Kalkulator Frekuensi Alel | Alat Analisis Genetik Populasi

Apakah kekerapan alel?

Kekerapan alel ialah perkadaran satu versi gen, yang dipanggil alel, antara semua salinan gen itu dalam sesuatu populasi. Ia merupakan salah satu ukuran asas dalam genetik populasi, iaitu kajian tentang cara gen berbeza dan berubah merentas kumpulan organisma.

Kebanyakan haiwan dan tumbuhan, termasuk manusia, adalah diploid. Setiap individu membawa dua salinan bagi setiap gen, satu daripada setiap ibu bapa. Oleh itu, populasi yang terdiri daripada N individu mempunyai 2 N salinan bagi setiap gen. Kekerapan alel mengira jumlah daripada 2 N salinan itu yang merupakan varian khusus yang dikaji.

Formula kekerapan alel

Formula bagi populasi diploid ialah:

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

• $f$ ialah kekerapan alel, iaitu nilai antara 0 dan 1
• $n_A$ ialah bilangan salinan alel yang terdapat dalam populasi
• $N$ ialah bilangan individu
• $2N$ ialah jumlah salinan gen, kerana setiap individu mempunyai dua salinan

Sebagai contoh, populasi yang terdiri daripada 100 individu mempunyai 200 salinan bagi mana-mana gen tertentu. Jika 50 daripada salinan itu ialah alel yang dikaji, kekerapan ialah 50 ÷ 200 = 0.25, atau 25%.

Cara mengira kekerapan alel dengan alat ini

Kalkulator ini memerlukan dua nombor.

Jumlah individu (N). Kira setiap anggota populasi yang dikaji. Masukkan nilai ini sebagai nombor bulat positif.

Salinan alel. Kira salinan alel, bukan bilangan orang. Individu yang homozigot (membawa dua salinan alel) menyumbang 2 kepada kiraan ini. Individu yang heterozigot (membawa satu salinan) menyumbang 1. Individu yang tidak mempunyai kedua-dua salinan menyumbang 0.

Kedua-dua medan menerima nombor bulat. Alat ini membahagikan bilangan salinan dengan dua kali saiz populasi dan memaparkan hasilnya sebagai perpuluhan antara 0 dan 1, dibundarkan kepada empat tempat perpuluhan. Ralat dilaporkan jika mana-mana medan mengandungi pecahan, jika bilangan salinan negatif, jika populasi sifar atau kurang, atau jika bilangan salinan melebihi 2 N, kerana jumlah salinan itu tidak boleh wujud dalam populasi diploid yang bersaiz demikian. Tiada kekerapan dipaparkan apabila medan kosong atau mengandungi ralat.

Di bawah hasilnya, alat ini melukis grid titik yang menunjukkan kumpulan alel. Satu titik mewakili satu salinan gen, jadi grid itu mengandungi 2 N titik, dan titik berwarna ialah salinan alel yang dikaji. Bagi populasi yang melebihi 50 individu, grid dihadkan kepada 100 titik dan menunjukkan perkadaran yang sama.

Contoh pengiraan

Andaikan suatu kajian melibatkan 100 orang. Daripada jumlah itu, 10 ialah homozigus bagi alel tersebut dan 30 ialah heterozigus.

Salinan alel = (10 × 2) + (30 × 1) = 50

Salinan dalam populasi = 100 × 2 = 200

Kekerapan alel = 50 ÷ 200 = 0.25

Alel itu terdapat dalam satu perempat daripada semua salinan gen dalam populasi ini.

Mengira daripada data genotip

Penyelidik sering bermula dengan kiraan genotip dan bukannya kiraan mentah salinan alel. Dua formula berkaitan digunakan untuk tujuan ini.

Daripada kiraan genotip. Jika $n_{AA}$ orang homozigus bagi alel A dan $n_{AB}$ orang heterozigus, daripada jumlah keseluruhan N orang:

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

Daripada kekerapan genotip. Jika perkadaran setiap genotip telah diketahui:

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

Sebagai contoh, dalam kumpulan yang 25% ialah AA, 50% ialah Aa dan 25% ialah aa, kekerapan A ialah 0.25 + (0.50 ÷ 2) = 0.50.

Tahap ploidi yang berbeza

Kalkulator ini direka untuk organisma diploid, tetapi konsep yang sama boleh diperluas kepada organisma yang mempunyai bilangan salinan gen yang berbeza:

• Haploid (1 salinan): $f = n_A / N$
• Triploid (3 salinan): $f = n_A / 3N$
• Tetraploid (4 salinan): $f = n_A / 4N$

Bakteria dan sesetengah kulat adalah haploid. Sesetengah tumbuhan, seperti jenis kentang dan gandum tertentu, adalah triploid atau tetraploid.

Mentafsir hasil

Hasilnya ialah perpuluhan daripada 0 (alel tidak hadir) hingga 1 (setiap salinan gen dalam populasi ialah alel tersebut). Kekerapan melebihi 0.5 bermakna alel itu ialah versi yang lebih lazim pada kedudukan tersebut dalam genom. Pakar genetik sering melaporkan kekerapan alel minor, iaitu kekerapan versi yang lebih jarang; bagi dua alel, nilainya ialah yang lebih kecil antara f dan 1 - f.

Panduan kasar yang digunakan dalam genetik:

• Di bawah 0.05: alel jarang. Banyak varian jarang ialah mutasi baharu atau dikekalkan pada kadar rendah oleh pemilihan semula jadi.
• 0.05 hingga 0.95: varian lazim yang terdapat dalam bahagian populasi yang ketara.
• Melebihi 0.95: hampir tetap, bermaksud alel itu hampir menjadi satu-satunya versi yang tinggal dalam populasi.

Saiz sampel mempengaruhi sejauh mana sesuatu kekerapan boleh dipercayai. Anggaran daripada 20 orang mengandungi ketidakpastian yang jauh lebih besar berbanding angka yang sama daripada 2,000 orang, khususnya bagi alel jarang.

Kekerapan alel dan keseimbangan Hardy-Weinberg

Prinsip Hardy-Weinberg, yang dihuraikan secara berasingan oleh G. H. Hardy dan Wilhelm Weinberg pada 1908, meramalkan kekerapan genotip daripada kekerapan alel dalam populasi yang tidak mengalami evolusi. Jika alel A mempunyai kekerapan p dan alel a mempunyai kekerapan q, dengan p + q = 1, kekerapan genotip yang dijangka ialah:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

Ramalan ini hanya berlaku apabila populasi memenuhi beberapa syarat: tiada pemilihan, tiada mutasi baharu, tiada migrasi, perkahwinan rawak dan populasi yang sangat besar. Populasi sebenar sering melanggar satu atau lebih syarat ini, jadi kekerapan genotip yang diukur boleh berbeza daripada ramalan Hardy-Weinberg. Kekerapan 0.30 bagi alel A tidak secara automatik bermakna 9% populasi (0.30²) adalah homozigus AA; angka itu hanya berlaku jika populasi berada dalam keseimbangan.

Contoh: saringan pembawa penyakit Tay-Sachs

Data kekerapan alel membantu memandu program saringan sebenar. Penyakit Tay-Sachs ialah gangguan keturunan yang teruk dan disebabkan oleh alel resesif. Seseorang perlu mempunyai dua salinan alel itu, satu daripada setiap ibu bapa, untuk terjejas.

Dalam populasi Yahudi Ashkenazi, kira-kira 1 daripada setiap (2.5 cm) 30 orang (kira-kira 3.3%) membawa satu salinan alel tersebut. Dalam populasi umum, kira-kira 1 daripada setiap (2.5 cm) 300 orang (kira-kira 0.33%) ialah pembawa. Pembawa adalah sihat; alel itu hanya menyebabkan penyakit pada seseorang yang mewarisinya daripada kedua-dua ibu bapa.

Jika dua pembawa Yahudi Ashkenazi yang tidak mempunyai hubungan kekeluargaan mempunyai anak, kebarangkalian anak itu terjejas ialah 1/4, iaitu nisbah piawai bagi keadaan resesif apabila kedua-dua ibu bapa membawa satu salinan. Jika digabungkan dengan kebarangkalian bahawa dua ibu bapa rawak daripada populasi ini ialah pembawa, (1/30) × (1/30) × 1/4, risiko keseluruhan adalah kira-kira 1 daripada setiap (2.5 cm) 3,600 kelahiran.

Dalam populasi umum, pengiraan yang sama, (1/300) × (1/300) × 1/4, memberikan kira-kira 1 daripada setiap (2.5 cm) 360,000 kelahiran. Perbezaan sepuluh kali ganda dalam kekerapan pembawa antara kedua-dua populasi ialah sebab saringan pembawa ditawarkan secara rutin kepada orang berketurunan Yahudi Ashkenazi.

Kesilapan biasa

Mengira orang dan bukannya alel. Sepuluh orang yang homozigus bagi sesuatu alel mewakili 20 salinan alel, bukan 10.

Menganggap keseimbangan Hardy-Weinberg tanpa membuat semakan. Populasi sebenar boleh menyimpang daripadanya akibat pembiakbakaan dalam, pemilihan atau struktur populasi.

Mencampurkan populasi yang berasingan. Menggabungkan sampel daripada dua kumpulan dengan kekerapan alel yang berbeza menghasilkan angka gabungan yang tidak menerangkan mana-mana kumpulan dengan tepat dan boleh mewujudkan lebihan homozigus yang kelihatan, yang dikenali sebagai kesan Wahlund.

Menggunakan formula diploid untuk gen terpaut-X. Oleh sebab lelaki membawa satu kromosom X dan perempuan membawa dua, kekerapan alel terpaut-X memerlukan formula tersendiri:

$f(X^A) = \frac{2 \times (\text{perempuan dengan } X^AX^A) + \text{perempuan dengan } X^AX^a + \text{lelaki dengan } X^A}{2 \times \text{bilangan perempuan} + \text{bilangan lelaki}}$

Soalan lazim

Apakah perbezaan antara alel dengan gen? Gen ialah unit pewarisan yang mempengaruhi sesuatu ciri. Alel ialah satu versi khusus gen itu. Gen bagi jenis darah ABO mempunyai tiga alel lazim, A, B dan O, dan setiap orang membawa dua daripadanya, satu daripada setiap ibu bapa.

Apakah perbezaan antara kekerapan alel dengan kekerapan genotip? Kekerapan alel mengira salinan gen individu merentas populasi. Kekerapan genotip mengira orang berdasarkan pasangan alel yang dibawa. Dalam kumpulan yang terdiri daripada 100 orang dengan 25 individu AA, 50 Aa dan 25 aa, kekerapan genotip AA ialah 0.25, tetapi kekerapan alel A ialah 0.50 kerana ia mengira setiap salinan A merentas ketiga-tiga kumpulan.

Mengapakah kekerapan alel penting dalam perubatan? Penyakit yang disebabkan oleh alel resesif lebih lazim dalam populasi yang mempunyai kekerapan alel lebih tinggi. Mengetahui kekerapan dalam populasi tertentu membolehkan perkhidmatan kesihatan menyasarkan saringan pembawa dan kaunseling genetik kepada populasi yang akan mendapat manfaat paling besar.

Berapa ramai orang perlu dijadikan sampel untuk mendapatkan anggaran yang boleh dipercayai? Hal ini bergantung pada kelangkaan alel. Alel lazim, dengan kekerapan antara 0.20 dan 0.80, biasanya boleh dianggarkan dengan baik daripada 100 hingga 200 orang. Alel jarang memerlukan sampel yang jauh lebih besar, selalunya beberapa ratus orang, kerana terlalu sedikit salinan muncul dalam sampel kecil untuk menghasilkan anggaran yang stabil.

Bolehkah kekerapan alel berubah dari semasa ke semasa? Ya. Pemilihan semula jadi, hanyutan genetik rawak, migrasi antara populasi dan mutasi baharu semuanya mengubah kekerapan alel merentas generasi. Hanyutan genetik memberikan kesan terbesar dalam populasi kecil, apabila peristiwa kebetulan boleh menaikkan atau menurunkan kekerapan dengan ketara dari satu generasi ke generasi seterusnya.

Bagaimanakah kekerapan alel dikira daripada kiraan genotip? Jumlahkan semua salinan alel tersebut: setiap individu homozigus menyumbang dua, manakala setiap individu heterozigus menyumbang satu. Bahagikan dengan dua kali jumlah individu. Formulanya ialah $f_A = (2n_{AA} + n_{AB}) / 2N$.

Rujukan

1. Hardy, G. H. (1908). Mendelian proportions in a mixed population. Science, 28(706), 49–50.
2. Hartl, D. L., & Clark, A. G. (2007). Principles of Population Genetics (edisi ke-4). Sinauer Associates.
3. The 1000 Genomes Project Consortium. (2015). A global reference for human genetic variation. Nature, 526(7571), 68–74.
4. gnomAD (Pangkalan Data Agregasi Genom). https://gnomad.broadinstitute.org/
5. Institut Penyelidikan Genom Manusia Kebangsaan. https://www.genome.gov/