Фиксация (популяционная генетика) - Fixation (population genetics)

Для использования в других целях см. Фиксация.

В популяционная генетика, фиксация изменение в Генофонд из ситуации, когда существует как минимум два варианта того или иного ген (аллель ) в данной популяции к ситуации, когда остается только один из аллелей.^[1] В отсутствие мутация или же преимущество гетерозиготы, любой аллель в конечном итоге должен быть полностью утерян из популяции или зафиксирован (навсегда установлен со 100% частотой в популяции).^[2] Будет ли ген в конечном итоге потерян или закреплен, зависит от коэффициентов отбора и случайных колебаний аллельных пропорций.^[3] Фиксация может относиться к гену в целом или к конкретному нуклеотид положение в цепи ДНК (локус ).

В процессе замена, ранее не существовавший аллель возникает мутация и проходит фиксацию распространение через население случайным образом генетический дрейф или положительный отбор. Однажды частота аллеля составляет 100%, то есть являясь единственным вариантом гена, присутствующим в любом члене, говорят, что он «зафиксирован» в популяции.^[1]

Точно так же генетические различия между таксоны как говорят, были зафиксированы в каждом разновидность.

История

Самое раннее упоминание о фиксации генов в опубликованных работах было найдено в Кимуры Статья 1962 года «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». В своей 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 и дисперсии изменения частоты гена для каждого поколения.^[4]

Вероятность

Только в условиях генетического дрейфа каждый конечный набор генов или аллелей имеет «точку слияния», в которой все потомки сходятся к единому предку (т.е. они «сливаются»). Этот факт можно использовать для определения скорости фиксации гена нейтрального аллеля (то есть аллеля, не находящегося под какой-либо формой отбора) для популяции различного размера (при условии, что он конечен и не равен нулю). Поскольку эффектом естественного отбора можно пренебречь, вероятность в любой момент времени того, что аллель в конечном итоге закрепится в своем локусе, - это просто его частота. ${\displaystyle p}$ в населении в то время. Например, если популяция включает аллель А с частотой 20%, а аллель а с частотой, равной 80%, вероятность того, что через бесконечное количество поколений а будет зафиксирован в локусе (если предположить, что генетический дрейф является единственной действующей эволюционной силой).

Для диплоид численность населения N и нейтральный скорость мутации ${\displaystyle \mu }$, начальная частота новой мутации равна просто 1 / (2N), а количество новых мутаций на поколение равно ${\displaystyle 2N\mu }$. Поскольку скорость фиксации - это скорость новых нейтральных мутаций, умноженная на их вероятность фиксации, общая скорость фиксации равна ${\displaystyle 2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu }$. Таким образом, скорость фиксации мутации, не подлежащей отбору, - это просто скорость введения таких мутаций.^[5][6]

Для фиксированных размеров популяции вероятность фиксации нового аллеля с избирательным преимуществом s можно аппроксимировать с помощью теории ветвящихся процессов. Популяция с непересекающимися поколениями n = 0, 1, 2, 3, ..., и с ${\displaystyle X_{n}}$ гены (или «индивидуумы») в момент времени n образуют цепь Маркова при следующих предположениях. Введение особи, обладающей аллелем с избирательным преимуществом, соответствует ${\displaystyle X_{0}=1}$. Количество потомков каждого отдельного человека должно соответствовать фиксированному распределению и определяется независимо. В этом контексте производящие функции ${\displaystyle p_{n}(x)}$ для каждого ${\displaystyle X_{n}}$ удовлетворяют рекурсивному соотношению ${\displaystyle p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))}$ и может использоваться для вычисления вероятностей ${\displaystyle \pi _{n}=P(X_{n}=0)}$ потомков на момент n. Можно показать, что ${\displaystyle \pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})}$, и, кроме того, что ${\displaystyle \pi _{n}}$ сходятся к определенному значению ${\displaystyle \pi }$, что является вероятностью того, что у человека не будет потомков. Тогда вероятность фиксации равна ${\displaystyle 1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}}$ поскольку неопределенное выживание полезного аллеля позволит увеличить его частоту до точки, при которой силы отбора будут обеспечивать фиксацию.

Слабо вредные мутации могут быть исправлены случайно в небольших популяциях, и вероятность фиксации будет зависеть от скорости дрейфа (~${\displaystyle 1/N_{e}}$) и выделение (~${\displaystyle s}$), куда ${\displaystyle N_{e}}$ это эффективная численность населения. Соотношение ${\displaystyle N_{e}s}$ определяет, преобладает ли отбор или дрейф, и пока это соотношение не слишком отрицательное, существует значительная вероятность того, что умеренно вредный аллель закрепится. Например, в диплоидной популяции размером ${\displaystyle N_{e}}$, вредный аллель с коэффициентом отбора ${\displaystyle -s}$ имеет фиксацию вероятности, равную ${\displaystyle (1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})}$. Эта оценка может быть получена непосредственно из работы Кимуры 1962 года.^[4] Вредные аллели с коэффициентами отбора ${\displaystyle -s}$ удовлетворение ${\displaystyle 2N_{e}s\ll 1}$ эффективно нейтральны и, следовательно, имеют вероятность фиксации примерно равную ${\displaystyle 1/2N_{e}}$.

На вероятность фиксации также влияют изменения численности популяции. Для растущих популяций коэффициенты отбора более эффективны. Это означает, что полезные аллели с большей вероятностью будут зафиксированы, а вредные аллели с большей вероятностью будут потеряны. В сокращающихся популяциях коэффициенты отбора не так эффективны. Таким образом, повышается вероятность потери полезных аллелей и фиксации вредных аллелей. Это связано с тем, что, если полезная мутация встречается редко, она может быть потеряна исключительно из-за того, что у этого человека не будет потомства, независимо от коэффициента отбора. В растущих популяциях средний индивидуум имеет более высокое ожидаемое количество потомства, тогда как в сокращающихся популяциях средний индивидуум имеет меньшее ожидаемое количество потомства. 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 будет процветать в популяции, и в конечном итоге будет исправлен. Однако в сокращающейся популяции более вероятно, что аллель не может передаваться просто потому, что родители не производят потомства. Это приведет к потере даже полезной мутации.^[7]

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 исправляет, тратит в среднем 4N_е поколений как полиморфизм в популяции.^[2] Среднее время до фиксации N_е это эффективная численность населения, количество особей в идеализированное население под генетический дрейф требуется для получения эквивалентного количества генетического разнообразия. Обычно статистика популяции, используемая для определения эффективного размера популяции, - это гетерозиготность, но можно использовать и другие.^[8]

Скорость фиксации также можно легко смоделировать, чтобы увидеть, сколько времени требуется гену, чтобы закрепиться с различными размерами популяции и поколениями. Например, в Симуляция генетического дрейфа проекта Biology вы можете моделировать генетический дрейф и посмотрите, как быстро ген окраски червей закрепляется в терминах поколений для разных размеров популяции.

Кроме того, уровни фиксации можно смоделировать с помощью сливающихся деревьев. Сливающееся дерево отслеживает происхождение аллелей гена в популяции.^[9] Его цель - проследить до единственной наследственной копии, называемой самым последним общим предком.^[10]

Примеры в исследованиях

В 1969 году Шварц из Университета Индианы смог искусственно вызвать фиксацию генов в кукурузе, подвергнув образцы воздействию неоптимальных условий. Шварц обнаружил мутацию в гене Adh1, который при гомозиготности приводит к тому, что кукуруза не может вырабатывать алкогольдегидрогеназу. Затем Шварц подвергал семена, как с нормальной активностью алкогольдегидрогеназы, так и с отсутствием активности, условиям затопления и наблюдал, способны ли семена прорасти или нет. Он обнаружил, что при затоплении прорастают только семена с активностью алкогольдегидрогеназы. В конечном итоге это вызвало фиксацию гена аллеля Adh1 дикого типа. Мутация Adh1 была потеряна в экспериментальной популяции.^[11]

В 2014 году Ли, Лэнгли и Бегун провели еще одно исследование, связанное с фиксацией генов. Они сосредоточились на Drosophila melanogaster данные о населении и влияние генетический автостоп вызванный выборочные зачистки. Генетический автостоп происходит, когда один аллель строго отобран для фиксации. Это приводит к тому, что окружающие области также будут зафиксированы, даже если они не выбраны для этого.^[12] Глядя на Drosophila melanogaster данные о населении, Lee et al. обнаружили уменьшенную гетерогенность в пределах 25 пар оснований фокальных замен. Они приписывают это мелким эффектам автостопа. Они также обнаружили, что соседние фиксации, которые изменяют полярность аминокислот при сохранении общей полярности белка, находятся под более сильным давлением отбора. Кроме того, они обнаружили, что замены в медленно развивающихся генах были связаны с более сильным генетическим эффектом автостопа.^[13]

Рекомендации

1. Ари Закей (2007). Случайный генетический дрейф и фиксация генов (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2013-08-29.
2. Кимура, Мотоо; Охта, Томоко (26 июля 1968 г.). «Среднее количество поколений до фиксации мутантного гена в конечной популяции». Генетика. 61 (3): 763–771. ЧВК  1212239. PMID  17248440.
3. Кимура, Мотоо (1983). Нейтральная теория молекулярной эволюции. Эдинбургское здание, Кембридж: издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-23109-1. Получено 16 ноября 2014.
4. Кимура, Мотоо (29 января 1962 г.). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции». Генетика. 47: 713–719. ЧВК  1210364. PMID  14456043.
5. «Вероятность фиксации».
6. Дэвид Х.А. Fitch (1997). Отклонения от нулевых гипотез: конечные размеры популяций и генетический дрейф, мутации и поток генов.
7. Отто, Сара; Уитлок, Майкл (7 марта 1997 г.). «Вероятность фиксации в популяциях изменяющегося размера» (PDF). Генетика. 146: 723–733. Получено 14 сентября 2014.
8. Кабальеро, Армандо (9 марта 1994 г.). «Изменения в прогнозировании эффективной численности населения». Наследственность. 73 (6): 657–679. Дои:10.1038 / хди.1994.174. PMID  7814264.
9. Гриффитс, Р. Таваре, Саймон (1998). «Эпоха мутации в общем сливающемся дереве». Коммуникации в статистике. Стохастические модели. 14 (1&2): 273–295. Дои:10.1080/15326349808807471.
10. Уолш, Брюс (22 марта 2001 г.). «Оценка времени до появления самого недавнего общего предка Y-хромосомы или митохондриальной ДНК для пары людей». Генетика. 158 (2): 897–912. ЧВК  1461668. PMID  11404350.
11. Шварц, Дрю (1969). «Пример фиксации генов в результате избирательного преимущества в субоптимальных условиях». Американский натуралист. 103 (933): 479–481. Дои:10.1086/282615. JSTOR  2459409.
12. Райс, Уильям (12 февраля 1987 г.). «Генетический автостоп и эволюция снижения генетической активности Y-половой хромосомы». Генетика. 116 (1): 161–167. ЧВК  1203114. PMID  3596229.
13. Ли, Юх; Лэнгли, Чарльз; Бегун, Дэвид (2014). «Различная сила положительного отбора, обнаруженная автостопом в небольших физических масштабах у Drosophila melanogaster». Молекулярная биология и эволюция. 31 (4): 804–816. Дои:10.1093 / молбев / mst270. ЧВК  4043186. PMID  24361994. Получено 16 ноября 2014.

дальнейшее чтение

• Гиллеспи, Дж. (1994) Причины молекулярной эволюции. Издательство Оксфордского университета.
• 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: 713–719. ЧВК  1210364. PMID  14456043.