Введение
Отношение, оценивающее баланс между несинонимичными и синонимичными замещениями ОТКРЫТИТЕЛЬ: Ка/Кс Отношение В генетике отношение Ка/Кс, также известное как ω или dN/dS, используется для оценки баланса между нейтральными мутациями, очищающим отбором и благоприятными мутациями, действующими на набор гомологичных белкококодирующих генов. Он рассчитывается как отношение числа несинонимных замещений на одно несинонимное место (Ka) в течение определенного периода времени к количеству синонимных замещений на одно синонимное место (Ks) в течение того же периода. Последние считаются нейтральными, так что соотношение указывает на чистый баланс между вредными и полезными мутациями. Значения Ka/Ks значительно выше 1 вряд ли будут иметь место без по крайней мере некоторых из мутаций, являющихся выгодными. Если предположить, что благоприятные мутации вносят небольшой вклад, то Ka/Ks оценивает степень эволюционного ограничения.
DISPLAYTITLE:Ka/Ks ratio
In genetics, the Ka/Ks ratio, also known as ω or dN/dS ratio, is used to estimate the balance between neutral mutations, purifying selection and beneficial mutations acting on a set of homologous protein coding genes. It is calculated as the ratio of the number of nonsynonymous substitutions per non synonymous site (Ka), in a given period of time, to the number of synonymous substitutions per synonymous site (Ks), in the same period. The latter are assumed to be neutral, so that the ratio indicates the net balance between deleterious and beneficial mutations. Values of Ka/Ks significantly above 1 are unlikely to occur without at least some of the mutations being advantageous. If beneficial mutations are assumed to make little contribution, then Ka/Ks estimates the degree of evolutionary constraint.
Методы
Методы оценки Ka и Ks используют выравнивание последовательности двух или более нуклеотидных последовательностей гомологичных генов, которые кодируют белки (а не генетические переключатели, контролирующие развитие или скорость активности других генов). Методы можно разделить на три группы: приблизительные методы, методы с максимальной вероятностью и методы подсчета. Однако, если последовательности, которые должны быть сравниты, не имеют отдаленных связей (в этом случае преобладают методы максимальной вероятности), класс используемого метода оказывает минимальное влияние на полученные результаты; более важными являются допущения, заложенные в выбранном методе. Он оценивает критические параметры, включая расхождение между последовательностями и соотношение перехода/трансверсии, путем вывода наиболее вероятных значений для получения входных данных.
Интерпретация результатов
Отношение Ka/Ks используется для вывода направления и величины естественного отбора, действующего на кодирующие белки гены. Отношение больше 1 означает положительный или дарвиновский отбор (движение изменений); меньше 1 означает очищающий или стабилизирующий отбор (действующий против изменений); а отношение точно 1 указывает на нейтральный (то есть отсутствие) отбор. Однако комбинация положительного и очищающего отбора в разных точках внутри гена или в разные моменты его эволюции может отменить друг друга. Полученное среднее значение может скрыть наличие одного из выборов и снизить кажущуюся величину другого выбора. Конечно, необходимо провести статистический анализ, чтобы определить, существенно ли отличается результат от 1, или может ли возникнуть какая-либо явная разница в результате ограниченного набора данных. Соответствующее статистическое испытание для приблизительного метода включает в себя приближение dN − dS с нормальным приближением и определение того, попадает ли 0 в центральную область приближения. Для анализа результатов анализа максимальной вероятности можно использовать более сложные методы вероятности, выполняя тест чи квадрата для различения нулевой модели (Ka/Ks = 1) и наблюдаемых результатов. Некоторые более простые приблизительные методы, такие как методы Miyata & Yasunaga и Nei & Gojobori, не учитывают их, что приводит к более быстрому вычислительному времени за счет точности; эти методы систематически переоценивают N и недооценивают S. Кроме того, с течением времени возможно, что сайт подвергается нескольким модификациям. Например, кодон может переключаться из AAA→AAC→AAT→AAA. Нет способа обнаружить множество замещений в одном месте, поэтому оценка количества замещений всегда недооценивается. Кроме того, в приведенном выше примере на третьем участке произошли две несинонимические и одна синонимическая замена; однако, поскольку замены восстановили исходную последовательность, нет никаких доказательств какой-либо замены. По мере увеличения времени дивергенции между двумя последовательностями увеличивается и количество множественных замещений. Таким образом, "длинные ветви" в анализе dN/dS могут привести к недооценке как dN, так и dS, и чем длиннее ветвь, тем сложнее корректировать вводимый шум. Это ограничивает полезность соотношения Ka/Ks для сравнения близкородственных популяций.
In addition, as time progresses, it is possible for a site to undergo multiple modifications. For instance, a codon may switch from AAA→AAC→AAT→AAA. There is no way of detecting multiple substitutions at a single site, thus the estimate of the number of substitutions is always an underestimate. In addition, in the example above two non synonymous and one synonymous substitution occurred at the third site; however, because substitutions restored the original sequence, there is no evidence of any substitution. As the divergence time between two sequences increases, so too does the amount of multiple substitutions. Thus "long branches" in a dN/dS analysis can lead to underestimates of both dN and dS, and the longer the branch, the harder it is to correct for the introduced noise. This limits the usefulness of the Ka/Ks ratio for comparing closely related populations.
Индивидуальный кодонный подход
Дополнительную информацию можно получить путем определения соотношения Ka/Ks в конкретных кодонах внутри последовательности гена. Например, область настройки частоты опсина может находиться под повышенным селективным давлением, когда вид колонизирует и адаптируется к новой среде, тогда как область, ответственная за инициализацию нервного сигнала, может находиться под очищающим отбором. Для обнаружения таких эффектов в идеале следует рассчитать отношение Ka/Ks в каждом месте. Однако это является вычислительно дорогостоящим и на практике устанавливается ряд классов Ka/Ks, и каждому сайту присваивается наиболее подходящий класс. Первый шаг для определения того, действует ли положительная селекция на участках, заключается в сравнении теста, при котором отношение Ka/Ks ограничено < 1 во всех участках, с тем, где оно может принимать любое значение, и посмотреть, улучшает ли соответствие модели разрешение Ka/Ks превышать 1 в некоторых участках. Если это так, то участки, входящие в класс, где Ka/Ks > 1, являются кандидатами на положительный отбор. Эта форма испытания может либо определить участки, которые дальнейшие лабораторные исследования могут изучить для определения возможного селективного давления; или участки, которые, как полагают, имеют функциональное значение, могут быть отнесены к различным классам Ka / Ks до запуска модели.