Генетическая дистанция

Рисунок 1: Карта генетических расстояний, составленная Кавалли-Сфорца и др. (1994)

Генетическая дистанция — это мера генетического расхождения между видами или между популяциями внутри вида, независимо от того, измеряет ли расстояние время от общего предка или степень дифференциации. Популяции со многими схожими аллелями имеют небольшие генетические расстояния. Это указывает на то, что они тесно связаны и имеют недавнего общего предка.

Генетическая дистанция полезна для реконструкции истории популяций, например, многочисленных расселений человека из Африки . Он также используется для понимания происхождения биоразнообразия . Например, часто исследуются генетические расстояния между различными породами домашних животных, чтобы определить, какие породы следует охранять для сохранения генетического разнообразия.

Биологическая основа

Жизнь на Земле началась с очень простых одноклеточных превратились в сложнейшие многоклеточные организмы. организмов, которые в течение более трех миллиардов лет Создание комплексного древа жизни , представляющего все организмы, когда-либо жившие на Земле, важно для понимания эволюции жизни перед лицом всех проблем, с которыми сталкиваются живые организмы, и решения подобных проблем в будущем. Биологи-эволюционисты попытались создать эволюционные или филогенетические деревья, охватывающие как можно больше организмов, на основе имеющихся ресурсов. окаменелостей Датирование и молекулярные часы — два способа создания эволюционной истории живых организмов. Ископаемая запись случайна, неполна и не дает непрерывной цепочки событий, как фильм с пропущенными кадрами, не может передать весь сюжет фильма.

Молекулярные часы, с другой стороны, представляют собой определенные последовательности ДНК , РНК или белков (аминокислот), которые используются для определения на молекулярном уровне сходств и различий между видами, для определения временной шкалы расхождений. и проследить общего предка видов на основе скорости мутаций и изменений последовательностей, накопленных в этих конкретных последовательностях. Основной движущей силой эволюции являются мутации или изменения в генах, и учет этих изменений с течением времени определяет приблизительную генетическую дистанцию ​​между видами. Эти специфические молекулярные часы достаточно консервативны у разных видов, имеют постоянную скорость мутаций, как часы, и откалиброваны на основе эволюционных событий (записей окаменелостей). Например, ген альфа-глобина (компонент гемоглобина) мутирует со скоростью 0,56 на пару оснований в миллиард лет. Молекулярные часы могут заполнить пробелы, образовавшиеся из-за отсутствия записей окаменелостей.

В геноме организма каждый ген расположен в определенном месте, называемом локусом этого гена. Аллельные вариации в этих локусах вызывают фенотипические вариации внутри вида (например, цвет волос, цвет глаз). Однако большинство аллелей не оказывают заметного влияния на фенотип. Внутри популяции новые аллели, возникшие в результате мутации, либо вымирают, либо распространяются по всей популяции. Когда популяция разделяется на разные изолированные популяции (по географическим или экологическим факторам), мутации, возникающие после разделения, будут присутствовать только в изолированной популяции. Случайные колебания частот аллелей также вызывают генетическую дифференциацию между популяциями. Этот процесс известен как генетический дрейф . Изучая различия между частотами аллелей между популяциями и вычисляя генетическое расстояние, мы можем оценить, как давно эти две популяции были разделены.

Давайте предположим, что это последовательность ДНК или гипотетический ген, частота мутаций которого составляет одно основание за 10 миллионов лет. Используя эту последовательность ДНК, можно определить расхождение двух разных видов или генетическое расстояние между двумя разными видами путем подсчета количества различий в парах оснований между ними. Например, на рисунке 2 разница в 4 основания в гипотетической последовательности между этими двумя видами указывает на то, что они разошлись 40 миллионов лет назад, а их общий предок жил по крайней мере 20 миллионов лет назад до их расхождения. На основе молекулярных часов приведенное ниже уравнение можно использовать для расчета времени с момента расхождения.

Количество мутаций ÷ Мутация в год (скорость мутаций) = время с момента расхождения.

Рисунок 2: Хронология расхождения между двумя гипотетическими видами.

Процесс определения генетической дистанции

Недавний прогресс в технологии секвенирования и доступность комплексных геномных баз данных и инструментов биоинформатики , способных хранить и обрабатывать колоссальные объемы данных, полученных с помощью передовой технологии секвенирования, значительно улучшили эволюционные исследования и понимание эволюционных взаимоотношений между видами.

Маркеры генетической дистанции

различные биомолекулярные маркеры, такие как ДНК, РНК и аминокислотные последовательности (белки). Для определения генетического расстояния можно использовать

Критерии выбора Выбор подходящего биомаркера генетической дистанции включает в себя следующие три этапа:

1. выбор изменчивости
2. выбор конкретного участка ДНК или РНК
3. использование техники

Выбор вариативности зависит от предполагаемого результата. Например, очень высокий уровень изменчивости рекомендуется для демографических исследований и анализа происхождения , средний и высокий уровень изменчивости рекомендуется для сравнения различных популяций, а изменчивость от умеренной до очень низкой рекомендуется для филогенетических исследований. Важным фактором также является геномная локализация и плоидность маркера. Например, число копий гена r обратно пропорционально устойчивости: гаплоидный геном ( митохондриальная ДНК ) более склонен к генетическому дрейфу , чем диплоидный геном ( ядерная ДНК ).

Выбор и примеры молекулярных маркеров для исследований в области эволюционной биологии.

	Биологические проблемы/уровень биоразнообразия	Уровень изменчивости	Характер требуемой информации	Примеры наиболее часто используемых маркеров
Внутрипопуляционный	Структура населения, система воспроизводства	От среднего до высокого	(N) кодоминант локус = ( Мультилокус ) генотип	Микросателлиты , аллозимы
	Отпечатки пальцев . анализ происхождения	Очень высокий	Кодоминантные локусы или многочисленные доминантные локусы	Микроспутники ( RAPD , AFLP )
	Демография	От среднего до высокого	Частота аллелей в образцах, взятых в разное время	Аллозимы, Микросателлиты
	Демографическая история	От среднего до высокого	Частота аллелей + эволюционные связи	мт-ДНК Последовательности
Межпопуляционный	Филогеография , определение эволюционно значимых единиц (структура населения)	От среднего до высокого	Частота аллелей в каждой популяции	Аллозимы, микросателлиты (риск гомоплазии размеров )
	Биоконсервация	Середина	Эволюционные взаимоотношения аллелей	Мт-ДНК (если достаточно изменчива)
Межвидовой	Близкие виды	ок. 1%/ мой	Отсутствие изменчивости внутри вида, если это возможно.	Последовательности Мт-ДНК, ЕГО рДНК

Применение генетической дистанции

• Филогенетика : изучение генетической дистанции между видами может помочь в установлении эволюционных связей между ними, времени расхождения между ними и создании комплексного филогенетического дерева, которое связывает их с общими предками.
•  Точность геномного предсказания : генетическое расстояние можно использовать для предсказания ненаблюдаемых фенотипов, что имеет значение в медицинской диагностике и селекции растений и животных.
• Популяционная генетика : генетическое расстояние может помочь в изучении популяционной генетики, понимании внутри- и межпопуляционного генетического разнообразия.
• Таксономия и определение границ видов : Определение генетической дистанции с помощью штрих-кодирования ДНК является эффективным инструментом для определения границ видов, особенно для выявления загадочных видов . Рекомендуется оптимизированное процентное пороговое генетическое расстояние на основе изучаемых данных и видов для улучшения и повышения надежности и применимости делимитации. которые могут очертить границы видов и идентифицировать загадочные виды, которые выглядят похожими, но генетически различны.

Эволюционные силы, влияющие на генетическую дистанцию

Эволюционные силы , такие как мутации, генетический дрейф, естественный отбор и поток генов , управляют процессом эволюции и генетического разнообразия. Все эти силы играют важную роль в генетической дистанции внутри и между видами.

Меры

Рисунок 3: Изображение показывает видообразование, возникшее в результате географической изоляции, когда исходная популяция была отделена. С течением времени изолированные группы определенных таксонов могут разделиться на отдельные виды.

Существуют различные статистические меры, направленные на количественную оценку генетических отклонений между популяциями или видами. Используя предположения, полученные в результате экспериментального анализа эволюционных сил, можно выбрать модель, которая более точно подходит для данного эксперимента, для изучения генетической группы. Кроме того, сравнение того, насколько хорошо разные показатели моделируют определенные особенности популяции, такие как изоляция, может выявить показатели, которые больше подходят для понимания вновь изучаемых групп. Наиболее часто используемыми показателями генетической дистанции являются генетическая дистанция Нея, Кавалли-Сфорца и Эдвардс измеряют, и генетическая дистанция Рейнольдса, Вейра и Кокерхэма.

Расстояние Джукса-Кантора

Одной из самых простых и простых мер расстояния является расстояние Джукса-Кантора . Эта мера построена на основе предположения, что не произошло никаких вставок или делеций, все замены независимы и что каждое изменение нуклеотида одинаково вероятно. С учетом этих предположений мы можем получить следующее уравнение:

$d_{AB}=-{\frac {3}{4}}\ln(1-{\frac {4}{3}}f_{AB})$

где $d_{AB}$ - расстояние Джукса-Кантора между двумя последовательностями A и B, и $f_{AB}$ это несходство между двумя последовательностями.

Стандартное генетическое расстояние Нея

В 1972 году Масатоши Ней опубликовал то, что стало известно как стандартное генетическое расстояние Нея. У этого расстояния есть хорошее свойство: если скорость генетических изменений (замен аминокислот) постоянна в течение года или поколения, то стандартное генетическое расстояние Нея ( D ) увеличивается пропорционально времени дивергенции. Эта мера предполагает, что генетические различия вызваны мутациями и генетическим дрейфом .

$D=-\ln {\frac {\sum \limits _{\ell }\sum \limits _{u}X_{u}Y_{u}}{\sqrt {\left(\sum \limits _{u}X_{u}^{2}\right)\left(\sum \limits _{u}Y_{u}^{2}\right)}}}$

Это расстояние также можно выразить через среднее арифметическое идентичности генов. Позволять $j_{X}$ быть вероятностью для двух членов популяции $X$ имеющие один и тот же аллель в определенном локусе и $j_{Y}$ быть соответствующей вероятностью в популяции $Y$. Кроме того, пусть $j_{XY}$ быть вероятностью для члена $X$ и член $Y$ имеющие один и тот же аллель. Теперь позвольте $J_{X}$, $J_{Y}$ и $J_{XY}$ представляют арифметическое среднее $j_{X}$, $j_{Y}$ и $j_{XY}$ по всем локусам соответственно. Другими словами,

$J_{X}=\sum _{u}{\frac {{X_{u}}^{2}}{L}}$

$J_{Y}=\sum _{u}{\frac {{Y_{u}}^{2}}{L}}$

$J_{XY}=\sum _{\ell }\sum _{u}{\frac {X_{u}Y_{u}}{L}}$

где $L$ – общее количество исследованных локусов.

Тогда стандартное расстояние Нея можно записать как

$D=-\ln {\frac {J_{XY}}{\sqrt {J_{X}J_{Y}}}}$

Расстояние хорды Кавалли-Сфорца

В 1967 году Луиджи Лука Кавалли-Сфорца и AWF Эдвардс опубликовали эту меру. Предполагается, что генетические различия возникают только из-за генетического дрейфа . Одним из основных преимуществ этой меры является то, что популяции представлены в гиперсфере, масштаб которой составляет одну единицу на замену гена. в Расстояние хорды гиперпространственной сфере определяется выражением

$D_{\text{CH}}={\frac {2}{\pi }}{\sqrt {2\left(1-\sum _{\ell }\sum _{u}{\sqrt {X_{u}Y_{u}}}\right)}}$

Некоторые авторы опускают фактор ${\frac {2}{\pi }}$ чтобы упростить формулу ценой потери того свойства, что масштаб составляет одну единицу на одну замену гена.

Генетическая дистанция Рейнольдса, Вейра и Кокерхема

В 1983 году эту меру опубликовали Джон Рейнольдс, Брюс Вейр и К. Кларк Кокерхэм .Эта мера предполагает, что генетическая дифференциация происходит только путем генетического дрейфа без мутаций. Он оценивает коэффициент родства $\Theta$ который обеспечивает меру генетической дивергенции путем:

$\Theta _{w}={\sqrt {\frac {\sum \limits _{\ell }\sum \limits _{u}(X_{u}-Y_{u})^{2}}{2\sum \limits _{\ell }\left(1-\sum \limits _{u}X_{u}Y_{u}\right)}}}$

Кимура 2 Параметр расстояния

Рисунок 4: Диаграмма, показывающая взаимосвязь между парами оснований ДНК и типом мутации, необходимой для преобразования каждого основания в другое, на основе модели замены параметров Кимуры 2.

Двухпараметрическая модель Кимуры (K2P) была разработана в 1980 году японским биологом Мотоо Кимурой. Она совместима с нейтральной теорией эволюции, также разработанной тем же автором. Как показано на рисунке 4, эта мера генетического расстояния учитывает тип происходящей мутации, а именно, является ли это переходом (т.е. из пурина в пурин или из пиримидина в пиримидин) или трансверсией (т.е. из пурина в пиримидин или наоборот). Используя эту информацию, можно вывести следующую формулу:

$K=-{\frac {1}{2}}\log _{e}[(1-2P-Q){\sqrt {1-2Q}}]$

где P ${\frac {n_{1}}{n}}$ и Q ${\frac {n_{2}}{n}}$, с $n_{1}$ количество преобразований типа перехода, $n_{2}$ количество конверсий типа трансверсии, и $n$ представляет собой количество сравниваемых сайтов нуклеотидов.

Стоит отметить, когда замены типов переходов и трансверсий имеют равную вероятность возникновения и $P$ предполагается равным ${\frac {Q}{2}}$, то приведенную выше формулу можно свести к модели Джукса Кантора. Однако на практике $P$ обычно больше, чем $Q$.

Было показано, что, хотя K2P хорошо работает при классификации отдаленно родственных видов, он не всегда является лучшим выбором для сравнения близкородственных видов. В этих случаях вместо этого может быть лучше использовать p-расстояние.

Кимура 3 Параметр расстояния

Рисунок 5: Диаграмма, показывающая взаимосвязь между парами оснований ДНК и типом мутации, необходимой для преобразования каждого основания в другое, на основе модели замещения трех параметров Кимуры.

Модель Кимуры с тремя параметрами (K3P) была впервые опубликована в 1981 году. Эта мера предполагает три скорости замены при мутации нуклеотидов, что можно увидеть на рисунке 5. Существует одна скорость для мутаций переходного типа, одна скорость для трансверсионного мутаций типа на соответствующие основания (например, G в C; тип трансверсии 1 на рисунке) и один уровень мутаций типа трансверсии в несоответствующие основания (например, G в T; тип трансверсии 2 на рисунке).

Учитывая эти скорости замещения, можно вывести следующую формулу:

$K=-{\frac {1}{4}}\log _{e}[(1-2P-2Q)(1-2P-2R)(1-2Q-2R)]$

где $P$ - вероятность мутации переходного типа, $Q$ - вероятность мутации типа трансверсии по соответствующему основанию, и $R$ — вероятность мутации типа трансверсии на несоответствующее основание. Когда $Q$ и $R$ считаются равными, это сводится к расстоянию параметра Кимуры 2.

Другие меры

Многие другие меры генетической дистанции были предложены с переменным успехом.

Nei's D _{A , 1983 г.} Дистанция

Расстояние Нея D _A было создано Масатоши Неи, американским биологом японского происхождения, в 1983 году. Это расстояние предполагает, что генетические различия возникают из-за мутаций и генетического дрейфа , но известно, что эта мера расстояния дает более надежные деревья популяций, чем другие расстояния, особенно для микросателлитов. Данные ДНК. Этот метод не идеален в тех случаях, когда естественный отбор играет значительную роль в генетике популяций.

$D_{A}=1-\sum _{\ell }\sum _{u}{\sqrt {X_{u}Y_{u}}}/{L}$

$D_{A}$: Расстояние Нея DA, генетическое расстояние между популяциями X и Y.

$\ell$: локус или ген, изученный с помощью $\sum _{\ell }$ являющийся суммой локусов или генов

$X_{u}$ и $Y_{u}$: Частоты аллеля u в популяциях X и Y соответственно.

L: Общее количество исследованных локусов.

Евклидово расстояние

Рисунок 6: Евклидово генетическое расстояние между 51 популяцией людей по всему миру, рассчитанное с использованием 289 160 SNP . Темно-красный — самая похожая пара, а темно-синий — самая отдаленная пара.

Евклидово расстояние — это формула, взятая из «Элементов Евклида», набора из 13 книг, подробно описывающих основы всей евклидовой математики. Основополагающие принципы, изложенные в этих работах, используются не только в евклидовых пространствах, но и расширены Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем в отдельных попытках создания исчисления. Формула евклидова расстояния используется, чтобы как можно проще передать генетическое несходство между популяциями, причем большее расстояние указывает на большее несходство. Как видно на рисунке 6, этот метод можно визуализировать графически, это связано с работой Рене Декарта, создавшего фундаментальный принцип аналитической геометрии или декартовой системы координат. Интересным примером исторических повторений является то, что Рене Декарт был не единственным, кто открыл фундаментальный принцип аналитической геометрии; этот принцип был открыт в изолированном исследовании Пьером де Ферма, который оставил свою работу неопубликованной.

Основная статья: Евклидово расстояние

$D_{EU}={\sqrt {\sum _{u}(X_{u}-Y_{u})^{2}}}$

$D_{EU}$: Евклидово генетическое расстояние между популяциями X и Y.

$X_{u}$ и $Y_{u}$: Частоты аллелей в локусе u в популяциях X и Y соответственно.

Расстояние Гольдштейна 1995 г.

Он был специально разработан для микросателлитных маркеров и основан на модели пошаговой мутации (SMM). Формула расстояния Гольдштейна смоделирована таким образом, что ожидаемое значение будет линейно увеличиваться со временем, это свойство сохраняется даже тогда, когда предположения об одношаговых мутациях и симметричной частоте мутаций нарушаются. Расстояние Гольдштейна получено на основе модели среднего квадратического расстояния, в которой Гольдштейн также внес свой вклад.

$(\delta \mu )^{2}=\sum _{\ell }{\frac {(\mu _{X}-\mu _{Y})^{2}}{L}}$

$\delta \mu$: Генетическая дистанция Гольдштейна между популяциями X и Y.

$\mu _{x}$ и $\mu _{y}$: Средний размер аллелей в популяциях X и Y.

L: Общее количество исследованных микросаталлитных локусов.

Минимальная генетическая дистанция Нея, 1973 г.

Этот расчет представляет собой минимальное количество различий кодонов для каждого локуса . Измерение основано на предположении, что генетические различия возникают из-за мутаций и генетического дрейфа .

$D_{m}={\frac {J_{X}+J_{Y}}{2}}-J_{XY}$

${\textstyle D_{m}}$: Минимальное количество различий кодонов на локус.

$J_{X}$ и $J_{Y}$: Средняя вероятность того, что два члена популяции X имеют один и тот же аллель.

$J_{XY}$: Средняя вероятность того, что представители популяций X и Y имеют один и тот же аллель.

Чекановский (Манхэттен) Расстояние

Рисунок 7: Представление пути между точками, рассчитанного по формуле расстояния Чеканвского (Манхэттен).

Подобно евклидову расстоянию, расстояние Чекановского включает в себя расчет расстояния между точками частоты аллелей, которые изображены на оси, созданной . Однако Чекановский предполагает, что прямой путь недоступен, и суммирует стороны треугольника, образованного точками данных, вместо того, чтобы найти гипотенузу. Эту формулу называют Манхэттенским расстоянием, потому что ее методология аналогична природе норы Нью-Йорка. Манхэттен в основном построен на сетке, требующей, чтобы Resentance делал повороты только на 90 градусов во время путешествия, что соответствует мышлению формулы.

$D_{Cz}={\frac {1}{2}}|X_{u}-Y_{u}|$

$|X_{u}-Y_{u}|=|P_{Xx}-P_{Yx}|+|P_{Xy}-P_{Yy}|$

$X_{u}$ и $Y_{u}$: Частоты аллелей в локусе u в популяциях X и Y соответственно.

$P_{Xx}$ и $P_{Yx}$: значение по оси X частоты аллеля для популяций X и Y.

$P_{Xy}$ и $P_{Yy}$: значение по оси Y частоты аллеля для популяций X и Y.

Расстояние Роджера 1972

Рисунок 8: Представление пути между точками, рассчитанного по формуле расстояния Роджера.

Подобно расстоянию Чекановского, расстояние Роджера предполагает вычисление расстояния между точками частоты аллелей. Однако этот метод принимает прямое расстояние между точками.

$D_{R}={\frac {1}{L}}{\sqrt {\frac {\sum \limits _{u}(X_{u}-Y_{u})^{2}}{2}}}$

$X_{u}$ и $Y_{u}$: Частоты аллелей в локусе u в популяциях X и Y соответственно.

$L$: Общее количество исследованных микросаталлитных локусов.

Ограничения простых формул расстояния

Хотя эти формулы легко и быстро вычислить, предоставленная информация дает ограниченную информацию. Результаты этих формул не учитывают потенциальное влияние количества изменений кодонов между популяциями или времени разделения между популяциями.

Индекс фиксации

Основная статья: Индекс фиксации

Обычно используемым показателем генетической дистанции является индекс фиксации (F _ST ), который варьируется от 0 до 1. Значение 0 указывает на то, что две популяции генетически идентичны (минимальное генетическое разнообразие или отсутствие генетического разнообразия между двумя популяциями), тогда как значение 1 указывает на что две популяции генетически различны (максимальное генетическое разнообразие между двумя популяциями). Никакой мутации не предполагается. Например, большие популяции, между которыми происходит большая миграция, как правило, мало дифференцированы, тогда как небольшие популяции, между которыми миграция незначительна, имеют тенденцию быть сильно дифференцированными. F _ST является удобной мерой этой дифференциации, и в результате F _ST и связанные с ней статистические данные являются одними из наиболее широко используемых описательных статистических данных в популяционной и эволюционной генетике. Но F _ST — это больше, чем просто описательная статистика и мера генетической дифференциации. F _ST напрямую связан с вариативностью частоты аллелей среди популяций и, наоборот, со степенью сходства между людьми внутри популяций. Если Ф _ST мал, это означает, что частоты аллелей внутри каждой популяции очень схожи; если он большой, это означает, что частоты аллелей сильно различаются.

Программное обеспечение

• PHYLIP использует GENDIST
  • Стандартное генетическое расстояние Нея, 1972 г.
  • Кавалли-Сфорца и Эдвардс, 1967 год.
  • Рейнольдс, Вейр и Кокерхэм, 1983 г.
• ТФПГА
  • Стандартное генетическое расстояние Нея (оригинальное и объективное)
  • Минимальная генетическая дистанция Нея (исходная и объективная)
  • Модификация Райта (1978) расстояния Роджера (1972).
  • Рейнольдс, Вейр и Кокерхэм, 1983 г.
• GDA
• ПОПГЕН
• POPTREE2 Такезаки, Ней и Тамура (2010, 2014)
  • Часто используемые генетические расстояния и анализ разнообразия генов
• DISPAN. Архивировано 27 апреля 2017 г. в Wayback Machine.
  • Стандартное генетическое расстояние Нея, 1972 г.
  • Ней Д. _{Расстояние} между популяциями, 1983 г.

См. также

• Коэффициент отношения
• Степень родства
• Генетическая вариация человека
• Филогенетика
• Частота аллеля

Внешние ссылки

• Оценка генетического расстояния и субструктуры популяции на основе данных о частоте микросателлитных аллелей. , Брент В. Мюррей (май 1996 г.), веб-сайт Университета Макмастера, посвященный генетической дистанции.
• Вычисление расстояния с помощью пошаговой модели генетического расстояния, веб-страницы Брюса Уолша с факультета экологии и эволюционной биологии Университета Аризоны. Архивировано 10 декабря 2006 г. в Wayback Machine.