التثبيت (علم الوراثة السكانية)

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 21 صور
الموسوعة الحرة

في علم الوراثة السكانية ، يُعرف التثبيت بأنه تغير في مخزون الجينات من حالة وجود نسختين على الأقل من جين معين ( أليل ) في مجموعة سكانية محددة، إلى حالة بقاء نسخة واحدة فقط من الأليل. أي أن الأليل يصبح ثابتًا . [ 1 ] في غياب الطفرات أو ميزة التغاير الزيجوتي ، لا بد لأي أليل في نهاية المطاف إما أن يُفقد تمامًا من المجموعة السكانية، أو أن يُثبت، أي أن يصبح موجودًا بشكل دائم بنسبة 100% في المجموعة السكانية. [ 2 ] يعتمد مصير الجين، سواء بالفقدان أو التثبيت، على معاملات الانتقاء والتقلبات العشوائية في نسب الأليلات. [ 3 ] يمكن أن يشير التثبيت إلى جين بشكل عام أو إلى موقع نيوكليوتيد معين في سلسلة الحمض النووي ( موقع جيني ).

في عملية الاستبدال ، ينشأ أليل لم يكن موجودًا سابقًا عن طريق الطفرة ، ويخضع للتثبيت من خلال انتشاره في المجتمع عن طريق الانحراف الوراثي العشوائي أو الانتقاء الإيجابي . وبمجرد أن يصل تردد الأليل إلى 100%، أي كونه المتغير الجيني الوحيد الموجود لدى أي فرد، يُقال إنه "مثبت" في المجتمع. [ 1 ]

وبالمثل، يقال إن الاختلافات الجينية بين التصنيفات قد تم تثبيتها في كل نوع .

تاريخ

أُشير لأول مرة إلى تثبيت الجينات في الدراسات المنشورة في ورقة بحثية نشرها موتو كيمورا عام 1962 بعنوان "حول احتمالية تثبيت الجينات الطافرة في مجتمع حيوي". في هذه الورقة، استخدم كيمورا تقنيات رياضية لتحديد احتمالية تثبيت الجينات الطافرة في مجتمع حيوي. وقد بيّن أن احتمالية التثبيت تعتمد على التردد الأولي للأليل، وعلى متوسط ​​وتباين تغير تردد الجين في كل جيل. [ 4 ]

احتمال

الأليل المحايد

في ظل ظروف الانحراف الوراثي وحده، تمتلك كل مجموعة محدودة من الجينات أو الأليلات "نقطة اندماج" تتقارب عندها جميع السلالات إلى سلف واحد ( أي أنها "تندمج"). يمكن استخدام هذه الحقيقة لاستنتاج معدل تثبيت جين أليل محايد (أي أليل غير خاضع لأي شكل من أشكال الانتقاء) لمجموعة سكانية ذات أحجام متفاوتة (بشرط أن تكون محدودة وغير صفرية). ولأن تأثير الانتقاء الطبيعي يُفترض أنه ضئيل، فإن احتمال تثبيت أليل ما في موقعه في أي وقت محدد هو ببساطة تردده.ص{\displaystyle p}في المجتمع في ذلك الوقت. على سبيل المثال، إذا كان المجتمع يحتوي على الأليل A بتردد يساوي 20%، والأليل a بتردد يساوي 80%، فهناك احتمال بنسبة 80% أنه بعد عدد لا نهائي من الأجيال، سيتم تثبيت a في الموضع (بافتراض أن الانحراف الوراثي هو القوة التطورية الوحيدة العاملة).

بالنسبة لمجموعة سكانية ثنائية الصيغة الصبغية بحجم N ومعدل طفرة محايدμ{\displaystyle \mu }، يكون التردد الأولي للطفرة الجديدة ببساطة 1/(2 N )، وعدد الطفرات الجديدة لكل جيل هو2شمالμ{\displaystyle 2N\mu }بما أن معدل التثبيت هو معدل الطفرات المحايدة الجديدة مضروبًا في احتمال تثبيتها، فإن معدل التثبيت الإجمالي هو2شمالμ×12شمال=μ{\displaystyle 2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu }وبالتالي، فإن معدل تثبيت الطفرة غير الخاضعة للاختيار هو ببساطة معدل إدخال هذه الطفرات. [ 5 ]

الأليلات غير المحايدة

بالنسبة لأحجام التجمعات السكانية الثابتة، يمكن تقريب احتمال تثبيت أليل جديد ذي ميزة انتقائية s باستخدام نظرية عمليات التفرع. لنفترض وجود تجمع سكاني ذي أجيال غير متداخلة n = 0، 1، 2، 3، ...، وXن{\displaystyle X_{n}}تشكل الجينات (أو "الأفراد") في الزمن n سلسلة ماركوف وفقًا للافتراضات التالية. يتوافق إدخال فرد يحمل أليلًا ذا ميزة انتقائية معX0=1{\displaystyle X_{0}=1}يجب أن يتبع عدد نسل أي فرد توزيعًا ثابتًا ويتم تحديده بشكل مستقل. في هذا الإطار، تكون الدوال المولدةصن(x){\displaystyle p_{n}(x)}لكلXن{\displaystyle X_{n}}تحقيق علاقة التكرارصن(x)=ص1(صن-1(x)){\displaystyle p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))}ويمكن استخدامها لحساب الاحتمالاتπن=P(Xن=0){\displaystyle \pi _{n}=P(X_{n}=0)}ليس له ذرية في الوقت ن. يمكن إثبات ذلك. πن=ص1(πن-1){\displaystyle \pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})}وعلاوة على ذلك، فإنπن{\displaystyle \pi _{n}}تتقارب إلى قيمة محددةπ{\displaystyle \pi }وهي احتمالية ألا يكون للفرد أي ذرية. وبالتالي، فإن احتمالية التثبيت هي1-π≈2s/σ2{\displaystyle 1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}} لأن بقاء الأليل المفيد إلى أجل غير مسمى سيسمح بزيادة تردده إلى درجة تضمن فيها قوى الانتقاء تثبيته.

يمكن أن تثبت الطفرات الضارة بشكل طفيف في مجموعات سكانية أصغر حجمًا عن طريق الصدفة، وسيعتمد احتمال التثبيت على معدلات الانحراف الوراثي (~1/شمالهـ{\displaystyle 1/N_{e}}) والاختيار (~s{\displaystyle s})، أينشمالهـ{\displaystyle N_{e}}يمثل حجم السكان الفعال . النسبةشمالهـs{\displaystyle N_{e}s}يُحدد هذا ما إذا كان الانتخاب الطبيعي أو الانحراف الوراثي هو السائد، وطالما أن هذه النسبة ليست سلبية للغاية، فسيكون هناك احتمال كبير لتثبيت أليل ضار بشكل طفيف. على سبيل المثال، في مجموعة سكانية ثنائية الصيغة الصبغية بحجمشمالهـ{\displaystyle N_{e}}، أليل ضار ذو معامل اختيار-s{\displaystyle -s}له تثبيت احتمالي يساوي(1-هـ-2s)/(1-هـ-4شمالهـs){\displaystyle (1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})}يمكن الحصول على هذا التقدير مباشرةً من عمل كيمورا لعام 1962. [ 4 ] الأليلات الضارة ذات معاملات الانتقاء-s{\displaystyle -s}مُرضٍ2شمالهـs≪1{\displaystyle 2N_{e}s\ll 1}وهي محايدة فعلياً، وبالتالي فإن احتمال تثبيتها يساوي تقريباً1/2شمالهـ{\displaystyle 1/2N_{e}}.

تأثير تزايد/تناقص عدد السكان

يتأثر احتمال تثبيت الطفرة أيضًا بتغيرات حجم الجماعة. ففي الجماعات المتنامية، تكون معاملات الانتقاء أكثر فعالية، مما يعني أن الأليلات المفيدة أكثر عرضة للتثبيت، بينما الأليلات الضارة أكثر عرضة للضياع. أما في الجماعات المتناقصة، فتكون معاملات الانتقاء أقل فعالية، وبالتالي يزداد احتمال ضياع الأليلات المفيدة وتثبيت الأليلات الضارة. ويعود ذلك إلى أنه إذا كانت الطفرة المفيدة نادرة، فقد تُفقد لمجرد عدم إنجاب الفرد، بغض النظر عن معامل الانتقاء. في الجماعات المتنامية، يكون متوسط ​​عدد النسل المتوقع للفرد الواحد أعلى، بينما في الجماعات المتناقصة يكون أقل. لذا، في الجماعات المتنامية، يزداد احتمال انتقال الأليل المفيد إلى عدد أكبر من الأفراد في الجيل التالي، ويستمر هذا حتى ينتشر الأليل في الجماعة ويثبت في النهاية. أما في الجماعات المتناقصة، فيزداد احتمال عدم انتقال الأليل، ببساطة لأن الوالدين لا ينجبان. سيؤدي هذا إلى فقدان حتى الطفرة المفيدة. [ 6 ]

وقت

بالإضافة إلى ذلك، أُجريت أبحاثٌ حول متوسط ​​الوقت اللازم لتثبيت طفرةٍ محايدة. أظهر كيمورا وأوتا (1969) أن الطفرة الجديدة التي تثبت في النهاية تقضي في المتوسط ​​4N<sub> e </sub> جيلاً كتعدد أشكال في الجماعة. [ 2 ] متوسط ​​الوقت اللازم للتثبيت N<sub> e</sub> هو حجم الجماعة الفعال ، أي عدد الأفراد في جماعة مثالية تخضع للانحراف الوراثي اللازم لإنتاج قدر مكافئ من التنوع الوراثي. عادةً ما تُستخدم إحصائية التغاير الزيجوتي لتحديد حجم الجماعة الفعال، ولكن يمكن استخدام إحصائيات أخرى. [ 7 ]

يمكن بسهولة نمذجة معدلات التثبيت لمعرفة المدة التي يستغرقها الجين ليصبح ثابتًا مع اختلاف أحجام التجمعات السكانية والأجيال. على سبيل المثال، تسمح محاكاة الانحراف الوراثي لمشروع علم الأحياء بنمذجة الانحراف الوراثي ومعرفة مدى سرعة تثبيت جين لون الدودة من حيث الأجيال لأحجام تجمعات سكانية مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن نمذجة معدلات التثبيت باستخدام أشجار الاندماج. تتتبع شجرة الاندماج انحدار أليلات جين معين في مجموعة سكانية. [ 8 ] وتهدف إلى تتبع الأصل إلى نسخة سلفية واحدة تُسمى السلف المشترك الأحدث. [ 9 ]

أمثلة في البحث

في عام 1969، تمكن شوارتز في جامعة إنديانا من إحداث تثبيت جيني اصطناعي في الذرة، وذلك بتعريض عينات منها لظروف غير مثالية. حدد شوارتز طفرة في جين يُسمى Adh1، والذي يؤدي وجوده في حالة التماثل الجيني إلى عجز الذرة عن إنتاج إنزيم نازع هيدروجين الكحول . بعد ذلك، عرّض شوارتز بذورًا، بعضها ذو نشاط طبيعي لإنزيم نازع هيدروجين الكحول والبعض الآخر بدون نشاط، لظروف غمر بالماء، وراقب ما إذا كانت البذور قادرة على الإنبات أم لا. ووجد أنه عند تعريضها للغمر، لم تنبت إلا البذور ذات النشاط الطبيعي لإنزيم نازع هيدروجين الكحول. وقد أدى ذلك في النهاية إلى تثبيت الجين للأليل البري Adh1 . وفُقدت طفرة Adh1 في المجموعة التجريبية. [ 10 ]

في عام 2014، أجرى لي ولانغلي وبيغون دراسة بحثية أخرى متعلقة بتثبيت الجينات. ركزوا فيها على بيانات تعداد ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوغاستر) وتأثيرات الترافق الجيني الناتج عن عمليات الانتخاب الطبيعي . يحدث الترافق الجيني عندما يتم اختيار أحد الأليلات بقوة ويدفعه إلى التثبيت. يؤدي هذا إلى دفع المناطق المحيطة به أيضًا إلى التثبيت، حتى وإن لم تكن خاضعة للاختيار. [ 11 ] من خلال تحليل بيانات تعداد ذبابة الفاكهة ، وجد لي وزملاؤه انخفاضًا في التباين ضمن 25 زوجًا قاعديًا من الاستبدالات الموضعية. ويعزون ذلك إلى تأثيرات الترافق الجيني على نطاق صغير. كما وجدوا أن عمليات التثبيت المجاورة التي غيرت قطبية الأحماض الأمينية مع الحفاظ على القطبية العامة للبروتين كانت تحت ضغوط انتخابية أقوى. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن الاستبدالات في الجينات بطيئة التطور كانت مرتبطة بتأثيرات أقوى للترافق الجيني. [ 12 ]

مراجع

  1. 1 2 آري زاكاي (2007). الانحراف الوراثي العشوائي وتثبيت الجينات (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 4 مارس 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2013 .
  2. 1 2 كيمورا، موتو؛ أوتا، توموكو (26 يوليو 1968). "متوسط ​​عدد الأجيال اللازمة لتثبيت جين طافر في مجموعة سكانية محدودة" . علم الوراثة . 61 (3): 763-771 . doi : 10.1093/genetics/61.3.763 . PMC 1212239. PMID 17248440 .  
  3. ↑ كيمورا، موتو (1983). النظرية المحايدة للتطور الجزيئي . مبنى إدنبرة، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-23109-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 نوفمبر 2014 .
  4. 1 2 كيمورا، موتو (29 يناير 1962). " حول احتمالية تثبيت الجينات الطافرة في مجتمع ما" . علم الوراثة . 47 (6): 713-719 . doi : 10.1093/genetics/47.6.713 . PMC 1210364. PMID 14456043 .  
  5. ↑ ديفيد إتش إيه فيتش (1997). الانحرافات عن الفرضيات الصفرية: أحجام التجمعات السكانية المحدودة والانحراف الوراثي والطفرة وتدفق الجينات .
  6. ↑ أوتو، سارة؛ ويتلوك، مايكل (7 مارس 1997). "احتمالية التثبيت في مجموعات سكانية متغيرة الحجم" ( ملف PDF) . علم الوراثة . 146 (2): 723-733 . doi : 10.1093/genetics/146.2.723 . PMC 1208011. PMID 9178020. تاريخ الاسترجاع: 14 سبتمبر 2014 .  
  7. ↑ كاباليرو، أرماندو (9 مارس 1994). "تطورات في التنبؤ بحجم السكان الفعال" . الوراثة . 73 (6): 657-679 . doi : 10.1038/hdy.1994.174 . PMID 7814264 . 
  8. ↑ غريفيث، آر سي؛ تافاري، سيمون (1998). "عمر الطفرة في شجرة اندماج عامة". الاتصالات في الإحصاء. النماذج العشوائية . 14 (1 و2): 273-295 . doi : 10.1080/15326349808807471 .
  9. ↑ والش، بروس (22 مارس 2001). "تقدير زمن السلف المشترك الأحدث للكروموسوم Y أو الحمض النووي للميتوكوندريا لزوج من الأفراد" . علم الوراثة . 158 (2): 897-912 . doi : 10.1093/genetics/158.2.897 . PMC 1461668. PMID 11404350 .  
  10. ↑ شوارتز، درو (1969). " مثال على تثبيت الجينات الناتج عن الميزة الانتقائية في ظروف دون المستوى الأمثل". المجلة الأمريكية لعلم الطبيعة . 103 (933): 479-481 . Bibcode : 1969ANat..103..479S . doi : 10.1086/282615 . JSTOR 2459409. S2CID 85366302 .  
  11. ↑ رايس، ويليام (12 فبراير 1987). " الارتباط الجيني وتطور انخفاض النشاط الجيني للكروموسوم الجنسي Y" . علم الوراثة . 116 (1): 161-167 . doi : 10.1093/genetics/116.1.161 . PMC 1203114. PMID 3596229 .  
  12. ↑ لي، يوه؛ لانغلي، تشارلز؛ بيغون، ديفيد (2014). "القوة التفاضلية للاختيار الإيجابي كما كشفت عنها تأثيرات التطفل على نطاقات فيزيائية صغيرة في ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوغاستر)" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 31 (4): 804-816 . doi : 10.1093/molbev/mst270 . PMC 4043186. PMID 24361994. تاريخ الاسترجاع: 16 نوفمبر 2014 .  

للمزيد من القراءة