Alleelisageduse Kalkulaator | Populatsiooni Geneetika Analüüsi Tööriist

Mis on alleelisagedus?

Alleelisagedus on ühe geeni variandi ehk alleeli osakaal selle geeni kõigi koopiate seas populatsioonis. See on populatsioonigeneetika üks põhimõõdikuid. Populatsioonigeneetika uurib, kuidas geenid organismirühmades varieeruvad ja muutuvad.

Enamik loomi ja taimi, sealhulgas inimesed, on diploidsed. Igal isendil on igast geenist kaks koopiat, üks kummaltki vanemalt. Seega on N isendist koosnevas populatsioonis igast geenist 2 N koopiat. Alleelisagedus näitab, kui palju neist 2 N koopiatest on uuritav konkreetne variant.

Alleelisageduse valem

Diploidse populatsiooni valem on järgmine:

$f = \frac{n_A}{2N}$

• $f$ on alleelisagedus, väärtus vahemikus 0 kuni 1
• $n_A$ on populatsioonis leitud alleeli koopiate arv
• $N$ on isendite arv
• $2N$ on geenikoopiate koguarv, sest igal isendil on neid kaks

Näiteks on 100 isendiga populatsioonis mis tahes antud geenist 200 koopiat. Kui 50 neist koopiatest on uuritav alleel, on sagedus 50 ÷ 200 = 0,25 ehk 25%.

Kuidas selle tööriistaga alleelisagedust arvutada

Kalkulaator vajab kahte arvu.

Isendite koguarv (N). Loendage kõik uuritava populatsiooni liikmed. Sisestage positiivne täisarv.

Alleelikoopiate arv. Loendage alleeli koopiaid, mitte inimesi. Homosügootne isend, kellel on alleelist kaks koopiat, lisab sellele arvule 2. Heterosügootne isend, kellel on üks koopia, lisab 1. Isend, kellel pole kumbagi koopiat, lisab 0.

Mõlemasse välja tuleb sisestada täisarv. Tööriist jagab koopiate arvu populatsiooni suuruse kahekordse väärtusega ja näitab tulemuse kümnendmurruna vahemikus 0 kuni 1, ümardatuna nelja kümnendkohani. Veateade kuvatakse, kui kumbagi välja sisestatakse murdarv, koopiate arv on negatiivne, populatsiooni suurus on null või väiksem või koopiate arv ületab 2 N, sest diploidses selle suurusega populatsioonis ei saa nii palju koopiaid olla. Kui väli on tühi või sisaldab vea, sagedust ei näidata.

Tulemuse alla joonistab tööriist alleelivaramu punktvõrgustiku. Üks punkt tähistab üht geenikoopiat, seega on võrgustikus 2 N punkti ning värvilised punktid tähistavad uuritava alleeli koopiaid. Kui populatsioonis on üle 50 isendi, piiratakse võrgustik 100 punktiga ja näidatakse sama osakaalu.

Näidisarvutus

Oletame, et uuringus vaadeldakse 100 inimest. Neist 10 on selle alleeli suhtes homosügootsed ja 30 heterosügootsed.

Alleelikoopiad = (10 × 2) + (30 × 1) = 50

Populatsiooni koopiad = 100 × 2 = 200

Alleelisagedus = 50 ÷ 200 = 0,25

Selles populatsioonis esineb alleel veerandis kõigist geenikoopiatest.

Arvutamine genotüübiandmete põhjal

Teadlased alustavad sageli genotüüpide arvust, mitte alleelikoopiate otsesest loendusest. Selleks kasutatakse kahte seotud valemit.

Genotüüpide arvude põhjal. Kui $n_{AA}$ inimest on alleeli A suhtes homosügootsed ja $n_{AB}$ heterosügootsed ning inimesi on kokku N:

$f_A = \frac{2 \times n_{AA} + n_{AB}}{2N}$

Genotüüpide sageduste põhjal. Kui iga genotüübi osakaal on juba teada:

$f_A = f_{AA} + \frac{f_{AB}}{2}$

Näiteks rühmas, kus 25% on AA, 50% Aa ja 25% aa, on A sagedus 0,25 + (0,50 ÷ 2) = 0,50.

Erineva ploidsustasemega organismid

Kalkulaator on mõeldud diploidsetele organismidele, kuid sama põhimõte kehtib ka organismide puhul, kellel on teistsugune arv geenikoopiaid:

• Haploidne (1 koopia): $f = n_A / N$
• Triploidne (3 koopiat): $f = n_A / 3N$
• Tetraploidne (4 koopiat): $f = n_A / 4N$

Bakterid ja mõned seened on haploidsed. Mõned taimed, näiteks teatavad kartuli- ja nisusordid, on triploidsed või tetraploidsed.

Tulemuse tõlgendamine

Tulemuseks on kümnendmurd vahemikus 0, mis tähendab, et alleel puudub, kuni 1, mis tähendab, et kõik populatsiooni geenikoopiad on sellest alleelist. Sagedus üle 0,5 tähendab, et alleel on selles genoomi piirkonnas levinum variant. Geneetikud esitavad sageli hoopis vähem levinud alleeli sageduse, mis kahe alleeli korral on f ja 1 - f väiksem väärtus.

Geneetikas kasutatavad ligikaudsed suunised:

• Alla 0,05: haruldane alleel. Paljud haruldased variandid on hiljutised mutatsioonid või hoiab looduslik valik neid haruldasena.
• 0,05 kuni 0,95: levinud variant, mis esineb märgataval osal populatsioonist.
• Üle 0,95: peaaegu fikseerunud alleel, mis tähendab, et see on lähedal olukorrale, kus populatsiooni on jäänud ainult see variant.

Valimi suurus mõjutab seda, kui usaldusväärseks sagedust pidada. 20 inimese põhjal saadud hinnang on palju ebakindlam kui sama näitaja 2 000 inimese põhjal, eriti haruldaste alleelide korral.

Alleelisagedus ja Hardy-Weinbergi tasakaal

Hardy-Weinbergi printsiip, mille kirjeldasid sõltumatult G. H. Hardy ja Wilhelm Weinberg aastal 1908, ennustab genotüüpide sagedusi alleelisageduste põhjal mitte-evolveeruvas populatsioonis. Kui alleeli A sagedus on p ja alleeli a sagedus q ning p + q = 1, on oodatavad genotüüpide sagedused järgmised:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

See ennustus kehtib ainult siis, kui populatsioon vastab mitmele tingimusele: puudub valik, uusi mutatsioone ei teki, rännet ei toimu, paaritumine on juhuslik ja populatsioon on väga suur. Tegelikud populatsioonid rikuvad sageli üht või mitut neist tingimustest, mistõttu võivad mõõdetud genotüübisagedused Hardy-Weinbergi ennustusest erineda. Alleeli A sagedus 0,30 ei tähenda automaatselt, et 9% populatsioonist (0,30²) on homosügootsed AA; see kehtib ainult tasakaalus populatsiooni korral.

Näide: Tay-Sachsi haiguse kandjate sõeluuring

Alleelisageduse andmed aitavad kavandada tegelikke sõeluuringuprogramme. Tay-Sachsi haigus on retsessiivse alleeli põhjustatud raske pärilik haigus. Haigestumiseks peab inimesel olema alleelist kaks koopiat, üks kummaltki vanemalt.

Aškenazi juutide populatsioonides kannab ligikaudu 1 inimene iga (2,5 cm) 30 inimese kohta (umbes 3,3%) üht alleelikoopiat. Üldpopulatsioonis on kandja ligikaudu 1 inimene iga (2,5 cm) 300 inimese kohta (umbes 0,33%). Kandjad on terved; alleel põhjustab haiguse ainult inimesel, kes pärib selle mõlemalt vanemalt.

Kui kahel omavahel mittesuguluses oleval Aškenazi juudist kandjal sünnib laps, on lapse haigestumise tõenäosus 1/4, mis on retsessiivse haiguse korral standardne suhe, kui mõlemad vanemad kannavad üht koopiat. Koos tõenäosusega, et kaks juhuslikult valitud selle populatsiooni vanemat on mõlemad kandjad, (1/30) × (1/30) × 1/4, on kogurisk ligikaudu 1 iga (2,5 cm) 3 600 sünni kohta.

Üldpopulatsioonis annab sama arvutus, (1/300) × (1/300) × 1/4, tulemuseks ligikaudu 1 iga (2,5 cm) 360 000 sünni kohta. Kandjate sageduse kümnekordne erinevus kahe populatsiooni vahel on põhjus, miks Aškenazi juudi päritolu inimestele pakutakse regulaarselt kandjate sõeluuringut.

Levinud vead

Inimeste loendamine alleelide asemel. Kümme alleeli suhtes homosügootset inimest esindavad 20 alleelikoopiat, mitte 10.

Hardy-Weinbergi tasakaalu eeldamine seda kontrollimata. Tegelikud populatsioonid võivad suguluspaarumise, valiku või populatsioonistruktuuri tõttu sellest kõrvale kalduda.

Eraldi populatsioonide segamine. Kahe erineva alleelisagedusega rühma valimite ühendamisel saadakse koondarv, mis ei kirjelda kumbagi rühma täpselt ja võib tekitada näilise homosügootide ülekaalu, mida nimetatakse Wahlundi efektiks.

Diploidse valemi kasutamine X-liiteliste geenide korral. Kuna meestel on üks X-kromosoom ja naistel kaks, vajab X-liitelise alleeli sagedus oma valemit:

$f(X^A) = \frac{2 \times (\text{naised, kellel on } X^AX^A) + \text{naised, kellel on } X^AX^a + \text{mehed, kellel on } X^A}{2 \times \text{naiste arv} + \text{meeste arv}}$

Korduma kippuvad küsimused

Mis vahe on alleelil ja geenil? Geen on pärilikkuse üksus, mis mõjutab tunnust. Alleel on selle geeni üks kindel variant. ABO-veregrupi geenil on kolm levinud alleeli: A, B ja O; iga inimene kannab neist kahte, ühe kummaltki vanemalt.

Mis vahe on alleelisagedusel ja genotüübisagedusel? Alleelisagedus loendab populatsioonis üksikuid geenikoopiaid. Genotüübisagedus loendab inimesi nende alleelipaari järgi. Rühmas, kus on 100 inimest, neist 25 AA, 50 Aa ja 25 aa, on AA-genotüübi sagedus 0,25, kuid A-alleeli sagedus on 0,50, sest loendatakse iga A-koopiat kõigis kolmes rühmas.

Miks on alleelisagedus meditsiinis oluline? Retsessiivsete alleelide põhjustatud haigused on levinumad populatsioonides, kus alleelisagedus on suurem. Konkreetse populatsiooni sageduse teadmine võimaldab tervishoiuteenustel suunata kandjate sõeluuringuid ja geneetilist nõustamist sinna, kus need aitavad kõige rohkem inimesi.

Kui palju inimesi tuleb usaldusväärse hinnangu saamiseks uurida? See sõltub alleeli haruldusest. Levinud alleeli, mille sagedus jääb 0,20 ja 0,80 vahele, saab tavaliselt hästi hinnata 100 kuni 200 inimese põhjal. Haruldane alleel vajab palju suuremat valimit, sageli mitusada inimest, sest väikeses valimis esineb koopiaid liiga vähe, et saada stabiilset hinnangut.

Kas alleelisagedus võib aja jooksul muutuda? Jah. Looduslik valik, juhuslik geneetiline triiv, populatsioonidevaheline ränne ja uued mutatsioonid muudavad alleelisagedusi põlvkondade jooksul. Geneetiline triiv mõjutab kõige rohkem väikeseid populatsioone, kus juhuslikud sündmused võivad sagedust ühest põlvkonnast järgmisse järsult suurendada või vähendada.

Kuidas arvutatakse alleelisagedust genotüüpide arvude põhjal? Liitke kokku kõik alleeli koopiad: iga homosügootne isend annab kaks ja iga heterosügootne isend ühe. Jagage tulemus isendite koguarvu kahekordse väärtusega. Valem on $f_A = (2n_{AA} + n_{AB}) / 2N$.

Viited

1. Hardy, G. H. (1908). Mendeli suhted segapopulatsioonis. Science, 28(706), 49–50.
2. Hartl, D. L. ja Clark, A. G. (2007). Principles of Population Genetics (4. väljaanne). Sinauer Associates.
3. The 1000 Genomes Project Consortium. (2015). Inimese geneetilise varieeruvuse üleilmne võrdlusandmestik. Nature, 526(7571), 68–74.
4. gnomAD (Genome Aggregation Database). https://gnomad.broadinstitute.org/
5. National Human Genome Research Institute. https://www.genome.gov/