Частотный спектр аллелей - Allele frequency spectrum

В популяционная генетика, то частотный спектр аллеля, иногда называемый частотный спектр сайта, это распределение из частоты аллелей данного набора места (довольно часто SNP ) в генеральной совокупности или выборке.^[1][2][3][4] Поскольку частотный спектр аллелей часто является суммой или сравнением с секвенированными выборками всей популяции, это гистограмма, размер которой зависит от количества секвенированных отдельных хромосом. Каждая запись в частотном спектре записывает общее количество локусов с соответствующими полученный частота аллелей. Предполагается, что локусы, вносящие вклад в частотный спектр, независимо изменяются по частоте. Кроме того, предполагается, что локусы являются двуаллельными (то есть с двумя присутствующими аллелями), хотя существуют расширения для многоаллельных частотных спектров.^[5]

Много сводные статистические данные наблюдаемых генетическая вариация сами по себе являются сводками частотного спектра аллелей, включая оценки ${ displaystyle theta}$ Такие как Уоттерсона ${ displaystyle theta _ {W}}$ и Таджима ${ displaystyle theta _ { pi}}$, Таджима D, Фэй и Ву H и ${ displaystyle F_ {ST}}$.^[6]

Пример

Частотный спектр аллеля из выборки ${ displaystyle n}$ хромосом рассчитывается путем подсчета количества сайтов с производными частотами аллелей ${ Displaystyle 1 Leq я Leq п-1}$. Например, рассмотрим образец ${ displaystyle n = 6}$ люди с восемью наблюдаемыми вариабельными участками. В этой таблице 1 указывает, что производный аллель наблюдается в этом сайте, а 0 указывает, что наблюдали предковый аллель.

	SNP 1	SNP 2	SNP 3	СНП 4	СНП 5	СНП 6	SNP 7	СНП 8
Образец 1	0	1	0	0	0	0	1	0
Образец 2	1	0	1	0	0	0	1	0
Образец 3	0	1	1	0	0	1	0	0
Образец 4	0	0	0	0	1	0	1	1
Образец 5	0	0	1	0	0	0	1	0
Образец 6	0	0	0	1	0	1	1	0
Общий	1	2	3	1	1	2	5	1

Частотный спектр аллеля можно записать в виде вектора ${ displaystyle mathbf {x} = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4}, x_ {5})}$, куда ${ displaystyle x_ {i}}$ - количество наблюдаемых сайтов с полученной частотой аллелей ${ displaystyle i}$. В этом примере наблюдаемый частотный спектр аллеля равен ${ displaystyle (4,2,1,0,1)}$из-за четырех экземпляров одного наблюдаемого производного аллеля в конкретном локусе SNP, двух экземпляров двух производных аллелей и т. д.

Расчет

Ожидаемый частотный спектр аллелей может быть рассчитан с использованием либо сливающийся или же распространение подход.^[7][8] Демографическая история населения и естественный отбор влияют на динамику частоты аллелей, и эти эффекты отражаются на форме частотного спектра аллелей. Для простого случая селективной сегрегации нейтральных аллелей в популяции, которая достигла демографического равновесия (то есть без недавних изменений размера популяции или потока генов), ожидаемый частотный спектр аллелей ${ Displaystyle mathbf {x} = (x_ {1}, ldots, x_ {n-1})}$ за образец размера ${ displaystyle n}$ дан кем-то

${ displaystyle x_ {i} = theta { frac {1} {i}},}$

куда ${ Displaystyle theta = 2N mu}$ - частота мутаций в масштабе популяции. Отклонения от демографического равновесия или нейтральности изменят форму ожидаемого частотного спектра.

Для расчета частотного спектра на основе данных наблюдаемых последовательностей необходимо уметь различать предковые и производные (мутантные) аллели, часто путем сравнения с аллелями. аутгруппа последовательность. Например, в генетических исследованиях человеческой популяции, эталонная последовательность гомологичных шимпанзе обычно используется для оценки наследственного аллеля. Однако иногда предковый аллель не может быть определен, и в этом случае вместо него может быть рассчитан частотный спектр свернутого аллеля. В свернутом частотном спектре хранятся наблюдаемые подсчеты частот минорных (наиболее редких) аллелей. Свернутый спектр можно рассчитать, объединяя ${ displaystyle i}$й и ${ Displaystyle (н-я)}$th записи из развернутого спектра, где ${ displaystyle n}$ - количество отобранных особей.

Частотный спектр многопопуляционного аллеля

Совместный частотный спектр аллелей (JAFS) - это совместное распределение частот аллелей в двух или более связанных популяциях. JAFS для ${ displaystyle d}$ населения, с ${ displaystyle n_ {j}}$ отобранные хромосомы в ${ displaystyle j}$-я популяция, это ${ displaystyle d}$-мерная гистограмма, в которой каждая запись хранит общее количество сегрегационных сайтов, в которых производный аллель наблюдается с соответствующей частотой в каждой популяции. Каждая ось гистограммы соответствует генеральной совокупности, а индексы отсчитываются от ${ Displaystyle 0 Leq я Leq N_ {J}}$ для ${ displaystyle j}$-го населения.^[9][10]

Пример

Предположим, мы секвенируем диплоидных особей из двух популяций: 4 особи из популяции 1 и 2 особи из популяции 2. JAFS будет ${ displaystyle 9 times 5}$ матрица, индексированная с нуля. В ${ displaystyle [3,2]}$ Запись будет записывать количество наблюдаемых полиморфных локусов с производной частотой аллеля 3 в популяции 1 и частотой 2 в популяции 2. ${ displaystyle [1,0]}$ Запись будет записывать те локусы с наблюдаемой частотой 1 в популяции 1 и частотой 0 в популяции 2. ${ displaystyle [8,3]}$ Запись будет записывать те локусы с производным аллелем, фиксированным в популяции 1 (наблюдается во всех хромосомах), и с частотой 3 в популяции 2.

Приложения

Форма частотного спектра аллелей чувствительна к демографии, например, к изменениям размера популяции, миграции и субструктуре, а также к естественному отбору. Сравнивая наблюдаемые данные, обобщенные в частотном спектре, с ожидаемым частотным спектром, рассчитанным в рамках данной демографической модели и модели выбора, можно оценить степень соответствия этой модели к данным и используйте вероятность теория для оценки наиболее подходящих параметров модели.

Например, предположим, что популяция недавно пережила период экспоненциального роста и ${ displaystyle n}$ последовательности образцов были получены из популяции в конце роста, и наблюдаемый (данные) частотный спектр аллелей был рассчитан с использованием предположительно нейтральной вариации. Демографическая модель будет иметь параметры для экспоненциального роста ${ displaystyle rho}$, время ${ displaystyle T}$ для которого произошел рост, и эталонная численность населения ${ displaystyle N_ {ref}}$, предполагая, что население было в равновесии, когда начался рост. Ожидаемый частотный спектр для данного набора параметров ${ displaystyle ( rho, T, N_ {ref})}$ можно получить с помощью теории диффузии или коалесценции и сравнить с частотным спектром данных. Параметры наилучшего соответствия можно найти с использованием максимального правдоподобия.

Этот подход использовался для вывода демографических и селекционных моделей для многих видов, включая человека. Например, Marth et al. (2004) использовали частотные спектры аллелей одной популяции для группы африканцев, европейцев и азиатов, чтобы показать, что узкие места населения произошли в азиатской и европейской демографической истории, но не у африканцев.^[11] Совсем недавно Gutenkunst et al. (2009) использовали общий частотный спектр аллелей для этих трех популяций, чтобы сделать вывод о времени, когда популяции разошлись, и о количестве последующей продолжающейся миграции между ними (см. гипотеза из Африки ).^[10] Кроме того, эти методы могут использоваться для оценки паттернов отбора на основе данных частоты аллелей. Например, Boyko et al. (2008) сделали вывод распределение фитнес-эффектов для вновь возникающих мутаций с использованием данных человеческого полиморфизма, которые контролировали эффекты неравновесной демографии.^[12]

Рекомендации