Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Генетическая чистка - это снижение частоты вредоносного аллеля , вызванное повышенной эффективностью естественного отбора, вызванного инбридингом . [1]

Очистка происходит потому, что многие вредные аллели проявляют весь свой вредный эффект только в случае гомозиготности , присутствующей в двух копиях. Во время инбридинга, по мере спаривания родственных особей, они производят потомство, которое с большей вероятностью будет гомозиготным. Вредные аллели появляются чаще, делая людей менее приспособленными генетически, то есть они передают меньшее количество копий своих генов будущим поколениям. Иными словами, естественный отбор очищает вредоносные аллели.

Очистка снижает как общее количество рецессивных вредных аллелей, так и снижение средней приспособленности, вызванное инбридингом ( депрессия инбридинга для приспособленности).

Термин «чистка» иногда используется для селекции против вредных аллелей в общем виде. Было бы избежать двусмысленности, используя « очищающий отбор » в этом общем контексте, и оставив очистку более строгим значением, определенным выше.

Механизм [ править ]

Вредные аллели, сегрегационные в популяциях диплоидных организмов, имеют заметную тенденцию быть, по крайней мере, частично рецессивными. Это означает, что когда они встречаются в гомозиготном состоянии (двойные копии), они снижают приспособленность.более чем в два раза, чем при гетерозиготном (единственном экземпляре). Другими словами, часть их потенциального вредного воздействия скрывается в гетерозиготном, но выражается в гомозиготном, так что отбор более эффективен против них, когда они происходят в гомозиготном состоянии. Поскольку инбридинг увеличивает вероятность быть гомозиготным, он увеличивает долю потенциального вредного эффекта, который проявляется и, следовательно, подвергается отбору. Это вызывает некоторое увеличение селективного давления против (частично) рецессивных вредных аллелей, что известно как очистка. Конечно, это также вызывает некоторое снижение физической формы, известное как инбридинговая депрессия .

Очистка может снизить среднюю частоту вредоносных аллелей в геноме ниже значения, ожидаемого в неинбредной популяции. [2] Хотя это сокращение обычно не компенсирует все негативные эффекты инбридинга, [3] оно имеет несколько положительных последствий для приспособленности. Следствием этого является снижение так называемой инбридинговой нагрузки. Это означает, что после очистки ожидается, что дальнейшее инбридинг будет менее вредным. Но самым непосредственным следствием этого является уменьшение фактической депрессии приспособленности при инбридинге: из-за чистки средняя приспособленность снижается меньше, чем можно было бы ожидать только от инбридинга, и после некоторого начального снижения она может даже восстановиться почти до своего значения до инбридинга. [4]

Совместное влияние инбридинга и чистки на приспособленность [ править ]

Учет чистки при прогнозировании инбридинговой депрессии важен в эволюционной генетике, потому что снижение приспособленности, вызванное инбридингом, может быть определяющим в эволюции диплоидии , полового размножения и других основных биологических характеристик. Это также важно в селекции животных и, конечно же, в генетике сохранения , потому что инбридинговая депрессия может быть важным фактором, определяющим риск исчезновения исчезающих популяций, и потому что программы сохранения могут позволить некоторую обработку разведения для контроля инбридинга. [5]

Вкратце, из-за чистки депрессия инбридинга не пропорциональна стандартному показателю инбридинга (коэффициент инбридинга Райта F ), поскольку эта мера применяется только к нейтральным аллелям. Напротив, снижение приспособленности пропорционально «очищенному инбридингу» g , что дает вероятность быть гомозиготным по вредным аллелям из-за инбридинга, с учетом того, как они очищаются.

Очистка снижает инбридинговую депрессию двумя способами: во-первых, она замедляет ее прогресс; во-вторых, это снижает общую депрессию инбридинга, ожидаемую в долгосрочной перспективе. Чем медленнее продвигается инбридинг, тем эффективнее очищение.

Более подробное объяснение [ править ]

В отсутствие естественного отбора можно ожидать, что средняя приспособленность будет экспоненциально снижаться по мере увеличения инбридинга, где инбридинг измеряется с использованием коэффициента инбридинга Райта F [6] (причина, по которой снижение экспоненциально от F вместо линейного, заключается в том, что приспособленность обычно рассматривается мультипликативный признак). Скорость снижения приспособленности по мере увеличения F (степень депрессии инбридинга δ ) зависит от частоты и вредных эффектов аллелей, присутствующих в популяции до инбридинга.

Вышеупомянутый коэффициент F является стандартной мерой инбридинга и дает вероятность того, что в любом данном нейтральном локусе особь унаследовала две копии одного и того же гена общего предка (то есть вероятность быть гомозиготной «по происхождению»). В простых условиях F можно легко вычислить с точки зрения численности населения или генеалогической информации. F часто обозначается строчными буквами ( f ), но не следует путать с коэффициентом coancestry.

Однако приведенный выше прогноз снижения приспособляемости применяется редко, поскольку он был получен при отсутствии отбора, а приспособленность как раз и является целевой характеристикой естественного отбора . Таким образом, коэффициент инбридинга Райта F для нейтральных локусов не применяется к вредоносным аллелям, если только инбридинг не увеличивается настолько быстро, что изменение частоты генов регулируется только случайной выборкой (т. Е. Генетическим дрейфом ).

Следовательно, снижение приспособляемости следует прогнозировать с использованием вместо стандартного коэффициента инбридинга F «очищенного коэффициента инбридинга» ( g ), который дает вероятность быть гомозиготным по происхождению для (частично) рецессивных вредных аллелей, принимая во внимание то, как они частота снижается продувкой. [4] В связи с продувкой, пригодность уменьшается с той же скоростью б , чем в отсутствии выбора, но как функция г вместо F .

Этот очищенный коэффициент инбридинга g также может быть вычислен с хорошим приближением с использованием простых выражений с точки зрения размера популяции или генеалогии особей (см. ВСТАВКУ 1). Однако для этого требуется некоторая информация о величине вредных эффектов, которые скрыты в гетерозиготном состоянии, но проявляются в гомозиготном состоянии. Чем больше эта величина, обозначенная коэффициентом продувки d , тем эффективнее продувка.

Интересным свойством очистки является то, что во время инбридинга, когда F увеличивается, приближаясь к конечному значению F = 1 , g может приближаться к гораздо меньшему конечному значению. Следовательно, очищение не только замедляет снижение приспособленности, но и снижает общую потерю приспособленности, вызванную инбридингом в долгосрочной перспективе. Это проиллюстрировано во ВСТАВКЕ 2 для крайнего случая инбридинговой депрессии, вызванной рецессивными леталиями, которые являются аллелями, вызывающими смерть до воспроизводства, но только когда они возникают при гомозиготном состоянии. Очистка менее эффективна против умеренно вредоносных аллелей, чем против летальных, но, в целом, чем медленнее увеличивается инбридинг F , тем меньше становится окончательное значение очищенного коэффициента инбридинга.g и, следовательно, окончательное снижение приспособленности. Это означает, что, если инбридинг будет прогрессировать достаточно медленно, в долгосрочной перспективе не ожидается релевантной депрессии инбридинга. Это приводит к тому, что приспособленность небольшой популяции, которая долгое время была небольшой популяцией, может быть такой же, как и большая популяция с большим генетическим разнообразием. В генетике сохранения было бы очень полезно установить максимальную скорость увеличения инбридинга, которая позволяет проводить такую ​​эффективную чистку.

Примеры [ править ]

Уравнения прогнозирования при инбридинге из-за малого размера популяции [ править ]

Рассмотрим большое беспородных население со средним фитнес - W . Затем размер популяции уменьшается до нового меньшего значения N (фактически, здесь следует использовать эффективный размер популяции ), что приводит к прогрессивному увеличению инбридинга.

Затем инбридинговая депрессия происходит со скоростью δ из-за (частично) рецессивных вредных аллелей, которые присутствовали с низкой частотой в разных локусах. Это означает, что в отсутствие отбора ожидаемое значение средней приспособленности после t поколений инбридинга будет:

где - среднее популяционное значение коэффициента инбридинга Райта после t поколений инбридинга. [6]

Однако, поскольку отбор зависит от приспособленности, среднюю приспособленность следует прогнозировать с учетом как инбридинга, так и очищения, поскольку

В приведенном выше уравнении - это средний «коэффициент очищенного инбридинга» после t поколений инбридинга. [4] Это зависит от «коэффициента очистки» d , который представляет вредные эффекты, которые скрыты при гетерозиготном, но проявляются при гомозиготном.

Средний «коэффициент очищенного инбридинга» можно приблизительно определить с помощью рекуррентного выражения

Существуют также прогнозные уравнения, которые можно использовать с генеалогической информацией.

Пример инбридинговой депрессии из-за рецессивной летальности [ править ]

Средняя приспособленность популяции ( W ) к числу поколений ( t ) поддержания с размером популяции N = 10, когда в исходной популяции особи несли в среднем одну редкую рецессивную летальность. Эволюция W ожидается только от инбридинга (красная линия) или от инбридинга и чистки (синяя линия).

В качестве примера генетической чистки рассмотрим большую популяцию, где есть рецессивные летальные аллели, сегрегированные с очень низкой частотой во многих локусах, так что каждый индивидуум в среднем несет один из этих аллелей. Хотя около 63% людей несут хотя бы один из этих летальных аллелей, почти ни один из них не несет двух копий одного и того же летального аллеля. Следовательно, поскольку летальные животные считаются полностью рецессивными (т. Е. Безвредны при гетерозиготности), они почти не вызывают смертей. Теперь предположим, что размер популяции уменьшается до небольшого значения (скажем, N= 10), и остается такой маленькой на многие поколения. По мере увеличения инбридинга вероятность быть гомозиготной по одному (или нескольким) из этих летальных аллелей также увеличивается, что приводит к снижению приспособленности. Однако по мере того, как эти летальные состояния начинают происходить при гомозиготности, естественный отбор начинает их очищать. Цифра справа показывает ожидаемое снижение приспособленности по отношению к количеству поколений с учетом только увеличения инбридинга F (красная линия) или как инбридинга, так и очищения (синяя линия, вычисленного с использованием очищенного коэффициента инбридинга g.). Этот пример показывает, что чистка может быть очень эффективной в предотвращении инбридинговой депрессии. Однако для нелетальных вредоносных аллелей эффективность очистки будет меньше, и для преодоления генетического дрейфа могут потребоваться большие популяции.

Обновление генома [ править ]

У дрожжей Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces paradoxus есть жизненный цикл, чередующийся между длительными периодами бесполого размножения в виде диплоида, заканчивающимися мейозом, за которым обычно сразу следует самоопыление , с лишь редким скрещиванием . [7] Рецессивные вредные мутации накапливаются во время фазы диплоидной экспансии и удаляются во время самоопыления: эта очистка получила название «обновление генома». [8] [9]

Доказательства и проблемы [ править ]

Когда ранее стабильная популяция подвергается инбридингу, если ничего не меняется, естественный отбор должен состоять в основном из чистки. Совместные последствия инбридинга и чистки для приспособленности различаются в зависимости от многих факторов: предыдущая история популяции, скорость увеличения инбридинга, суровость окружающей среды или конкурентных условий и т. Д. Эффекты чистки были впервые отмечены Дарвина [10] в растениях и были обнаружены в лабораторных экспериментах и ​​в популяциях позвоночных, подвергающихся инбридингу в зоопарках или в дикой природе, а также у людей. [11]Обнаружение очищения часто затрудняется многими факторами, но есть убедительные доказательства того, что в соответствии с предсказаниями, объясненными выше, медленное инбридинг приводит к более эффективному очищению, так что данный инбридинг F приводит к меньшей угрозе для жизнеспособности популяции, если он имеет производится медленнее. [12]

Тем не менее, в практических ситуациях генетическое изменение приспособленности также зависит от многих других факторов, помимо инбридинга и чистки. Например, адаптация к изменяющимся условиям окружающей среды часто вызывает соответствующие генетические изменения во время инбридинга. Более того, если инбридинг происходит из-за уменьшения размера популяции, отбор против новых вредных мутаций может стать менее эффективным, и это может вызвать дополнительное снижение приспособленности в средне- и долгосрочной перспективе.

Кроме того, часть депрессии инбридинга может быть вызвана не вредными аллелями, а внутренним преимуществом гетерозиготности по сравнению с гомозиготностью по любому доступному аллелю, что известно как сверхдоминирование. Инбридинговая депрессия, вызванная чрезмерным доминированием, не может быть устранена, но, кажется, является незначительной причиной общей инбридинговой депрессии, хотя ее реальное значение все еще остается предметом дискуссий. [13]

Следовательно, предсказать реальную эволюцию приспособленности во время инбридинга очень сложно. Однако компонент снижения приспособляемости, ожидаемый от инбридинга и очистки от вредных аллелей, можно предсказать с помощью g .

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Гарсиа-Дорадо, А. (15 апреля 2015 г.). «О последствиях игнорирования чистки по генетическим рекомендациям правил MVP» . Наследственность . 115 (3): 185–187. DOI : 10.1038 / hdy.2015.28 . PMC  4814235 . PMID  25873145 .
  2. ^ Glémin, S (2003). «Как очищаются от вредных мутаций? Дрейф против неслучайного спаривания» . Эволюция . 57 (12): 2678–2687. DOI : 10.1111 / j.0014-3820.2003.tb01512.x . PMID 14761049 . S2CID 196612443 .  
  3. ^ Хедрик, PW; Калиновский, СТ (2000). «Инбридинговая депрессия в природоохранной биологии». Ежегодный обзор экологии и систематики . 31 : 139–162. DOI : 10.1146 / annurev.ecolsys.31.1.139 .
  4. ^ a b c Гарсиа-Дорадо, A (2012). «Понимание и прогнозирование снижения приспособляемости сокращенных популяций: инбридинг, чистка, мутации и стандартный отбор» . Генетика . 190 (4): 1461–1476. DOI : 10.1534 / genetics.111.135541 . PMC 3316656 . PMID 22298709 .  
  5. ^ Frankham, R (2005). «Генетика и вымирание». Биологическая консервация . 126 (2): 131–140. DOI : 10.1016 / j.biocon.2005.05.002 .
  6. ^ а б Ворона, JF; Кимура, М. (1970). Введение в теорию популяционной генетики . Нью-Йорк: Харпер и Роу.
  7. ^ Цай, Эй Джей; Bensasson, D .; Burt, A .; Куфопану В. (14 марта 2008 г.). «Популяционная геномика диких дрожжей Saccharomyces paradoxus: количественная оценка жизненного цикла» . Труды Национальной академии наук . 105 (12): 4957–4962. Bibcode : 2008PNAS..105.4957T . DOI : 10.1073 / pnas.0707314105 . PMC 2290798 . PMID 18344325 .  
  8. ^ Мортимер, Роберт К .; Романо, Патриция; Суззи, Джованна; Полсинелли, Марио (декабрь 1994). «Обновление генома: новый феномен, выявленный в результате генетического исследования 43 штаммов Saccharomyces cerevisiae, полученных в результате естественного брожения виноградного сусла». Дрожжи . 10 (12): 1543–1552. DOI : 10.1002 / yea.320101203 . PMID 7725789 . S2CID 11989104 .  
  9. ^ Масел, Джоанна ; Литтл, Дэвид Н. (декабрь 2011 г.). «Последствия редкого полового размножения посредством самоопыления у других видов, размножающихся клонами» . Теоретическая популяционная биология . 80 (4): 317–322. DOI : 10.1016 / j.tpb.2011.08.004 . PMC 3218209 . PMID 21888925 .  
  10. ^ Дарвин, CR (1876). Эффекты скрещивания и самоудобрения в растительном мире . Лондон: Джон Мюррей.
  11. ^ Crnokrak, P .; Барретт, SCH (2002). «Очистка генетической нагрузки: обзор экспериментальных данных» . Эволюция . 56 (12): 2347–2358. DOI : 10.1111 / j.0014-3820.2002.tb00160.x . PMID 12583575 . S2CID 20689054 .  
  12. ^ Leberg, PL; Фирмин, Б.Д. (2008). «Роль инбридинговой депрессии и чистки в программах разведения и восстановления в неволе». Молекулярная экология . 17 (1): 334–343. DOI : 10.1111 / j.1365-294x.2007.03433.x . PMID 18173505 . S2CID 28421723 .  
  13. Перейти ↑ Crow, JF (2008). «Споры середины века в популяционной генетике» . Ежегодный обзор генетики . 42 : 1–16. DOI : 10.1146 / annurev.genet.42.110807.091612 . PMID 18652542 .