Мутация – выбор баланса - Mutation–selection balance

Мутация – выбор баланса является равновесием количества вредных аллели в популяции, которая возникает, когда скорость, с которой вредные аллели создаются мутация равна скорости, с которой вредные аллели устраняются отбор.^[1][2][3][4] Большинство генетических мутаций нейтральны или вредоносны; полезные мутации относительно редки. Возникающий в результате приток вредных мутаций в популяцию с течением времени противодействует: отрицательный выбор, который удаляет вредные мутации. Если оставить в стороне другие факторы (например, балансирующий выбор, и генетический дрейф ), равновесное количество вредных аллелей затем определяется балансом между частотой вредных мутаций и скоростью, с которой отбор очищает эти мутации.

Баланс мутации и выбора был первоначально предложен, чтобы объяснить, как генетическая вариация сохраняется в популяциях, хотя в настоящее время известно несколько других способов сохранения вредных мутаций, в частности балансирующий выбор.^[3] Тем не менее, эта концепция до сих пор широко используется в эволюционная генетика, например для объяснения устойчивости вредных аллелей, как в случае спинальная мышечная атрофия,^[5][4] или, в теоретических моделях, баланс мутации и отбора может проявляться множеством способов и даже применяться к полезным мутациям (то есть баланс между избирательной потерей вариации и созданием вариации полезными мутациями).^[6]

Гаплоидное население

В качестве простого примера баланса мутации и отбора рассмотрим один локус в гаплоидный популяция с двумя возможными аллелями: нормальный аллель А с частота ${\displaystyle p}$, и мутировавший вредоносный аллель B с частотой ${\displaystyle q}$, имеющий небольшую родственницу фитнес недостаток ${\displaystyle s}$. Предположим, что вредные мутации из А к B происходят со скоростью ${\displaystyle \mu }$, и обратная полезная мутация от B к А встречается достаточно редко, чтобы им можно было пренебречь (например, потому что частота мутаций настолько мала, что ${\displaystyle q}$ маленький). Затем отбор каждого поколения устраняет вредные мутанты, снижая ${\displaystyle q}$ на сумму ${\displaystyle spq}$, в то время как мутация создает более вредоносные аллели, увеличивая ${\displaystyle q}$ на сумму ${\displaystyle \mu p}$. Баланс мутации и выбора возникает, когда эти силы отменяются и ${\displaystyle q}$ постоянно из поколения в поколение, подразумевая ${\displaystyle q=\mu /s}$.^[3] Таким образом, при условии, что мутантный аллель не является слабо вредоносным (очень маленький ${\displaystyle s}$) и частота мутаций не очень высока, равновесная частота вредоносного аллеля будет небольшой.

Диплоидная популяция со случайным спариванием

В диплоид популяция, вредоносный аллель B может по-разному влиять на индивидуальную приспособленность гетерозигот AB и гомозиготы BB в зависимости от степени доминирования нормального аллеля А. Чтобы представить это математически, позвольте относительной пригодности вредных гомозиготы и гетерозиготы быть меньше, чем у нормальных гомозигот AA по факторам ${\displaystyle 1-hs}$ и ${\displaystyle 1-s}$ соответственно, где ${\displaystyle h}$ это число между ${\displaystyle 0}$ и ${\displaystyle 1}$ измерение степени доминирования (${\displaystyle h=0}$ указывает, что А полностью доминирует, в то время как ${\displaystyle h=1/2}$ указывает на отсутствие доминирования). Для простоты предположим, что вязка случайная.

Степень доминирования влияет на относительную важность отбора гетерозигот по сравнению с гомозиготами. Если А не является полностью доминирующим (т.е. ${\displaystyle h}$ не близка к нулю), то вредные мутации в первую очередь удаляются путем отбора на гетерозиготах, потому что гетерозиготы содержат подавляющее большинство вредных B аллели (при условии, что частота вредных мутаций ${\displaystyle \mu }$ не очень большой). Этот случай приблизительно эквивалентен предыдущему гаплоидному случаю, когда мутация превращает нормальных гомозигот в гетерозиготы со скоростью ${\displaystyle \mu }$ и отбор действует на гетерозигот с коэффициентом отбора ${\displaystyle hs}$; таким образом ${\displaystyle q\approx \mu /hs}$.^[1]

В случае полного доминирования (${\displaystyle h=0}$), вредоносные аллели удаляются только путем отбора на BB гомозиготы. Позволять ${\displaystyle p_{AA}}$, ${\displaystyle 2p_{AB}}$ и ${\displaystyle p_{BB}}$ быть частотами соответствующих генотипы. Частота ${\displaystyle p=p_{AA}+p_{AB}}$ нормальных аллелей А увеличивается со скоростью ${\displaystyle 1/(1-sp_{BB})}$ за счет избирательного устранения рецессивных гомозигот, а мутации вызывают ${\displaystyle p}$ уменьшаться со скоростью ${\displaystyle 1-\mu }$ (игнорируя обратные мутации ). Тогда баланс мутации-выбора дает ${\displaystyle p_{BB}=\mu /s}$, поэтому частота вредных аллелей равна ${\displaystyle q={\sqrt {\mu /s}}}$.^[1] Эта равновесная частота потенциально значительно больше, чем в случае частичного доминирования, потому что большое количество мутантных аллелей переносятся в гетерозиготах и ​​защищены от отбора.

Смотрите также

• Отрицательный выбор
• Дисгеники
• Вирусные квазивиды

Рекомендации

1. Ворона, Джеймс Ф .; Кимура, Мотоо (1970). Введение в теорию популяционной генетики ([Перепечатка] ред.). Нью-Джерси: Блэкберн Пресс. ISBN  9781932846126.
2. Линч, Майкл (август 2010). «Эволюция скорости мутаций». Тенденции в генетике. 26 (8): 345–352. Дои:10.1016 / j.tig.2010.05.003. ЧВК  2910838. PMID  20594608.
3. Бартон, Николас Х. (2007). Эволюция. Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. ISBN  9780879696849.
4. Херрон, Дж. К. и С. Фриман. 2014. Эволюционный анализ, 5-е издание. Пирсон.
5. Вирт, В; Шмидт, Т; Hahnen, E; Рудник-Шёнеборн, С; Кравчак, М; Müller-Myhsok, B; Schönling, J; Зеррес, К. (1997). «Реорганизации De Novo, обнаруженные у 2% пациентов со спинальной мышечной атрофией: мутационные механизмы, происхождение от родителей, частота мутаций и значение для генетического консультирования». Американский журнал генетики человека. 61 (5): 1102–1111. Дои:10.1086/301608. ЧВК  1716038. PMID  9345102.
6. Фишер, Дэниел С .; Десаи, Майкл М. (1 июля 2007 г.). «Благоприятный баланс мутации – отбора и влияние сцепления на положительный отбор». Генетика. 176 (3): 1759–1798. Дои:10.1534 / genetics.106.067678. ЧВК  1931526. PMID  17483432.