Hardy-Weinberg ve Genetik Sürüklenme

Evrimsel değişimin incelenmesi ilginç ve önemlidir, ancak popülasyonlardaki değişiklikler uzun süreler boyunca ve büyük fiziksel alanlarda meydana gelir ve bu nedenle ölçülmesi çok zordur. Genel olarak, bunun gibi olayları incelemek, uygun şekilde ölçülebilen parametreler kullanılarak oluşturulan matematiksel modellerin kullanılmasını gerektirir. Bu modeller daha sonra sistemdeki değişikliklerin sonucu nasıl etkileyebileceği hakkında tahminlerde bulunmak için kullanılır.

Örneğin, türlerdeki tek tek lokuslardaki genetik alellerin frekansındaki değişiklikler genellikle uzun zaman periyotlarında gözlenir, ancak genellikle kısa zaman periyotlarında gözlemlenemez. Bilgisayar modellerinin kullanılması, araştırmacıların daha önce toplanmış olan gözlemleri kullanarak bir türün gen havuzundaki değişiklikleri tahmin etmelerine ve popülasyonun potansiyel olarak sınırsız sayıda neslinin simülasyonlarına izin vermelerine olanak tanır. Bu kesinlikle bir insan ömrü boyunca mümkün olmazdı.

Hardy-Weinberg Denge İlkesi

Popülasyonları modellemek için kullanılan bir denklem Hardy-Weinberg denge denklemidir. 1908'de hem G. H. Hardy hem de Wilhelm Weinberg tarafından bağımsız olarak formüle edildi^1,2. Basit denklem, evrimleşmeyen bir popülasyonun beklenen alel frekansını tanımlar. Gerçek hayattaki popülasyonların çoğu, doğal seçilimin güçlerine tepki olarak evrimleştiğinden, bu formül yararlı bir sıfır hipotezi olarak işlev görür. Farklı seçim türlerinin oluşup oluşmadığını test etmek için kullanılır. Ölçülen alel frekansları Hardy-Weinberg denklemi kullanılarak tahmin edilenlerden farklıysa, söz konusu gen evrimsel bir değişim geçiriyor demektir.

Hardy-Weinberg denklemi şu şekilde temsil edilebilir: p² + 2pq + q² = 1 burada p, baskın alelin frekansını temsil eder ve q, söz konusu gen için çekinik alelin frekansını temsil eder. Denklemdeki her ifade, üç olası diploid genotipten birinin tahmin edilen frekansını temsil eder. Homozigot baskın frekans p² ile, homozigot resesif q² ile ve heterozigot 2pq ile temsil edilir. Bu frekanslar toplanırsa, toplamı 1'dir, bu da tam popülasyon mevcut üç kategoriye ayrıldığı için mantıklıdır.

Popülasyonu veya gen havuzunu, diploid bireylere nasıl paketlendiklerine bakılmaksızın, iki alel açısından tanımlamak da mümkündür. Bu denklem p + q = 1 olarak temsil edilir, yani baskın ve çekinik alellerin frekansları popülasyon içinde 1'e kadar gelmelidir. Yine, bu mantıklıdır, çünkü model sadece iki alel olasılığı içerir. Popülasyondaki genotiplerin frekansının, popülasyondaki alellerin frekansının sadece ikinci dereceden genişlemesi olduğuna dikkat edin, çünkü (p + q)² = p² + 2pq + q².

Hardy-Weinberg denklemi, diğer birçok model gibi, bir dizi varsayım gerektirir. Yararlı bir şekilde, gerçek hayattaki veriler tahmin edilen verilerden farklıysa, başlangıç varsayımlarından hangisinin yanlış olduğunu varsaymak mümkündür. Hardy-Weinberg denge denklemlerinin varsayımları şunlardır: 1) popülasyon çok büyük, 2) popülasyon kapalı, yani popülasyona göç eden veya popülasyondan göç eden hiçbir birey yok, 3) söz konusu gen üzerinde meydana gelen mutasyon yok, 4) popülasyon içindeki bireyler rastgele çiftleşiyor - bireyler eşlerini seçmiyor, 5) Doğal seleksiyon gerçekleşmiyor. Yine, Hardy-Weinberg denge denkleminin boş bir hipotez olduğunu unutmayın. Sıklıkla, gerçek popülasyonlar bu varsayımlardan bir veya daha fazlasını ihlal eder. Denklem, evrimin gerçekleşip gerçekleşmediğini ve nasıl gerçekleştiğini belirlemek için kullanılır.

Genetik Sürüklenme

Nispeten küçük bir popülasyonda, ilk Hardy-Weinberg varsayımını ihlal eden bir durum, alel frekanslarının şans eseri ortaya çıkmış olması mümkündür. Bu fenomen genetik sürüklenme olarak adlandırılır. Bunun bir versiyonu kurucu etkisi olarak adlandırılır. Az sayıda birey izole bir yere taşınır ve yeni bir popülasyon başlatırsa, bu belirli bireylerin spesifik genetiği gelecek nesilleri şekillendirecektir. Bu yeni küçük gen havuzu, orijinali ile aynı alel frekansına sahip olabilir, ancak olmaması da mümkündür, hatta muhtemeldir. Orijinal popülasyonun %50 baskın alel ve %50 çekinik içerdiğini varsayalım. Aşırılıkta, göç eden bir kurucu gruptaki tüm bireyler homozigot çekinik ise, o zaman baskın alel tamamen kaybolmuştur ve çekinik olan şimdi %100'dür. Darboğaz etkisi olarak adlandırılan benzer bir fenomen, bir popülasyonun doğal afet, insan müdahalesi veya hastalık nedeniyle sayılarında büyük bir düşüş yaşaması durumunda ortaya çıkabilir.

Daha da önemlisi, genetik sürüklenme, mutlaka uyarlanabilir olmayan bir evrim türünü temsil eder. Çevreye uygun özellikler için özel olarak seçim yapmaz. Bununla birlikte, az sayıda bireyden oluşan popülasyonları şekillendirmede önemli bir evrimsel güçtür ve Hardy-Weinberg tahminlerinden sapmalara neden olacaktır. Daha büyük popülasyonlarda, tahminlerden sapmaların, söz konusu popülasyonun doğal seçilim yoluyla evrim geçirdiği anlamına gelmesi daha olasıdır. Bu koşullar altında, bu evrime neden olan mekanizmaların daha fazla değerlendirilmesi araştırılabilir.

Hardy-Weinberg modelinin modern uygulamaları, insan ve hayvan popülasyonlarının, bağışıklık sistemlerinin bulaşıcı hastalıklara karşı duyarlılıklarıyla nasıl ilişkili olduğu açısından analizini içerir^3,4. Birçok araştırma grubu, CCR5 ve insanlarda insan lökosit antijeni (HLA) olarak bilinen majör histouyumluluk kompleksi (MHC) gibi spesifik bağışıklık sistemi moleküllerini kodlayan genleri kataloglamakta ve bu bilgiyi hastalık ve ilerlemesi ile ilgili epidemiyolojik çalışmalarla ilişkilendirmektedir^3,5-6. Bu iki tür veri setinin karşılaştırılmasından, bazı bireylerin genetik olarak belirli enfeksiyonlara dirençli olduğunu, diğerlerinin ise hastalığa yenik düşme olasılığının daha yüksek olduğunu gösteren modeller ortaya çıkmaktadır⁴. Hardy ve Weinberg'in modeli, bu verilerin analizi için gerekli olmuştur ve enfeksiyonların evrimi nasıl şekillendirdiğine dair anlayışımıza katkıda bulunmuştur.

Başvuru

1. Hardy, G. H. (Temmuz 1908). 'Karışık Bir Popülasyonda Mendel Oranları' (PDF). Bilim. 28 (706): 49–50. doi:10.1126/bilim.28.706.49. ISSN 0036-8075. PMID 17779291.
2. Weinberg, W. (1908). 'Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen'. Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg. 64: 368–382.
3. Eguchi S, Matsuura M. HLA sisteminde Hardy-Weinberg dengesinin test edilmesi. Biyometri. 1990 Haziran; 46(2):415-26. PubMed PMID: 2364131.
4. Phillips KP, Cable J, Mohammed RS, et al. İmmünogenetik yenilik, konakçı-patojen birlikte evriminde seçici bir avantaj sağlar. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018; 115(7):1552-1557.
5. Lim JK, Glass WG, McDermott DH, Murphy PM CCR5: artık 'hiçbir işe yaramaz' bir gen değil - Batı Nil virüsü enfeksiyonunun kemokin kontrolü. Trendler İmmünol. 2006 Temmuz; 27(7):308-12.
6. https://hla-net.eu/tools/frequency-estimation/
7. Santiago Rodriguez, Tom R. Gaunt ve Ian N. M. Day. Mendel randomizasyon çalışmaları için biyolojik tespitin Hardy-Weinberg denge testi. American Journal of Epidemiology Advance Access, 6 Ocak 2009'da yayınlanmıştır, DOI 10.1093/aje/kwn359. http://www.oege.org/software/hwe-mr-calc.html

Daha fazla okuma

Andrews, C. (2010) Hardy-Weinberg İlkesi. Doğa Eğitimi Bilgisi 3(10):65 https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-hardy-weinberg-principle-13235724

Bilim adamları bir zamanlar ten rengi zürafa lekeleri gibi baskın özelliklerin neden her nesilde daha sık hale gelmediğini ve koyu kahverengi lekeler gibi çekinik özelliklerin yerini almadığını merak ettiler. Bu muamma hakkında düşünürken, 1908'de birbirlerinden bağımsız olarak, Godfrey H. Hardy ve Wilhelm Weinberg birbirlerinden bağımsız olarak, bugün Hardy-Weinberg İlkesi olarak bilinen ve bu denklemle temsil edilen bir teori türettiler.

İlke, evrimin yokluğunda, yani dengede, bir popülasyonun alel ve genotip frekanslarının bir nesilden diğerine sabit kalacağını belirtir. Bu denklemi anlamak için zürafa örneğine geri dönelim. Büyük harf A, baskın olduğu için ten rengi aleli temsil eder ve küçük harf a, çekinik olduğu için kahverengi alel içindir. Bu iki alelin popülasyondaki sıklığı sırasıyla p ve q olarak belirlenmiştir. Peki alel frekansını nasıl bilebiliriz? Her bireyin iki aleli vardır. Bu örnekte, gen havuzundaki alellerin %40'ı ten rengidir. Bu nedenle, tan alelinin frekansı, p, 0.4'tür ve kahverengi alelin frekansı, q, 0.6'dır. P artı q'nun her zaman bire eşit olduğuna dikkat edin.

Şimdi Hardy-Weinberg denklemine geri dönelim. Denklemdeki her terim bir genotip frekansını temsil eder. Homozigot baskın genotipin frekansı p karedir ve homozigot çekinik q kare ile temsil edilir. Heterozigot genotip iki pq'dur. Burada iki ile çarpmamızın nedeni, heterozigot bir genotip oluşturmanın iki farklı yolu olmasıdır. Birlikte, bunların hepsi genotiplerin %100'ünü temsil eder. Böylece, toplam bir frekans. Zürafa örneğimizdeki p ve q değerlerini kullanarak, zürafa popülasyonumuzdaki renk geni alellerinin genotip dağılımını belirleyebiliriz. Bu nedenle, Hardy-Weinberg Prensibine göre, dengede zürafa popülasyonunun %16'sı homozigot baskın, %48'i heterozigot ve %36'sı homozigot çekinik olacaktır.

Bu dengeyi korumak için Hardy-Weinberg Denge İlkesi, bir popülasyonun beş ana varsayımı karşılaması gerektiğini belirtir. Rastgele çiftleşme, büyük popülasyon büyüklüğü, mutasyon olmamalı, söz konusu gen üzerinde seçim olmamalı ve popülasyonun içine veya dışına gen akışı olmamalıdır. Çoğu doğal popülasyon bu varsayımlardan en az birini ihlal eder ve bu nedenle denge nadirdir... ancak buna rağmen, ilke popülasyon genetiği için boş bir model olarak kullanılır. Bu beklenen değerleri bir popülasyondaki gerçek genotip frekansı ile karşılaştırarak, o popülasyonun Hardy-Weinberg Dengesinde olup olmadığı belirlenebilir. Değilse, bu, alel frekansında bir tür evrim veya değişimin meydana geldiği anlamına gelir.

Evrimle ilgili genel bir yanılgı, evrimin gerçekleşmesi için doğal seçilimin gerekli olduğudur. Ancak, bu her zaman böyle değildir. Genetik sürüklenme, evrimin doğal seçilim olmadan gerçekleşebileceği bir mekanizmadır. Şansa bağlı olarak bir popülasyonun alel frekansındaki değişiklik olarak tanımlanır. Bunu tasavvur etmek için, bir zürafa popülasyonu örneğine geri dönelim ve ten rengi ve kahverengi alellerinin iki farklı renkteki bilyelerle temsil edildiğini hayal edelim. Burada her rengin eşit derecede bol başladığını varsayacağız. Bu popülasyondan yeni bir nesil başlatacak olsaydık, birey çiftleri yetiştirmemiz ve böylece çift başına dört alel arasından seçim yapmamız gerekirdi. Rastgele bir üreme çifti seçersek, her renkten iki bilye elde edebiliriz. Bununla birlikte, yalnızca şans eseri, bazı eşleşmelerde yalnızca bir renk mermer veya bir renkten üç ve diğerinden biri olacaktır. Yeni bir nesil oluşturmak için çoklu eşleşmelerde 50-50 arasındaki bu şans sapmaları, bir sonraki neslin artık her bir alelin eşit bir karışımına sahip olmadığı anlamına gelebilir.

Genetik sürüklenmeyi tanımlayan, zaman içindeki göreceli alel frekanslarının bu değişimidir. Bu nedenle, alel frekansının, ısıyı emme yeteneğinin artması nedeniyle daha soğuk iklimlerde daha iyi hayatta kalan daha fazla miktarda melanin içeren uğur böceği gibi, çevreye uygun özellikleri seçmek için değiştiği uyarlanabilir evrimin aksine, genetik sürüklenme, tamamen stokastik değişimden kaynaklanan bir tür evrimi temsil eder. Örneğin, bir popülasyonun bir bölümünün felaket bir olay yoluyla rastgele kaldırılması.

Bu laboratuvarda, Hardy-Weinberg Dengesi ve bir popülasyondaki genetik sürüklenmenin bilgisayar ve renkli boncuk simülasyonlarını gerçekleştirecek ve ardından denge varsayımları ihlal edildiğinde ne olduğunu test edeceksiniz.