F-статистика

Статистически ожидаемый уровень гетерозиготности в популяции

В популяционной генетике F - статистика (также известная как индексы фиксации ) описывает статистически ожидаемый уровень гетерозиготности в популяции; более конкретно, ожидаемую степень (обычно) снижения гетерозиготности по сравнению с ожиданием Харди-Вайнберга .

F -статистику также можно рассматривать как меру корреляции между генами, взятыми с разных уровней (иерархически) подразделенной популяции. Эта корреляция находится под влиянием нескольких эволюционных процессов, таких как генетический дрейф , эффект основателя , бутылочное горлышко , генетический автостоп , мейотический драйв , мутация , поток генов , инбридинг , естественный отбор или эффект Валунда , но изначально она была разработана для измерения количества аллельной фиксации вследствие генетического дрейфа .

Концепция F -статистики была разработана в 1920-х годах американским генетиком Сьюэллом Райтом ^{[1] [2]} , который интересовался инбридингом у крупного рогатого скота . Однако, поскольку полное доминирование приводит к тому, что фенотипы гомозиготных доминантов и гетерозигот одинаковы, только с появлением молекулярной генетики в 1960-х годах стало возможным измерение гетерозиготности в популяциях.

F можно использовать для определения эффективной численности популяции . ^{[ необходимо дополнительное объяснение ]}

Определения и уравнения

Меры F _IS , F ST и F _IT связаны с количеством гетерозиготности на различных уровнях структуры популяции. Вместе они называются F -статистикой и выводятся из F , коэффициента инбридинга . В простой двухаллельной системе с инбридингом генотипические частоты следующие:

${\displaystyle p^{2}(1-F)+pF{\text{ for }}\mathbf {AA} ;\ 2pq(1-F){\text{ for }}\mathbf {Aa} ;{\text{ and }}q^{2}(1-F)+qF{\text{ for }}\mathbf {aa} .}$

Значение для находится путем решения уравнения для использования гетерозигот в вышеуказанной инбредной популяции. Это становится единицей минус наблюдаемая частота гетерозигот в популяции, деленная на ожидаемую частоту гетерозигот в равновесии Харди-Вайнберга : ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle F}$

${\displaystyle F=1-{\frac {\operatorname {O} (f(\mathbf {Aa} ))}{\operatorname {E} (f(\mathbf {Aa} ))}}=1-{\frac {\operatorname {ObservedFrequency} (\mathbf {Aa} )}{\operatorname {ExpectedFrequency} (\mathbf {Aa} )}},\!}$

где ожидаемая частота при равновесии Харди–Вайнберга определяется как

${\displaystyle \operatorname {E} (f(\mathbf {Aa} ))=2pq,\!}$

где и являются частотами аллелей и , соответственно. Это также вероятность того, что в любом локусе два аллеля от случайного индивида популяции идентичны по происхождению . ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mathbf {A} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$

Например, рассмотрим данные Э. Б. Форда (1971) по одной популяции алой тигровой моли :

Исходя из этого, можно рассчитать частоты аллелей и получить ожидание : ${\displaystyle f\left(\mathbf {Aa} \right)}$

${\displaystyle p={2\times \mathrm {obs} (AA)+\mathrm {obs} (Aa) \over 2\times (\mathrm {obs} (AA)+\mathrm {obs} (Aa)+\mathrm {obs} (aa))}=0.954}$

${\displaystyle q=1-p=0.046\,}$

${\displaystyle F=1-{\frac {\mathrm {obs} (Aa)/n}{2pq}}=1-{138/1612 \over 2(0.954)(0.046)}=0.023}$

Различные F-статистики рассматривают разные уровни структуры популяции. F _IT — это коэффициент инбридинга особи ( I ) по отношению к общей популяции ( T ), как указано выше; F _IS — это коэффициент инбридинга особи ( I ) по отношению к субпопуляции ( S ), использующий указанное выше для субпопуляций и усредняющий их; а F _ST — это эффект субпопуляций ( S ) по сравнению с общей популяцией ( T ), который рассчитывается путем решения уравнения:

${\displaystyle (1-F_{IS})(1-F_{ST})=1-F_{IT},\,}$

как показано в следующем разделе.

Раздел по структуре населения

${\displaystyle F_{IT}}$можно разделить на вызванные эффектом Валунда и вызванные инбридингом . ${\displaystyle F_{ST}}$ ${\displaystyle F_{IS}}$

Рассмотрим популяцию, имеющую двухуровневую структуру : один от индивидуума (I) к субпопуляции (S) и один от субпопуляции к общему числу (T). Тогда общее число , известное здесь как , можно разделить на и : ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle F_{IT}}$ ${\displaystyle F_{IS}}$ ${\displaystyle F_{ST}}$

${\displaystyle 1-F_{IT}=(1-F_{IS})\,(1-F_{ST}).\!}$

Это может быть далее разделено для подструктуры населения, и оно расширяется в соответствии с правилами биномиального расширения , так что для I разделов:

${\displaystyle 1-F=\prod _{i=0}^{i=I}(1-F_{i,i+1})\!}$

Индекс фиксации

Переформулирование определения было бы отношением среднего числа различий между парами хромосом, отобранных у диплоидных особей, к среднему числу, полученному при случайной выборке хромосом из популяции (исключая группировку на особь). Можно изменить это определение и рассмотреть группировку на субпопуляцию, а не на особь. Популяционные генетики использовали эту идею для измерения степени структуры в популяции. ${\displaystyle F}$

К сожалению, существует большое количество определений для , что приводит к некоторой путанице в научной литературе. Общее определение следующее: ${\displaystyle F_{ST}}$

${\displaystyle F_{ST}={\frac {\operatorname {var} (\mathbf {p} )}{p\,(1-p)}}\!}$

где дисперсия вычисляется по субпопуляциям и представляет собой ожидаемую частоту гетерозигот. ${\displaystyle \mathbf {p} }$ ${\displaystyle p\,(1-p)}$

Индекс фиксации в человеческих популяциях

Хорошо известно, что генетическое разнообразие среди человеческих популяций невелико, ^[3] хотя распределение генетического разнообразия было оценено лишь приблизительно. Ранние исследования утверждали, что 85–90% генетической изменчивости обнаружено у людей, проживающих в одних и тех же популяциях в пределах континентов (внутриконтинентальные популяции), и только дополнительные 10–15% обнаружены между популяциями разных континентов (континентальные популяции). ^{[4] [5] [6] [7] [8]} Более поздние исследования, основанные на сотнях тысяч однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), предположили, что генетическое разнообразие между континентальными популяциями еще меньше и составляет от 3 до 7% ^{[9] [10] [11] [12] [13] [14]} Более позднее исследование, основанное на трех миллионах SNP, показало, что 12% генетической изменчивости обнаружено между континентальными популяциями и только 1% внутри них. ^[15] Большинство этих исследований использовали статистику F ST ^[16] или тесно связанную статистику. ^{[17] [18]}

Смотрите также

• Метод Малекота по установлению родословной
• Гетерозиготность
• Принцип Харди-Вайнберга
• эффект Валунда
• Анализы Q _ST -F _ST
• Коэффициент инбридинга
• Коэффициент родства
• Индекс фиксации

Ссылки

1. Райт, С. (1950). «Генетическая структура популяций». Nature . 166 (4215): 247–9. Bibcode : 1950Natur.166..247W. doi : 10.1038/166247a0. PMID  15439261. S2CID  36311175.
2. Кулиг, К (1985). «Использование экстренных токсикологических скринингов». Американский журнал неотложной медицины . 3 (6): 573–4. doi :10.1016/0735-6757(85)90177-9. LCCN  67025533. PMID  4063030.
3. Холсингер, Кент Э.; Вейр, Брюс С. (2009). «Генетика в географически структурированных популяциях: определение, оценка и интерпретация FST». Nature Reviews Genetics . 10 (9): 639–50. doi :10.1038/nrg2611. PMC 4687486. PMID 19687804  . 
4. Левонтин (1972). «Распределение человеческого разнообразия». Эволюционная биология . Том 6. С. 381–98. doi :10.1007/978-1-4684-9063-3_14. ISBN 978-1-4684-9065-7.
5. Боукок, Энн М.; Кидд, Джудит Р.; Маунтин, Джоанна Л.; Герберт, Джоан М.; Каротенуто, Лучано; Кидд, Кеннет К.; Кавалли-Сфорца, Лука (1991). «Дрейф, смешение и отбор в эволюции человека: исследование с использованием полиморфизмов ДНК». Труды Национальной академии наук . 88 (3): 839–43. Bibcode : 1991PNAS...88..839B. doi : 10.1073/pnas.88.3.839 . JSTOR  2356081. PMC 50909. PMID  1992475. 
6. Барбуджани, Гвидо; Маганьи, Арианна; Минч, Эрик; Кавалли-Сфорца, Л. Лука (1997). «Распределение разнообразия ДНК человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (9): 4516–9. Bibcode : 1997PNAS...94.4516B. doi : 10.1073 /pnas.94.9.4516 . JSTOR  42042. PMC 20754. PMID  9114021. 
7. Jorde, LB; Watkins, WS; Bamshad, MJ; Dixon, ME; Ricker, CE; Seielstad, MT; Batzer, MA (2000). «Распределение генетического разнообразия человека: сравнение данных митохондриальной, аутосомной и Y-хромосомной ДНК». Американский журнал генетики человека . 66 (3): 979–88. doi :10.1086/302825. PMC 1288178. PMID 10712212  . 
8. Jorde, Lynn B; Wooding, Stephen P (2004). «Генетическая изменчивость, классификация и «раса»». Nature Genetics . 36 (11s): S28-33. doi : 10.1038/ng1435 . PMID  15508000.
9. Махасиримонгкол, Суракамет; Чантратита, Васун; Промсо, Сомиинг; Пасомсаб, Экават; и др. (2006). «Сходство частоты аллелей и паттерна неравновесия сцепления однонуклеотидных полиморфизмов в локусах генов, связанных с наркотиками, между тайскими и северо-восточноазиатскими популяциями: последствия для маркировки выбора SNP у тайцев». Журнал генетики человека . 51 (10): 896–904. doi : 10.1007/s10038-006-0041-1 . PMID  16957813.
10. Ханнелиус, Ульф; Салмела, Элина; Лаппалайнен, Туули; Гийо, Жиль; Линдгрен, Сесилия М; Фон Дёбельн, Ульрика; Лахермо, Пяйви; Кере, Юха (2008). «Субструктура населения в Финляндии и Швеции, выявленная с помощью пространственных координат и небольшого числа несвязанных аутосомных SNP». BMC Genetics . 9 : 54. doi : 10.1186/1471-2156-9-54 . PMC 2527025. PMID  18713460 . 
11. Лао, Оскар; Лу, Тимоти Т.; Нотнагель, Майкл; Юнге, Олаф; и др. (2008). «Корреляция между генетической и географической структурой в Европе». Current Biology . 18 (16): 1241–8. Bibcode : 2008CBio...18.1241L. doi : 10.1016/j.cub.2008.07.049 . PMID  18691889.
12. Бисвас, Шамик; Шейнфельдт, Лора Б.; Эйки, Джошуа М. (2009). «Геномный анализ закономерностей и детерминант мелкомасштабной популяционной структуры у людей». Американский журнал генетики человека . 84 (5): 641–650. doi :10.1016/j.ajhg.2009.04.015. PMC 2681007. PMID 19442770  . 
13. Нелис, Мари; Эско, Тыну; Мяги, Ридик; Цимприх, Фриц; и др. (2009). Флейшер, Роберт С. (ред.). «Генетическая структура европейцев: взгляд с северо-востока». PLOS ONE . 4 (5): e5472. Bibcode : 2009PLoSO...4.5472N. doi : 10.1371 /journal.pone.0005472 . PMC 2675054. PMID  19424496. 
14. Райх, Дэвид; Тангарадж, Кумарасами; Паттерсон, Ник; Прайс, Элкес Л.; и др. (2009). «Реконструкция истории населения Индии». Nature . 461 (7263): 489–94. Bibcode :2009Natur.461..489R. doi :10.1038/nature08365. PMC 2842210 . PMID  19779445. 
15. Elhaik, E (2012). "Эмпирические распределения FST из крупномасштабных данных о полиморфизме человека". PLOS ONE . 7 (11): e49837. Bibcode : 2012PLoSO...749837E. doi : 10.1371 /journal.pone.0049837 . PMC 3504095. PMID  23185452. 
16. Райт, Сьюэлл (1965). «Интерпретация структуры популяции с помощью F-статистики с особым учетом систем спаривания». Эволюция . 19 (3): 395–420. doi :10.2307/2406450. JSTOR  2406450.
17. Шалев, BA; Дворин, A.; Герман, R.; Кац, Z.; Борнштейн, S. (1991). «Длительное разведение гусей для производства яиц и веса печени». British Poultry Science . 32 (4): 703–9. doi :10.1080/00071669108417396. PMID  1933444.
18. Excoffier, L; Smouse, PE; Quattro, JM (1992). «Анализ молекулярной дисперсии, выведенной из метрических расстояний среди гаплотипов ДНК: применение к данным рестрикции митохондриальной ДНК человека». Genetics . 131 (2): 479–91. doi :10.1093/genetics/131.2.479. PMC 1205020 . PMID  1644282. 

Внешние ссылки

• Простое руководство Шейна по F-статистике
• Анализ генетической структуры популяций
• Эффект Валунда, F-статистика Райта Архивировано 27.05.2005 на Wayback Machine
• Рабочий пример расчета F-статистики по генотипическим данным
• F-статистика на основе IAM
• F-статистика для популяционной генетики Eco-Tool
• Структура населения (слайды)