Фиксация (популяционная генетика)

Изменение генофонда

В популяционной генетике фиксация — это изменение генофонда от ситуации, когда в данной популяции существует по крайней мере два варианта конкретного гена ( аллеля ), к ситуации, когда остается только один из аллелей. То есть аллель становится фиксированным . ^[1] При отсутствии мутации или преимущества гетерозиготы любой аллель должен в конечном итоге либо полностью исчезнуть из популяции, либо зафиксироваться, т. е. навсегда установиться со 100% частотой в популяции. ^[2] Будет ли ген в конечном итоге потерян или зафиксирован, зависит от коэффициентов отбора и случайных колебаний в аллельных пропорциях. ^[3] Фиксация может относиться к гену в общем или конкретном положении нуклеотида в цепи ДНК ( локусе ).

В процессе замены ранее не существовавший аллель возникает в результате мутации и закрепляется путем распространения в популяции путем случайного генетического дрейфа или положительного отбора . Как только частота аллеля достигает 100%, т.е. становится единственным вариантом гена, присутствующим у любого члена, говорят, что он «закреплен» в популяции. ^[1]

Аналогичным образом, генетические различия между таксонами , как говорят, зафиксированы в каждом виде .

История

Самое раннее упоминание о фиксации генов в опубликованных работах было найдено в статье Мотоо Кимуры 1962 года «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». В этой статье 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 значения и дисперсии изменения частоты гена за поколение. ^[4]

Вероятность

Нейтральные аллели

В условиях только 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 выведения скорости фиксации гена нейтрального аллеля (то есть, аллеля, не находящегося ни под каким отбором) для популяции различного размера (при условии, что он конечен и не равен нулю). Поскольку предполагается, что эффект естественного отбора незначителен, вероятность того, что в любой момент времени аллель в конечном итоге зафиксируется в своем локусе, — это просто его частота в популяции в это время. Например, если популяция включает аллель A с частотой, равной 20%, и аллель a с частотой, равной 80%, то существует 80% вероятность того, что после бесконечного числа поколений a зафиксируется в локусе (предполагая, что генетический дрейф является единственной действующей эволюционной силой). ${\displaystyle p}$

Для диплоидной популяции размером N и нейтральной скоростью мутации начальная частота новой мутации просто 1/(2 N ), а количество новых мутаций на поколение . Поскольку скорость фиксации — это скорость новой нейтральной мутации, умноженная на вероятность ее фиксации, общая скорость фиксации равна . Таким образом, скорость фиксации мутации, не подлежащей отбору, — это просто скорость введения таких мутаций. ^[5] ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle 2N\mu }$ ${\displaystyle 2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu }$

Ненейтральные аллели

Для фиксированных размеров популяции вероятность фиксации нового аллеля с селективным преимуществом s можно аппроксимировать с помощью теории ветвящихся процессов. Популяция с неперекрывающимися 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 . Количество потомков любой одной особи должно следовать фиксированному распределению и определяется независимо. В этой структуре производящие функции для каждой удовлетворяют рекурсивному соотношению и могут использоваться для вычисления вероятностей отсутствия потомков в момент времени n. Можно показать, что , и, кроме того, что сходятся к определенному значению , которое является вероятностью того, что у особи не будет потомков. Тогда вероятность фиксации равна , поскольку неограниченное 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 закрепляться в меньших популяциях случайно, и вероятность закрепления будет зависеть от скоростей дрейфа (~ ) и отбора (~ ), где — эффективный размер популяции . Соотношение определяет, доминирует ли отбор или дрейф, и пока это соотношение не слишком отрицательно, будет существенная вероятность закрепления слабо вредного аллеля. Например, в диплоидной популяции размером вредный аллель с коэффициентом отбора имеет вероятность закрепления, равную . Эту оценку можно получить непосредственно из работы Кимуры 1962 года. ^[4] Вредные аллели с коэффициентами отбора, удовлетворяющими , фактически нейтральны и, следовательно, имеют вероятность закрепления, приблизительно равную . ${\displaystyle 1/N_{e}}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{e}s}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle -s}$ ${\displaystyle (1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})}$ ${\displaystyle -s}$ ${\displaystyle 2N_{e}s\ll 1}$ ${\displaystyle 1/2N_{e}}$

Эффект роста/сокращения численности населения

Вероятность фиксации также зависит от изменений размера 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 утеряны. В популяциях, которые сокращаются в размере, коэффициенты отбора не так эффективны. Таким образом, существует более высокая вероятность потери полезных аллелей и фиксации вредных аллелей. Это происходит потому, что если полезная мутация редка, она может быть утеряна исключительно из-за вероятности того, что у этой особи не будет потомства, независимо от коэффициента отбора. В растущих популяциях средняя особь имеет более высокое ожидаемое число потомков, тогда как в сокращающихся популяциях средняя особь имеет меньшее ожидаемое число потомков. Таким образом, в растущих популяциях более вероятно, что полезный аллель будет передан большему количеству особей в следующем поколении. Это продолжается до тех пор, пока аллель не расцветет в популяции и в конечном итоге не закрепится. Однако в сокращающейся популяции более вероятно, что аллель может не быть передан просто потому, что родители не производят потомства. Это привело бы к потере даже полезной мутации. ^[6]

Время

Кроме того, были проведены исследования среднего времени, необходимого для фиксации нейтральной мутации. Кимура и Охта (1969) показали, что новая мутация, которая в конечном итоге фиксируется, в среднем проведет 4N _e поколений в качестве полиморфизма в популяции. ^[2] Среднее время фиксации N _e — это эффективный размер популяции , количество особей в идеализированной популяции, находящейся в состоянии генетического дрейфа, необходимое для создания эквивалентного количества генетического разнообразия. Обычно для определения эффективного размера популяции используется статистика гетерозиготности, но можно использовать и другие. ^[7]

Скорость фиксации можно легко смоделировать, чтобы увидеть, сколько времени требуется гену для фиксации в разных размерах популяции и поколениях. Например, The Biology Project Genetic Drift Simulation позволяет моделировать генетический дрейф и видеть, как быстро ген цвета червя фиксируется в поколениях для разных размеров популяции.

Кроме того, скорости фиксации можно моделировать с помощью объединенных деревьев. Объединенное дерево отслеживает происхождение аллелей гена в популяции. ^[8] Оно направлено на отслеживание до единственной предковой копии, называемой самым последним общим предком. ^[9]

Примеры исследований

В 1969 году Шварц из Университета Индианы смог искусственно вызвать фиксацию гена в кукурузе, подвергая образцы неоптимальным условиям. Шварц обнаружил мутацию в гене Adh1, которая в гомозиготном состоянии делает кукурузу неспособной вырабатывать алкогольдегидрогеназу. Затем Шварц подверг семена, как с нормальной активностью алкогольдегидрогеназы, так и без нее, условиям затопления и наблюдал, могли ли семена прорасти или нет. Он обнаружил, что при затоплении прорастали только семена с активностью алкогольдегидрогеназы. Это в конечном итоге вызвало фиксацию гена аллеля дикого типа Adh1. Мутация Adh1 была утрачена в экспериментальной популяции. ^[10]

В 2014 году Ли, Лэнгли и Бегун провели еще одно исследование, связанное с фиксацией генов. Они сосредоточились на данных популяции Drosophila melanogaster и эффектах генетического автостопа, вызванного селективными зачистками . Генетический автостоп происходит, когда один аллель сильно отбирается и приводится к фиксации. Это приводит к тому, что окружающие области также приводятся к фиксации, даже если они не отбираются. ^[11] Рассматривая данные популяции Drosophila melanogaster , Ли и др. обнаружили сниженное количество гетерогенности в пределах 25 пар оснований фокальных замен. Они приписывают это мелкомасштабным эффектам автостопа. Они также обнаружили, что соседние фиксации, которые изменяли полярности аминокислот, сохраняя общую полярность белка, находились под более сильным давлением отбора. Кроме того, они обнаружили, что замены в медленно эволюционирующих генах были связаны с более сильными эффектами генетического автостопа. ^[12]

Ссылки

1. Arie Zackay (2007). Случайный генетический дрейф и фиксация генов (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2013-08-29 .
2. Кимура, Мотоо; Охта, Томоко (26 июля 1968 г.). «Среднее число поколений до фиксации мутантного гена в конечной популяции». Генетика . 61 (3): 763–771. doi :10.1093/genetics/61.3.763. PMC 1212239 . PMID  17248440. 
3. Кимура, Мотоо (1983). Нейтральная теория молекулярной эволюции. Здание Эдинбурга, Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-23109-1. Получено 16 ноября 2014 г.
4. Kimura, Motoo (29 января 1962 г.). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». Genetics . 47 (6): 713–719. doi :10.1093/genetics/47.6.713. PMC 1210364 . PMID  14456043. 
5. Дэвид HA Fitch (1997). Отклонения от нулевых гипотез: конечные размеры популяций и генетический дрейф, мутация и поток генов.
6. Отто, Сара; Уитлок, Майкл (7 марта 1997 г.). «Вероятность фиксации в популяциях изменяющегося размера» (PDF) . Генетика . 146 (2): 723–733. doi :10.1093/genetics/146.2.723. PMC 1208011 . PMID  9178020 . Получено 14 сентября 2014 г. . 
7. Кабальеро, Армандо (9 марта 1994 г.). «Развитие прогнозирования эффективного размера популяции». Наследственность . 73 (6): 657–679. doi : 10.1038/hdy.1994.174 . PMID  7814264.
8. Гриффитс, RC; Таваре, Саймон (1998). «Возраст мутации в общем коалесцентном дереве». Сообщения по статистике. Стохастические модели . 14 (1&2): 273–295. doi :10.1080/15326349808807471.
9. Уолш, Брюс (22 марта 2001 г.). «Оценка времени до самого последнего общего предка для Y-хромосомы или митохондриальной ДНК для пары индивидуумов». Генетика . 158 (2): 897–912. doi :10.1093/genetics/158.2.897. PMC 1461668. PMID  11404350 . 
10. Шварц, Дрю (1969). «Пример фиксации гена в результате селективного преимущества в неоптимальных условиях». The American Naturalist . 103 (933): 479–481. doi :10.1086/282615. JSTOR  2459409. S2CID  85366302.
11. Райс, Уильям (12 февраля 1987 г.). «Генетический автостоп и эволюция сниженной генетической активности половой хромосомы Y». Генетика . 116 (1): 161–167. doi :10.1093/genetics/116.1.161. PMC 1203114. PMID 3596229  . 
12. Ли, Ю; 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. PMC 4043186. PMID 24361994.  Получено 16 ноября 2014 г. 

Дальнейшее чтение

• Джиллеспи, Дж. Х. (1994) Причины молекулярной эволюции . Oxford University Press.
• Хартл, Д. Л. и Кларк, А. Г. (2006) Принципы популяционной генетики (4-е издание). Sinauer Associates.
• Кимура, М. (1962). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». Генетика . 47 (6): 713–719. doi :10.1093/genetics/47.6.713. PMC  1210364. PMID  14456043 .