Czyszczenie genetyczne

Oczyszczanie genetyczne jest redukcją częstości szkodliwego allelu , spowodowaną zwiększoną skutecznością doboru naturalnego wywołanego przez chów wsobny .

Oczyszczanie występuje, ponieważ wiele szkodliwych alleli wyraża wszystkie swoje szkodliwe skutki tylko wtedy, gdy są homozygotyczne , obecne w dwóch kopiach. Podczas chowu wsobnego, gdy spokrewnione osobniki łączą się w pary, rodzą potomstwo, które z większym prawdopodobieństwem będzie homozygotyczne. Szkodliwe allele pojawiają się częściej, przez co jednostki są mniej dopasowane genetycznie, tj. przekazują mniej kopii swoich genów przyszłym pokoleniom. Innymi słowy, dobór naturalny usuwa wsobne dzieci i ich potomstwo ze szkodliwymi allelami z puli genowej , usuwając szkodliwe allele.

Oczyszczanie zmniejsza zarówno ogólną liczbę recesywnych szkodliwych alleli, jak i spadek średniej sprawności spowodowany chowem wsobnym ( depresja chowu wsobnego dla sprawności).

Termin „oczyszczanie” jest czasami używany do selekcji przeciwko szkodliwym allelom w sposób ogólny. Uniknęłoby dwuznaczności użycie „ doboru oczyszczającego ” w tym ogólnym kontekście i zarezerwowanie oczyszczania dla jego bardziej ścisłego znaczenia zdefiniowanego powyżej.

Mechanizm

Szkodliwe allele segregujące się w populacjach organizmów diploidalnych mają niezwykłą tendencję do bycia przynajmniej częściowo recesywnymi. Oznacza to, że gdy występują w homozygozie (podwójne kopie), zmniejszają sprawność ponad dwukrotnie niż wtedy, gdy występują w heterozygozie (pojedyncza kopia). Innymi słowy, część ich potencjalnego szkodliwego efektu jest ukryta w heterozygozie, ale wyraża się w homozygozie, więc selekcja jest bardziej skuteczna przeciwko nim, gdy występują w homozygozie. Ponieważ chów wsobny zwiększa prawdopodobieństwo bycia homozygotą, zwiększa część potencjalnego szkodliwego efektu, który jest wyrażany, a zatem narażony na selekcję. Powoduje to pewien wzrost presji selekcyjnej na (częściowo) recesywne szkodliwe allele, co jest znane jako oczyszczanie. Oczywiście powoduje to również pewne obniżenie sprawności, co jest znane jako depresja wsobna .

Oczyszczanie może zmniejszyć średnią częstość szkodliwych alleli w genomie poniżej wartości oczekiwanej w populacji niewsobnej. Chociaż ta redukcja zwykle nie rekompensuje wszystkich negatywnych skutków chowu wsobnego, ma kilka korzystnych konsekwencji dla sprawności. Konsekwencją jest zmniejszenie tzw. obciążenia wsobnego. Oznacza to, że po oczyszczeniu oczekuje się, że dalszy chów wsobny będzie mniej szkodliwy. Ale najbardziej bezpośrednią konsekwencją jest zmniejszenie rzeczywistej depresji przystosowania wsobnego: z powodu oczyszczenia średnia sprawność spada mniej niż można by się spodziewać po samym chowu wsobnym, a po pewnym początkowym spadku może nawet odbić się prawie do wartości sprzed chowu wsobnego.

Wspólny wpływ chowu wsobnego i oczyszczenia na sprawność

Uwzględnienie oczyszczenia przy przewidywaniu depresji wsobnej jest ważne w genetyce ewolucyjnej, ponieważ spadek sprawności spowodowany chowem wsobnym może być wyznacznikiem ewolucji diploidii , rozmnażania płciowego i innych głównych cech biologicznych. Jest to również ważne w hodowli zwierząt i oczywiście w genetyce konserwatorskiej , ponieważ depresja wsobna może być istotnym czynnikiem określającym ryzyko wyginięcia zagrożonych populacji, a programy ochrony mogą pozwolić na pewne postępowanie hodowlane w celu kontrolowania chowu wsobnego.

W skrócie: ze względu na czystkę, depresja wsobna nie jest proporcjonalna do standardowej miary chowu wsobnego (współczynnik wsobny Wrighta F ), ponieważ miara ta ma zastosowanie tylko do neutralnych alleli. Zamiast tego spadek sprawności jest proporcjonalny do „oczyszczonego chowu wsobnego” g , co daje prawdopodobieństwo bycia homozygotą pod względem szkodliwych alleli z powodu chowu wsobnego, biorąc pod uwagę sposób, w jaki są usuwane.

Czystka zmniejsza depresję wsobną na dwa sposoby: po pierwsze, spowalnia jej postęp; po drugie, zmniejsza ogólną depresję chowu wsobnego oczekiwaną w dłuższej perspektywie. Im wolniejszy postęp chowu wsobnego, tym wydajniejsza jest czystka.

Bardziej szczegółowe wyjaśnienie

W przypadku braku doboru naturalnego oczekuje się, że średnia przydatność spadnie wykładniczo wraz ze wzrostem chowu wsobnego, gdzie chów wsobny mierzy się za pomocą współczynnika chowu wsobnego Wrighta F ( powodem , dla którego spadek jest wykładniczy względem F zamiast liniowego, jest po prostu to, że dopasowanie jest zwykle uważane za cechę multiplikatywną ). Tempo, w jakim sprawność spada wraz ze F (współczynnik depresji wsobnej δ ) zależy od częstotliwości i szkodliwych skutków alleli obecnych w populacji przed chowem wsobnym.

Powyższy współczynnik F jest standardową miarą chowu wsobnego i podaje prawdopodobieństwo, że w dowolnym neutralnym locus osobnik odziedziczył dwie kopie tego samego genu od wspólnego przodka (tj. prawdopodobieństwo bycia homozygotą „przez pochodzenie”). W prostych warunkach F można łatwo obliczyć pod względem wielkości populacji lub informacji genealogicznych. F jest często oznaczane małymi literami ( f ), ale nie należy go mylić ze współczynnikiem koancestry.

Jednak powyższa prognoza dotycząca spadku przystosowania rzadko ma zastosowanie, ponieważ została wyprowadzona przy założeniu braku selekcji, a przystosowanie jest właśnie docelową cechą doboru naturalnego . Tak więc współczynnik inbredu F Wrighta dla loci neutralnych nie stosuje się do szkodliwych alleli, chyba że inbred wzrasta tak szybko, że zmiana częstotliwości genów jest regulowana tylko przez losowe pobieranie próbek (tj. przez dryf genetyczny ).

Dlatego spadek przystosowania powinien być przewidywany przy użyciu, zamiast standardowego współczynnika chowu wsobnego F , „współczynnika chowu wsobnego oczyszczonego” ( g ), który daje prawdopodobieństwo bycia homozygotą przez pochodzenie dla (częściowo) recesywnych szkodliwych alleli, biorąc pod uwagę, jak ich częstotliwość jest zmniejszana przez oczyszczanie. Ze względu na oczyszczanie sprawność spada w takim samym tempie δ jak w przypadku braku selekcji, ale jako funkcja g zamiast F .

Ten oczyszczony współczynnik chowu wsobnego g można również obliczyć z dobrym przybliżeniem, używając prostych wyrażeń dotyczących wielkości populacji lub genealogii osobników (zob. RAMKA 1). Wymaga to jednak pewnych informacji na temat wielkości szkodliwych skutków, które są ukryte w stanie heterozygotycznym, ale wyrażają się w homozygozie. Im większa jest ta wielkość, oznaczona jako współczynnik oczyszczania d , tym skuteczniejsze jest oczyszczanie.

Interesującą właściwością oczyszczenia jest to, że podczas chowu wsobnego, podczas gdy F wzrasta do wartości końcowej F = 1 , g może zbliżyć się do znacznie mniejszej wartości końcowej. Dlatego oczyszczanie nie tylko spowalnia spadek sprawności, ale także zmniejsza ogólną utratę sprawności wynikającą z chowu wsobnego w dłuższej perspektywie. Jest to zilustrowane w RAMCE 2 dla skrajnego przypadku depresji wsobnej spowodowanej przez recesywne letale, które są allelami powodującymi śmierć przed reprodukcją, ale tylko wtedy, gdy występują w homozygozie. Czyszczenie jest mniej skuteczne w przypadku alleli łagodnie szkodliwych niż w przypadku alleli letalnych, ale generalnie im wolniejszy jest wzrost chowu wsobnego F , tym mniejsza staje się ostateczna wartość współczynnika chowu wsobnego g , a tym samym ostateczna redukcja sprawności. Oznacza to, że jeśli chów wsobny postępuje wystarczająco wolno, w dłuższej perspektywie nie oczekuje się żadnej istotnej depresji wsobnej. Powoduje to, że sprawność małej populacji, która przez długi czas była małą populacją, może być taka sama jak duża populacja o większej różnorodności genetycznej. W genetyce konserwatorskiej bardzo przydatne byłoby ustalenie maksymalnego tempa wzrostu chowu wsobnego, który pozwala na tak skuteczną czystkę.

Przykłady

Równania predykcyjne, gdy chów wsobny wynika z małej liczebności populacji

Rozważmy dużą populację niewsobną o średniej sprawności W . Wówczas liczebność populacji zmniejsza się do nowej, mniejszej wartości N (właściwie należy tu stosować efektywną wielkość populacji ), co prowadzi do stopniowego wzrostu chowu wsobnego.

Następnie depresja wsobna występuje z szybkością δ z powodu (częściowo) recesywnych szkodliwych alleli, które były obecne z niską częstotliwością w różnych loci. Oznacza to, że przy braku selekcji oczekiwana wartość średniej sprawności po t pokoleniach chowu wsobnego wynosiłaby:

${\ Displaystyle W_ {t} = My ^ {- \ delta F_ {t}}}$

gdzie $jest średnią$ dla współczynnika chowu wsobnego Wrighta po t pokoleniach chowu .

Jednakże, ponieważ selekcja działa na zasadzie przystosowania, średnia przystosowania powinna być przewidywana z uwzględnieniem zarówno chowu wsobnego, jak i oczyszczenia, as

${\ Displaystyle W_ {t} = My ^ {- \ delta g_ {t}}}$

$t$ powyższym równaniu jest średnim „oczyszczonym współczynnikiem chowu wsobnego” po pokoleniach wsobnego. Zależy to od „współczynnika oczyszczania” d , który reprezentuje szkodliwe efekty ukryte w heterozygozie, ale ujawnione w homozygozie.

Średni „współczynnik oczyszczonego chowu wsobnego” można przybliżyć za pomocą wyrażenia rekurencyjnego

${\ Displaystyle g_ {t} = \ lewo [\ lewo (1- {\ Frac { 1}{2N}}\right)g_{t-1}+{\frac {1}{2N}}\right]\left[1-2dF_{t-1}\right]}$

Istnieją również równania predykcyjne do wykorzystania z informacjami genealogicznymi.

Przykład depresji wsobnej spowodowanej recesywnymi letalami

Średnia przystosowanie populacji ( W ) względem liczby pokoleń ( t ) utrzymania przy wielkości populacji N=10, gdy w pierwotnej populacji osobniki nosiły średnio jeden rzadki recesywny letal. Ewolucja W oczekiwana tylko z chowu wsobnego (czerwona linia) lub z chowu wsobnego i oczyszczenia (niebieska linia).

Jako przykład czystki genetycznej rozważmy dużą populację, w której występują recesywne allele śmiercionośne, segregujące się z bardzo niską częstotliwością w wielu loci, tak że każdy osobnik jest średnio nosicielem jednego z tych alleli. Chociaż około 63% osobników jest nosicielami co najmniej jednego z tych letalnych alleli, prawie żaden nie ma dwóch kopii tego samego letalnego. Dlatego, ponieważ letale są uważane za całkowicie recesywne (tj. są nieszkodliwe w heterozygozie), nie powodują prawie żadnych zgonów. Załóżmy teraz, że wielkość populacji zmniejsza się do małej wartości (powiedzmy N = 10) i pozostaje tak mała przez wiele pokoleń. Wraz ze wzrostem chowu wsobnego wzrasta również prawdopodobieństwo bycia homozygotą pod względem jednego (lub więcej) z tych śmiercionośnych alleli, co powoduje spadek sprawności. Jednak gdy te śmiercionośne zaczynają pojawiać się w homozygozie, dobór naturalny zaczyna je oczyszczać. Rysunek po prawej przedstawia oczekiwany spadek sprawności w stosunku do liczby pokoleń, biorąc pod uwagę tylko wzrost chowu wsobnego F (czerwona linia) lub zarówno chów wsobny, jak i czystkę (niebieska linia, obliczony przy użyciu oczyszczonego współczynnika chowu wsobnego g ). Ten przykład pokazuje, że oczyszczanie może być bardzo skuteczne w zapobieganiu depresji wsobnej. Jednak w przypadku nieśmiercionośnych szkodliwych alleli skuteczność oczyszczania byłaby mniejsza i może wymagać większych populacji, aby przezwyciężyć dryf genetyczny.

Odnowa genomu

Drożdże Saccharomyces cerevisiae i Saccharomyces paradoxus mają cykl życiowy, który obejmuje długie okresy rozmnażania bezpłciowego jako diploid, kończący się mejozą , po której zwykle następuje samozapylenie , z rzadkimi krzyżowaniami zewnętrznymi . Recesywne szkodliwe mutacje gromadzą się podczas fazy ekspansji diploidalnej i są usuwane podczas samozapylenia: to oczyszczanie nazwano „odnową genomu”.

Dowody i problemy

Kiedy wcześniej stabilna populacja przechodzi chów wsobny, jeśli nic innego się nie zmienia, dobór naturalny powinien polegać głównie na czystce. Łączne konsekwencje chowu wsobnego i czystki na przydatność różnią się w zależności od wielu czynników: wcześniejszej historii populacji, tempa wzrostu chowu wsobnego, surowości środowiska lub warunków konkurencji itp. Efekty czystki zostały po raz pierwszy zauważone przez Darwin w roślinach i zostały wykryte w eksperymentach laboratoryjnych oraz w populacjach kręgowców przechodzących chów wsobny w ogrodach zoologicznych lub na wolności, a także u ludzi. Wykrywanie czystki jest często zaciemniane przez wiele czynników, ale istnieją spójne dowody na to, że zgodnie z przewidywaniami wyjaśnionymi powyżej powolny chów wsobny skutkuje wydajniejszym oczyszczaniem, tak że dany chów wsobny F prowadzi do mniejszego zagrożenia dla żywotności populacji, jeśli ma produkowano wolniej.

Niemniej jednak w praktycznych sytuacjach zmiana genetyczna w sprawności zależy również od wielu innych czynników, oprócz chowu wsobnego i oczyszczenia. Na przykład adaptacja do zmieniających się warunków środowiskowych często powoduje istotne zmiany genetyczne podczas chowu wsobnego. Ponadto, jeśli chów wsobny jest spowodowany zmniejszeniem wielkości populacji, selekcja przeciwko nowym szkodliwym mutacjom może stać się mniej wydajna, co może wywołać dodatkowy spadek sprawności w perspektywie średnio-długiej.

Ponadto część depresji wsobnej nie mogła wynikać ze szkodliwych alleli, ale z wewnętrznej przewagi bycia heterozygotą w porównaniu z byciem homozygotą pod względem dowolnego dostępnego allelu, co jest znane jako nadmierna dominacja. Depresji wsobnej spowodowanej nadmierną dominacją nie można usunąć, ale wydaje się, że jest to niewielka przyczyna ogólnej depresji wsobnej, chociaż jej rzeczywiste znaczenie jest nadal przedmiotem dyskusji.

Dlatego przewidywanie rzeczywistej ewolucji sprawności podczas chowu wsobnego jest wysoce nieuchwytne. Jednak składnik spadku sprawności oczekiwany w wyniku chowu wsobnego i oczyszczenia na szkodliwych allelach można przewidzieć za pomocą g .