Mutace - výběrová rovnováha - Mutation–selection balance

Mutace - výběrová rovnováha je rovnováha v počtu škodlivých alely v populaci, ke které dochází, když rychlost, jakou jsou škodlivé alely vytvářeny mutace se rovná rychlosti, při které jsou škodlivé alely eliminovány výběr.^[1]^[2]^[3]^[4] Většina genetických mutací je neutrálních nebo škodlivých; prospěšné mutace jsou relativně vzácné. Proti výslednému přílivu škodlivých mutací do populace v průběhu času negativní výběr, který působí na odstranění škodlivých mutací. Odložením dalších faktorů (např. vyvážení výběr, a genetický drift ) je poté rovnovážný počet škodlivých alel určen rovnováhou mezi rychlostí škodlivé mutace a rychlostí, při které selekce tyto mutace očistí.

Původně byla navržena rovnováha mezi mutací a výběrem, která vysvětluje jak genetická variace je udržován v populacích, i když je nyní rozpoznáno několik dalších způsobů přetrvávání škodlivých mutací vyvážení výběr.^[3] Koncept je však stále široce používán v evoluční genetika, např. vysvětlit přetrvávání škodlivých alel jako v případě spinální svalová atrofie,^[5]^[4] nebo v teoretických modelech se rovnováha selekce mutací může objevit různými způsoby a byla dokonce použita na prospěšné mutace (tj. rovnováha mezi selektivní ztrátou variace a vytvořením variace prospěšnými mutacemi).^[6]

Haploidní populace

Jako jednoduchý příklad rovnováhy mutace a výběru zvažte jednu místo v haploidní populace se dvěma možnými alelami: normální alela A s frekvence ${ displaystyle p}$ a mutovaná škodlivá alela B s frekvencí ${ displaystyle q}$ , který má malého příbuzného zdatnost nevýhoda ${ displaystyle s}$ . Předpokládejme, že škodlivé mutace z A na B vyskytují se rychlostí ${ displaystyle mu}$ a reverzní prospěšná mutace z B na A vyskytuje se zřídka natolik, aby byla zanedbatelná (např. protože rychlost mutace je tak nízká, že ${ displaystyle q}$ je malý). Potom výběr každé generace eliminuje snižování škodlivých mutantů ${ displaystyle q}$ o částku ${ displaystyle spq}$ , zatímco mutace vytváří škodlivější alely ${ displaystyle q}$ o částku ${ displaystyle mu p}$ . K vyvážení mutace a výběru dochází, když se tyto síly zruší a ${ displaystyle q}$ je konstantní z generace na generaci, z čehož vyplývá ${ displaystyle q = mu / s}$ .^[3] Tedy za předpokladu, že mutovaná alela není slabě škodlivá (velmi malá ${ displaystyle s}$ ) a rychlost mutace není příliš vysoká, rovnovážná frekvence škodlivé alely bude malá.

Diploidní populace s náhodným párením

V diploidní populace, škodlivá alela B může mít různé účinky na fyzickou zdatnost heterozygotů AB a homozygoti BB v závislosti na stupni dominance normální alely A. Abychom to matematicky reprezentovali, nechť je relativní zdatnost škodlivá homozygoti a heterozygoti být menší než u normálních homozygotů AA podle faktorů ${ displaystyle 1-hs}$ a ${ displaystyle 1-s}$ respektive kde ${ displaystyle h}$ je číslo mezi ${ displaystyle 0}$ a ${ displaystyle 1}$ měření míry dominance ( ${ displaystyle h = 0}$ naznačuje to A je zcela dominantní ${ displaystyle h = 1/2}$ označuje žádnou dominanci). Pro jednoduchost předpokládejme, že páření je náhodné.

Stupeň dominance ovlivňuje relativní význam výběru u heterozygotů versus homozygotů. Li A není zcela dominantní (tj. ${ displaystyle h}$ není blízko nuly), pak jsou škodlivé mutace primárně odstraněny výběrem na heterozygotech, protože heterozygoti obsahují převážnou většinu škodlivých B alely (za předpokladu, že škodlivá rychlost mutace ${ displaystyle mu}$ není příliš velký). Tento případ je přibližně ekvivalentní předchozímu haploidnímu případu, kdy mutace převádí normální homozygoty na heterozygoty rychlostí ${ displaystyle mu}$ a výběr působí na heterozygoty s výběrovým koeficientem ${ displaystyle hs}$ ; tím pádem ${ displaystyle q cca mu / hs}$ .^[1]

V případě úplné dominance ( ${ displaystyle h = 0}$ ), škodlivé alely jsou odstraněny pouze výběrem na BB homozygoti. Nechat ${ displaystyle p_ {AA}}$ , ${ displaystyle 2p_ {AB}}$ a ${ displaystyle p_ {BB}}$ být frekvence odpovídajících genotypy. Frekvence ${ displaystyle p = p_ {AA} + p_ {AB}}$ normálních alel A roste tempem ${ displaystyle 1 / (1-sp_ {BB})}$ v důsledku selektivní eliminace recesivních homozygotů, zatímco mutace způsobuje ${ displaystyle p}$ snižovat tempem ${ displaystyle 1- mu}$ (ignorování zpětné mutace ). Mutace - výběrová rovnováha pak dává ${ displaystyle p_ {BB} = mu / s}$ a tak je frekvence škodlivých alel ${ displaystyle q = { sqrt { mu / s}}}$ .^[1] Tato rovnovážná frekvence je potenciálně podstatně větší než v případě částečné dominance, protože u heterozygotů je přenášeno velké množství mutantních alel a je chráněno před výběrem.