Máy Tính Tần Số Alen | Công Cụ Phân Tích Di Truyền Quần Thể

Tần số alen là gì?

Tần số alen là tỷ lệ của một phiên bản gen, gọi là alen, trong tổng số bản sao của gen đó ở một quần thể. Đây là một trong những phép đo cơ bản của di truyền học quần thể, ngành nghiên cứu cách các gen biến đổi và thay đổi giữa các nhóm sinh vật.

Hầu hết động vật và thực vật, bao gồm con người, đều lưỡng bội. Mỗi cá thể mang hai bản sao của mỗi gen, một bản sao từ mỗi bố mẹ. Do đó, một quần thể gồm N cá thể có 2 N bản sao của mỗi gen. Tần số alen đếm xem trong số 2 N bản sao đó có bao nhiêu bản sao là biến thể cụ thể đang được nghiên cứu.

Công thức tính tần số alen

Công thức cho một quần thể lưỡng bội là:

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

• $f$ là tần số alen, có giá trị nằm giữa 0 và 1
• $n_A$ là số bản sao của alen được tìm thấy trong quần thể
• $N$ là số cá thể
• $2N$ là tổng số bản sao gen, vì mỗi cá thể có hai bản sao

Ví dụ, một quần thể gồm 100 cá thể có 200 bản sao của bất kỳ gen nào. Nếu 50 trong số các bản sao đó là alen đang được nghiên cứu, tần số là 50 ÷ 200 = 0,25, hay 25%.

Cách tính tần số alen bằng công cụ này

Máy tính cần hai số.

Tổng số cá thể (N). Đếm mọi thành viên của quần thể đang được nghiên cứu. Nhập giá trị này dưới dạng một số nguyên dương.

Số bản sao alen. Đếm số bản sao của alen, không phải số người. Một cá thể đồng hợp tử (mang hai bản sao của alen) đóng góp 2 vào số đếm này. Một cá thể dị hợp tử (mang một bản sao) đóng góp 1. Cá thể không mang bản sao nào đóng góp 0.

Cả hai trường đều nhận số nguyên. Công cụ chia số bản sao cho hai lần quy mô quần thể và hiển thị kết quả dưới dạng số thập phân từ 0 đến 1, làm tròn đến bốn chữ số. Công cụ báo lỗi nếu một trong hai trường chứa phân số, nếu số bản sao âm, nếu quần thể có không cá thể hoặc ít hơn, hoặc nếu số bản sao lớn hơn 2 N, vì không thể có nhiều bản sao như vậy trong một quần thể lưỡng bội có quy mô đó. Tần số không được hiển thị khi một trường còn trống hoặc có lỗi.

Bên dưới kết quả, công cụ vẽ một lưới chấm biểu diễn vốn alen. Mỗi chấm đại diện cho một bản sao gen, nên lưới có 2 N chấm; các chấm có màu là những bản sao của alen đang được nghiên cứu. Với quần thể lớn hơn 50 cá thể, lưới được giới hạn ở 100 chấm và hiển thị cùng một tỷ lệ.

Ví dụ minh họa

Giả sử một nghiên cứu xem xét 100 người. Trong số đó, 10 người đồng hợp tử về alen này và 30 người dị hợp tử.

Số bản sao alen = (10 × 2) + (30 × 1) = 50

Số bản sao trong quần thể = 100 × 2 = 200

Tần số alen = 50 ÷ 200 = 0,25

Alen này hiện diện trong một phần tư tổng số bản sao gen của quần thể.

Tính toán từ dữ liệu kiểu gen

Các nhà nghiên cứu thường bắt đầu với số lượng kiểu gen thay vì đếm trực tiếp số bản sao alen. Có hai công thức liên quan áp dụng cho trường hợp này.

Từ số lượng kiểu gen. Nếu $n_{AA}$ người đồng hợp tử với alen A và $n_{AB}$ người dị hợp tử, trong tổng số N người:

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

Từ tần số kiểu gen. Nếu tỷ lệ của từng kiểu gen đã được biết:

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

Ví dụ, trong một nhóm có 25% kiểu gen AA, 50% kiểu gen Aa và 25% kiểu gen aa, tần số của A là 0,25 + (0,50 ÷ 2) = 0,50.

Các mức bội thể khác nhau

Máy tính được thiết kế cho sinh vật lưỡng bội, nhưng cùng một ý tưởng cũng áp dụng cho sinh vật có số bản sao gen khác:

• Đơn bội (1 bản sao): $f = n_A / N$
• Tam bội (3 bản sao): $f = n_A / 3N$
• Tứ bội (4 bản sao): $f = n_A / 4N$

Vi khuẩn và một số loài nấm là đơn bội. Một số thực vật, chẳng hạn như một số giống khoai tây và lúa mì, là tam bội hoặc tứ bội.

Diễn giải kết quả

Kết quả là một số thập phân từ 0 (alen không hiện diện) đến 1 (mọi bản sao gen trong quần thể đều là alen đó). Tần số trên 0,5 có nghĩa là alen này là phiên bản phổ biến hơn tại vị trí đó trong hệ gen. Các nhà di truyền học thường thay vào đó báo cáo tần số alen phụ, tức tần số của phiên bản hiếm hơn: với hai alen, đó là giá trị nhỏ hơn giữa f và 1 - f.

Các hướng dẫn ước lượng thường dùng trong di truyền học:

• Dưới 0,05: alen hiếm. Nhiều biến thể hiếm là đột biến mới phát sinh hoặc được duy trì ở mức hiếm do chọn lọc tự nhiên.
• Từ 0,05 đến 0,95: biến thể phổ biến, hiện diện ở một tỷ lệ đáng kể trong quần thể.
• Trên 0,95: gần cố định, nghĩa là alen này gần như là phiên bản duy nhất còn lại trong quần thể.

Cỡ mẫu ảnh hưởng đến mức độ tin cậy của tần số. Một ước tính từ 20 người có độ không chắc chắn lớn hơn nhiều so với cùng một con số được tính từ 2.000 người, đặc biệt đối với các alen hiếm.

Tần số alen và cân bằng Hardy–Weinberg

Nguyên lý Hardy–Weinberg, được G. H. Hardy và Wilhelm Weinberg mô tả độc lập vào năm 1908, dự đoán tần số kiểu gen từ tần số alen trong một quần thể không tiến hóa. Nếu alen A có tần số p và alen a có tần số q, với p + q = 1, tần số kiểu gen dự kiến là:

• AA: p²
• Aa: 2pq
• aa: q²

Dự đoán này chỉ đúng khi quần thể đáp ứng một số điều kiện: không có chọn lọc, không có đột biến mới, không có di cư, giao phối ngẫu nhiên và quần thể rất lớn. Các quần thể thực tế thường vi phạm một hoặc nhiều điều kiện, vì vậy tần số kiểu gen đo được có thể khác với dự đoán Hardy–Weinberg. Tần số 0,30 của alen A không tự động có nghĩa là 9% quần thể (0,30²) đồng hợp tử AA; con số đó chỉ đúng nếu quần thể đang ở trạng thái cân bằng.

Ví dụ: sàng lọc người mang gen bệnh Tay–Sachs

Dữ liệu về tần số alen định hướng cho các chương trình sàng lọc trong thực tế. Bệnh Tay–Sachs là một rối loạn di truyền nghiêm trọng do alen lặn gây ra. Một người cần mang hai bản sao của alen, mỗi bản sao từ một bố hoặc mẹ, để mắc bệnh.

Trong các quần thể người Do Thái Ashkenazi, khoảng 1 trong 30 người (khoảng 3,3%) mang một bản sao của alen. Trong dân số nói chung, khoảng 1 trong 300 người (khoảng 0,33%) là người mang gen. Người mang gen khỏe mạnh; alen chỉ gây bệnh ở người thừa hưởng nó từ cả bố lẫn mẹ.

Nếu hai người mang gen Do Thái Ashkenazi không có quan hệ họ hàng sinh con, xác suất đứa trẻ mắc bệnh là 1/4, tỷ lệ tiêu chuẩn đối với một bệnh lặn khi cả hai bố mẹ đều mang một bản sao. Kết hợp với xác suất hai bố mẹ bất kỳ trong quần thể này đều là người mang gen, (1/30) × (1/30) × 1/4, nguy cơ tổng thể là khoảng 1 trong 3.600 ca sinh.

Trong dân số nói chung, phép tính tương tự, (1/300) × (1/300) × 1/4, cho kết quả khoảng 1 trong 360.000 ca sinh. Sự khác biệt gấp mười lần về tần số người mang gen giữa hai quần thể là lý do sàng lọc người mang gen thường được cung cấp cho những người có nguồn gốc Do Thái Ashkenazi.

Các lỗi thường gặp

Đếm người thay vì alen. Mười người đồng hợp tử với một alen tương ứng với 20 bản sao alen, chứ không phải 10.

Giả định có cân bằng Hardy–Weinberg mà không kiểm tra. Các quần thể thực tế có thể lệch khỏi trạng thái này do giao phối cận huyết, chọn lọc hoặc cấu trúc quần thể.

Trộn lẫn các quần thể riêng biệt. Việc gộp mẫu từ hai nhóm có tần số alen khác nhau tạo ra một con số gộp không mô tả chính xác nhóm nào, đồng thời có thể tạo ra sự dư thừa biểu kiến của các cá thể đồng hợp tử, gọi là hiệu ứng Wahlund.

Dùng công thức lưỡng bội cho các gen liên kết với nhiễm sắc thể X. Vì nam giới mang một nhiễm sắc thể X còn nữ giới mang hai, tần số alen liên kết với X cần một công thức riêng:

$f(X^A) = \frac{2 \times (\text{nữ giới có } X^AX^A) + \text{nữ giới có } X^AX^a + \text{nam giới có } X^A}{2 \times \text{số nữ giới} + \text{số nam giới}}$

Các câu hỏi thường gặp

Alen và gen khác nhau như thế nào? Gen là một đơn vị di truyền ảnh hưởng đến một tính trạng. Alen là một phiên bản cụ thể của gen đó. Gen quy định nhóm máu ABO có ba alen phổ biến là A, B và O, và mỗi người mang hai trong số đó, một alen từ mỗi bố hoặc mẹ.

Tần số alen và tần số kiểu gen khác nhau như thế nào? Tần số alen đếm từng bản sao gen trong toàn bộ quần thể. Tần số kiểu gen đếm số người dựa trên cặp alen mà họ mang. Trong một nhóm gồm 100 người, có 25 người AA, 50 người Aa và 25 người aa, tần số kiểu gen AA là 0,25, nhưng tần số alen A là 0,50 vì nó đếm mọi bản sao A trong cả ba nhóm.

Tại sao tần số alen lại quan trọng trong y học? Các bệnh do alen lặn gây ra phổ biến hơn trong những quần thể có tần số alen đó cao hơn. Biết tần số trong một quần thể cụ thể giúp các dịch vụ y tế hướng hoạt động sàng lọc người mang gen và tư vấn di truyền đến nơi chúng có thể hỗ trợ nhiều người nhất.

Cần lấy mẫu bao nhiêu người để có một ước tính đáng tin cậy? Điều này phụ thuộc vào mức độ hiếm của alen. Một alen phổ biến, có tần số từ 0,20 đến 0,80, thường có thể được ước tính tốt từ 100 đến 200 người. Một alen hiếm cần mẫu lớn hơn nhiều, thường là vài trăm người, vì có quá ít bản sao xuất hiện trong mẫu nhỏ để tạo ra một ước tính ổn định.

Tần số alen có thể thay đổi theo thời gian không? Có. Chọn lọc tự nhiên, phiêu bạt di truyền ngẫu nhiên, di cư giữa các quần thể và đột biến mới đều làm thay đổi tần số alen qua các thế hệ. Phiêu bạt di truyền có ảnh hưởng lớn nhất trong các quần thể nhỏ, nơi những sự kiện ngẫu nhiên có thể làm tần số tăng hoặc giảm mạnh từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp.

Tần số alen được tính từ số lượng kiểu gen như thế nào? Cộng tất cả các bản sao của alen: mỗi cá thể đồng hợp tử đóng góp hai bản sao, mỗi cá thể dị hợp tử đóng góp một bản sao. Chia kết quả cho hai lần tổng số cá thể. Công thức là $f_A = (2n_{AA} + n_{AB}) / 2N$.

Tài liệu tham khảo

1. Hardy, G. H. (1908). Tỷ lệ Mendel trong một quần thể hỗn hợp. Science, 28(706), 49–50.
2. Hartl, D. L. và Clark, A. G. (2007). Principles of Population Genetics (lần xuất bản thứ 4). Sinauer Associates.
3. Liên minh Dự án Bộ gen 1000. (2015). Tài liệu tham chiếu toàn cầu về biến dị di truyền ở người. Nature, 526(7571), 68–74.
4. gnomAD (Cơ sở dữ liệu tổng hợp bộ gen). https://gnomad.broadinstitute.org/
5. Viện Nghiên cứu Bộ gen Người Quốc gia. https://www.genome.gov/