توازن الطفرة والانتقاء

يُعرَّف توازن الطفرة والانتخاب بأنه حالة توازن في عدد الأليلات الضارة في جماعة حيوية، ويحدث عندما يتساوى معدل نشوء الأليلات الضارة بفعل الطفرات مع معدل استبعادها بفعل الانتخاب . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} معظم الطفرات الجينية إما محايدة أو ضارة، بينما الطفرات المفيدة نادرة نسبيًا. ويُقابل التدفق الناتج للطفرات الضارة إلى الجماعة الحيوية بمرور الوقت بالانتخاب السلبي ، الذي يعمل على تطهيرها. وبغض النظر عن العوامل الأخرى (مثل الانتخاب المتوازن والانحراف الوراثي )، فإن عدد الأليلات الضارة في حالة التوازن يتحدد بتوازن بين معدل الطفرات الضارة ومعدل تطهير الانتخاب لتلك الطفرات.

طُرح مفهوم توازن الطفرة والانتخاب في الأصل لتفسير كيفية الحفاظ على التنوع الجيني في التجمعات السكانية، على الرغم من وجود عدة طرق أخرى لاستمرار الطفرات الضارة، ولا سيما الانتخاب المتوازن . ^{[ 3 ]} ومع ذلك، لا يزال هذا المفهوم يُستخدم على نطاق واسع في علم الوراثة التطورية ، على سبيل المثال لتفسير استمرار الأليلات الضارة كما في حالة ضمور العضلات الشوكي ، ^{[ 5 ] [ 4 ]} أو، في النماذج النظرية، يمكن أن يظهر توازن الطفرة والانتخاب بطرق متنوعة، بل وطُبِّق على الطفرات المفيدة (أي التوازن بين الفقدان الانتقائي للتنوع وخلق التنوع بواسطة الطفرات المفيدة). ^{[ 6 ]}

كمثال بسيط على توازن الطفرة والانتقاء، لنفترض وجود موقع جيني واحد في مجموعة سكانية أحادية الصيغة الصبغية مع أليلين محتملين: أليل طبيعي A بتردد معين${\displaystyle p}$، وأليل ضار متحور B بتردد${\displaystyle q}$، والتي تتميز بعيب نسبي طفيف في اللياقة البدنية يتمثل في${\displaystyle s}$لنفترض أن الطفرات الضارة من A إلى B تحدث بمعدل${\displaystyle \mu }$والطفرة المفيدة العكسية من B إلى A تحدث نادراً لدرجة يمكن معها إهمالها (على سبيل المثال، لأن معدل الطفرة منخفض للغاية لدرجة أن${\displaystyle q}$صغير). ثم، يقوم كل جيل من عمليات الاختيار بإزالة الطفرات الضارة التي تقلل${\displaystyle q}$بمقدار${\displaystyle spq}$بينما تؤدي الطفرة إلى ظهور المزيد من الأليلات الضارة التي تزيد من${\displaystyle q}$بمقدار${\displaystyle \mu p}$يحدث توازن الطفرة والانتقاء عندما تلغي هذه القوى بعضها بعضًا.${\displaystyle q}$ثابت من جيل إلى جيل، مما يعني${\displaystyle q=\mu /s}$^{[ 3 ]} وبالتالي، بشرط ألا يكون الأليل الطافر ضارًا بشكل طفيف (صغير جدًا) .${\displaystyle s}$) ومعدل الطفرة ليس مرتفعًا جدًا، وبالتالي سيكون تردد التوازن للأليل الضار صغيرًا.

في مجتمع ثنائي الصبغيات ، قد يكون للأليل الضار B تأثيرات مختلفة على لياقة الأفراد في الأفراد غير المتماثلين AB والمتماثلين BB اعتمادًا على درجة سيادة الأليل الطبيعي A. لتمثيل ذلك رياضيًا، لنفترض أن اللياقة النسبية للمتماثلين والمتغايرين الضارين أقل من لياقة المتماثلين الطبيعيين AA بمعاملات${\displaystyle 1-hs}$و${\displaystyle 1-s}$على التوالي، حيث${\displaystyle h}$هو رقم بين${\displaystyle 0}$و${\displaystyle 1}$قياس درجة الهيمنة (${\displaystyle h=0}$يشير ذلك إلى أن A مهيمنة تمامًا بينما${\displaystyle h=1/2}$(لا يشير إلى أي سيطرة). ولتبسيط الأمر، افترض أن التزاوج عشوائي .

تؤثر درجة السيادة على الأهمية النسبية للاختيار على الأفراد غير المتماثلة الزيجوت مقابل الأفراد المتماثلة الزيجوت. إذا لم تكن الصفة A سائدة تمامًا (أي${\displaystyle h}$إذا لم يكن معدل الطفرات الضارة قريبًا من الصفر، فسيتم إزالة الطفرات الضارة بشكل أساسي عن طريق الانتقاء على الأفراد غير المتماثلين، لأن الأفراد غير المتماثلين يحتويون على الغالبية العظمى من أليلات B الضارة (بافتراض أن معدل الطفرات الضارة${\displaystyle \mu }$(ليست كبيرة جدًا). ​​هذه الحالة تُعادل تقريبًا حالة الفرد الواحد السابقة، حيث تُحوّل الطفرة الأفراد المتماثلين الزيجوت الطبيعيين إلى أفراد غير متماثلين الزيجوت بمعدل${\displaystyle \mu }$ويؤثر الانتقاء على الأفراد غير المتجانسين بمعامل انتقاء${\displaystyle hs}$؛ هكذا${\displaystyle q\approx \mu /hs}$[ ^{1 ]​}

في حالة الهيمنة الكاملة (${\displaystyle h=0}$لا تُزال الأليلات الضارة إلا عن طريق الانتقاء على الأفراد متماثلي الزيجوت BB . لنفترض${\displaystyle p_{AA}}$،${\displaystyle 2p_{AB}}$و${\displaystyle p_{BB}}$لتكن ترددات الأنماط الجينية المقابلة . التردد${\displaystyle p=p_{AA}+p_{AB}}$يزداد عدد الأليلات الطبيعية A بمعدل${\displaystyle 1/(1-sp_{BB})}$بسبب الاستبعاد الانتقائي للأفراد المتماثلين المتنحيين، بينما تسبب الطفرة${\displaystyle p}$للانخفاض بمعدل${\displaystyle 1-\mu }$(مع تجاهل الطفرات العكسية ). ومن ثم، فإن توازن الطفرة والانتقاء يعطي${\displaystyle p_{BB}=\mu /s}$وبالتالي فإن تردد الأليلات الضارة هو${\displaystyle q={\sqrt {\mu /s}}}$[ ^{1 ] من المحتمل أن} يكون تردد التوازن هذا أكبر بكثير من حالة السيادة الجزئية، لأن عددًا كبيرًا من الأليلات الطافرة محمولة في متغايرات الزيجوت ومحمية من الانتقاء.

يمكن تفسير العديد من خصائص مجتمع التزاوج غير العشوائي بمجتمع التزاوج العشوائي الذي يتم تعديل حجمه الفعال . مع ذلك، في ديناميكيات السكان غير المستقرة، قد يكون انتشار الاضطرابات المتنحية أقل في مجتمع التزاوج العشوائي خلال مرحلة النمو وبعدها. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

وقد وسّعت العديد من الدراسات نطاق دراسة توازن الطفرات والانتقاء ليشمل نماذج الجينوم الكامل. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

بالنسبة للكائنات اللاجنسية، لنفترض أن جميع الطفرات لها نفس التأثير المضاعف على اللياقة، أي اللياقة النسبية للفرد الذي لديه${\displaystyle k}$إن فصل الطفرات هو${\displaystyle w_{i}=(1-s)^{k}}$عند توازن الطفرة والانتقاء، يكون احتمال أن يكون لدى الفرد${\displaystyle k}$تتبع الطفرات المنفصلة توزيع بواسون بمتوسط${\displaystyle {\frac {U_{d}}{s_{d}}}}$أين${\displaystyle U_{d}}$^{[ 14 ]} هو معدل الطفرات الضارة في الجينوم بأكمله.

بالنسبة للكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا، يجب أن تأخذ النماذج في الاعتبار أيضًا إعادة التركيب. إذا كان لجميع الطفرات نفس التأثير التراكمي على اللياقة المالتوسية، فإن لياقة الفرد تكون${\displaystyle w_{i}=e^{-sk}}$حيث k هو عدد الطفرات التي يحملها الفرد. وفقًا لهذا النموذج، فإن العدد المتوقع للطفرات الضارة المنفصلة لكل فرد هو ^{[ 10 ].}

${\displaystyle {\bar {k}}={\frac {U_{d}}{s_{d}}}}$.

في حالة الانتقاء الضعيف${\displaystyle w_{i}=e^{-sk}\approx (1-s)^{k}}$.

تفترض نماذج توازن الطفرة والانتقاء أن تردد الأليل الضار ثابت (${\displaystyle {\frac {q}{\mu }}}$). وهذا يتجاهل التقلبات العشوائية في تردد الأليل بسبب الانحراف الوراثي.

يتمثل أحد الأساليب الشائعة في استخدام تقريب الانتشار لحساب التوزيع الاحتمالي لتردد الأليل${\displaystyle q}$بمعامل اختيار معين${\displaystyle s}$رياضياً، يتم تمثيل ذلك بواسطة${\displaystyle P(q|s)}$ينتج عن هذا النهج ^{[ 15 ]}

${\displaystyle P(q|s)=C(s)e^{4Nsq}q^{4N\mu _{d}-1}(1-q)^{4N\mu _{r}-1}}$

أين${\displaystyle N}$حجم السكان،${\displaystyle \mu _{d}}$و${\displaystyle \mu _{r}}$يمثل معدل الطفرة الضارة ومعدل الطفرة العكسية، و C(s) هو ثابت التطبيع

${\displaystyle \int _{0}^{1}{e^{4Nsq}q^{4N\mu _{d}-1}(1-q)^{4N\mu _{r}-1}dq}}$

على الرغم من أن هذا التقريب يصلح لترددات الأليلات الشائعة، إلا أن الأليلات النادرة القريبة من ${\displaystyle q=0}$أو${\displaystyle q=1}$لا يتم تحديد الحدود بشكل جيد من خلال هذا النهج. ^{[ 16 ]}

يتأثر توازن الطفرة والانتخاب بالتفاعل الجيني (التفاعل الجيني ). ويعني التفاعل الجيني أن تأثير الطفرة على اللياقة مشروط بوجود طفرات أخرى. ويحدث التفاعل الجيني السلبي عندما يكون انخفاض اللياقة الناتج عن مجموعة من الطفرات أكبر من المتوقع بناءً على مساهمة كل طفرة على حدة.

أقوى أشكال التفاعل الجيني السلبي هو الانتقاء العتبي. في هذا النظام الانتقائي، تكون لياقة الفرد أقل بواحد من عدد معين من الطفرات المنفصلة، ​​لكنها تتلاشى إلى الصفر بعد تجاوز هذا العدد. في ظل هذا النظام الانتقائي، يكون متوسط ​​عدد الطفرات المنفصلة لكل فرد عند توازن الطفرة والانتقاء هو

${\displaystyle {\bar {k}}={\frac {U_{d}}{\delta }}(2-\rho )}$

أين${\displaystyle \delta }$هل يمثل الفرق الانتقائي مقسومًا على التباين في توزيع الطفرات المنفصلة؟${\displaystyle \rho }$هي نسبة تباينات السمة قبل وبعد الانتقاء. ^{[ 10 ]}

كانت أول ورقة بحثية حول هذا الموضوع ( هالدين ، 1935)، والتي استخدمت معدل انتشار ونسبة الخصوبة لمرض الهيموفيليا لدى الذكور لتقدير معدل الطفرات في الجينات البشرية. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

انتشار مرض الهيموفيليا بين الذكور هو${\displaystyle p\in [4,17]\times 10^{-5}}$نسبة الخصوبة بين الذكور المصابين بالهيموفيليا إلى الذكور غير المصابين بها هي${\displaystyle f\in [0.1,0.25]}$، أين${\displaystyle f={\frac {\#({\text{أبناء الأليل غير الطبيعي)}}}{\#({\text{أبناء الأليل الطبيعي)}}}}}$.

بافتراض أن مرض الهيموفيليا ناتج فقط عن طفرات في الكروموسوم X ، يمكن تقدير معدل الطفرات على النحو التالي.

في حالة توازن الطفرة والانتقاء، يجب أن يتساوى معدل حالات الهيموفيليا الجديدة الناتجة عن الطفرات مع معدل حالات الهيموفيليا المفقودة نتيجة انخفاض لياقة مرضى الهيموفيليا. وبما أن كل ذكر يمتلك كروموسوم X واحدًا، فإن معدل حالات الهيموفيليا الجديدة الناتجة عن الطفرات هو${\displaystyle \mu }$من ناحية أخرى، فإن اللياقة النسبية لمرضى الهيموفيليا هي${\displaystyle f}$، لذا${\displaystyle (1-f)}$تُفقد حالات الهيموفيليا الموجودة في كل جيل بسبب الانتقاء. وبالتالي، فإن توازن الطفرة والانتقاء يعطي $${\displaystyle \mu =(1-f)p.}$$ ومع ذلك، بما أن الإناث لديهن كروموسومان X، فإن حوالي ثلث الطفرات الجديدة فقط ستظهر لدى الذكور (بافتراض نسبة متساوية بين الجنسين عند الولادة). وبالتالي، فإن المعادلة $${\displaystyle \mu \approx (1-f)p/3\in [1,5]\times 10^{-5},}$$ يتم الحصول على النطاق العددي عن طريق إدخال النطاقات لـ${\displaystyle p}$و${\displaystyle f}$أظهرت الأبحاث اللاحقة باستخدام طرق مختلفة أن معدل الطفرات في العديد من الجينات هو بالفعل في حدود 10 ...${\displaystyle 10^{-5}}$لكل جيل.

• الاختيار السلبي
• خلل النسل
• الأنواع الشبيهة الفيروسية