Fixering (populationsgenetik)

I populationsgenetik är fixering förändringen i en genpool från en situation där det finns minst två varianter av en viss gen ( allel ) i en given population till en situation där endast en av allelerna finns kvar. I frånvaro av mutation eller heterozygotfördel måste varje allel slutligen förloras helt från populationen eller fixeras (permanent etablerad med 100 % frekvens i populationen). Huruvida en gen till slut kommer att gå förlorad eller fixeras beror på selektionskoefficienter och slumpmässiga fluktuationer i alleliska proportioner. Fixering kan hänvisa till en gen i allmänhet eller speciell nukleotidposition i DNA-kedjan ( lokus ).

I substitutionsprocessen uppstår en tidigare icke-existerande allel genom mutation och genomgår fixering genom att spridas genom populationen genom slumpmässig genetisk drift eller positivt urval . När väl frekvensen av allelen är 100 %, dvs är den enda genvarianten som finns i någon medlem, sägs den vara "fixerad" i populationen.

På samma sätt sägs genetiska skillnader mellan taxa ha fixerats i varje art .

Historia

Det tidigaste omnämnandet av genfixering i publicerade verk återfanns i Motoo Kimuras artikel från 1962 "On Probability of Fixation of Mutant Genes in a Population". I artikeln använder Kimura matematiska tekniker för att bestämma sannolikheten för fixering av muterade gener i en population. Han visade att sannolikheten för fixering beror på den initiala frekvensen av allelen och medelvärdet och variansen av genfrekvensförändringen per generation.

Sannolikhet

Under förhållanden av genetisk drift enbart har varje ändlig uppsättning gener eller alleler en "sammanbildningspunkt" där alla avkomlingar konvergerar till en enda förfader (dvs. de "sammansmälts"). Detta faktum kan användas för att härleda genfixeringshastigheten för en neutral allel (det vill säga en som inte är under någon form av selektion) för en population av varierande storlek (förutsatt att den är finit och icke-noll). Eftersom effekten av naturligt urval är förutsatt att vara försumbar, är sannolikheten vid varje given tidpunkt att en allel i slutändan kommer att fixeras vid sitt locus helt enkelt dess frekvens p {\ $p}$ i populationen vid den tiden. Till exempel, om en population inkluderar allel A med frekvens lika med 20% och allel a med frekvens lika med 80%, finns det en 80% chans att efter ett oändligt antal generationer a kommer att fixeras vid lokuset (förutsatt genetisk drift är den enda verksamma evolutionära kraften).

För en diploid population av storlek N och neutral mutationshastighet $\mu$ är den initiala frekvensen av en ny mutation helt enkelt 1/(2 N ), och antalet nya mutationer per generation är $2N\mu$ . Eftersom fixeringshastigheten är graden av ny neutral mutation multiplicerad med deras sannolikhet för fixering, är den totala fixeringshastigheten $2N\mu \times {\frac {1}{2N}} =\mu$ . Således är fixeringshastigheten för en mutation som inte är föremål för selektion helt enkelt hastigheten för införandet av sådana mutationer.

För fasta populationsstorlekar kan sannolikheten för fixering för en ny allel med selektiv fördel s approximeras med hjälp av teorin om förgreningsprocesser. En population med icke-överlappande generationer n = 0, 1, 2, 3, ... och med $X_{n}$ gener (eller "individer") vid tidpunkten n bildar en Markov-kedja under följande antaganden. Introduktionen av en individ som har en allel med en selektiv fördel motsvarar $X_{0}=1$ . Antalet avkommor från en individ måste följa en fast fördelning och bestäms oberoende. I detta ramverk uppfyller de genererande funktionerna $p_{n}(x)$ för varje $X_{n}$ rekursionsrelationen $p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))$ och kan användas för att beräkna sannolikheterna $\pi _{n}=P(X_{n}=0)$ av inga ättlingar vid tidpunkten n. Det kan visas att ${\displaystyle \pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})} ,$ och vidare att $\pi _{n}$ konvergerar till ett specifikt värde $\pi$ , vilket är sannolikheten att individen inte kommer att ha några ättlingar. Sannolikheten för fixering är då $1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}$ eftersom den obestämda överlevnaden av den fördelaktiga allelen tillåter dess ökning i frekvens till en punkt där selektiva krafter säkerställer fixering.

Svagt skadliga mutationer kan fixeras i mindre populationer genom slumpen, och sannolikheten för fixering kommer att bero på hastigheten för drift (~ ${\displaystyle 1/N_{e}})$ och urval (~ $s$ ) , där $N_{e}$ är den effektiva populationsstorleken . Förhållandet $N_{e}s$ avgör om urval eller drift dominerar, och så länge detta förhållande inte är för negativt, kommer det att finnas en avsevärd chans att en lätt skadlig allel fixar sig. Till exempel, i en diploid population av storlek ${\displaystyle N_{e}} har$ en skadlig allel med selektionskoefficient $-s$ en sannolikhetsfixering lika med $(1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})$ . Denna uppskattning kan erhållas direkt från Kimuras arbete från 1962. Skadliga alleler med selektionskoefficienter $-s$ som uppfyller $\ll 1}$ $1/2N_{e}$ i praktiken neutrala och har följaktligen en fixeringssannolikhet ungefär lika med .

Sannolikheten för fixering påverkas också av populationsstorleksförändringar. För växande populationer är selektionskoefficienter mer effektiva. Detta innebär att fördelaktiga alleler är mer benägna att fixeras, medan skadliga alleler är mer benägna att gå förlorade. I populationer som krymper i storlek är selektionskoefficienter inte lika effektiva. Det finns alltså en högre sannolikhet för att fördelaktiga alleler går förlorade och att skadliga alleler fixeras. Detta beror på att om en fördelaktig mutation är sällsynt, kan den gå förlorad enbart på grund av risken för att den individen inte får avkomma, oavsett urvalskoefficient. I växande populationer har den genomsnittliga individen ett högre förväntat antal avkommor, medan i krympande populationer den genomsnittliga individen har ett lägre antal förväntade avkommor. I växande populationer är det alltså mer sannolikt att den fördelaktiga allelen kommer att överföras till fler individer i nästa generation. Detta fortsätter tills allelen blomstrar i befolkningen och så småningom fixas. Men i en krympande population är det mer sannolikt att allelen inte kan föras vidare, helt enkelt för att föräldrarna inte producerar någon avkomma. Detta skulle göra att även en fördelaktig mutation går förlorad.

Tid

Dessutom har forskning gjorts om den genomsnittliga tid det tar för en neutral mutation att fixas. Kimura och Ohta (1969) visade att en ny mutation som så småningom fixar kommer att spendera i genomsnitt 4N _e generationer som en polymorfism i befolkningen. Genomsnittlig tid till fixering Ne _är den effektiva populationsstorleken , antalet individer i en idealiserad population under genetisk drift som krävs för att producera en ekvivalent mängd genetisk mångfald. Vanligtvis är befolkningsstatistiken som används för att definiera effektiv populationsstorlek heterozygositet, men andra kan användas.

Fixeringshastigheter kan enkelt modelleras också för att se hur lång tid det tar för en gen att fixeras med varierande populationsstorlekar och generationer. Till exempel kan du på The Biology Project Genetic Drift Simulation modellera genetisk drift och se hur snabbt genen för maskfärg går till fixering i form av generationer för olika populationsstorlekar.

Dessutom kan fixeringshastigheter modelleras med hjälp av koalescerande träd. Ett koalescerande träd spårar härkomsten av alleler av en gen i en population. Det syftar till att spåra tillbaka till en enda förfäders kopia som kallas den senaste gemensamma förfadern.

Exempel i forskning

1969 kunde Schwartz vid Indiana University artificiellt inducera genfixering i majs genom att utsätta prover för suboptimala förhållanden. Schwartz lokaliserade en mutation i en gen som heter Adh1, som när den är homozygot gör att majs inte kan producera alkoholdehydrogenas. Schwartz utsatte sedan frön, med både normal alkoholdehydrogenasaktivitet och ingen aktivitet, för översvämningsförhållanden och observerade om fröna kunde gro eller inte. Han fann att när de utsattes för översvämning, grodde bara frön med alkoholdehydrogenasaktivitet. Detta orsakade slutligen genfixering av Adh1 vildtypsallelen. Adh1-mutationen gick förlorad i den experimenterade populationen.

2014 genomförde Lee, Langley och Begun en annan forskningsstudie relaterad till genfixering. De fokuserade på Drosophila melanogaster populationsdata och effekterna av genetisk lifting orsakad av selektiva svep . Genetisk lifting uppstår när en allel är starkt selekterad för och drivs till fixering. Detta gör att de omgivande områdena också drivs till fixering, trots att de inte väljs ut för. Genom att titta på Drosophila melanogaster populationsdata, Lee et al. fann en minskad mängd heterogenitet inom 25 baspar av fokala substitutioner. De ackrediterar detta till småskaliga lifteffekter. De fann också att närliggande fixationer som ändrade aminosyrapolariteter samtidigt som den övergripande polariteten för ett protein bibehölls var under starkare urvalstryck. Dessutom fann de att substitutioner i långsamt utvecklande gener var associerade med starkare genetiska lifteffekter.

Vidare läsning

Gillespie, JH (1994) Orsakerna till molekylär evolution . Oxford University Press.
Hartl, DL och Clark, AG (2006) Principles of Population Genetics (4:e upplagan). Sinauer Associates.
Kimura, M (1962). "Om sannolikheten för fixering av mutanta gener i en population" . Genetik . 47 : 713-719. PMC 1210364 . PMID 14456043 .