Jak měříme genetickou vzdálenost a co nám říká F ST
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:
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
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
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 0,375 + 0,167 + 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)
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
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
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
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 50-80 000 lety možná důsledek silného genového toku
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
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
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
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).