Kalkulator alelnih frekvenc | Orodje za analizo populacijske genetike

Kaj je frekvenca alela?

Frekvenca alela je delež ene različice gena, imenovane alel, med vsemi kopijami tega gena v populaciji. Je ena od osnovnih mer v populacijski genetiki, ki preučuje, kako se geni razlikujejo in spreminjajo med skupinami organizmov.

Večina živali in rastlin, vključno z ljudmi, je diploidnih. Vsak posameznik ima dve kopiji vsakega gena, po eno od vsakega starša. Populacija N posameznikov ima zato 2 N kopij vsakega gena. Frekvenca alela šteje, koliko od teh 2 N kopij je proučevana specifična različica.

Formula za frekvenco alela

Formula za diploidno populacijo je:

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

• $f$ je frekvenca alela, vrednost med 0 in 1
• $n_A$ je število kopij alela, najdenih v populaciji
• $N$ je število posameznikov
• $2N$ je skupno število kopij gena, saj ima vsak posameznik dve

Na primer, populacija 100 posameznikov ima 200 kopij katerega koli danega gena. Če je 50 teh kopij proučevani alel, je frekvenca 50 ÷ 200 = 0,25 oziroma 25 %.

Kako s tem orodjem izračunati frekvenco alela

Kalkulator potrebuje dve števili.

Skupno število posameznikov (N). Preštejte vse člane proučevane populacije. Vnesite pozitivno celo število.

Kopije alela. Štejemo kopije alela, ne ljudi. Homozigotni posameznik (ki ima dve kopiji alela) k temu številu prispeva 2. Heterozigotni posameznik (ki ima eno kopijo) prispeva 1. Posameznik brez kopije prispeva 0.

Obe polji sprejemata cela števila. Orodje število kopij deli z dvakratno velikostjo populacije in rezultat prikaže kot decimalno število med 0 in 1, zaokroženo na štiri decimalna mesta. Napako prikaže pri ulomku v katerem koli polju, negativnem številu kopij, populaciji z nič ali manj posamezniki ter številu kopij nad 2 N, saj v diploidni populaciji te velikosti toliko kopij ne more obstajati. Ko je polje prazno ali vsebuje napako, frekvenca ni prikazana.

Pod rezultatom orodje nariše mrežo pik, ki predstavlja zbirko alelov. Ena pika predstavlja eno kopijo gena, zato je v mreži 2 N pik, obarvane pike pa predstavljajo kopije proučevanega alela. Pri populacijah z več kot 50 posamezniki je mreža omejena na 100 pik in prikazuje enak delež.

Primer izračuna

Denimo, da raziskava proučuje 100 ljudi. Od teh je 10 homozigotnih za ta alel, 30 pa heterozigotnih.

Kopije alela = (10 × 2) + (30 × 1) = 50

Kopije v populaciji = 100 × 2 = 200

Frekvenca alela = 50 ÷ 200 = 0,25

Alel je prisoten v četrtini vseh kopij genov v tej populaciji.

Izračun iz podatkov o genotipih

Raziskovalci pogosto začnejo s številom genotipov namesto z neposrednim štetjem kopij alelov. To opisujeta dve povezani formuli.

Iz števila genotipov. Če je $n_{AA}$ ljudi homozigotnih za alel A in $n_{AB}$ heterozigotnih, med skupno N ljudmi:

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

Iz frekvenc genotipov. Če so deleži posameznih genotipov že znani:

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

Na primer, v skupini, kjer je 25 % oseb AA, 50 % Aa in 25 % aa, je frekvenca alela A 0,25 + (0,50 ÷ 2) = 0,50.

Različne ravni ploidnosti

Kalkulator je zasnovan za diploidne organizme, vendar se ista zamisel razširi na organizme z drugačnim številom kopij genov:

• Haploidni (1 kopija): $f = n_A / N$
• Triploidni (3 kopije): $f = n_A / 3N$
• Tetraploidni (4 kopije): $f = n_A / 4N$

Bakterije in nekatere glive so haploidne. Nekatere rastline, na primer določene sorte krompirja in pšenice, so triploidne ali tetraploidne.

Razlaga rezultata

Rezultat je decimalno število od 0 (alel ni prisoten) do 1 (vsaka kopija gena v populaciji je ta alel). Frekvenca nad 0,5 pomeni, da je alel pogostejša različica na tem mestu v genomu. Genetiki namesto tega pogosto navajajo frekvenco manj pogostega alela, ki je frekvenca redkejše različice; pri dveh alelih je to manjša vrednost med f in 1 - f.

Okvirne smernice, ki se uporabljajo v genetiki:

• Pod 0,05: redek alel. Številne redke različice so nove mutacije ali pa jih naravni izbor ohranja redke.
• Od 0,05 do 0,95: pogosta različica, prisotna pri opaznem deležu populacije.
• Nad 0,95: skorajšnja fiksacija, kar pomeni, da je alel blizu temu, da postane edina preostala različica v populaciji.

Velikost vzorca vpliva na zanesljivost frekvence. Ocena na podlagi 20 ljudi je precej bolj negotova kot enaka ocena na podlagi 2.000 ljudi, zlasti pri redkih alelih.

Frekvenca alela in Hardy-Weinbergovo ravnovesje

Hardy-Weinbergovo načelo, ki sta ga neodvisno opisala G. H. Hardy in Wilhelm Weinberg leta 1908, napoveduje frekvence genotipov iz frekvenc alelov v populaciji, ki se ne razvija. Če ima alel A frekvenco p, alel a pa frekvenco q, pri čemer je p + q = 1, so pričakovane frekvence genotipov:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

Ta napoved velja le, če populacija izpolnjuje več pogojev: ni selekcije, novih mutacij ali migracij, parjenje je naključno, populacija pa zelo velika. Dejanske populacije pogosto kršijo eno ali več teh pravil, zato se lahko izmerjene frekvence genotipov razlikujejo od Hardy-Weinbergove napovedi. Frekvenca 0,30 za alel A ne pomeni samodejno, da je 9 % populacije (0,30²) homozigotne AA; ta vrednost velja le, če je populacija v ravnovesju.

Primer: presejanje nosilcev za Tay-Sachsovo bolezen

Podatki o frekvenci alelov usmerjajo dejanske presejalne programe. Tay-Sachsova bolezen je huda dedna motnja, ki jo povzroča recesivni alel. Oseba mora podedovati dve kopiji alela, po eno od vsakega starša, da zboli.

V aškenaških judovskih populacijah približno 1 na (2,5 cm) 30 ljudi (približno 3,3 %) nosi eno kopijo alela. V splošni populaciji je približno 1 na (2,5 cm) 300 ljudi (približno 0,33 %) nosilec. Nosilci so zdravi; alel povzroči bolezen le pri osebi, ki ga podeduje od obeh staršev.

Če imata dva nepovezana aškenaška judovska nosilca otroka, je verjetnost, da bo otrok zbolel, 1/4, kar je običajno razmerje pri recesivni bolezni, kadar imata oba starša eno kopijo. Če to združimo z verjetnostjo, da sta dva naključno izbrana starša iz te populacije oba nosilca, (1/30) × (1/30) × 1/4, skupno tveganje znaša približno 1 na (2,5 cm) 3.600 rojstev.

V splošni populaciji isti izračun, (1/300) × (1/300) × 1/4, daje približno 1 na (2,5 cm) 360.000 rojstev. Desetkratna razlika v frekvenci nosilcev med populacijama je razlog, da se presejanje nosilcev rutinsko ponuja ljudem aškenaškega judovskega porekla.

Pogoste napake

Štetje ljudi namesto alelov. Deset homozigotnih ljudi predstavlja 20 kopij alela, ne 10.

Predpostavljanje Hardy-Weinbergovega ravnovesja brez preverjanja. Dejanske populacije lahko od njega odstopajo zaradi parjenja v sorodstvu, selekcije ali populacijske strukture.

Združevanje ločenih populacij. Združevanje vzorcev iz dveh skupin z različnima frekvencama alelov ustvari združeno vrednost, ki nobene skupine ne opisuje natančno, in lahko povzroči navidezni presežek homozigotov, znan kot Wahlundov učinek.

Uporaba diploidne formule za gene, vezane na kromosom X. Ker imajo moški en kromosom X, ženske pa dva, frekvenca alelov, vezanih na kromosom X, zahteva lastno formulo:

$f(X^A) = \frac{2 \times (\text{ženske z } X^AX^A) + \text{ženske z } X^AX^a + \text{moški z } X^A}{2 \times \text{število žensk} + \text{število moških}}$

Pogosta vprašanja

Kakšna je razlika med alelom in genom? Gen je dedna enota, ki vpliva na lastnost. Alel je ena specifična različica tega gena. Gen za krvno skupino ABO ima tri pogoste alele, A, B in O, vsak človek pa ima dva od njih, po enega od vsakega starša.

Kakšna je razlika med frekvenco alela in frekvenco genotipa? Frekvenca alela šteje posamezne kopije genov v celotni populaciji. Frekvenca genotipa šteje ljudi glede na to, kateri par alelov imajo. V skupini 100 ljudi s 25 osebami AA, 50 osebami Aa in 25 osebami aa je frekvenca genotipa AA 0,25, frekvenca alela A pa 0,50, saj šteje vsako kopijo A v vseh treh skupinah.

Zakaj je frekvenca alela pomembna v medicini? Bolezni, ki jih povzročajo recesivni aleli, so pogostejše v populacijah z višjo frekvenco tega alela. Poznavanje frekvence v določeni populaciji zdravstvenim službam omogoča usmerjanje presejanja nosilcev in genetskega svetovanja tja, kjer bosta pomagala največ ljudem.

Koliko ljudi je treba vključiti v vzorec za zanesljivo oceno? Odvisno je od redkosti alela. Pogost alel s frekvenco med 0,20 in 0,80 je običajno mogoče dobro oceniti na podlagi 100 do 200 ljudi. Za redek alel je potreben precej večji vzorec, pogosto več sto ljudi, ker se v majhnem vzorcu pojavi premalo kopij za stabilno oceno.

Ali se lahko frekvenca alela sčasoma spremeni? Da. Naravni izbor, naključni genetski drift, migracije med populacijami in nove mutacije v zaporednih generacijah spreminjajo frekvence alelov. Genetski drift ima največji učinek v majhnih populacijah, kjer lahko naključni dogodki iz ene generacije v drugo močno zvišajo ali znižajo frekvenco.

Kako se frekvenca alela izračuna iz števila genotipov? Seštejte vse kopije alela: vsak homozigotni posameznik prispeva dve, vsak heterozigotni pa eno. Delite z dvakratnim skupnim številom posameznikov. Formula je $f_A = (2n_{AA} + n_{AB}) / 2N$.

Viri

1. Hardy, G. H. (1908). Mendelova razmerja v mešani populaciji. Science, 28(706), 49–50.
2. Hartl, D. L. in Clark, A. G. (2007). Principles of Population Genetics (4. izd.). Sinauer Associates.
3. Konzorcij projekta 1000 Genomov. (2015). Globalna referenca za človeško genetsko raznolikost. Nature, 526(7571), 68–74.
4. gnomAD (zbirka podatkov Genome Aggregation Database). https://gnomad.broadinstitute.org/
5. Nacionalni inštitut za raziskave človeškega genoma. https://www.genome.gov/