Модель бесконечных сайтов

Модель молекулярной эволюции

Модель бесконечных сайтов (ISM) — это математическая модель молекулярной эволюции, впервые предложенная Мотоо Кимурой в 1969 году. ^[1] Как и другие модели мутаций, ISM обеспечивает основу для понимания того, как мутация приводит к появлению новых аллелей в последовательностях ДНК. Используя частоты аллелей, он позволяет рассчитать гетерозиготность или генетическое разнообразие в конечной популяции и оценить генетические расстояния между интересующими популяциями.

Предположения ISM заключаются в том, что (1) существует бесконечное количество сайтов, где могут возникать мутации, (2) каждая новая мутация происходит в новом сайте и (3) рекомбинации не происходит . ^{[1] [2] [3]} Термин «сайт» относится к одной паре нуклеотидных оснований. ^[1] Поскольку каждая новая мутация должна происходить в новом сайте, не может быть гомоплазии или обратной мутации ранее существовавшей аллели. Все идентичные аллели идентичны по происхождению . К данным можно применить правило четырех гамет, чтобы гарантировать, что они не нарушают предположение модели об отсутствии рекомбинации . ^[4]

Частоту мутаций ( ) можно оценить следующим образом: где – количество мутаций, обнаруженных в случайно выбранной последовательности ДНК (на поколение), – эффективный размер популяции. [ 5 ^] Коэффициент представляет собой произведение удвоенного количества копий гена у особей популяции; в случае диплоидных генов, наследуемых двумя родителями, соответствующий коэффициент равен 4, тогда как для однородительских гаплоидных генов, таких как митохондриальные гены, коэффициент будет равен 2, но применяется к эффективному размеру популяции самок , который для большинства видов составляет примерно половину . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \mu ^{*}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{e}}$

${\displaystyle \theta =4N_{e}\mu ^{*}}$

Принимая во внимание длину последовательности ДНК, ожидаемое количество мутаций рассчитывается следующим образом.

${\displaystyle \mu ^{*}=k\mu }$

Где k — длина последовательности ДНК и вероятность возникновения мутации в данном сайте. ^[5] ${\displaystyle \mu }$

Уоттерсон разработал оценку скорости мутаций, которая учитывает количество сайтов сегрегации (оценка Уоттерсона) . ^[6]

Один из способов представить ISM — это понять, как он применяется к эволюции генома. Чтобы понять ISM применительно к эволюции генома, мы должны подумать об этой модели применительно к хромосомам . Хромосомы состоят из участков , которые представляют собой нуклеотиды , обозначаемые буквами A, C, G или T. Хотя отдельные хромосомы не бесконечны, мы должны думать о хромосомах как о непрерывных интервалах или непрерывных кругах. ^[7]

Для понимания ISM с точки зрения эволюции генома применяется множество предположений: ^[7]

• В этих хромосомах происходит k разрывов, в результате чего остается 2k свободных концов. Свободные концы 2k воссоединятся новым способом , перестраивая набор хромосом (т.е. реципрокная транслокация , слияние, деление , инверсия , циркулярное разрезание, циркулярное иссечение).
• Ни одна точка останова никогда не используется дважды.
• Набор хромосом может дублироваться или теряться.
• В хромосомах можно наблюдать ДНК, которая никогда раньше не существовала, например, горизонтальный перенос генов ДНК или интеграцию вируса.
• Если хромосомы станут достаточно разными, в ходе эволюции может образоваться новый вид.
• Замены, которые изменяют одну пару оснований, индивидуально невидимы, и замены происходят с конечной скоростью на сайт.
• Скорость замещения одинакова для всех сайтов вида, но может варьироваться в зависимости от вида (т.е. не предполагается никаких молекулярных часов ).
• Вместо того, чтобы думать о самих заменах, подумайте об эффекте замены в каждой точке хромосомы как о непрерывном увеличении эволюционного расстояния между предыдущей версией генома в этом участке и следующей версией генома в соответствующем участке хромосомы. потомок. ^[7]

Рекомендации

1. Кимура, Мотоо (1 апреля 1969). «Количество гетерозиготных нуклеотидных сайтов, сохраняющихся в конечной популяции благодаря устойчивому потоку мутаций». Генетика . 61 (4): 893–903. дои : 10.1093/генетика/61.4.893. ISSN  0016-6731. ПМК  1212250 . ПМИД  5364968.
2. Тадзима, Ф (1996). «Модель бесконечных аллелей и модель бесконечных участков в популяционной генетике». Журнал генетики . 75 : 27–31. дои : 10.1007/bf02931749. S2CID  1330336.
3. Уоттерсон, Джорджия (1975). «О количестве сайтов сегрегации в генетических моделях без рекомбинации». Теоретическая популяционная биология . 7 (2): 256–276. дои : 10.1016/0040-5809(75)90020-9. ПМИД  1145509.
4. Хадсон, Ричард Р.; Каплан, Норман Л. (1 сентября 1985 г.). «Статистические свойства количества событий рекомбинации в истории образца последовательностей ДНК». Генетика . 111 (1): 147–164. дои : 10.1093/генетика/111.1.147. ISSN  0016-6731. ПМК 1202594 . ПМИД  4029609. 
5. Фучик, А; Гач, Ф (2008). «О недопустимости оценки Уоттерсона». Теоретическая популяционная биология . 73 (2): 212–221. дои : 10.1016/j.tpb.2007.11.009. ПМИД  18215409.
6. Рамирес-Сориано, А; Нильсен, Р. (2009). «Корректировка оценок Θ и D Тадзимы для ошибок в проверке, вызванных процессом обнаружения однонуклеотидного полиморфизма». Генетика . 181 (2): 701–710. doi : 10.1534/genetics.108.094060. ПМК 2644958 . ПМИД  19087964. 
7. Ма, Цзянь; Ратан, Аакрош; Рэйни, Брайан Дж.; Эх, Бернард Б.; Миллер, Уэбб; Хаусслер, Дэвид (23 сентября 2008 г.). «Модель бесконечных сайтов эволюции генома». Труды Национальной академии наук . 105 (38): 14254–14261. дои : 10.1073/pnas.0805217105 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 2533685 . ПМИД  18787111. 

дальнейшее чтение

• Дегнан, Джеймс Х.; Солтер, Лаура А. (2005). «Распределение генного дерева в процессе слияния». Эволюция . 59 (1): 24–37. doi :10.1111/j.0014-3820.2005.tb00891.x. PMID  15792224. S2CID  592613.
• Хобольт, Асгер; Уенояма, Марси К.; Виуф, Карстен (2008). «Выборка по важности для модели бесконечных сайтов». Статистические приложения в генетике и молекулярной биологии . 7 (1): Статья 32. дои : 10.2202/1544-6115.1400. ПМЦ  2832804 . ПМИД  18976228.
• Ма, Цзянь; и другие. (2008). «Модель бесконечных сайтов эволюции генома». Труды Национальной академии наук . 105 (38): 14254–14261. дои : 10.1073/pnas.0805217105 . ПМЦ  2533685 . ПМИД  18787111.
• Цитроне, Анна; Руссе, Франсуа; Дэвид, Патрис (2001). «Гетерозис, маркерные мутационные процессы и история популяционного инбридинга». Генетика . 159 (4): 1845–1859. дои : 10.1093/генетика/159.4.1845. ПМЦ  1461896 . ПМИД  11779819.