Введение

Модель для прослеживания истории генетических вариаций
Коалесцентная теория – это модель, описывающая, как аллели, отобранные из популяции, могли произойти от общего предка. В наиболее простом случае, теория коалесценции предполагает отсутствие рекомбинации, естественного отбора, потока генов или структуры популяции, то есть каждый вариант имеет одинаковую вероятность передаваться из поколения в поколение. Модель рассматривает время в обратном направлении, объединяя аллели в единую предковую копию посредством случайного процесса в событиях коалесценции. Согласно этой модели, ожидаемое время между последовательными событиями коалесценции экспоненциально возрастает вглубь времени (с большой дисперсией). Дисперсия в модели обусловлена как случайной передачей аллелей из поколения в поколение, так и случайным возникновением мутаций в этих аллелях. Математическая теория коалесценции была разработана независимо несколькими группами в начале 1980-х годов как естественное развитие классической теории и моделей популяционной генетики, но в первую очередь связана с именем Джона Кингмана. Развитие коалесцентной теории включает в себя учет рекомбинации, отбора, перекрывающихся поколений и практически любой произвольно сложной эволюционной или демографической модели при анализе популяционной генетики. Модель позволяет создавать множество теоретических генеалогий, а затем сравнивать наблюдаемые данные с этими симуляциями для проверки гипотез о демографической истории популяции. Коалесцентная теория может быть использована для оценки популяционно-генетических параметров, таких как миграция, численность популяции и рекомбинация.

Нейтральная вариация

Теория коалесценции также может использоваться для моделирования количества вариаций в последовательностях ДНК, ожидаемых от генетического дрейфа и мутации. Это значение называется средним гетерозиготизмом, обозначаемым как Средний гетерозиготизм рассчитывается как вероятность возникновения мутации в данном поколении, деленная на вероятность любого "события" в этом поколении (либо мутации, либо коалесценции). Вероятность того, что событие является мутацией, равна вероятности мутации в одной из двух линий: Таким образом, средний гетерозиготизм равен Для , подавляющее большинство пар аллелей имеют хотя бы одно различие в нуклеотидной последовательности.

Расширения

Существует множество расширений коалесцентной модели, таких как Λ-коалесцент, допускающий возможность мультифуркаций.

Графическое изображение

Коалесценты можно визуализировать с помощью дендрограмм, которые демонстрируют родство ветвей популяции. Точка, в которой две ветви сходятся, указывает на событие коалесценции.

Картография генов болезней

Полезность теории коалесценции в картировании заболеваний постепенно получает все большее признание; хотя применение теории все еще находится на ранней стадии, ряд исследователей активно разрабатывают алгоритмы для анализа генетических данных человека, использующие теорию коалесценции. Значительное число заболеваний человека обусловлено генетикой – от простых менделевских заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия и муковисцидоз, до более сложных недугов, таких как рак и психические расстройства. Последние являются полигенными заболеваниями, контролируемыми множеством генов, которые могут располагаться на разных хромосомах, однако заболевания, вызванные единичной аномалией, относительно легко выявить и отследить – хотя и не настолько просто, чтобы это было достигнуто для всех болезней. Для понимания этих заболеваний и лежащих в их основе процессов чрезвычайно важно знать их локализацию на хромосомах и способы наследования из поколения в поколение в семье, что возможно благодаря коалесцентному анализу. Генетические заболевания передаются от одного поколения к другому так же, как и другие гены. Хотя любой ген может перемещаться из одной хромосомы в другую в процессе гомологичной рекомбинации, маловероятно, что переместится только один ген. Таким образом, другие гены, расположенные достаточно близко к гену, вызывающему заболевание, чтобы быть с ним сцепленными, могут быть использованы для его отслеживания. Методы картирования сцепления, включая теорию коалесценции, могут быть применены к этим заболеваниям, поскольку они используют семейные родословные для определения маркеров, сопутствующих заболеванию, и способов его наследования. По крайней мере, этот метод позволяет сузить область или области генома, в которых могут находиться вредные мутации. Сложности в этих подходах включают эпистатические эффекты, полигенную природу мутаций и влияние факторов окружающей среды. Тем не менее, гены, эффекты которых аддитивны, несут фиксированный риск развития заболевания, и при наличии в генотипе заболевания их можно использовать для прогнозирования риска и картирования гена. Как стандартная, так и фрагментированная (разрушенная) коалесценция (которая допускает возможность возникновения множественных мутаций в процессе основания популяции и то, что заболевание может иногда быть спровоцировано факторами окружающей среды) были использованы для изучения генов, связанных с заболеваниями. Проводились исследования, сопоставляющие заболеваемость у однояйцевых и двуяйцевых близнецов, и результаты этих исследований могут быть использованы для уточнения коалесцентного моделирования. Поскольку однояйцевые близнецы разделяют весь геном, а двуяйцевые – только половину, разница в корреляции между ними может быть использована для определения наследственности заболевания и степени ее выраженности.

Геномное распределение гетерозиготности

Карта человеческих однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) выявила значительные региональные различия в гетерозиготности, превышающие те, что можно объяснить случайностью (распределением Пуассона). Частично эти различия могут быть обусловлены методами оценки, доступностью геномных последовательностей и, возможно, стандартной моделью коалесцентной популяционной генетики. Влияние популяционной генетики может существенно сказываться на этой вариации: некоторые локусы, вероятно, имеют относительно недавних общих предков, в то время как другие могут иметь гораздо более древнюю генеалогию, и, следовательно, региональное накопление SNP с течением времени может значительно различаться. Локальная плотность SNP вдоль хромосом, по-видимому, образует кластеры, подчиняясь степенному закону зависимости дисперсии от среднего и распределению Твиди-Пуассона. В рамках этой модели региональные вариации в карте SNP объясняются накоплением множества небольших геномных сегментов посредством рекомбинации, при этом среднее число SNP на сегмент распределено по гамма-закону пропорционально времени, распределенному по гамма-закону, до последнего общего предка для каждого сегмента.

История

Теория коалесценции является естественным развитием более классической концепции нейтральной эволюции в популяционной генетике и представляет собой приближение к модели Фишера — Райта (или Райта — Фишера) для больших популяций. Она была открыта независимо несколькими исследователями в 1980-х годах.

Статьи

Аренас, М. и Посада, Д. (2014) Моделирование эволюции генома в широком масштабе при гетерогенных моделях замещения и сложных коалесцентных историях для нескольких видов. Молекулярная биология и эволюция 31(5): 1295–1301
Аренас, М. и Посада, Д. (2007) Recodon: коалесцентное моделирование кодирующих последовательностей ДНК с рекомбинацией, миграцией и демографией. BMC Bioinformatics 8: 458
Аренас, М. и Посада, Д. (2010) Коалесцентное моделирование рекомбинации внутри кодона. Генетика 184(2): 429–437
Браунинг, С. Р. (2006) Картографирование ассоциаций по нескольким локусам с использованием цепей Маркова переменной длины. Американский журнал генетики человека 78:903–913
Корнуэ, Ж. М., Пудло, П., Вейсьер, Ж., Де-не Гарсия, А., Готье, М., Леблоа, Р., Марин, Ж. М., Эступ, А. (2014) DIYABC v2.0: программное обеспечение для проведения приблизительных байесовских вычислений об истории популяций с использованием данных о однонуклеотидных полиморфизмах, последовательностях ДНК и микросателлитах. Bioinformatics 30: 1187–1189
Дегнан, Дж. Х. и Л. А. Салтер. 2005. Распределения генеалогических деревьев в процессе коалесценции. Эволюция 59(1): 24–37. pdf доступен на coaltree.net/
Доннелли, П., Таваре, С. (1995) Коалесценты и генеалогическая структура при нейтральной эволюции. Annual Review of Genetics 29:401–421
Эвинг, Г. и Гермиссон, Дж. (2010), MSMS: программа коалесцентного моделирования, включающая рекомбинацию, демографическую структуру и отбор в одном локусе. Bioinformatics 26:15
Хелленталь, Г., Стивенс, М. (2006) msHOT: модификация симулятора ms от Хадсона для включения горячих точек кроссовера и конверсии генов. Bioinformatics AOP
Хадсон, Р. Р. (1983b) Свойства нейтральной аллельной модели с внутригенной рекомбинацией. Theoretical Population Biology 23:183–201.
Хадсон, Р. Р. (1991) Генеалогии генов и процесс коалесценции. Oxford Surveys in Evolutionary Biology 7: 1–44
Хадсон, Р. Р. (2002) Генерация выборок в нейтральной модели Райта–Фишера. Bioinformatics 18:337–338
Кендал, У. С. (2003) Экспоненциальная дисперсионная модель для распределения человеческих однонуклеотидных полиморфизмов. Mol Biol Evol 20: 579–590
Хейн, Й., Шиеруп, М., Виуф, К. (2004) Gene Genealogies, Variation and Evolution: A Primer in Coalescent Theory. Oxford University Press
Каплан, Н. Л., Дарден, Т., Хадсон, Р. Р. (1988) Процесс коалесценции в моделях с отбором. Генетика 120:819–829
Кингман, Дж. Ф. К. (2000) Происхождение коалесцента 1974–1982. Генетика 156:1461–1463
Леблоа, Р., Эступ, А. и Руссе, Ф. (2009) IBDSim: компьютерная программа для моделирования генотипических данных при изоляции по расстоянию. Molecular Ecology Resources 9:107–109
Лян, Л., Зёлльнер, С., Абекасис, Г. Р. (2007) GENOME: быстрый симулятор целого генома на основе коалесценции. Bioinformatics 23: 1565–1567
Майлунд, Т., Шиеруп, М. Х., Педерсен, С. Н. С., Мехленборг, П. Дж. М., Мадсен, Дж. Н., Шаузер, Л. (2005) CoaSim: гибкая среда для моделирования генетических данных в рамках коалесцентных моделей. BMC Bioinformatics 6:252
Мёле, М., Сагитов, С. (2001) Классификация коалесцентных процессов для гаплоидных сменных моделей популяций. The Annals of Probability 29:1547–1562
Моррис, А. П., Уиттакер, Дж. К., Балдинг, Д. Дж. (2002) Точное картирование локусов заболеваний с помощью моделирования разрушенного коалесцента генеалогий. American Journal of Human Genetics 70:686–707
Нойхаузер, К., Кроне, С. М. (1997) Генеалогия образцов в моделях с отбором. Генетика 145: 519–534
Питман, Дж. (1999) Коалесценты с множественными столкновениями. The Annals of Probability 27:1870–1902
Хардинг, Розалинд, М. 1998. Новые филогении: вводный взгляд на коалесценцию. С. 15–22, в Харви, П. Х., Браун, А. Дж. Л., Смит, Дж. М., Ни, С. Новые применения для новых филогений. Oxford University Press
Розенберг, Н. А., Нордборг, М. (2002) Генеалогические деревья, теория коалесценции и анализ генетических полиморфизмов. Nature Reviews Genetics 3:380–390
Сагитов, С. (1999) Общий коалесцент с асинхронным слиянием предковых линий. Journal of Applied Probability 36:1116–1125
Швейнсберг, Дж. (2000) Коалесценты с одновременными множественными столкновениями. Electronic Journal of Probability 5:1–50
Слаткин, М. (2001) Моделирование генеалогий отобранных аллелей в популяциях переменного размера. Genetic Research 145:519–534
Таджима, Ф. (1983) Эволюционные отношения последовательностей ДНК в конечных популяциях. Генетика 105:437–460
Таваре, С., Балдинг, Д. Дж., Гриффитс, Р. К. и Доннелли, П. 1997. Оценка времени коалесценции по данным о последовательности ДНК. Генетика 145: 505–518.
Международная рабочая группа по карте SNP. 2001. Карта вариаций генома человека, содержащая 1,42 миллиона однонуклеотидных полиморфизмов. Nature 409: 928–933.
Зёлльнер, С. и Притчард, Дж. К. (2005) Картирование ассоциаций на основе коалесценции и точное картирование сложных локусов признаков. Генетика 169:1071–1092
Руссе, Ф. и Леблоа, Р. (2007) Анализ правдоподобия и приблизительного правдоподобия генетической структуры в линейной среде обитания: производительность и устойчивость к неправильной спецификации модели. Molecular Biology and Evolution 24:2730–2745