Alleelitiheyslaskuri | Populaatiogenetiikan analyysityökalu

Mitä alleelifrekvenssi tarkoittaa?

Alleelifrekvenssi on yhden geenin version, alleeliksi kutsutun muodon, osuus kaikista kyseisen geenin kopioista populaatiossa. Se on yksi populaatiogenetiikan perusmittareista. Populaatiogenetiikka tutkii, miten geenit vaihtelevat ja muuttuvat eliöryhmissä.

Useimmat eläimet ja kasvit, ihmiset mukaan lukien, ovat diploideja. Jokaisella yksilöllä on jokaisesta geenistä kaksi kopiota, yksi kummaltakin vanhemmalta. N yksilön populaatiossa on siis kustakin geenistä 2 N kopiota. Alleelifrekvenssi kertoo, kuinka moni näistä 2 N kopiosta on tutkittava tietty muunnos.

Alleelifrekvenssin kaava

Diploidipopulaation kaava on:

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

• $f$ on alleelifrekvenssi, arvo välillä 0–1
• $n_A$ on populaatiosta löytyvien alleelin kopioiden määrä
• $N$ on yksilöiden määrä
• $2N$ on geenikopioiden kokonaismäärä, koska kullakin yksilöllä on kaksi kopiota

Esimerkiksi 100 yksilön populaatiossa on 200 kopiota mistä tahansa tietystä geenistä. Jos 50 näistä kopioista on tutkittava alleeli, frekvenssi on 50 ÷ 200 = 0,25 eli 25 %.

Alleelifrekvenssin laskeminen tällä työkalulla

Laskuri tarvitsee kaksi lukua.

Yksilöiden kokonaismäärä (N). Laske kaikki tutkittavaan populaatioon kuuluvat yksilöt. Syötä määrä positiivisena kokonaislukuna.

Alleelikopiot. Laske alleelin kopiot, älä ihmisiä. Homotsygoottinen yksilö (jolla on kaksi alleelin kopiota) lisää määrään 2. Heterotsygoottinen yksilö (jolla on yksi kopio) lisää määrään 1. Yksilö, jolla ei ole kumpaakaan kopiota, lisää määrään 0.

Molempiin kenttiin syötetään kokonaisluku. Työkalu jakaa kopioiden määrän populaation koon kaksinkertaisella arvolla ja näyttää tuloksen desimaalilukuna välillä 0–1, neljän desimaalin tarkkuudella pyöristettynä. Se ilmoittaa virheestä, jos jompikumpi kenttä sisältää murtoluvun, kopioiden määrä on negatiivinen, populaation koko on nolla tai sitä pienempi tai kopioiden määrä ylittää 2 N, koska diploidipopulaatiossa ei voi olla niin monta kopiota. Frekvenssiä ei näytetä, jos kenttä on tyhjä tai virheellinen.

Tuloksen alapuolella työkalu piirtää geenipoolia kuvaavan pisteruudukon. Yksi piste vastaa yhtä geenikopiota, joten ruudukossa on 2 N pistettä, joista värilliset pisteet ovat tutkittavan alleelin kopioita. Jos populaatiossa on yli 50 yksilöä, ruudukko rajoitetaan 100 pisteeseen ja siinä näytetään sama osuus.

Laskuesimerkki

Oletetaan, että tutkimuksessa tarkastellaan 100 henkilöä. Heistä 10 on alleelin suhteen homotsygoottisia ja 30 heterotsygoottisia.

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

Populaation kopiot = 100 × 2 = 200

Alleelifrekvenssi = 50 ÷ 200 = 0,25

Alleeli esiintyy neljäsosassa tämän populaation kaikista geenikopioista.

Laskeminen genotyyppitiedoista

Tutkijat aloittavat usein genotyyppien lukumääristä eivätkä alleelikopioiden suorasta laskemisesta. Näitä varten on kaksi toisiinsa liittyvää kaavaa.

Genotyyppien lukumääristä. Jos $n_{AA}$ henkilöä on alleelin A suhteen homotsygoottisia ja $n_{AB}$ heterotsygoottisia, kaikkiaan N henkilön joukossa:

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

Genotyyppien frekvensseistä. Jos kunkin genotyypin osuudet tunnetaan jo:

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

Esimerkiksi ryhmässä, jossa 25 % on AA, 50 % Aa ja 25 % aa, A:n frekvenssi on 0,25 + (0,50 ÷ 2) = 0,50.

Eri ploidisuustasot

Laskuri on tarkoitettu diploideille eliöille, mutta sama ajatus ulottuu eliöihin, joilla on eri määrä geenikopioita:

• Haploidi (1 kopio): $f = n_A / N$
• Triploidi (3 kopiota): $f = n_A / 3N$
• Tetraploidi (4 kopiota): $f = n_A / 4N$

Bakteerit ja jotkin sienet ovat haploideja. Jotkin kasvit, kuten tietyt peruna- ja vehnälajikkeet, ovat triploideja tai tetraploideja.

Tuloksen tulkitseminen

Tulos on desimaaliluku välillä 0 (alleeli puuttuu)–1 (jokainen populaation geenikopio on kyseinen alleeli). Frekvenssi yli 0,5 tarkoittaa, että alleeli on genomin kyseisessä kohdassa yleisempi muoto. Geenitutkijat ilmoittavat usein sen sijaan vähemmistöalleelifrekvenssin, joka on harvinaisemman muodon frekvenssi: kahden alleelin tapauksessa f:n ja 1 - f:n pienempi arvo.

Genetiikassa käytettyjä suuntaa-antavia rajoja:

• Alle 0,05: harvinainen alleeli. Monet harvinaiset muunnokset ovat uusia mutaatioita tai luonnonvalinta pitää ne harvinaisina.
• 0,05–0,95: yleinen muunnos, jota esiintyy huomattavalla osalla populaatiosta.
• Yli 0,95: lähes fiksoitunut, eli alleeli on lähellä sitä, että se olisi populaatiossa ainoa jäljellä oleva muoto.

Otoskoko vaikuttaa siihen, kuinka paljon frekvenssiin voi luottaa. 20 henkilöstä saatu arvio on paljon epävarmempi kuin sama luku 2 000 henkilöstä saatu arvio, etenkin harvinaisten alleelien tapauksessa.

Alleelifrekvenssi ja Hardyn–Weinbergin tasapaino

Hardyn–Weinbergin periaate, jonka G. H. Hardy ja Wilhelm Weinberg kuvasivat toisistaan riippumatta vuonna 1908, ennustaa genotyyppifrekvenssit alleelifrekvensseistä populaatiossa, joka ei evolvoidu. Jos alleelin A frekvenssi on p ja alleelin a frekvenssi q ja p + q = 1, odotetut genotyyppifrekvenssit ovat:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

Ennuste pätee vain, jos populaatio täyttää useita ehtoja: ei valintaa, uusia mutaatioita eikä migraatiota, satunnainen pariutuminen ja erittäin suuri populaatio. Todelliset populaatiot rikkovat usein yhtä tai useampaa näistä ehdoista, joten mitatut genotyyppifrekvenssit voivat poiketa Hardyn–Weinbergin ennusteesta. Alleelin A frekvenssi 0,30 ei automaattisesti tarkoita, että 9 % populaatiosta (0,30²) olisi homotsygoottista AA:ta; tämä pitää paikkansa vain populaation ollessa tasapainossa.

Esimerkki: Tay–Sachsin taudin kantajaseulonta

Alleelifrekvenssitiedot ohjaavat käytännön seulontaohjelmia. Tay–Sachsin tauti on resessiivisen alleelin aiheuttama vakava perinnöllinen sairaus. Henkilö sairastuu, jos hänellä on kaksi alleelin kopiota, yksi kummaltakin vanhemmalta.

Aškenasijuutalaisten populaatioissa noin 1 (2,5 cm) 30 henkilöstä (noin 3,3 %) kantaa yhtä alleelin kopiota. Yleisväestössä noin 1 (2,5 cm) 300 henkilöstä (noin 0,33 %) on kantaja. Kantajat ovat terveitä; alleeli aiheuttaa taudin vain henkilölle, joka perii sen kummaltakin vanhemmalta.

Jos kaksi toisilleen sukua olematonta aškenasijuutalaista kantajaa saa lapsen, lapsen sairastumisriski on 1/4 eli resessiivisen sairauden tavanomainen suhdeluku, kun molemmat vanhemmat kantavat yhtä kopiota. Kun tähän yhdistetään todennäköisyys, että kaksi satunnaisesti valittua tämän populaation vanhempaa on molemmat kantajia, (1/30) × (1/30) × 1/4, kokonaisriskiksi saadaan noin 1 (2,5 cm) 3 600 syntymää.

Yleisväestössä sama laskutoimitus, (1/300) × (1/300) × 1/4, antaa tulokseksi noin 1 (2,5 cm) 360 000 syntymää. Populaatioiden välinen kymmenkertainen ero kantajien frekvenssissä on syy siihen, että kantajaseulontaa tarjotaan rutiininomaisesti aškenasijuutalaistaustaisille ihmisille.

Yleiset virheet

Ihmisten laskeminen alleelien sijaan. Kymmenen alleelin suhteen homotsygoottista henkilöä vastaa 20 alleelikopiota, ei 10 kopiota.

Hardyn–Weinbergin tasapainon olettaminen ilman tarkistusta. Todelliset populaatiot voivat poiketa siitä sisäsiitoksen, valinnan tai populaatiorakenteen vuoksi.

Erillisten populaatioiden yhdistäminen. Kahden eri alleelifrekvenssin omaavan ryhmän näytteiden yhdistäminen tuottaa yhdistetyn luvun, joka ei kuvaa kumpaakaan ryhmää tarkasti, ja voi aiheuttaa näennäisen homotsygoottien ylimäärän, jota kutsutaan Wahlundin efektiksi.

Diploidikaavan käyttäminen X-kytkeytyneisiin geeneihin. Koska miehillä on yksi X-kromosomi ja naisilla kaksi, X-kytkeytyneen alleelin frekvenssille tarvitaan oma kaava:

$f(X^A) = \frac{2 \times (\text{naisilla, joilla on } X^AX^A) + \text{naisilla, joilla on } X^AX^a + \text{miehillä, joilla on } X^A}{2 \times \text{naisten määrä} + \text{miesten määrä}}$

Usein kysyttyä

Mikä ero on alleelilla ja geenillä? Geeni on perinnöllinen yksikkö, joka vaikuttaa ominaisuuteen. Alleeli on kyseisen geenin tietty versio. ABO-veriryhmän geenillä on kolme yleistä alleelia, A, B ja O, ja jokaisella henkilöllä on niistä kaksi, yksi kummaltakin vanhemmalta.

Mikä ero on alleelifrekvenssillä ja genotyyppifrekvenssillä? Alleelifrekvenssi laskee populaation yksittäiset geenikopiot. Genotyyppifrekvenssi laskee ihmiset heidän kantamansa alleeliparin perusteella. 100 henkilön ryhmässä, jossa on 25 AA-, 50 Aa- ja 25 aa-yksilöä, AA-genotyypin frekvenssi on 0,25, mutta A-alleelin frekvenssi on 0,50, koska siinä lasketaan kaikki A-kopiot kaikista kolmesta ryhmästä.

Miksi alleelifrekvenssi on tärkeä lääketieteessä? Resessiivisten alleelien aiheuttamat sairaudet ovat yleisempiä populaatioissa, joissa alleelifrekvenssi on suurempi. Tietyn populaation frekvenssin tunteminen auttaa terveyspalveluja kohdentamaan kantajaseulontaa ja perinnöllisyysneuvontaa sinne, missä ne auttavat eniten ihmisiä.

Kuinka monta henkilöä on otettava näytteeseen luotettavaa arviota varten? Se riippuu siitä, kuinka harvinainen alleeli on. Yleinen alleeli, jonka frekvenssi on välillä 0,20–0,80, voidaan yleensä arvioida hyvin 100–200 henkilön otoksesta. Harvinainen alleeli edellyttää paljon suurempaa otosta, usein useita satoja henkilöitä, koska pienessä otoksessa näkyy liian vähän kopioita vakaan arvion tuottamiseksi.

Voiko alleelifrekvenssi muuttua ajan myötä? Kyllä. Luonnonvalinta, satunnainen geneettinen ajautuminen, populaatioiden välinen migraatio ja uudet mutaatiot muuttavat kaikki alleelifrekvenssejä sukupolvien kuluessa. Geneettisellä ajautumisella on suurin vaikutus pienissä populaatioissa, joissa sattuma voi nostaa tai laskea frekvenssiä jyrkästi sukupolvesta toiseen.

Miten alleelifrekvenssi lasketaan genotyyppien lukumääristä? Laske kaikki alleelin kopiot yhteen: jokainen homotsygoottinen yksilö lisää kaksi ja jokainen heterotsygoottinen yksilö yhden. Jaa summa yksilöiden kokonaismäärän kaksinkertaisella luvulla. Kaava on $f_A = (2n_{AA} + n_{AB}) / 2N$.

Lähteet

1. Hardy, G. H. (1908). Mendelian proportions in a mixed population. Science, 28(706), 49–50.
2. Hartl, D. L. ja Clark, A. G. (2007). Principles of Population Genetics (4. painos). Sinauer Associates.
3. The 1000 Genomes Project Consortium. (2015). A global reference for human genetic variation. Nature, 526(7571), 68–74.
4. gnomAD (Genome Aggregation Database). https://gnomad.broadinstitute.org/
5. National Human Genome Research Institute. https://www.genome.gov/