Причини генетичного дрейфу, ефекти, приклади



The генетичний дрейф або ген є стохастичним еволюційним механізмом, який викликає флуктуації або варіації чисто випадкової частоти алелів популяції.

Природний відбір Чарльза Дарвіна і дрейф генів є двома найважливішими процесами, що беруть участь у еволюційних змінах у популяціях. На відміну від природного відбору, який вважається детермінованим і невипадковим процесом, дрейф гена є процесом, що підтверджується як випадкові флуктуації алельних частот у популяції або гаплотипах.

Дрейф гена призводить до неадаптивної еволюції. Насправді, природний відбір - а не дрейф гена - є єдиним механізмом, який використовується для пояснення всіх адаптацій організмів на різних рівнях (анатомічний, фізіологічний або етологічний)..

Це не означає, що дрейф гена не є важливим. Одна з найяскравіших наслідків цього явища спостерігається на молекулярному рівні, між відмінностями в послідовності ДНК і білка.

Індекс

  • 1 Історія
  • 2 Причини
  • 3 Ефекти
    • 3.1 Як обчислити ймовірність того, що алель буде втрачено або фіксовано?
    • 3.2 Ефективна кількість населення
    • 3.3 Вузькі місця та ефекти заснування
    • 3.4 Вплив на рівень ДНК: нейтральна теорія молекулярної еволюції
    • 3.5 Чому існують нейтральні мутації?
  • 4 Приклади
    • 4.1 Гіпотетичний приклад: равлики та корова
    • 4.2 Як змінюватиметься частка равликів з часом??
    • 4.3 Дрейф гена в дії: гепарди
    • 4.4 Приклад у популяціях людей: амішів
  • 5 Посилання

Історія

Теорія дрейфу генів була розроблена на початку 1930 року важливим біологом і генетиком на ім'я Севаль Райт..

Крім того, внески Мото Кімури були винятковими в цій галузі. Цей дослідник керував нейтральною теорією молекулярної еволюції, де він пояснює, що вплив дрейфу гена має важливий внесок у еволюцію на рівні послідовностей ДНК..

Ці автори розробили математичні моделі, щоб зрозуміти, як працює дрейф гена в біологічних популяціях.

Причини

Причини дрейфу гена - стохастичні - тобто випадкові явища. У світлі популяційної генетики еволюція визначається як зміна з часом алельних частот населення. Дрейф перетворюється на зміну цих частот випадковими подіями, які називаються "помилками вибірки".

Дрейф гена вважається помилкою вибірки. Гени, які включені в кожну генерацію, є зразком генів, які несуть попереднє покоління.

Будь-який зразок підлягає помилці вибірки. Тобто частка різних елементів, які ми знаходимо в вибірці, підлягають змінам чистою випадковістю.

Уявіть, що у нас є сумка з 50 білими фішками і 50 чорними фішками. Якщо ми візьмемо десять з них, може бути, що чистим випадком ми отримаємо 4 білих і 6 чорних; або 7 білих і 3 чорних. Існує розбіжність між теоретично очікуваними значеннями (5 і 5 кожного кольору) і отриманими експериментально.

Ефекти

Ефекти дрейфу гена свідчать про випадкові зміни алельних частот популяції. Як ми вже згадували, це відбувається, коли немає ніякої залежності між характеристикою, що змінюється, і фітнес. З плином часу алелі в кінцевому підсумку фіксуються або втрачаються від населення.

У еволюційній біології цей термін фітнес Він широко використовується і відноситься до здатності організму розмножуватися і виживати. Параметр змінюється від 0 до 1.

Таким чином, характеристика, яка змінюється за допомогою дрейфу, не пов'язана з відтворенням і виживанням індивіда.

Втрата алелів призводить до другого ефекту дрейфу гена: втрати гетерозиготності у популяції. Зміна у певному локусі зменшиться, і зрештою вона буде втрачена.

Як розрахувати ймовірність того, що алель буде втрачено або фіксовано??

Ймовірність закріплення алеля в популяції дорівнює його частоті на час її вивчення. Частота фіксації альтернативного алелю буде 1 - стор. Де стор дорівнює алельній частоті.

На цю частоту не впливає попередня історія зміни частот алелів, тому передбачення не може бути зроблено на основі минулого.

Якщо, навпаки, алель виникає за рахунок мутації, то є ймовірність її фіксації стор = 1/2N. Де N - кількість населення. Це є причиною того, чому нові алелі, які з'являються мутацією, легше фіксувати в малих популяціях.

Читач повинен розуміти, як це вплине на значення стор коли знаменник менше. Логічно, що ймовірність збільшиться.

Таким чином, вплив дрейфу гена відбувається швидше в малих популяціях. У диплоїдної популяції (два набори хромосом, як у нас люди) фіксація нових алелей відбувається в середньому кожні 4N поколінь. Час збільшується пропорційно збільшенням N населення.

Ефективна кількість населення

The N що виникає в попередніх рівняннях, не відноситься до величини, ідентичної кількості особин у популяції. Тобто вона не еквівалентна перепису організмів.

У популяційної генетиці використовується параметр "ефективна кількість населення" (Ne), що зазвичай менше всіх індивідуумів.

Наприклад, у деяких популяціях з соціальною структурою, де домінують лише деякі чоловіки, ефективна кількість населення дуже низька, оскільки гени цих домінантних самців несуть непропорційно великий внесок - якщо порівняти їх з іншими чоловіками.

З цієї причини швидкість, з якою діє генний дрейф (і швидкість, з якою втрачається гетерозиготність) буде більшою, ніж очікувалося, якщо ми проведемо перепис, оскільки населення менше, ніж здається..

Якщо в гіпотетичній популяції налічується 20 тис. Особин, а відтворюються лише 2000, то ефективна кількість населення зменшується. І це явище, при якому не всі організми зустрічаються в популяції, широко поширене в природних популяціях.

Вузькі місця та ефект заснування

Як ми вже згадували (і ми демонструємо математично), дрейф відбувається в малих популяціях. Там, де алелі, які не так часто, мають більше шансів бути втраченими.

Це явище поширене після того, як населення переживає подію, яка називається «вузьким місцем». Це відбувається, коли значна кількість членів популяції усуваються через непередбачені або катастрофічні події (наприклад, буря або лавина).

Негайним ефектом може бути зменшення генетичного різноманіття населення, зменшення розмірів генетичного пулу або генофонду.

Приватним випадком вузьких місць є засновницький ефект, коли невелика кількість індивідуумів відокремлюється від початкової популяції і розвивається в ізоляції. У прикладах, які ми подамо пізніше, ми побачимо, які наслідки цього явища.

Вплив на рівень ДНК: нейтральна теорія молекулярної еволюції

Нейтральна теорія молекулярної еволюції була запропонована Мото Кімурою. До ідей цього дослідника, Lewontin & Hubby вже знайшов, що висока частка варіацій на рівні ферменту не могла активно підтримувати всі ці поліморфізми (варіації)..

Кімура дійшла висновку, що ці зміни в амінокислотах можна пояснити дрейфом гена і мутаціями. Він робить висновок, що на рівні ДНК і білків механізми дрейфу генів відіграють фундаментальну роль.

Нейтральний термін означає те, що більшість підстановок баз, які вдається фіксувати (досягають частоти 1), є нейтральними по відношенню до фітнес. Тому ці варіації, що відбуваються за допомогою дрейфу, не мають ніякого адаптивного значення.

Чому існують нейтральні мутації?

Існують мутації, які не впливають на фенотип індивідуума. У ДНК вся інформація зашифрована для побудови та розвитку нового організму. Цей код розшифровується рибосомами в процесі перекладу.

Генетичний код читається в "триплетах" (набір з трьох літер) і кожні три букви кодують амінокислоту. Однак генетичний код вироджується, що вказує на те, що існує більше одного кодона, який кодує одну і ту ж амінокислоту. Наприклад, кодони CCU, CCC, CCA і CCG всі кодують для амінокислотного проліну.

Отже, якщо в послідовності CCU вона змінюється на CCG, то продукт трансляції буде проліном, і не буде змін в послідовності білка..

Таким же чином, мутація може змінюватися на амінокислоту, хімічні властивості якої значно не відрізняються. Наприклад, якщо аланін змінюється на валін можливо вплив на функціональність білка непомітно.

Зверніть увагу, що це не є дійсним у всіх випадках, якщо зміна відбувається в частині білка, що є необхідним для його функціональності - як активного місця ферментів - впливу на фітнес Це може бути дуже значним.

Приклади

Гіпотетичний приклад: равлики і корови

Уявіть собі луг, де співіснують равлики та корови. У популяції равликів можна виділити дві забарвлення: чорну оболонку і жовту оболонку. Вирішальним фактором смертності слимаків є сліди корів.

Однак зауважте, що якщо на равлику наступає, то вона не залежить від кольору оболонки, оскільки це випадкова подія. У цьому гіпотетичному прикладі популяція равликів починається з рівної пропорції кольорів (50 чорних равликів і 50 жовтих равликів). У разі корів усувають 6 чорних і тільки 2 жовтих, частка обмінних кольорів.

Аналогічно, у наступній події жовті кольори можуть померти в більшій пропорції, оскільки не існує взаємозв'язку між кольором і ймовірністю подрібнення (однак, не існує типу "компенсаційного" ефекту)..

Як буде змінюватися частка равликів з часом?

Під час цього випадкового процесу пропорції чорних і жовтих оболонок будуть коливатися протягом часу. Зрештою, одна з оболонок досягне будь-якої з двох меж: 0 u 1.

Коли досягається частота 1 - припустимо, що для жовтого алелю оболонки - всі равлики будуть цього кольору. І, як можна здогадатися, алель для чорної оболонки буде втрачено.

Єдиний спосіб, щоб знову виявилося, що алель полягає в тому, щоб увійти через міграцію або мутацію.

Ген дрейфує в дії: гепарди

Явище дрейфу генів можна спостерігати в природних популяціях, а найбільш екстремальним прикладом є гепарди. Ці швидкі і стильні котята належать до виду Acinonyx jubatus.

Близько 10 тисяч років тому гепарди - та інші популяції великих ссавців - пережили надзвичайну подію вимирання. Ця подія спричинила «вузьке місце» у місті Гепарди, де збереглися лише деякі особи.

Вижили внаслідок катастрофічного явища плейстоцену породжували сьогодні всі гепарди. Вплив дрейфу, у поєднанні з інбридингом, практично повністю гомогенізував популяцію.

Насправді, імунна система цих тварин практично однакова у всіх індивідуумів. Якщо з будь-якої причини будь-який з членів потребував пожертвування органу, будь-який з його партнерів міг би це зробити, не приводячи до жодного шансу на відмову.

Пожертвування - це процедури, які проводяться ретельно і необхідно придушити імунну систему реципієнта так, щоб вона не атакувала "зовнішнього агента", навіть якщо вона походить від дуже близького родича - братів чи синів.

Приклад у популяціях людини: амішів

У сучасних популяціях людей виникають вузькі місця та ефект заснування, і вони мають дуже важливі наслідки в медичній сфері.

Аміші - це релігійна група. Вони характеризуються простим способом життя, вільним від технологій та інших сучасних зручностей - на додаток до надзвичайно високої частоти захворювань і генетичних патологій.

Близько 200 колонізаторів прибули до Пенсільванії (США) з Європи і почали відтворювати серед тих же членів.

Припускають, що серед колонізаторів з'явилися носії аутосомно-рецесивних генетичних захворювань, серед яких синдром Елліса-ван Кревельда. Цей синдром характеризується особливостями карликовості і полідактилії (велика кількість пальців, більше п'яти цифр).

Захворювання було виявлено в початковій популяції з частотою 0,001 і значно збільшилася до 0,07..

Список літератури

  1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2004). Біологія: наука і природа. Освіта Пірсона.
  2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Запрошення до біології. Ed. Panamericana Medical.
  3. Freeman, S., & Herron, J. C. (2002). Еволюційний аналіз. Prentice Hall.
  4. Futuyma, D. J. (2005). Еволюція . Sinauer.
  5. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2001). Інтегровані принципи зоології (Том 15). Нью-Йорк: McGraw-Hill.
  6. Mayr, E. (1997). Еволюція та різноманітність життя: Вибрані есе. Преса Гарвардського університету.
  7. Райс, С. (2007).Енциклопедія еволюції. Факти на файл.
  8. Рассел, П., Герц, П., і Макміллан, Б. (2013). Біологія: Динамічна наука. Освіта Нельсона.
  9. Soler, M. (2002). Еволюція: основа біології. Південний проект.