Jak měříme genetickou vzdálenost a co nám říká F ST

Transkript

1 Jak měříme genetickou vzdálenost a co nám říká F ST

2 1) Genetická vzdálenost a její stanovení Pomocí genetické rozmanitosti, kterou se populace liší, můžeme určit do jaké míry jsou si příbuznější jaká je mezi nimi genetická vzdálenost např. budeme mít 3 populace charakterizované pomocí alelových četností A = 0,3 B = 0,8 C = 0,7 co všechno lze vyčíst o genetické příbuznosti těchto tří populací z alelových četností: 1) které dvě populace jsou si nejpodobnější v alelových četnostech B a C jsou podobnější než kterákoliv z nich s populací C, neboť rozdíl v četnostech mezi B a C je nejmenší 2) lze stanovit tzv. absolutní rozdíl zjišťujeme rozdíl vždy mezí párem populací s menší a větší četností absolutní rozdíl mezi A a B = 0,8-0,3 = 0,5 A a C = 0,7-0,3 = 0,4 B a C = 0,8-0,7 = 0,1 = B a C jsou si nejpodobnější, protože mají nejmenší absolutní rozdíl (0,1) = populace A je vzdálenější od obou populací B i C Příklady veličin používaných pro stanovení genetických odlišností mezi populacemi:

3 A) Genetické vzdálenosti se často měří z druhé mocniny rozdílů alelových četností = = např. tzv. Harpending-Jenkins distance (p i p j ) 2 p (1 p) p i a p j alelová četnost v populaci i a j p průměrná alelová četnost pro naše tři populace je: p = (0,3 + 0,8 + 0,7) / 3 = 0,6 po dosazení do vzorce je genetická vzdálenost mezi A a B = 1,04 A a C = 0,67 B a C = 0,04 = nejmenší genetická vzdálenost je mezi B a C (0,04) a populace A je vzdálenější od populace B (1,04) a C (0,67) čím je genetická vzdálenost mezi populacemi menší, tím jsou si geneticky podobnější opět platí, že genetické vzdálenosti (podobnosti) zjišťujeme z velkého počtu různých lokusů

4 B) Jiným přístupem je vyjádření genetické vzdálenosti mezi populacemi jako funkce genového toku a genového posunu v případě našeho hypotetického příkladu se třemi populacemi: populace B a C jsou geneticky podobnějšími, protože spolu sdílejí velké množství genů v důsledku migrace (genového toku) populace A je geneticky vzdálenější, protože s populací B i C má menší genový tok nebo také proto, že je u B a C silnější genový posun (jsou po rozdělení menší) populace nejsou izolované, ale naopak jsou propojeny genovým tokem genetická vzdálenost je odrazem působení genového toku a genového posunu v historii těchto populací v tomto případě je charakteristické, že populace se neliší stářím, všechny začínají ve stejném (podobném) okamžiku

5 C) Třetí možností vyjádření genetické vzdálenosti je stanovení míry genetické odlišnosti ve všech studovaných populacích (nikoliv pouze mezi jednotlivými dvojicemi jako doposud) příkladem je výpočet odhadu F 2 ST odhad stanovíme jako průměrnou míru genetické rozmanitosti nejdříve spočítáme průměrnou alelovou četnost: A = 0,3 B = 0,8 C = 0,7 (p i p) 2 p (1 p) p = 0,6 a dále vypočítáme vzdálenost od průměru pro každou populaci podle vzorce: vypočítaná genetická vzdálenost populace A vzhledem k průměrné hodnotě je 0,375 B 0,167 C 0,042 F ST pak vypočítáme jako průměrnou hodnotu těchto dílčích údajů 0, , ,042 / 3 = 0,195 (pozn.: předpokládáme, že všechny tři populace jsou stejně velké, nemusíme tedy počítat vážený průměr podle velikosti populací) čím je větší hodnota F ST tím jsou populace (v průměru) vzdálenější od průměrné alelové četnosti (viz následující obrázek)

6 F ST ukazuje, jak jsou populace vzdáleny a rozprostřeny od průměrné hodnoty - všechny populace (body) jsou stejně vzdáleny od průměru (+) navzájem se od sebe téměř neliší - populace jsou dále od průměru - navzájem se od sebe liší více zatímco přístupy A) a B) přesně kvantifikují genetickou vzdálenost mezi dvěma populacemi, F ST pouze ukazuje vzdálenost populace od průměru

7 F ST také odráží rovnováhu mezi mutací, genovým tokem a genovým posunem genový tok genetické rozdíly mezi populacemi zmenšuje genový posun genetické rozdíly naopak zvětšuje F ST se v důsledku posunu zvyšuje tak dlouho než dosáhne rovnovážné hodnoty, kdy se vyrovná vliv genového posunu s vlivem mutací a genového toku

8 Srovnání různých hodnot F ST (různých populací) pak odráží rozdíly ve stáří, genovém toku a velikosti populace menší hodnoty F ST svědčí o malém stáří populace F ST F ST mladší starší Pokud je stáří populací stejné pak jsou: vyšší hodnoty důsledkem menší intenzity genového toku a/nebo menší velikosti populace naopak nižší hodnoty F ST pak svědčí o intenzivnějšího genovém toku a/nebo větší velikosti populace F ST F ST genový tok větší menší velikost populace větší menší silnější genový tok silnější posun velké populace s malým F ST malé populace s velkým F ST

9 F ST lze hodnotit ze dvou pohledů: F ST ve vztahu k regionálním subpopulacím rozdíly mezi a uvnitř regionálních populací F ST populace člověka ve vztahu k jiným druhům genetická vzdálenost mezi druhy, rozmanitost uvnitř druhu F ST populace člověka ve vztahu k jiným druhům často se výsledná hodnota F ST pro lidskou populaci pohybuje kolem hodnoty 0,1, což je velmi nízká hodnota Templeton (1998) zjistil, že: - např. pouze populace afrického buvola, vodušky jelenovité a impaly mají podobné nebo nižší hodnoty F ST - naopak např. populace pakoně, ovce tlustorohé nebo kojota mají F ST mezi 0,2 až 0,3 - a další populace (např. slon, gazela, vlk) mají hodnoty vyšší než 0,4 nízká hodnota F ST populace člověka naznačuje, že jsme jako celek spíše homogenním druhem, méně rozmanitým možná důsledek silného bottlenecku před lety možná důsledek silného genového toku

10 F ST ve vztahu k regionálním subpopulacím Jiný pohled na hodnotu F ST - porovnání jednotlivých regionálních populací relativně k nějaké celkové variabilitě druhu hodnota 0,1 říká, že jen 10 % genetické rozmanitosti druhu je způsobeno geografickými rozdíly, zbylých 90 % rozmanitosti existuje v rámci geografických regionů přesněji bylo stanoveno, že - 10 % celkové genetické variability člověka představuje rozdíly mezi geografickými oblastmi (někteří je označují jako rasy ) - 5 % připadá na rozdíly mezi populacemi v dané oblasti - a zbylých 85 % jsou rozdíly uvnitř lokálních populací = koncept ras je chybný, protože mezi rasami je zanedbatelná rozmanitost oproti mnohem větší rozmanitosti uvnitř každé rasy rozdíly mezi Afričany jsou větší než rozdíly mezi Afričany a Melanésany rozdíly mezi Afričany jsou větší než rozdíly mezi Afričany a Evropany

11 Námitka: ale vždyť se tak od sebe lišíme (mezi populacemi, černoši x běloši) a naopak jsme si tak podobní (uvnitř skupin, běloši mezi sebou) = genetické údaje však ukazují, že tento pohled není v případě lidských populací platný Problém v pohledu na věc je hlavně v zaměření se na rozdíly ve zbarvení kůže je to pouze jeden znak, který je navíc pod silnou geograficky specifickou selekcí ve vztahu k odolnosti k UV záření

12 Nízká hodnota F ST může odrážet: Co vyplývá z malého F ST o naší historii 1) krátký čas existence naší populace během které se ještě nestačily vytvořit dostatečné geografické rozdíly = tento závěr podporuje model afrického původu a nahrazení máme relativně mladý původ 2) silný bottleneck v naší historii (viz později) 3) v naší populaci probíhal velmi silný genový tok Jak velký by musel být genový tok, aby byla hodnota F ST = 0,1? bylo spočítáno (Livshits a Nei, 1990, neuvažujeme vznik nových mutací), že by se velikost migrace mezi populacemi v rámci kteréhokoliv regionu na světě musela pohybovat mezi 0,8 až 1,6 migrantů na generaci = asi 1 migrant na generaci a velikost migrace mezi geografickými oblastmi by se pohybovala v rozmezí asi 0,25 až 0,5 podle konkrétního regionu tedy 1 migrant každé 2 až 4 generace

13 zahrneme-li do modelu také velikost populace (africká populace byla větší než ostatní), pak je velikost migrace 0,33 migrantů mezi regiony na generaci = 1 migrant každé 3 generace (Relethford a Harpending, 1994, 1995; klasické genetické markery a craniometrická data) samozřejmě, že stanovená míra migrace (např. 0,33) je modelová, průměrná ve skutečnosti migrace probíhá náhle, ve větších počtech a její velikost se mění (ovlivněno např. podmínkami prostředí, klimatickými podmínkami apod.) K dosažení F ST = 0,1 je tedy potřeba relativně malá míra genového toku (migrace).