Генетическая нагрузка

Мера в популяционной генетике

Генетическая нагрузка — это разница между приспособленностью среднего генотипа в популяции и приспособленностью некоторого референтного генотипа, который может быть либо наилучшим из присутствующих в популяции , либо теоретически оптимальным генотипом. Средняя особь, взятая из популяции с низкой генетической нагрузкой, как правило, при выращивании в тех же условиях будет иметь больше выживших потомков, чем средняя особь из популяции с высокой генетической нагрузкой. ^{[1] [2]} Генетическую нагрузку также можно рассматривать как сниженную приспособленность на уровне популяции по сравнению с тем, что имела бы популяция, если бы все особи имели референтный генотип с высокой приспособленностью. ^[3] Высокая генетическая нагрузка может поставить популяцию под угрозу вымирания .

Основы

Рассмотрим n генотипов , которые имеют приспособленности и частоты соответственно. Игнорируя частотно-зависимый отбор , генетический груз можно рассчитать как: ${\displaystyle \mathbf {A} _{1},\dots ,\mathbf {A} _{n}}$ ${\displaystyle w_{1},\dots ,w_{n}}$ ${\displaystyle p_{1},\dots ,p_{n}}$ ${\displaystyle L}$

${\displaystyle L={{w_{\max }-{\bar {w}}} \over w_{\max }}}$

где — это либо некоторый теоретический оптимум, либо максимальная приспособленность, наблюдаемая в популяции. При расчете генетической нагрузки, должен быть фактически обнаружен по крайней мере в одной копии в популяции, и — это средняя приспособленность, вычисленная как среднее значение всех приспособленностей, взвешенных по их соответствующим частотам: ${\displaystyle w_{\max }}$ ${\displaystyle w_{1}\dots w_{n}}$ ${\displaystyle {\bar {w}}}$

${\displaystyle {\bar {w}}={\sum _{i=1}^{n}{p_{i}w_{i}}}}$

где генотип имеет и приспособленность и частоту и соответственно. ${\displaystyle i^{\mathrm {th} }}$ ${\displaystyle \mathbf {A} _{i}}$ ${\displaystyle w_{i}}$ ${\displaystyle p_{i}}$

Одна из проблем с расчетом генетической нагрузки заключается в том, что сложно оценить как теоретически оптимальный генотип, так и максимально подходящий генотип, фактически присутствующий в популяции. ^[4] Это не проблема в математических моделях генетической нагрузки или для эмпирических исследований, которые сравнивают относительное значение генетической нагрузки в одной ситуации с генетической нагрузкой в ​​другой.

Причины

Вредная мутация

Груз вредных мутаций является основным фактором, вносящим вклад в общую генетическую нагрузку. ^[5] Теорема Холдейна-Мюллера о балансе мутаций и отбора гласит, что нагрузка зависит только от частоты вредных мутаций , а не от коэффициента отбора . ^[6] В частности, относительно идеального генотипа приспособленности 1 средняя приспособленность популяции равна , где U — общая частота вредных мутаций, суммированная по многим независимым участкам. Интуиция отсутствия зависимости от коэффициента отбора заключается в том, что, хотя мутация с более сильными эффектами наносит больше вреда на поколение, ее вред ощущается в течение меньшего количества поколений. ${\displaystyle \exp(-U)}$

Немного вредная мутация может не оставаться в балансе мутация-селекция, а вместо этого может быть зафиксирована генетическим дрейфом , когда ее коэффициент отбора меньше единицы, деленной на эффективный размер популяции . ^[7] В бесполых популяциях стохастическое накопление мутационной нагрузки называется храповиком Мюллера и происходит при отсутствии полезных мутаций, когда после того, как наиболее приспособленный генотип был утрачен, его нельзя восстановить путем генетической рекомбинации . Детерминированное накопление мутационной нагрузки происходит у бесполых особей, когда частота вредных мутаций превышает одну на репликацию. ^[8] Ожидается, что виды, размножающиеся половым путем, будут иметь более низкие генетические нагрузки. ^[9] Это одна из гипотез эволюционного преимущества полового размножения . Очищение вредных мутаций в половых популяциях облегчается синергетическим эпистазом среди вредных мутаций. ^[10]

Высокая нагрузка может привести к небольшому размеру популяции , что в свою очередь увеличивает накопление мутационной нагрузки, что приводит к вымиранию через мутационный кризис . ^{[11] [12]}

Накопление вредных мутаций у людей вызывало беспокойство у многих генетиков, включая Германа Йозефа Мюллера , ^[13] Джеймса Ф. Кроу , ^[10] Алексея Кондрашова , ^[14] У. Д. Гамильтона , ^[15] и Майкла Линча . ^[16]

Полезная мутация

В достаточно генетически нагруженных популяциях новые полезные мутации создают более приспособленные генотипы, чем те, которые ранее присутствовали в популяции. Когда нагрузка рассчитывается как разница между наиболее приспособленным генотипом, присутствующим в настоящее время, и средним значением, это создает замещающую нагрузку . Разница между теоретическим максимумом (который на самом деле может не присутствовать) и средним значением известна как «запаздывающая нагрузка». ^[17] Первоначальный аргумент Мотоо Кимуры в пользу нейтральной теории молекулярной эволюции состоял в том, что если бы большинство различий между видами были адаптивными, это превысило бы предел скорости адаптации, установленный замещающей нагрузкой. ^[18] Однако аргумент Кимуры путал запаздывающую нагрузку с замещающей нагрузкой, используя первую, когда именно последняя фактически устанавливает максимальную скорость эволюции путем естественного отбора. ^[19]

Более поздние модели «бегущей волны» быстрой адаптации выводят термин, называемый «лидером», который эквивалентен замещающей нагрузке, и обнаруживают, что он является критическим фактором, определяющим скорость адаптивной эволюции. ^{[20] [21]}

Инбридинг

Инбридинг увеличивает гомозиготность . В краткосрочной перспективе увеличение инбридинга увеличивает вероятность того, что потомство получит две копии рецессивного вредного аллеля, снижая приспособленность через инбридинговую депрессию . ^[22] У вида, который обычно инбридинг, например, через самооплодотворение , часть рецессивных вредных аллелей может быть удалена . ^{[23] [24]}

Аналогичным образом, в небольшой популяции людей, практикующих эндогамию , вредные аллели могут либо подавить генофонд популяции, вызвав ее вымирание, либо, наоборот, сделать ее более приспособленной. ^[25]

Рекомбинация/сегрегация

Комбинации аллелей, которые эволюционировали, чтобы хорошо работать вместе, могут не работать при рекомбинации с другим набором коэволюционировавших аллелей, что приводит к депрессии аутбридинга . Сегрегационная нагрузка возникает при наличии сверхдоминирования , т. е. когда гетерозиготы более приспособлены, чем любая гомозигота. В таком случае гетерозиготный генотип разрушается менделевской сегрегацией , что приводит к производству гомозиготного потомства. Следовательно, существует сегрегационная нагрузка, поскольку не все особи имеют теоретически оптимальный генотип. Рекомбинационная нагрузка возникает из-за неблагоприятных комбинаций в нескольких локусах, которые появляются, когда благоприятные неравновесия сцепления разрушаются. ^[26] Рекомбинационная нагрузка также может возникать при объединении вредных аллелей, подверженных синергетическому эпистазу , т. е. ущерб которых в комбинации больше, чем прогнозируемый при рассмотрении их по отдельности. ^[27]

Миграция

Предполагается, что миграционная нагрузка возникает, когда плохо адаптированные неместные организмы попадают в новую среду. ^[28]

С одной стороны, полезные гены от мигрантов могут повысить приспособленность местных популяций. ^[29] С другой стороны, миграция может снизить приспособленность местных популяций, вводя неадаптивные аллели. Предполагается, что это происходит, когда скорость миграции «намного больше», чем коэффициент отбора. ^[29]

Миграционная нагрузка может возникать из-за снижения приспособленности местных организмов или из-за естественного отбора, налагаемого на новичков, например, путем их уничтожения местными хищниками. ^{[30] [31]} Большинство исследований нашли доказательства этой теории только в форме отбора против популяций иммигрантов, однако одно исследование также обнаружило доказательства увеличения мутационной нагрузки в популяциях-реципиентах. ^[32]

Ссылки

1. Уитлок, Майкл С.; Бурге, Дени (2000). «Факторы, влияющие на генетический груз у дрозофилы: синергический эпистаз и корреляции между компонентами приспособленности» (PDF) . Эволюция . 54 (5): 1654–1660. doi :10.1554/0014-3820(2000)054[1654:FATGLI]2.0.CO;2. PMID  11108592. S2CID  44511613.
2. Крист, Кэтрин Карви; Фаррар, Дональд Р. (1983). «Генетическая нагрузка и распространение на большие расстояния у Asplenium platyneuron ». Канадский журнал ботаники . 61 (6): 1809–1814. doi :10.1139/b83-190.
3. JF Crow (1958). «Некоторые возможности измерения интенсивности отбора у человека». Human Biology . 30 (1): 1–13. PMID  13513111.
4. Агравал, Анейл Ф.; Уитлок, Майкл К. (2012). «Нагрузка мутаций: приспособленность особей в популяциях, где распространены вредные аллели». Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics . 43 (1): 115–135. doi :10.1146/annurev-ecolsys-110411-160257.
5. Клековски, Эдвард Дж. (1988). «Генетическая нагрузка и ее причины у долгоживущих растений». Деревья . 2 (4): 195–203. doi :10.1007/BF00202374. S2CID  24058154.
6. Бюргер, Рейнхард (1998). «Математические свойства моделей мутационного отбора». Genetica . 102/103: 279–298. doi :10.1023/a:1017043111100. S2CID  22885529.
7. Ланде, Рассел (октябрь 1994 г.). «Риск вымирания популяции из-за фиксации новых вредных мутаций». Эволюция . 48 (5): 1460–1469. doi :10.2307/2410240. JSTOR  2410240. PMID  28568413.
8. Кондрашов, АС (1988). «Вредные мутации и эволюция полового размножения». Nature . 336 (6198): 435–440. Bibcode :1988Natur.336..435K. doi :10.1038/336435a0. PMID  3057385. S2CID  4233528.
9. Marriage, Tara N. (2009). Мутация, бесполое размножение и генетический груз: исследование в трех частях (диссертация на соискание ученой степени доктора философии). Университет Канзаса.
10. Crow, James F. (5 августа 1997 г.). «Высокая частота спонтанных мутаций: представляет ли она риск для здоровья?». Труды Национальной академии наук . 94 (16): 8380–8386. Bibcode : 1997PNAS...94.8380C. doi : 10.1073/pnas.94.16.8380 . ISSN  0027-8424. PMC 33757. PMID 9237985  . 
11. Линч, Майкл; Конери, Джон; Бергер, Рейнхард (декабрь 1995 г.). «Мутационные сбои в половых популяциях». Эволюция . 49 (6): 1067–1080. doi :10.2307/2410432. JSTOR  2410432. PMID  28568521.
12. Линч, Майкл; Конери, Джон; Бергер, Рейнхард (1 января 1995 г.). «Накопление мутаций и вымирание малых популяций». The American Naturalist . 146 (4): 489–518. doi :10.1086/285812. JSTOR  2462976. S2CID  14762497.
13. Muller, HJ (1 июня 1950 г.). «Наш груз мутаций». American Journal of Human Genetics . 2 (2): 111–176. ISSN  0002-9297. PMC 1716299. PMID 14771033  . 
14. Кондрашов, Алексей С. (21 августа 1995 г.). «Загрязнение генома очень слабо вредными мутациями: почему мы не умерли 100 раз?». Журнал теоретической биологии . 175 (4): 583–594. Bibcode : 1995JThBi.175..583K. doi : 10.1006/jtbi.1995.0167 . PMID  7475094.
15. Гамильтон, У. Д. Узкие дороги страны генов, т. 2: Эволюция пола . С. 449–463.
16. Линч, М. (7 марта 2016 г.). «Мутация и исключительность человека: наш будущий генетический груз». Генетика . 202 (3): 869–875. doi :10.1534/genetics.115.180471. PMC 4788123. PMID  26953265 . 
17. Смит, Дж. Мейнард (1 января 1976 г.). «Что определяет скорость эволюции?». The American Naturalist . 110 (973): 331–338. doi :10.1086/283071. JSTOR  2459757. S2CID  85575105.
18. Кимура, Мотоо (1968). «Скорость эволюции на молекулярном уровне» (PDF) . Nature . 217 (5129): 624–626. Bibcode : 1968Natur.217..624K. doi : 10.1038/217624a0. PMID  5637732. S2CID  4161261.
19. Эвенс, Уоррен Дж. (2003). Математическая популяционная генетика (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer. С. 78. ISBN 978-0387201917.
20. Десаи, ММ; Фишер, ДС (4 мая 2007 г.). «Баланс отбора полезных мутаций и влияние сцепления на положительный отбор». Генетика . 176 (3): 1759–1798. doi :10.1534/genetics.106.067678. PMC 1931526. PMID  17483432 . 
21. Бертрам, Дж.; Гомес, К.; Масел, Дж. (февраль 2017 г.). «Прогнозирование закономерностей долгосрочной адаптации и вымирания с помощью популяционной генетики». Эволюция . 71 (2): 204–214. arXiv : 1605.08717 . doi : 10.1111/evo.13116. PMID  27868195. S2CID  4705439.
22. Saccheri, IJ; Lloyd, HD; Helyar, SJ; Brakefield, PM (2005). «Инбридинг раскрывает фундаментальные различия в генетическом грузе, влияющем на мужскую и женскую фертильность у бабочки». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 ​​(1558): 39–46. doi :10.1098/rspb.2004.2903. PMC 1634945. PMID  15875568 . 
23. Байерс, Д. Л.; Уоллер, Д. М. (1999). «Очищают ли популяции растений свой генетический груз? Влияние размера популяции и истории спаривания на инбридинговую депрессию». Annual Review of Ecology and Systematics . 30 (1): 479–513. doi :10.1146/annurev.ecolsys.30.1.479.
24. Barrett, SCH; Charlesworth, D. (1991). «Влияние изменения уровня инбридинга на генетический груз». Nature . 352 (6335): 522–524. Bibcode :1991Natur.352..522B. doi :10.1038/352522a0. PMID  1865906. S2CID  4240051.
25. Пала, М.; Заппала, З.; Маронджиу, М. (2017). «Популяционные и индивидуальные регуляторные вариации в Сардинии». Nature Genetics . 49 (5): 700–707. doi :10.1038/ng.3840. PMC 5411016 . PMID  28394350. S2CID  4240051. 
26. Хааг, CR; Розе, Д. (2007). «Генетическая нагрузка в половых и бесполых диплоидах: сегрегация, доминирование и генетический дрейф». Генетика . 176 (3): 1663–1678. doi :10.1534/genetics.107.073080. PMC 1931546. PMID  17483409 . 
27. Кинг, Дж. (1966). «Компонент генетического груза, связанный с взаимодействием генов». Генетика . 53 (3): 403–413. doi :10.1093/genetics/53.3.403. PMC 1211027. PMID  5919323 . 
28. Bolnick, Daniel I. (2007). «Естественный отбор в популяциях, подверженных миграционной нагрузке». Эволюция . 61 (9): 2229–2243. doi :10.1111/j.1558-5646.2007.00179.x. PMID  17767592. S2CID  25685919.
29. Ху, Синь-Шэн; Ли, Байлянь (2003). «О миграционной нагрузке семян и пыльцевых зерен в местной популяции». Наследственность . 90 (2): 162–168. doi : 10.1038/sj.hdy.6800212 . PMID  12634823.«Поток генов может гомогенизировать генетическую дивергенцию среди популяций. С одной стороны, эффекты генетического дрейфа в небольших локальных популяциях могут быть эффективно снижены, когда среднее число мигрантов больше одного (Райт, 1969), полезные гены иммигрантов могут сместить локальные популяции к более высокому пику приспособленности (Бартон и Уитлок, 1997). С другой стороны, поток генов между популяциями, адаптированными к разным средам, может вызвать дезадаптацию в популяции-реципиенте, что приводит к миграционной нагрузке, снижению приспособленности популяции. Если скорость миграции намного превышает коэффициент отбора, аллели мигрантов могут даже вытеснить локально адаптивные аллели (Райт, 1969)».
30. Bolnick 2007: «Второе последствие баланса миграции и отбора известно как «миграционная нагрузка» (Garcia-Ramos and Kirkpatrick 1997). Это потеря средней приспособленности популяции, которая является результатом иммиграции локально неадаптированных аллелей. Миграционная нагрузка аналогична «мутационной нагрузке», которая возникает, когда мутация вводит новые аллели, которые, в среднем, как ожидается, будут менее приспособленными, чем существующие аллели. Хотя и миграция, и мутация имеют потенциал для импорта локально полезных новых аллелей, которые способствуют адаптации (Kawecki 2000), иммигранты из других сред часто могут нести аллели, которые менее приспособлены к местной среде обитания. Следовательно, в дополнение к ограничению дивергенции между популяциями, миграция смещает популяции-реципиенты с их локальных адаптивных пиков. Для менделевских признаков это влечет за собой снижение частоты локально благоприятных аллелей, которые в противном случае были бы на уровне или около фиксации, тогда как количественные признаки могут быть смещены со среднего значения предпочтительнее по отбору».
31. Bolnick 2007: «Учитывая эту историю жизни, можно ожидать, что гомогенизирующие эффекты миграции будут наиболее очевидны в начале поколения, после чего естественный отбор визуальных хищников, по-видимому, устранит многих иммигрантов».
32. Bolnick 2007: До настоящего времени поддержка миграционной нагрузки, как правило, ограничивалась исследованиями отдельных популяций, в которых отбор действует против иммигрантов (King 1992; Sandoval 1994a; Hendry et al. 2002; Moore and Hendry 2005).