Генетическая дистанция

Часть серии по
Генетика
Ключевые компоненты
Хромосома ДНК РНК Геном Наследственность Мутация Нуклеотид Вариация
Контур Индекс
История и темы
Вступление История Эволюция ( молекулярная ) Популяционная генетика Менделирующее наследование Количественная генетика Молекулярная генетика
Исследование
Секвенирование ДНК Генная инженерия Геномика ( шаблон ) Медицинская генетика
Отрасли генетики
Персонализированная медицина
Персонализированная медицина
v т е

Карта генетических расстояний Cavalli-Sforza et al. (1994) ^[1]

Генетическое расстояние - это мера генетического расхождения между видами или между популяциями внутри вида, независимо от того, измеряет ли расстояние время от общего предка или степень дифференциации. ^[2] Популяции со многими похожими аллелями имеют небольшие генетические дистанции. Это указывает на то, что они тесно связаны и имеют недавнего общего предка.

Генетическая дистанция полезна для реконструкции истории популяций. Например, данные о генетической дистанции предполагают, что люди Африки к югу от Сахары и Евразии расходились примерно 100000 лет назад. ^[3] Генетическая дистанция также используется для понимания происхождения биоразнообразия . Например, часто исследуются генетические расстояния между разными породами домашних животных, чтобы определить, какие породы следует защищать для сохранения генетического разнообразия. ^[4]

Биологический фундамент [ править ]

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 большая часть аллелей не оказывает заметного влияния на фенотип. В популяции новые аллели, порожденные мутацией, либо отмирают, либо распространяются по 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 какгенетический дрейф . Изучая различия между частотами аллелей между популяциями и вычисляя генетическое расстояние, мы можем оценить, как давно эти две популяции были разделены. ^[5]

Меры [ править ]

Хотя определить генетическое расстояние как меру генетической дивергенции просто, было предложено несколько различных статистических показателей. Это произошло потому, что разные авторы рассматривали разные модели эволюции. Наиболее часто используются генетическая дистанция Нея, ^[5] мера Кавалли-Сфорца и Эдвардса ^[6] и генетическая дистанция Рейнольдса, Вейра и Кокерхэма ^[7], перечисленные ниже.

Во всех формулах этого раздела и представлены две разные популяции, для которых были изучены локусы. Позвольте представить частоту ^th аллеля в локусе ^th .${\ displaystyle X}$${\ displaystyle Y}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle X_ {u}}$${\ displaystyle u}$${\ displaystyle l}$

Стандартное генетическое расстояние Нея [ править ]

В 1972 году Масатоши Неи опубликовал то, что стало известно как стандартное генетическое расстояние Нея. У этого расстояния есть приятное свойство: если скорость генетических изменений (замены аминокислот) постоянна в течение года или поколения, то стандартное генетическое расстояние Нея ( D ) увеличивается пропорционально времени дивергенции. Эта мера предполагает, что генетические различия вызваны мутацией и генетическим дрейфом . ^[5]

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

Это расстояние также можно выразить с помощью среднего арифметического идентичности гена. Пусть будет вероятностью для двух членов популяции, имеющей один и тот же аллель в определенном локусе, и будет соответствующей вероятностью в популяции . Кроме того, пусть будет вероятность того, что член и член имеют один и тот же аллель. Теперь , и представляют собой среднее арифметическое из , и по всем локусам, соответственно. Другими словами,${\ displaystyle j_ {X}}$${\ displaystyle X}$${\ displaystyle j_ {Y}}$${\ displaystyle Y}$${\ displaystyle j_ {XY}}$${\ displaystyle X}$${\ displaystyle Y}$${\ displaystyle J_ {X}}$${\ displaystyle J_ {Y}}$${\ displaystyle J_ {XY}}$${\ displaystyle j_ {X}}$${\ displaystyle j_ {Y}}$${\ displaystyle j_ {XY}}$

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

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

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

где - общее количество исследованных локусов. ^[8]${\displaystyle L}$

Стандартное расстояние Нея тогда можно записать как ^[5]

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

Расстояние между аккордами Кавалли-Сфорца [ править ]

В 1967 году Луиджи Лука Кавалли-Сфорца и AWF Edwards 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. Расстояние по хорде в гиперпространственной сфере определяется выражением ^{[2] [6]}

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

Некоторые авторы опускают множитель, чтобы упростить формулу за счет потери свойства, что масштаб составляет одну единицу на замену гена.${\displaystyle {\frac {2}{\pi }}}$

Генетическая дистанция Рейнольдса, Вейра и Кокерхема [ править ]

В 1983 году этот показатель был опубликован Джоном Рейнольдсом, Брюсом Вейром и К. Кларком Кокерхэмом . Эта мера предполагает, что генетическая дифференциация происходит только путем генетического дрейфа без мутаций. Он оценивает коэффициент coancestry, который обеспечивает меру генетической дивергенции: ^[7]${\displaystyle \Theta }$

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

Другие меры [ править ]

Многие другие меры генетической дистанции были предложены с переменным успехом.

Nei's D _A distance 1983 [ править ]

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 данных микросателлитной ДНК. ^{[9] [10]}

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

Евклидово расстояние [ править ]

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

Расстояние Гольдштейна 1995 [ править ]

Он был специально разработан для микросателлитных маркеров и основан на модели пошаговых мутаций (SMM). и являются средними величинами размеров аллелей в популяции X и Y. ^[12]${\displaystyle \mu _{X}}$${\displaystyle \mu _{Y}}$

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

Минимальная генетическая дистанция Нея 1973 [ править ]

Эта мера предполагает, что генетические различия возникают из-за мутации и генетического дрейфа . ^[3]

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

Дистанция Роджера 1972 [ править ]

${\displaystyle D_{R}={\frac {1}{L}}{\sqrt {\frac {\sum \limits _{u}(X_{u}-Y_{u})^{2}}{2}}}}$^[13]

Указатель фиксации [ править ]

Обычно используемым показателем генетического расстояния является индекс фиксации (F _ST ), который варьируется от 0 до 1. Значение 0 указывает, что две популяции генетически идентичны (минимальное генетическое разнообразие между двумя популяциями или его отсутствие), тогда как значение 1 указывает на то, что что две популяции генетически различны (максимальное генетическое разнообразие между двумя популяциями). Никаких мутаций не предполагается. Например, большие популяции, между которыми происходит большая миграция, обычно мало дифференцируются, в то время как небольшие популяции, между которыми наблюдается небольшая миграция, имеют тенденцию сильно дифференцироваться. F _ST - удобная мера этой дифференциации, и в результате F _STи связанные с ним статистические данные являются одними из наиболее широко используемых описательных статистических данных в популяционной и эволюционной генетике. Но F _ST - это больше, чем описательная статистика и мера генетической дифференциации. F _ST напрямую связан с дисперсией частоты аллелей среди популяций и, наоборот, со степенью сходства между людьми в популяциях. Если F _ST невелик, это означает, что частоты аллелей в каждой популяции очень похожи; если он большой, значит, частоты аллелей сильно различаются.

Программное обеспечение [ править ]

• PHYLIP использует GENDIST
  • Стандартная генетическая дистанция Нея, 1972 г.
  • Кавалли-Сфорца и Эдвардс 1967
  • Рейнольдс, Вейр и Кокерхэм, 1983 г.
• TFPGA
  • Стандартная генетическая дистанция Нея (оригинальная и беспристрастная)
  • Минимальное генетическое расстояние Нея (оригинальное и непредвзятое)
  • Модификация Райта (1978) расстояния Роджера (1972)
  • Рейнольдс, Вейр и Кокерхэм, 1983 г.
• GDA
• ПОПГЕН
• POPTREE2 Такезаки, Ней и Тамура (2010, 2014)
  • Часто используемый анализ генетических расстояний и генетического разнообразия
• DISPAN
  • Стандартная генетическая дистанция Нея, 1972 г.
  • D Нея расстояние между популяциями 1983

См. Также [ править ]

• Коэффициент родства
• Степень кровного родства
• Генетическая изменчивость человека
• Филогенетика
• Частота аллелей

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Оценка генетического расстояния и субструктуры популяции по данным частоты аллелей микросателлитов. , 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