763. ПМЦ 1212239 . ПМИД  17248440. 
3. Кимура, Мотоо (1983). Нейтральная теория молекулярной эволюции. Эдинбургское здание, Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-23109-1. Проверено 16 ноября 2014 г.
4. Кимура, Мотоо (29 января 1962 г.). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». Генетика . 47 (6): 713–719. дои : 10.1093/генетика/47.6.713. ПМК 1210364 . ПМИД  14456043. 
5. Дэвид Х.А. Fitch (1997). Отклонения от нулевых гипотез: конечные размеры популяций и генетический дрейф, мутации и поток генов.
6. Отто, Сара; Уитлок, Майкл (7 марта 1997 г.). «Вероятность фиксации в популяциях меняющегося размера» (PDF) . Генетика . 146 (2): 723–733. дои : 10.1093/генетика/146.2.723. ПМК 1208011 . ПМИД  9178020 . Проверено 14 сентября 2014 г. 
7. Кабальеро, Армандо (9 марта 1994 г.). «Достижения в прогнозировании эффективной численности населения». Наследственность . 73 (6): 657–679. дои : 10.1038/hdy.1994.174 . ПМИД  7814264.
8. Гриффитс, RC; Таваре, Саймон (1998). «Эпоха мутации в общем слившемся дереве». Коммуникации в статистике. Стохастические модели . 14 (1 и 2): 273–295. дои : 10.1080/15326349808807471.
9. Уолш, Брюс (22 марта 2001 г.). «Оценка времени до появления самого последнего общего предка Y-хромосомы или митохондриальной ДНК для пары людей». Генетика . 158 (2): 897–912. дои : 10.1093/генетика/158.2.897. ПМЦ 1461668 . ПМИД  11404350. 
10. Шварц, Дрю (1969). «Пример фиксации генов в результате селективного преимущества в субоптимальных условиях». Американский натуралист . 103 (933): 479–481. дои : 10.1086/282615. JSTOR  2459409. S2CID  85366302.
11. Райс, Уильям (12 февраля 1987 г.). «Генетический автостоп и эволюция пониженной генетической активности Y-половой хромосомы». Генетика . 116 (1): 161–167. дои : 10.1093/генетика/116.1.161. ПМК 1203114 . ПМИД  3596229. 
12. Ли, Да; Лэнгли, Чарльз; Бегун, Дэвид (2014). «Дифференциальная сила положительного отбора, выявленная с помощью эффектов автостопа в малых физических масштабах у Drosophila melanogaster». Молекулярная биология и эволюция . 31 (4): 804–816. doi : 10.1093/molbev/mst270. ПМК 4043186 . ПМИД  24361994 . Проверено 16 ноября 2014 г. 

дальнейшее чтение

• Гиллеспи, Дж. Х. (1994) Причины молекулярной эволюции . Издательство Оксфордского университета.
• Хартл, Д.Л. и Кларк, А.Г. (2006) Принципы популяционной генетики (4-е издание). Синауэр Ассошиэйтс.
• Кимура, М. (1962). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». Генетика . 47 (6): 713–719. дои : 10.1093/генетика/47.6.713. ПМК  1210364 . ПМИД  14456043.