遗传多态性和选择

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  多态性在进化中扮演的角色引起了争论。但是如果它根本上遵循中性进化,那么它可以作为参照来研究自然选择。多态性也被生态学家用于在保护生物学中重建物种历史。

1. 突变,随机漂变和中性进化

  多态性包含突变,这些突变在细胞分裂时逃脱了DNA修复系统的修复。因此它们出现的频率是一个生物学变量。在人类和黑猩猩中,每一世代产生的核苷酸核酸的基本元素如DNA或RNA。它包含一个核酸基团(或含氮碱基),和一个五碳原子组成的糖,成为戊糖,它们的结合形成一个核苷,最后是一到三个磷酸基团。突变率约为μ≈10-8。雄性哺乳动物产生大量的精子意味着雄性生殖系比雌性生殖系有更多的细胞分裂从干细胞到配子的所有细胞:30岁时是380:23(即16倍以上),并且随着男性年龄增长会更多(50岁时是840:23,即36倍以上)。这意味着在这些物种中突变主要是由雄性系产生的,并且取决于父亲的年龄。每个基因组生物体的遗传物质。它包含编码蛋白质的遗传信息。大多数生物体基因组与DNA相对应。然而一些称为逆转录病毒(例如HIV)的病毒中,其遗传物质是RNA。的每次生产都会产生约100个新的突变,但因为基因组中只有很小一部分在编码描述基因翻译蛋白质的那部分DNA或RNA。只代表基因来源的一部分,以及注册的mRNA。,所以99%的突变对生存生育没有影响。这些突变被叫做中性突变。一个新的等位基因对于两个同源基因,当它们具有不同的形状,在给定的观察水平下可以分辨彼此则成为等位基因。因此一个等位基因对应于一条单一序列,或一组虽然是不同的,但在表型水平上是不可分辨的序列(例如蓝色/棕色/绿色的眼睛颜色,但在核苷酸水平上,有更多不同的等位基因,数种颜色)。可以是中性的有害的或者是有益的。中性突变是被研究最多的,这是因为它们允许编写预测模型来研究种群的历史。它们的分布也可以作为一个无效假设指的是基本观点,对于给定现象的默认位置。一般来说,反对无效假说的假说有举证责任。,通过比较来解释那些有害或有益的突变。

  我们可以认为,在一个只包含中性等位基因的基因组中,等位基因频率的漂移将弥补另一个等位基因的波动,等位基因多样性H将长期保持稳定。但是这种印象是错误的。多样性将会被逐渐侵蚀。这一现象与人类姓氏多样性的丧失非常相似。在与人类隔离的人群中,比如偏远村庄,姓氏多样性丧失是一种缓慢但重要的现象。一个没有男孩的家庭将无法将他的姓氏传下去。虽然该姓氏可以被亲戚家庭传下去,但是这个族群人口越少,姓氏消失的可能性就越大。这显然与伴随男孩出生的Y染色体的任何生物学特性无关。概率就足以解释这一点。这一特性反映了一个事实,即来自父母群体的女儿这一代组成遵循随机抽取替换在一个装有n个代币的盒子中进行连续的抽签,取第一个代币,读取其价值,将其放回盒子中,取第二个代币,读取其价值,将其放回盒子中,等等,直到第p个代币。这意味着重复(可以多次选择相同的对象)并按顺序(选择对象的顺序很重要)在n个代币中选择p个代币。在n中连续抽出代币的次数为:n×n×n×…×n=np。的原则。

  和Y染色体一样,亲代的一些基因并没有被遗传,也没有在女儿群体中发现。如果一个固定规模种群的后代基因是被随机抽取的,则不被抽取的基因的概率由参数为1的泊松分布给出,即q(0) = e-1 = 0.367。这些没有被抽取的基因(超过三分之一)没有遗传就消失了。它们的缺失被那些碰巧留下了更多后代的亲代基因所补偿。如果情况不是这样,祖先的谱系就会保持平行,但从未相遇。过去的祖先谱系的集合与现在相比,在多样性的丧失上没有区别,在所谓的血缘关系上也没有区别。

  测量多样性的公式(1)具有一个有用的属性:它取决于被估计的样本量。当女儿这一代“t+1”从亲代“t”中选取n个基因作为样本,根据公式E(Hs) = Ht (1 – 1/n),女儿这一代表现出的变异损失是1/n。因为子代是随机抽取替换的,即使女儿这一代群体规模大于母亲这一代群体,这一性质也同样适用,但是种群越大,多样性被侵蚀的就越少。所有现实中的种群规模都是有限的,这就足够了。按照惯例,遗传学家认为这种变异的损失是1/Ne,其中Ne是指染色体的有效数目[1]。因此从第一代到第二代:

E(H2) = H1 (1 – 1/Ne) (3)

  有效大小几乎总是比染色体数量的实际大小小得多,原因将在后面讨论。例如,据估计,在过去的人类谱系中,染色体的有效数量约为10,000条。如果没有突变,该公式表明种群在时间T(期望)后将变成单态:

E(T) = 2 Ne (4)

  这将导致两个结果:首先,一个物种的多态性在它的持续时间范围内总是“最新的”,因为它依赖于那些能恢复多态性的突变,尽管在多样性被侵蚀的情况下伴随着等位基因频率的漂移。第二,多态性水平是两种对立机制的折中,创造了中性突变漂移平衡

  多态性随着时间的推移而消失可以用相反的方向来表示:当我们沿着时间向前追溯,同一位点基因在染色体上的位置。在群体遗传学中,对于所有同源基因(同源类),如果两条染色体或两个基因在减数分裂时相互匹配并排除对方,则它们是同源的。的两个基因之间总是有一个最近共同祖先。这就是 约翰 · 金曼所说的联合溯祖过程。不同位点上的祖先是不一样的,因为性使祖先的数量倍增,因此基因的共同祖先也是不一样的。如果与前代有共同祖先的概率q = 1/Ne随时间保持不变,那么祖先的分布遵循指数定律t = q . e-qt。这些祖先的期望年龄等于Ne。如果从那以后没有发生突变,两个基因在遗传上将是相似的。但只要在从祖先到两个基因的过程中其中一个基因发生了突变,就足以使两种基因都成为等位基因。由此推断,这两个基因之间核苷酸差异的数量为θ = Ne × 2µ,其中µ中性突变率。用公式θ = 2Neμ来定义的参数θ,是群体遗传学的一个基本参数。

环境百科全书-遗传多态性和选择-一些种群结构模型
图1. 一些种群结构模型。椭圆表示种群,实线箭头表示种群间的迁移率,虚线箭头表示种群之间由于随机漂变造成的差异。在星形系统发育和奠基效应模型中,分化是随时间一直持续的。在其他模型中,种群内部的随机漂变和迁移导致的种群同质化之间存在着平衡。观察到的种群对之间的遗传变异和TSFs模式可以表明给定物种的历史是否与上述模型之一或多或少相似。

  自然种群的中性进化在保护生物学中非常重要,因为它使得物种的历史得以重建。遗传学家早就知道随机遗传漂变允许他们推断种群分化和物种结构空间模型(图1)。在20世纪下半叶, 最常用的用于研究将种群结构化为亚种群的指标是下面公式中的FST

FST = 1-HS/HT(5)

  其中HS为各亚种群多样性的平均值,HT为总种群多样性[2]

环境百科全书-遗传多态性和选择-溯祖和人口结构变化
图2. 溯祖和人口结构变化。来自同一位点的6个基因样本(白色圆圈)在三个具有不同历史的群体中被用于谱系研究,图中的灰色方框代表了群体的规模:规模不变(左)、瓶颈后的近期扩张(中)和更早的扩张(右)。时间(以代为单位)可以追溯到位于图表顶部的过去。突变用黑色圆形(“内部”分支的突变,和样本中的几个基因是相同的)或黑色星形( “外部”分支的突变,在样本中是独一无二的,因为它们导致样本中单个基因的出现)表示。我们看到,样本中共同祖先的年龄分布因不同条件而有较大差异。系谱的外部(末端)分支与内部分支的长度比是不同的。对于一个恒定的突变率,随着时间的推移,外部和内部突变的相对比例将会不同。样本中罕见/频繁突变的比例是用来重建种群历史的指标之一。其他多态性指标(包括文中看到的H和π)也具有这个属性(temps passé 过去的时间)

  在21世纪数字基因组分析的时代,金曼、哈德逊和田岛在1982-83年独立开发的溯祖理论[3],使得除了研究种群结构之外,还使得确定种群是否保持稳定或发生了人口统计学上的变化成为可能(图2)。

2. 中性模型和生物多样性管理

  图1和图2说明了遗传变异概况如何受到种群历史的影响:空间结构、殖民、迁移、种群变化等,这些事件都赋予了物种分子多态性特定的标识,并允许生态学家从事生态学研究。生态学家的工作是研究生物体与周围世界的关系。不应与生态保护论者混淆,他们发起保护生态的运动。追溯其历史。在第四纪(即当前的地质时期),全球气候发生了周期性变化,这导致了海岸线,生物群丛和冰川的南北转移,以及各纬度的干湿气候时期的周期性变化。在采取任何自然种群管理措施之前,种群生物学家系统地记录了种群的移动、减少、增加和入侵,以及物种对环境变化的响应指数。目前,群体遗传学的大部分应用都是在保护生物学领域。

3. 有害突变

  由于基因编码蛋白质,编码区域的大多数突变都会修改蛋白质序列(约为突变的3/4,这个比例根据序列的组成而变化)。在人类谱系中,这些变化中大约40%是有害的,也就是说,当评估从黑猩猩谱系中分离出来的基因组进化时,这些变化就消失了。如果突变是中性的, 某一天它将有1 / Ne的机会取代在这个位点的其他基因 (在有效大小为Ne的种群中,其他基因的总比例是1-1/Ne,每个基因也都有1/Ne取代所有其他基因的机会)。但突变可能是有害的,会影响携带者的健康或生育能力。它的频率可能通过随机漂移波动几代,然后通过选择而消失(在果蝇中是平均40代)。一个物种的所有成员都是有害突变的携带者。你我皆是。它们几乎都是杂合状态。描述一个生物体的同一基因在每条同源染色体上的同一位点具有两个不同的等位基因。的,因为如果一个突变的频率,例如,为1/1000,它将在状态,描述一个生物体的基因在每条同源染色体上的同一位点具有该基因两个相同的等位基因。a friendly little boy中的代表数比在杂合子中的代表数少1000倍。杂合子消除突变的不利影响是轻微的,而纯合子的不利影响往往大得多。由于几个位点上的有害突变的影响是累加的,突变负担成为一个数量变量,其加性效应可能无法检测,但在长期内仍然有效,可以永久清除基因组。这就解释了为什么蛋白质仍然有功能且有害突变的频率仍然较低。它们可能是解释维持遗传重组的众多因素之一。这使得将有害突变组合在一起以消除它们和在染色体相邻区域限制它们的消除都成为可能。

4. 有利突变

  60%的突变影响蛋白质却不产生有害影响,这些突变是什么?就像影响基因组其他区域的突变一样,它们可以是“中性的”,也就是说,在特定环境下,在物种的特定交流系统中,它们对健康或繁殖能力没有任何影响。它们的频率在自然种群中随机波动。但如果条件改变,它们可能是有利的。它们是达尔文设想中的自然选择性选择的一部分,也是选择这个词的最初意思,即人类对家养物种的选择。被选择的多态性有两种:瞬时多态性和平衡多态性。

环境百科全书-遗传多态性和选择-选择性扫描
图3. 选择性扫描。重组使得基因组上相邻区域的进化有可能被分离。如果没有选择,中性多态性将通过一个非常缓慢的平衡过程沿着染色体达到一个可比值。当一个突变在某个区域具有优势且频率变为1时,这个过程会非常快,并且它会扫除该区域的中性多态性,但不会扫除相邻区域的中性多态性。通过对比扫描区域和中性区域的中性多态性水平,可以肯定确实是选择在前者中起了作用,并排除了认为“适应的就是我们所看到的”的循环推理。本例显示了模拟果蝇X染色体上两个相邻区域的选择性扫描。它们使识别基因的这两个复合体成为可能,这两个复合体同时作用于改变果蝇后代的孟德尔基因比例(参见 [6])(所谓的“自私”基因)。在这两个区域(SR1和SR2),选择消除了中性多态性。
(régions codantes 编码区;déficit de polymorphisme neutre 中性多态性缺乏;polymorphisme neuter(π) 中性多态性(π);position des genes sur le chromosome 基因在染色体上的位置)

  瞬时多态性是指一个有利的突变通过消除可选等位基因而逐渐“修复”自己,这个过程可能导致该基因频率为1。例如,蚊子的杀虫剂抗性基因、细菌的抗生素抗性基因和疟疾寄生虫的抗疟药物抗性基因。这些突变在自然条件下也许没有优势,但在施加药物的环境下,这些等位基因的频率就会增加。调节乳糖酶表达的三种等位基因也是如此,该酶不仅能让人类像其他哺乳动物一样在新生儿状态下消化乳糖,在成人状态下也能消化乳糖。这些突变在牲畜群体中变得有益,而我们的狩猎-采集祖先只有在成年后才有机会消化果实中的糖(蔗糖)。在所有这些瞬时多态性的案例中,与选择相关的位点被基因组中的一个分子标签“背叛”了:它的频率的迅速扩大使得染色体上相邻的中性突变消失。这是一个选择性扫描的例子,它使得我们可以确定等位基因的固定不是由于随机漂变,而是由于选择(图3,[4])。

环境百科全书-遗传多态性和选择-平衡多态性
图4. 平衡多态性。当自然选择维持两个等位基因的共存时,它们的序列分歧越来越大,以至于这两个基因之间积累的突变比基因组其余部分的中性模型预测的要多。图中的例子是果蝇tan基因上的两个等位基因(坐标0),这两个等位基因维持了浅色腹部和黑色腹部雌性果蝇大约300万年的共存。这些颜色模式涉及雄性和雌性交配过程之间的交流,但它们互相不能消除彼此,可能是因为它们的选择优势在频率过大时减弱了。黑白横线:染色体间差异的期望值:蓝色:实际观测值(参见 [7])(Divergence 分化程度;femelle noire 黑色雌性;femelle claire 浅色雌性)

  平衡多态性是指两个等位基因共存的情况,因为每一个基因在特定条件下都有优势,但在所有的时间或空间情境下,其中任何一个都不能胜过另一个。例如基因型的选择优势由于其反向频率而增加。这被称为频率依赖选择。这种平衡多态性的情况在性别选择的案例中经常出现(图4,[5])。

5. 多态性是有用的吗?

  20世纪30年代至60年代,自然种群遗传学家发现在自然界中多态性越来越多。他们想要评估多态性的程度和发现其在进化方面的潜在用途。那些认为遗传多样性对其本身有利,而自然选择将其维持在较高水平的研究人员,和那些认为选择导致在一个有限规模种群[6]中形成一个表型一个相当同质的野生个体所有可观察到的特征,其余的变异相当有害。他们中没有一个是对的。法国人 gustave malécot 在1950年代就已经证明,中性多态性是孟德尔定律的结果【Lois关于生物遗传的原则,由捷克僧侣和植物学家孟德尔(1822-1884)提出】的研究人员彼此对立。最终在1966年发现了极高水平的分子多态性,这无法单独用自然选择解释[7],于是日本的Kimura 和 Ohta提出了中性主义理论[8]。人们意识到,达尔文自然选择理论的替代品不是物种的固定性(例如,正如达尔文的反对者所认为的那样),而是中性模型预测的持续的基因变化,类似于物理学扩散现象中的随机漫步。这一观点最终在20世纪80年代被接受。然而,与繁殖种群的大小相比,所有物种的有效种群大小都非常低,这表明外界力量侵蚀遗传多样性的程度远远超过中性模型的预测。这种侵蚀虽然还没有被估计,但它在一定程度上归咎于自然选择,这种选择消除了有害突变,固定了有利突变,从而增加了漂移对中性变异的影响。虽然对物种的未来极其重要,但选择的多态性肯定只代表多态性的一小部分。

  中性分子多态性为研究群体的选择和种群的历史提供了基础理论和参考模型。矛盾的是,从此自然选择的分子标签是应用中性理论在基因组中寻找的。

  维持重组系统的选择性力量的存在,孟德尔定律[9],以及性行为的基因混合也是考虑多态性的一个参数,它们以这种方式保持,在自然种群中具有短期优势。

 


参考资料及说明

[1] 直到2000年,有效大小仍表示的是个体有效大小,而不是染色体有效大小。因此,如果繁殖时雌雄个体数量相同,常染色体的有效大小为2Ne,X染色体的有效大小为1.5Ne,Y染色体和线粒体的有效大小为0.5Ne。这些公式可在手册中找到。

[2] 这个公式在这里非常普遍,根据其所使用的遗传模型有几种形式和名称:Wright的FST(两个等位基因),Nei的GSTFST的推广,上面公式5的变体),ΦSTρST,等等。它可以被类似性质的统计数据所替代:DXY, AMOVA。这种冗余首先表明了“F-统计学”在生态学中的成功。由于估计值依赖于样本量,无偏估计值的使用也必须考虑到观测设计的特殊性。Cf: Weir B.S. & Cockerham C.C. (1984) Estimating F-statistics for the analysis of population structure. Evolution 38:1358-1370

[3] Kingman J.F.C. (1982) On the genealogy of large populations. Journal of Applied Probability 19A:27-43; Hudson R.R. (1983) Properties of a neutral allele model with intragenic recombination. Theoretical Population Biology 23:183-201; Tajima F. (1983) Evolutionary relationship of DNA sequences in finite populations. Genetics 105:437-460.

[4] Derome N., K. Métayer, C. Montchamp-Moreau & M. Veuille (2004) Signature of selective sweep associated with the evolution of sex-ratio drive in Drosophila simulans. Genetics 166: 1357-1366; Derome N., E. Baudry, D. Ogereau, M. Veuille & C. Montchamp-Moreau (2008) Selective sweeps reveal a two-locus model for sex-ratio meiotic drive in Drosophila simulans. Molecular Biology and Evolution, 25:409-416.

[5] Yassin A., Bastide H., Chung H., Veuille M., David J.R. & Pool J.E. (2016) Ancient Balancing Selection at tan Underlies Female Colour Dimorphism in Drosophila erecta. Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms10400.

[6] Malecot G. (1948) The mathematics of heredity. Masson et Cie; Nagylaki T. (1989) Gustave Malécot and the transition from classical to modern population genetics. Genetics 122, 253-268.

[7] Lewontin R.C. & Hubby J.L. (1966) Molecular Approach to the Study of Genic Heterozygosity in Natural Populations. II. Amount of Variation and Degree of Heterozygosity in Natural Populations of Drosophila pseudoobscura, Genetics 54: 595-609; Lewontin R.C. (1974) The Genetic Basis of Evolutionary Change. Columbia Univ. Press, New York.

[8] Kimura M. (1969) The Rate of Molecular Evolution Considered from the Standpoint of Population Genetics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 63:1181-1188.

[9] http://uel.unisciel.fr/biologie/analgen/analgen_ch01/co/learn_ch1_01_01_01.html


译者:贾秋竹          编审:郎明林          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: VEUILLE Michel (2022), 遗传多态性和选择, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/vivant-zh/genetic-polymorphism-and-selection/.

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