هاردي واينبرغ والانجراف الجيني

التغيير التطوري مثير للاهتمام ومهم للدراسة ، لكن التغييرات في السكان تحدث على مدى فترات طويلة من الزمن وفي المساحات المادية الضخمة ، وبالتالي يصعب قياسها. بشكل عام ، تتطلب دراسة مثل هذه الظواهر استخدام نماذج رياضية تم إنشاؤها باستخدام معلمات يمكن قياسها بسهولة. ثم يتم استخدام هذه النماذج لعمل تنبؤات حول كيفية تأثير التغييرات في النظام على النتيجة.

على سبيل المثال ، غالبا ما يتم ملاحظة التغييرات في تواتر الأليلات الجينية في المواقع الفردية في الأنواع على مدى فترات زمنية طويلة ، ولكن لا يمكن ملاحظتها بشكل عام خلال فترات زمنية قصيرة. يسمح استخدام نماذج الكمبيوتر للباحثين بالتنبؤ بالتغيرات داخل مجموعة الجينات الخاصة بالأنواع باستخدام الملاحظات التي تم جمعها بالفعل ، والسماح بمحاكاة عدد غير محدود من الأجيال من السكان. هذا بالتأكيد لن يكون ممكنا خلال حياة الإنسان.

مبدأ توازن هاردي-واينبرغ

إحدى المعادلات المستخدمة لنمذجة المجموعات السكانية هي معادلة توازن هاردي-واينبرغ. تمت صياغته بشكل مستقل في عام 1908 من قبل كل من G.H. Hardy و Wilhelm Weinberg^1،2. تصف المعادلة البسيطة تردد الأليل المتوقع لمجموعة سكانية لا تتطور. نظرا لأن معظم السكان الواقعيين يتطورون استجابة لقوى الانتقاء الطبيعي ، فإن هذه الصيغة تعمل كفرضية صفرية مفيدة. يتم استخدامه لاختبار ما إذا كانت أنواع مختلفة من الاختيار تحدث أم لا. إذا اختلفت ترددات الأليل المقاسة عن تلك التي تم التنبؤ بها باستخدام معادلة هاردي واينبرغ ، فإن الجين المعني يخضع لتغيير تطوري.

يمكن تمثيل معادلة هاردي واينبرغ على أنها ص² + 2بكسل + q² = 1 حيث يمثل p تردد الأليل السائد و q يمثل تردد الأليل المتنحي للجين المعني. يمثل كل تعبير في المعادلة التردد المتوقع لأحد الأنماط الجينية الثلاثة ثنائية الصبغيات المحتملة. يتم تمثيل التردد السائد متماثل اللواقح ب ^{p 2} ، متماثل الزيجوت المتنحي ب q² ، ومتغاير الزيجوت بمقدار 2بكسل. إذا تم جمع هذه الترددات ، فإنها تضيف ما يصل إلى 1 ، وهو أمر منطقي لأن جميع السكان قد تم تقسيمهم إلى الفئات الثلاث المتاحة.

من الممكن أيضا وصف السكان ، أو مجموعة الجينات ، من حيث الأليلين ، بغض النظر عن كيفية تعبئتها في أفراد ثنائيي الصبغيات. يتم تمثيل هذه المعادلة على أنها p + q = 1 ، أي أن ترددات الأليلات المهيمنة والمتنحية يجب أن تضيف ما يصل إلى 1 داخل السكان. مرة أخرى ، هذا منطقي ، لأن النموذج يتضمن احتمالين فقط للأليل. لاحظ أن تواتر الأنماط الجينية في السكان هو مجرد توسع تربيعي لتواتر الأليلات في السكان لأن (p + q) ² = p² + 2pq + q².

معادلة هاردي-واينبرغ ، مثل معظم النماذج الأخرى ، سلسلة من الافتراضات. من المفيد ، إذا كانت بيانات الحياة الواقعية تختلف عن البيانات المتوقعة ، فمن الممكن افتراض أي من افتراضات البداية كانت خاطئة. افتراضات معادلات توازن هاردي-واينبرغ هي: 1) عدد السكان كبير جدا ، 2) السكان مغلقون ، مما يعني أنه لا يوجد أفراد يهاجرون إلى السكان أو يهاجرون خارجهم ، 3) لا توجد طفرات تحدث على الجين المعني ، 4) يتزاوج الأفراد داخل السكان بشكل عشوائي - الأفراد لا يختارون زملائهم ، 5) الانتقاء الطبيعي لا يحدث. مرة أخرى ، ضع في اعتبارك أن معادلة توازن هاردي-واينبرغ هي فرضية فارغة. في كثير من الأحيان ، ينتهك السكان الحقيقيون واحدا أو أكثر من هذه الافتراضات. تستخدم المعادلة لتحديد ما إذا كان التطور يحدث وكيف يحدث.

الانجراف الجيني

في عدد قليل نسبيا من السكان ، وهي حالة تنتهك افتراض هاردي واينبرغ الأول ، من الممكن أن تكون ترددات الأليل ناتجة عن الصدفة. يشار إلى هذه الظاهرة باسم الانجراف الجيني. يشار إلى نسخة واحدة من هذا باسم تأثير المؤسس. إذا انتقل عدد صغير من الأفراد إلى مكان معزول وبدأوا مجموعة سكانية جديدة ، فإن علم الوراثة المحدد لهؤلاء الأفراد المعينين سيشكل الأجيال القادمة. قد يكون لمجموعة الجينات الصغيرة الجديدة نفس تردد الأليل الأصلي ، ولكن من الممكن أيضا ، بل من المحتمل ألا يكون كذلك. لنفترض أن السكان الأصليين شملهم 50٪ من الأليلات المهيمنة و 50٪ متنحي. في أقصى الحدود ، إذا كان جميع الأفراد في مجموعة مؤسس مهاجرة متنحيين متماثل اللواقح ، فقد الأليل السائد تماما وأصبح المتنحي الآن 100٪. يمكن أن تحدث ظاهرة مماثلة ، تسمى تأثير عنق الزجاجة ، إذا تعرض السكان لانخفاض كبير في الأعداد بسبب كارثة طبيعية أو تدخل بشري أو مرض.

الأهم من ذلك ، يمثل الانجراف الجيني نوعا من التطور ليس بالضرورة تكيفيا. لا يختار على وجه التحديد السمات المناسبة للبيئة. ومع ذلك ، فهي قوة تطورية مهمة في تشكيل السكان بعدد قليل من الأفراد وستسبب انحرافات عن تنبؤات هاردي واينبرغ. في المجموعات السكانية الأكبر ، من المرجح أن تعني الانحرافات عن التنبؤات أن السكان المعنيين يخضعون للتطور من خلال الانتقاء الطبيعي. وفي ظل هذه الظروف، يمكن استكشاف مزيد من النظر في الآليات التي تسببت في هذا التطور.

تشمل التطبيقات الحديثة لنموذج هاردي واينبرغ تحليل مجموعات البشر من حيث كيفية ارتباط أجهزتهم المناعية بقابليتهم للإصابة بالأمراض المعدية^3،4. تقوم العديد من المجموعات البحثية بفهرسة الجينات التي تشفر جزيئات معينة للجهاز المناعي ، مثل CCR5 ومركب التوافق النسيجي الرئيسي (MHC ، المعروف في البشر باسم مستضد الكريات البيض البشرية (HLA) ، وربط هذه المعلومات بالدراسات الوبائية المتعلقة بالمرض وتطوره^3،5-6. من مقارنة هذين النوعين من مجموعات البيانات ، تظهر أنماط تظهر أن بعض الأفراد مقاومون وراثيا لعدوى معينة بينما يكون البعض الآخر أكثر عرضة للاستسلام للمرض⁴. كان نموذج هاردي وواينبرغ ضروريا لتحليل هذه البيانات وساهم في فهمنا لكيفية تشكيل العدوى للتطور.

مراجع

1. هاردي ، جي إتش (يوليو 1908). "النسب المندلية في مجموعة سكانية مختلطة" (PDF). علم. 28 (706): 49-50. دوي: 10.1126 / science.28.706.49. ردفي الياكل الدولي 0036-8075. PMID 17779291.
2. واينبرغ ، دبليو (1908). 'Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen'. Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg. 64: 368-382.
3. Eguchi S ، Matsuura M. اختبار توازن هاردي-واينبرغ في نظام HLA. القياسات الحيويه. 1990 يونيو; 46(2):415-26. PubMed PMID: 2364131.
4. Phillips KP ، Cable J ، Mohammed RS ، et al. تمنح الجدة المناعية الوراثية ميزة انتقائية في التطور المشترك للمضيف والممرض. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018; 115 (7): 1552-1557.
5. ليم جي كيه ، جلاس دبليو جي ، ماكديرموت دي إتش ، مورفي بي إم CCR5: لم يعد جينا "لا يجيد لا شيء" - السيطرة الكيميائية على عدوى فيروس غرب النيل. اتجاهات المناعة. 2006 يوليو; 27 (7): 308-12.
6. https://hla-net.eu/tools/frequency-estimation/
7. سانتياغو رودريغيز وتوم آر جاونت وإيان إن إم داي. اختبار توازن هاردي واينبرغ للتأكيد البيولوجي لدراسات التوزيع العشوائي المندلي. نشرت المجلة الأمريكية لعلم الأوبئة الوصول المسبق في 6 يناير 2009 ، DOI 10.1093 / aje / kwn359. http://www.oege.org/software/hwe-mr-calc.html

قراءة متعمقة

أندروز ، سي (2010) مبدأ هاردي واينبرغ. معرفة تعليم الطبيعة 3 (10): 65 https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-hardy-weinberg-principle-13235724

تساءل العلماء ذات مرة عن سبب عدم تواتير السمات السائدة مثل بقع الزرافة ذات اللون الأسمر مع كل جيل واستبدال السمات المتنحية مثل البقع البنية الداكنة. عند التفكير في هذا اللغز ، في عام 1908 ، بشكل مستقل عن بعضهما البعض ، اشتق جودفري هاردي وفيلهلم واينبرغ بشكل مستقل نظرية ، تعرف اليوم باسم مبدأ هاردي واينبرغ وتمثلها هذه المعادلة.

ينص المبدأ على أنه في حالة عدم وجود تطور ، أي عند التوازن ، ستظل ترددات الأليل والنمط الجيني للسكان ثابتة من جيل إلى آخر. لفهم هذه المعادلة ، دعنا نعود إلى مثال الزرافة. يمثل الحرف الكبير A الأليل الأسمر لأنه مهيمن ، والحرف الصغير a للأليل البني لأنه متنحي. يتم تعيين تواتر هذين الأليلين في السكان على أنه p و q على التوالي. فكيف نعرف تردد الأليل؟ حسنا ، كل فرد لديه أليلان. في هذا المثال ، 40٪ من الأليلات في مجموعة الجينات أسمرة. وبالتالي ، فإن تردد الأليل تان ، p ، هو 0.4 ، وتردد الأليل البني ، q ، هو 0.6. لاحظ أن p زائد q يساوي دائما واحدا.

الآن دعنا نعود إلى معادلة هاردي-واينبرغ. يمثل كل مصطلح في المعادلة تردد نمط وراثي واحد. تواتر النمط الجيني السائد متماثل اللواقح هو p تربيع ، ويتم تمثيل المتنحي متماثل اللواقح ب q تربيع. النمط الجيني متغاير الزيجوت هو اثنين من pq. السبب في أننا نضرب في اثنين هنا هو أن هناك طريقتين مختلفتين لتوليد النمط الجيني متغاير الزيجوت. مجتمعة ، تمثل كل هذه 100٪ من الأنماط الجينية. وبالتالي ، التردد الإجمالي لواحد. باستخدام قيم p و q من مثال الزرافة ، يمكننا تحديد توزيع النمط الجيني لأليلات الجينات الملونة في مجموعة الزرافات لدينا. لذلك ، وفقا لمبدأ هاردي واينبرغ ، عند التوازن ، سيكون 16٪ من سكان الزرافات مهيمنين متماثل الزيجوت ، و 48٪ سيكونون متغاير الزيجوت ، و 36٪ متنحيون متماثل اللواقح.

للحفاظ على هذا التوازن ، ينص مبدأ توازن هاردي واينبرغ على أن السكان يجب أن يستوفوا خمسة افتراضات رئيسية. يجب أن يكون هناك تزاوج عشوائي ، وحجم كبير للسكان ، وعدم وجود طفرة ، وعدم اختيار الجين المعني ، وعدم تدفق الجينات داخل أو خارج السكان. تنتهك معظم السكان الطبيعيين واحدا على الأقل من هذه الافتراضات وبالتالي فإن التوازن نادر الحدوث ... ولكن على الرغم من ذلك ، يتم استخدام المبدأ كنموذج فارغ لعلم الوراثة السكانية. من خلال مقارنة هذه القيم المتوقعة بتردد النمط الجيني الفعلي في مجموعة سكانية ، يمكن تحديد ما إذا كانت هذه المجموعة في توازن هاردي واينبرغ. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فهذا يعني أن شكلا من أشكال التطور أو التغيير في تردد الأليل يحدث.

الاعتقاد الخاطئ العام حول التطور هو أنه يتطلب حدوث الانتقاء الطبيعي. ومع ذلك ، هذا ليس هو الحال دائما. الانجراف الجيني هو إحدى الآليات التي يمكن أن يحدث بها التطور دون الانتقاء الطبيعي. يتم تعريفه على أنه تغيير في تواتر الأليل للسكان بسبب الصدفة. لتصور ذلك ، دعنا نعود إلى مثال مجموعة الزرافات ونتخيل أن أليلاتهم من البني والبني ممثلة بكرات بلونين مختلفين. سنفترض هنا أن كل لون يبدأ بكثرة على قدم المساواة. إذا أردنا أن نبدأ جيلا جديدا من هذه المجموعة ، فسنحتاج إلى تربية أزواج من الأفراد وبالتالي الاختيار من بين أربعة أليلات لكل زوج. إذا اخترنا زوجا من التكاثر بشكل عشوائي ، فقد ينتهي بنا الأمر باثنين من الكرات من كل لون. ومع ذلك ، بالصدفة وحدها ، سيكون لبعض الأزواج لون واحد فقط من الرخام ، أو ثلاثة من لون واحد وواحد من الآخر. قد تعني هذه الانحرافات الفرصة من 50-50 عبر أزواج متعددة لإنشاء جيل جديد أن الجيل التالي لم يعد لديه مزيج متساو من كل أليل.

هذا الاختلاف في ترددات الأليل النسبية بمرور الوقت هو الذي يحدد الانجراف الجيني. لذلك ، على عكس التطور التكيفي ، حيث يتغير تردد الأليل لاختيار السمات المناسبة للبيئة ، مثل الخنافس التي تحتوي على كمية أكبر من الميلانين التي تعيش بشكل أفضل في المناخات الباردة بسبب تحسين القدرة على امتصاص الحرارة ، يمثل الانجراف الجيني نوعا من التطور يرجع فقط إلى التغيير العشوائي. على سبيل المثال ، الإزالة العشوائية لقسم من السكان من خلال حدث كارثي.

في هذا المختبر ، ستقوم بإجراء محاكاة الكمبيوتر والخرز الملون لتوازن هاردي واينبرغ والانجراف الجيني في مجموعة سكانية ، ثم تختبر ما يحدث عند انتهاك افتراضات التوازن.