Почему коэффициент наследуемости не является показателем того, насколько что-то является «генетическим»?

Вместо того, чтобы обсуждать, что такое наследуемость, не используя многословные предложения, давайте просто поговорим о том, что такое наследуемость . Есть два «типа наследственности»:

• Наследственность в широком смысле
• Наследственность в узком смысле .

Я рассмотрю несколько концепций и постепенно введу понятие наследуемости в обоих смыслах.

Фенотипический признак

Фенотип есть следствие генотипа в мире. Короче говоря, фенотипическая черта — это любая черта, из которой состоит индивидуум!

Количественный признак

Количественная черта — это любая черта, которую вы можете измерить и ординировать, то есть любая черта, которую вы можете измерить с помощью чисел. Например, рост является количественной характеристикой, так как вы можете сказать, что человек Aвыше, чем человек B, который сам выше этого человека C.

Дисперсия количественного признака

В популяции разные особи могут иметь разные значения данного фенотипического признака.$x$. Поскольку мы говорим о количественных признаках, мы можем рассчитать дисперсию признака в популяции. Назовем эту дисперсию$V_P$такие как

$$V_P=\frac{1}{N}\sum_i (x_i - \bar x)^2$$

В приведенном выше уравнении$x_i$это значение фенотипического признака$x$отдельных$i$.$N$численность населения (есть$N$особи в популяции) и$\bar x$средний фенотипический признак$x$в населении.

$$\bar x = \frac{1}{N}\sum_i x_i$$

Что вызывает фенотипическую изменчивость

Почему популяция должна демонстрировать какую-либо фенотипическую изменчивость? Почему бы нам просто не выглядеть точно так же? Чем объясняются эти различия?

По некоторым признакам мы видим очень небольшую дисперсию. Если рассмотреть пример, который ОП привел в посте, количество рук в человеческом населении очень мало различается. Тем не менее, существует довольно большая разница в показателях IQ, роста или веса.

В основе этой фенотипической изменчивости лежат два (основных) источника изменчивости. Первая — это генетическая изменчивость, а вторая — средовая изменчивость. Будем называть генетической дисперсией$V_G$и дисперсия окружающей среды$V_E$.

Если в популяции люди сильно различаются по количеству съеденных гамбургеров, то существует существенная разница.$V_E$в основе фенотипической изменчивости$V_P$для веса. Если в популяции существует большое разнообразие генов, влияющих на вес, то существует незначительная$V_G$в основе фенотипической изменчивости$V_P$для веса.

Между прочим, ген (или другая некодирующая последовательность), который является полиморфным (т.е. имеет более 1 аллеля в популяции) и который объясняет некоторую дисперсию фенотипического количественного признака, называется локусом количественного признака (QTL). Локус — это последовательность (любой длины) в геноме.

Математическое напоминание

Дисперсия некоррелированных переменных может быть просто добавлена! Для простоты предположим на данный момент, что мы рассматриваем некоррелированные переменные. Как следствие, мы можем выразить фенотипическую дисперсию$V_P$как сумма фенотипической изменчивости, обусловленной средовой изменчивостью$V_E$и фенотипическая изменчивость, обусловленная генетической изменчивостью$V_G$

$$V_P=V_E+V_G$$

Это уравнение немного упрощено, и это повлияет на приведенные ниже расчеты. Дополнительную информацию см. В разделе « Другие источники фенотипической изменчивости » .

Теперь мы можем говорить о наследственности!

Наследственность в широком смысле

Наследственность в широком смысле$h_B$определяется как доля фенотипической дисперсии$V_P$что объясняется генетической изменчивостью$V_G$. В уравнении это дает:

$$h_B=\frac{V_G}{V_P} = \frac{V_G}{V_E+V_G}$$

Наследственность в узком смысле

Наследственность в узком смысле$h_N$делает еще один трюк. Мы должны учитывать, что генетическая изменчивость$V_G$которая лежит в основе фенотипической изменчивости, сама может быть разложена на сумму дисперсий. Дисперсия, которую нам нравится рассматривать как аддитивную генетическую дисперсию $V_{G,A}$и доминирование генетической изменчивости $V_{G,D}$.

Аддитивная генетическая изменчивость — это генетическая изменчивость, возникающая из-за аддитивного взаимодействия между аллелями. Доминирование генетической изменчивости обусловлено неаддитивными взаимодействиями между аллелями.

Теперь мы можем определить наследуемость в узком смысле.$h_N$поскольку определяется как доля фенотипической дисперсии$V_P$что объясняется аддитивной генетической изменчивостью$V_{G,A}$. В уравнении это дает:

$$h_N=\frac{V_{G,A}}{V_P} = \frac{V_{G,A}}{V_E+V_G} = \frac{V_{G,A}}{V_E+V_{G,A}+V_{G,D}}$$

В частном случае, когда вся генетическая изменчивость$V_G$осуществляется исключительно за счет аддитивных взаимодействий, то$V_{G,D} = 0$а также$V_{G,A}=V_G$и поэтому$h_N=h_B$

Интерпретация наследуемости

Если вся фенотипическая изменчивость обусловлена ​​генетическими причинами (и независимо от того, большая или малая изменчивость), то$h_B=1$. Если вся фенотипическая изменчивость обусловлена ​​средовой изменчивостью, то$h_B=0$.

Так что же$h_B=0.3$означает?

Это означает, что 30 % фенотипической изменчивости объясняется генетической изменчивостью, а 70 % фенотипической изменчивости обусловлено средовой изменчивостью.

Итак, что, если в популяции нет фенотипической дисперсии? если$V_P=0$, то наследуемость не определена (поскольку деление на ноль не определено). Однако, в целом, мы склонны думать, что всегда есть небольшая вариация в окружающей среде, и большинство людей просто продолжали бы говорить, что наследуемость равна 0, когда$V_P=0$.

Что повлияет на наследуемость?

Мера наследуемости верна для одной популяции в одной среде.

Если вы измените популяцию, например, добавите несколько мутаций, вы вполне можете создать полиморфный локус, вызывающий некоторую фенотипическую изменчивость. Если вы поместите ту же популяцию в другую среду, вы можете внезапно получить более или менее фенотипическую изменчивость из-за изменчивости окружающей среды. Как правило, если вы измеряете наследуемость в лаборатории в контролируемой и постоянной среде, вы, вероятно, переоцените наследуемость (поскольку вы недооцениваете$V_e$) по сравнению с той же популяцией, живущей в очень неоднородной среде.

Чем не является наследственность!

Если признак имеет низкую наследуемость, это НЕ означает, что он является (или не является) адаптацией. Это означает лишь то, что не существует генетической изменчивости, объясняющей фенотипическую изменчивость.

Почему нас волнует наследственность?

Если для признака нет генетической изменчивости, это означает, что единственный способ, которым этот признак может измениться во времени, — это изменение окружающей среды (или создание ненулевой генетической изменчивости посредством мутаций). Если существует ненулевая генетическая дисперсия и если существует разница в приспособленности между особями, имеющими разное значение признака, то этот признак находится под действием естественного отбора.

Наиболее часто используемый показатель наследуемости в наследуемости в узком смысле$h_N.$Почему мы заботимся о$h_N$?

Позволять$\bar x_t$быть средним фенотипическим значением признака$x$вовремя$t$. Одно поколение спустя, то есть в то время$t+1$, среднее фенотипическое значение равно$\bar x_{t+1}$. Определим реакцию выбора$R$как ожидаемая разница между этими двумя величинами, что$R=E[\bar x_{t+1} - \bar x_t]$. Определим силу отбора$S$и наследственность в узком смысле$h_N$, тогда

$$R=h_N \cdot S$$

Как следствие зная$h_N$позволяет нам предсказать влияние отбора на данный признак.

Это уравнение называется уравнением селекционера (см. этот пост о его интерпретации).

Другие источники фенотипической изменчивости

Говоря$V_P=V_G+V_E$это слишком просто. В действительности существуют и другие источники фенотипической изменчивости, такие как дисперсия, обусловленная эпигенетическими изменениями.$V_I$и дисперсия из-за шума развития$V_{DN}$Например. Также иногда очень важно учитывать ковариацию между любой парой таких дисперсий. Таким образом, уравнение было бы более правильным, если бы оно было записано в виде

$$V_P = V_G + V_E + V_I + V_{DN} + COV(V_G, V_E) + COV(V_G, V_I) + COV(V_G, V_{DN}) + COV(V_E, V_I) + COV(V_E, V_{DN}) + COV(V_I, V_{DN})$$

Обратите внимание, что каждый может далее разложить любую из приведенных выше дисперсий на сумму дисперсий, как мы сделали выше для генетической дисперсии. Например, экологическая дисперсия$V_E$можно разложить на сумму фенотипической изменчивости из-за изменчивости температуры$V_T$и фенотипическая изменчивость из-за изменчивости осадков$V_{\text{precipitation}}$предполагая, что другие типы экологических отклонений незначительны.

Вкратце, поскольку remi.b дает много хороших подробностей об этом в своем ответе, (узкий смысл) наследуемость, по сути, является мерой того, насколько фенотипическая изменчивость объясняется (аддитивной) генетической изменчивостью. Фенотип (P) у индивидуума является результатом генетического (G) и влияния окружающей среды (E).

$P = G + E$

Таким образом, внутрипопуляционная дисперсия фенотипа составляет

$V_P = V_G + V_E$

Генетическая изменчивость далее распадается на аддитивную (A), доминантную (D) и интерактивную/эпистатическую изменчивость (I).

$V_G = V_A + V_D + V_I$

Наследуемость в узком смысле ($h^2$) затем

$h^2 = \frac{V_A}{V_P}$

Аддитивная генетическая изменчивость и, как следствие, наследуемость в узком смысле могут быть нулевыми по двум причинам.

Во- первых, если никакие гены не влияют на ваш признак , то аддитивная генетическая дисперсия будет равна нулю.

Во- вторых, если аллели в локусах, влияющих на признак, зафиксированы в популяции , аддитивная генетическая дисперсия будет равна нулю.

Следовательно, Эрик Туркхаймер прав, говоря, что наследуемость не является мерой того, насколько что-то является генетическим. Однако нулевая наследуемость не означает , что что- то не контролируется генетически, просто нет различий в эффектах генов.

Если следовать примеру наличия двух рук, очевидно, что наличие рук генетически контролируется, это наследуемая черта, но количество рук имеет очень небольшую генетическую изменчивость. Очень немногие люди имеют >2 или <2 рук, таким образом, любой аллель для этого кажется исключительно редким (аллели, определяющие образование двух рук, более или менее фиксированы,$p \approx 1$, где p — частота кодирования аллеля для двух плеч).

На следующем графике показано влияние частоты аллеля на аддитивную генетическую дисперсию, аддитивная генетическая дисперсия равна нулю, когда локус имеет фиксированный аллель, и максимальна, когда частота обоих аллелей (двухаллельная модель) равна 0,5. С практической точки зрения, когда p = 0,5, половина популяции является гетерозиготой, одна четверть гомозиготной по аллелю 1 и одна четверть гомозиготной по аллелю 2.

Например, в этом исследовании мы показали, что генетическая изменчивость на Y-хромосоме объясняет только ~0,4% вариации продолжительности жизни, что может быть связано с тем, что очень немногие гены, влияющие на продолжительность жизни, находятся на Y (вероятно, потому что Y содержит очень много генов). мало генов, в то время как продолжительность жизни очень полигенна) и/или гены Y, влияющие на продолжительность жизни, имеют низкий полиморфизм (вероятно, потому, что Y подвержен различным процессам, которые значительно снижают молекулярную изменчивость популяции по сравнению с другими хромосомами).

Важно понять наследственность и аддитивную генетическую изменчивость, поскольку они определяют скорость, с которой может происходить адаптация (эволюция как ответ на отбор). Следуя фундаментальной теореме Фишера и как показано в уравнении селекционеров ($r = h^2s$где r — ответ, s — выбор), когда$V_A = 0$в$r = 0$.

Наследуемость не является мерой того, насколько наследственным является признак. Это мера того, насколько вариации признака обусловлены генетическими вариациями .

Я попытаюсь прояснить это с помощью истории, чтобы дополнить ответы, которые в большей степени зависят от математики.

Для справки: технически это доля фенотипической изменчивости , обусловленная изменчивостью генетических эффектов:$H^2=\frac{V_G}{V_P}$(если вы говорите о наследственности в широком смысле); или это доля фенотипической изменчивости, обусловленная изменчивостью племенной ценности :$h^2 = \frac{V_A}{V_P}$(если вы говорите о наследственности в узком смысле).$V_A$также часто называют аддитивной генетической изменчивостью .

---

Предположим, у нас есть два острова, расположенных рядом. На обоих островах некоторые люди выше других.

Случилось так, что мы знаем (Бог сказал нам), что существует особый ген, который может повлиять на ваш рост: при прочих равных условиях А на фут выше , чем А. Также случается так, что мы знаем (Бог сказал нам), что кофе задерживает ваш рост; При прочих равных люди, которые пьют чай, на фут выше тех, кто пьет кофе.

(Нам также известно, что на данный момент нет никаких других факторов, влияющих на изменение высоты. Удобно!)

Теперь к нашим островам.

На Голубом острове мы видим, что одни люди выше других. Мы проводим некоторые тесты и выясняем, что на этом острове одни люди относятся к категории А , а другие к категории . Напротив, мы также обнаруживаем, что все на этом острове пьют чай и никто не пьет кофе.

Существуют различия в росте: все они обусловлены различиями в генах, и ни один из них не связан с различиями в выборе напитка. Наследственность = 1.

Но это не означает, что в данном случае окружающая среда не имеет отношения к высоте. Наоборот, мы случайно знаем (Бог сказал нам), что если бы они все вместо этого пили кофе, они все были бы на фут ниже.

На Красном острове мы видим, что одни люди выше других. Мы проводим некоторые тесты и обнаруживаем, что все они являются ' s; ни один из них не является A s. Напротив, некоторые из них пьют кофе, а некоторые пьют чай.

Есть разница в росте: ни одна из них не связана с различиями в генах, и все это происходит из-за различий в выборе напитка. Наследуемость = 0.

Но это не значит, что генетика не имеет отношения к росту в данном случае. Наоборот, мы знаем (Бог сказал нам), что если бы все они были А - ами, то все они были бы на фут выше.

---

Я считаю, что самый убедительный способ напомнить себе, почему наследуемость не связана с тем, «насколько наследственен признак», — это помнить, что если у каждого есть ген, то ген не изменяется и не будет способствовать изменчивости; но это не значит, что ген не имеет значения!

Например, насколько мне известно, не существует генетической вариации слова «иметь сердце». Все рождаются с сердцем. Люди без сердца не имеют сердца из-за таких факторов окружающей среды, как это:

Таким образом, наличие сердца имеет низкую наследуемость, но это не значит, что гены не участвуют в формировании сердца!

Точно так же высокая наследуемость не означает, что влияние окружающей среды не имеет значения для признака; это просто означает, что различия в окружающей среде в настоящее время не способствуют различиям в черте.

Это также не означает, что будущие факторы окружающей среды могут не стать важными. Например, наследуемость зрения предположительно была несколько высокой. Но это не помешало тому, кто это сделал, изобрести очки !

Так что это еще один урок. Наследуемость не является константой. Естественный отбор на самом деле имеет тенденцию снижать наследуемость (поскольку он избавляется от худших генов); а если окружающая среда меняется, то наследуемость может пойти вверх вниз или повсеместно.

Были опубликованы очень хорошие обзоры общей концепции, но я хотел бы сосредоточиться на мягком вопросе о том, каким образом наследуемость не отражает «насколько генетической» что-либо. Конечно, это не совсем технически определенное утверждение, и в некотором смысле оно так и есть , но давайте остановимся на вопросе:

• Экологический вклад варьируется . Рассмотрим легочный фиброз. Определенная низкая частота семейного легочного фиброза всегда будет присутствовать из-за генетики. Но в городе, построенном вокруг угольной шахты, вы ожидаете увидеть гораздо более высокий уровень идиопатического легочного фиброза. Вы можете поспорить с семантикой, но, вероятно, черты, связанные с этим состоянием, не являются «более генетическими» в городах, где нет угольных шахт.
• Генетический вклад зависит от окружающей среды . Корреляция когнитивного дефицита с аллелями фенилкетонурии довольно высока при некоторых условиях, но при соответствующей диете и добавках эти гены оказывают гораздо меньшее влияние — можно сказать, «снижение пенетрантности». Является ли ФКУ «менее генетическим» в зависимости от питания? Возможно, в следующем году программное обеспечение для отслеживания взгляда приведет к появлению нового вида игр, и по мере того, как «глазки» будут страдать от несчастий, наследуемость некоторых офтальмологических признаков резко упадет, но означает ли это, что гены слабее?
• Не все генетические вклады известны . До пандемии ВИЧ не было признано, что дельта32 CCR5 оказывает влияние на иммуносупрессию (по крайней мере, не таким образом). Таким образом, мы не можем по-настоящему понять генетический компонент, который потенциально существует, даже после тщательного изучения признака в нынешних условиях.

«Если вся фенотипическая изменчивость обусловлена ​​генетическими причинами (и независимо от того, большая или малая изменчивость), то hB=1hB=1. Если вся фенотипическая изменчивость обусловлена ​​изменчивостью среды, то hB=0hB =0.

Так что же означает hB=0,3hB=0,3?

Это означает, что 30 % фенотипической изменчивости объясняется генетической изменчивостью, а 70 % фенотипической изменчивости обусловлено средовой изменчивостью.

Итак, что, если в популяции нет фенотипической дисперсии? если VP=0VP=0, то наследуемость не определена (как не определено деление на ноль). Однако, в целом, мы склонны думать, что всегда есть небольшая разница в окружающей среде, и большинство людей просто продолжают говорить, что наследуемость равна 0, когда VP=0VP=0».

Таким образом, перечисление факторов окружающей среды в сочетании с генетическими факторами является попыткой объяснить наследственные факторы, которые не являются результатом изменений в последовательности ДНК, или эпигенетических факторов. Я думаю, что именно поэтому коэффициенты наследуемости, используемые только в том смысле, что они являются единственной полезной переменной для демонстрации наследственности, являются проблемой. Текущие статистические модели, которые используются для определения изменчивости окружающей среды, не принимают во внимание (например, те, что показаны выше), и хотя это лучшие модели, которые у нас есть на данный момент, они не включают переменные, которые потенциально могли бы повлиять на эпигенетические факторы, такие как как репарация ДНК, клеточные циклы или метилирование ДНК.