Фиксация (популяционная генетика)

Чтобы узнать о других значениях, см. «Фиксация» .

В популяционной генетике фиксация — это изменение генофонда от ситуации, когда в данной популяции существует не менее двух вариантов определенного гена ( аллели ), к ситуации, когда остается только один из аллелей. То есть аллель становится фиксированной . При отсутствии мутации или преимущества гетерозигот любой аллель должен в конечном итоге либо полностью исчезнуть из популяции, либо зафиксироваться, т.е. навсегда утвердиться на 100% частоте в популяции. Будет ли ген в конечном итоге потерян или зафиксирован, зависит от коэффициентов отбора и случайных колебаний пропорций аллелей. Фиксация может относиться к гену в целом или к определенному положению нуклеотида в цепи ДНК ( локусу ).

В процессе замены ранее несуществующий аллель возникает путем мутации и подвергается фиксации путем распространения в популяции путем случайного генетического дрейфа или положительного отбора . Когда частота аллеля достигает 100%, то есть является единственным вариантом гена, присутствующим у любого члена, говорят, что он «фиксирован» в популяции.

Аналогичным образом, считается, что генетические различия между таксонами зафиксированы у каждого вида .

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 своей работе 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 дисперсионного изменения частоты гена за поколение.

Вероятность

Нейтральные аллели

Только в условиях 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 определения скорости фиксации гена нейтральной аллели (т. е. той, которая не подвергается какой-либо форме отбора) для популяции разного размера (при условии, что она конечна и отлична от нуля). Поскольку предполагается, что эффект естественного отбора пренебрежимо мал, вероятность того, что аллель в конечном итоге зафиксируется в своем локусе, в любой момент времени равна просто ее частоте. $p$среди населения того времени. Например, если популяция включает аллель А с частотой, равной 20%, и аллель а с частотой, равной 80%, существует 80%-ная вероятность того, что через бесконечное число поколений а закрепится в локусе (при условии генетического дрейфа). является единственной действующей эволюционной силой).

Для диплоидной популяции размера N и нейтральной скорости мутаций $\mu$, начальная частота новой мутации равна просто 1/(2 N ), а количество новых мутаций на поколение равно $2N\mu$. Поскольку скорость фиксации равна частоте появления новых нейтральных мутаций, умноженной на вероятность их фиксации, общая скорость фиксации равна $2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu$. Таким образом, скорость фиксации мутации, не подлежащей отбору, — это просто скорость внедрения таких мутаций.

Ненейтральные аллели

Для фиксированных размеров популяции вероятность фиксации нового аллеля с селективным преимуществом s можно аппроксимировать с помощью теории ветвящихся процессов. Популяция с непересекающимися поколениями n = 0, 1, 2, 3, ... и с $X_{n}$гены (или «особи») в момент времени n образуют цепь Маркова при следующих предположениях. Введение особи, обладающей аллелем с селективным преимуществом, соответствует $X_{0}=1$. Число потомков любой отдельной особи должно следовать фиксированному распределению и определяться независимо. В этом контексте производящие функции $p_{n}(x)$ для каждого $X_{n}$ удовлетворять рекурсивному соотношению $p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))$ и может быть использован для вычисления вероятностей $\pi _{n}=P(X_{n}=0)$потомков нет в момент времени n. Можно показать, что $\pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})$, и более того, что $\pi _{n}$ сходиться к определенному значению $\pi$, то есть вероятность того, что у индивидуума не будет потомков. Тогда вероятность фиксации равна $1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}$ поскольку неопределенное выживание полезного аллеля позволит увеличить его частоту до такой степени, что селективные силы обеспечат фиксацию.

Слабо вредные мутации могут случайно закрепиться в меньших популяциях, и вероятность фиксации будет зависеть от скорости дрейфа (~ $1/N_{e}$) и выбор (~ $s$), где $N_{e}$— эффективная численность населения . Соотношение $N_{e}s$определяет, будет ли доминировать отбор или дрейф, и пока это соотношение не слишком отрицательное, будет значительная вероятность того, что умеренно вредный аллель зафиксируется. Например, в диплоидной популяции размером $N_{e}$, вредный аллель с коэффициентом отбора $-s$ имеет фиксацию вероятности, равную $(1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})$. Эту оценку можно получить непосредственно из работы Кимуры 1962 года. Вредные аллели с коэффициентами отбора $-s$ удовлетворяющий $2N_{e}s\ll 1$ эффективно нейтральны и, следовательно, имеют вероятность фиксации, примерно равную $1/2N_{e}$.

роста/

На вероятность фиксации также влияют изменения численности 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 потеряны. В популяциях, размер которых сокращается, коэффициенты отбора не столь эффективны. Таким образом, существует более высокая вероятность потери полезных аллелей и исправления вредных аллелей. Это связано с тем, что если полезная мутация редка, она может быть потеряна исключительно из-за вероятности того, что у этой особи не будет потомства, независимо от коэффициента отбора. В растущих популяциях средний человек имеет более высокое ожидаемое количество потомков, тогда как в сокращающихся популяциях средний человек имеет меньшее количество ожидаемого потомства. Таким образом, в растущих популяциях более вероятно, что полезный аллель будет передан большему количеству людей в следующем поколении. Это продолжается до тех пор, пока аллель не распространится в популяции и в конечном итоге не зафиксируется. Однако в условиях сокращения популяции более вероятно, что аллель не будет передаваться просто потому, что родители не производят потомства. Это приведет к потере даже полезной мутации.

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 зафиксируется, потратит в среднем 4N _e поколений на полиморфизм в популяции. Среднее время фиксации N _e — это эффективный размер популяции , количество особей в идеализированной популяции, находящейся в условиях генетического дрейфа, необходимое для создания эквивалентного количества генетического разнообразия. Обычно популяционная статистика, используемая для определения эффективного размера популяции, представляет собой гетерозиготность, но можно использовать и другие.

Скорость фиксации также можно легко смоделировать, чтобы увидеть, сколько времени потребуется, чтобы ген зафиксировался в разных размерах популяции и поколениях. Например, симуляция генетического дрейфа The Biology Project позволяет смоделировать генетический дрейф и увидеть, как быстро ген окраски червей фиксируется с точки зрения поколений для разных размеров популяции.

Кроме того, скорость фиксации можно смоделировать с помощью слившихся деревьев. Сливающееся дерево отслеживает происхождение аллелей гена в популяции. Его цель – проследить путь до единственной наследственной копии, называемой самым недавним общим предком.

Примеры в исследованиях

В 1969 году Шварц из Университета Индианы смог искусственно вызвать фиксацию генов в кукурузе, подвергнув образцы неоптимальным условиям. Шварц обнаружил мутацию в гене Adh1, который в гомозиготном состоянии приводит к неспособности кукурузы вырабатывать алкогольдегидрогеназу. Затем Шварц подверг семенам, как с нормальной активностью алкогольдегидрогеназы, так и без активности, условия затопления и наблюдал, способны ли семена прорасти или нет. Он обнаружил, что при затоплении прорастали только семена с активностью алкогольдегидрогеназы. В конечном итоге это привело к фиксации гена аллели дикого типа Adh1. Мутация Adh1 была потеряна в экспериментальной популяции.

В 2014 году Ли, Лэнгли и Бегун провели еще одно исследование, связанное с фиксацией генов. Они сосредоточились на данных о популяциях Drosophila melanogaster и эффектах генетического автостопа, вызванного выборочными зачистками . Генетический автостоп происходит, когда один аллель тщательно отбирается и фиксируется. Это приводит к тому, что окружающие области также фиксируются, даже если они для этого не выбраны. Изучая данные о популяциях Drosophila melanogaster , Lee et al. обнаружили уменьшенную степень гетерогенности в пределах 25 пар оснований фокальных замен. Они связывают это с небольшим эффектом автостопа. Они также обнаружили, что соседние фиксации, которые меняли полярность аминокислот, сохраняя при этом общую полярность белка, находились под более сильным давлением отбора. Кроме того, они обнаружили, что замены в медленно эволюционирующих генах связаны с более сильными генетическими эффектами автостопа.

Дальнейшее чтение

• Гиллеспи, Дж. Х. (1994) Причины молекулярной эволюции . Издательство Оксфордского университета.
• Хартл, Д.Л. и Кларк, А.Г. (2006) Принципы популяционной генетики (4-е издание). Синауэр Ассошиэйтс.
• Кимура, М. (1962). «О вероятности фиксации мутантных генов в популяции» . Генетика . 47 (6): 713–719. дои : 10.1093/генетика/47.6.713 . ПМК   1210364 . ПМИД   14456043 .