Avainsana-arkisto: Genotyyppi

Peruskäsitteistä II

Tervehdys jälleen rakkaat lukijat!

Monet teistä ovat odottaneet uutta blogipäivitystä malttamattomina. Aurinkokaan ei ole paistanut niin kirkkaasti ja leipäkään ei ole maistunut leivältä blogipäivityksien puutteessa. Pahoittelen, että en ehtinyt päivittää viimeviikolla, sillä oli kiireitä itse tutkimuksen parissa.

Evoluution määritelmä

Olette ehtineet varmasti sulatella edellistä kirjoitusta. Opimme viimeksi, mitä alleelit ovat. Seuraavaksi aloitamme varsinaisen evoluutioteorian tarkastelun. Monet lukijat varmaan muistavat koulusta erään evoluution määritelmän: ”Evoluutio on alleelifrekvenssien muutosta populaatiossa.” Alleelifrekvensseillä tarkoitetaan eri alleelien osuuksia populaatiossa. Oletetaan, että populaation koko, N, on 100 yksilöä. Oletetaan vielä, että nämä yksilöt ovat diploideja (kuten esim. ihmiset ja muut eläimet). Tästä seuraa, että kyseisessä populaatiossa on 2N kopiota jokaisesta lokuksesta. Jos populaatiossa on x alleelin A_1 kopiota, alleelin A_1 frekvenssi on silloin

p_{A_1} = \frac{x}{2N}

Evoluutiossa on siis kyse siitä, että p_{A_1} muuttuu sukupolvien myötä. Ei oikeastaan mistään sen mystisemmästä. Huomaa, että p_{A_1} voi saada arvoja vain väliltä [0, 1]. Evoluutio ei kuitenkaan pysähdy jos jokin alleeli yleistyy populaatiossa frekvenssiin 1. Mutaatiot tuottavat uusi alleeleja ja vanhat alleelit korvautuvat uusilla evoluution kuluessa. Luonnonvalinta on tärkein alleelifrekvenssejä muuttava voima. Seuraavaksi selvennämme joitakin käsitteitä, jotka ovat välttämättömiä luonnonvalinnan ymmärtämiseksi.

Genotyyppifrekvenssi

Ennen varsinaista keskustelua kelpoisuudesta, on syytä sanoa muutama sana genotyyppien frekvensseistä. Oletamme tässä, että populaation yksilöt pariutuvat satunnaisesti tarkasteltavien alleelien suhteen. Olkoon populaatiossa on kaksi alleelia, A_1 ja A_2, joiden frekvenssit ovat p_{A_1} ja p_{A_2}. Nyt genotyyppien frekvenssit ovat f(A_1A_1) = p_{A_1}^2 ja f(A_1A_2) = 2p_{A_1}p_{A_2}. Oikeastaan olisin ennen tätä kirjoitusta voinut selittää tarkemmin miksi näin on. Nyt pyydän lukijoilta malttia ja vain ottamaan tämän annettuna. Tulen selittämään tämän tulevassa kirjoituksessa. Nokkelimmat lukijat ehkäpä muistavat koulusta, että tähän liittyy jotenkin Mendel sekä herrat Hardy ja Weinberg.

Kelpoisuuden käsitteestä

Jälleen lukijat varmasti muistavat koulusta jonkinlaisen luonnonvalinnan toiminnan kuvauksen. Jotkut yksilöt saavat enemmän jälkeläisiä kuin toiset ja tämän seurauksena seuraavassa sukupolvessa on suhteessa enemmän näiden yksilöiden jälkeläisiä. Haluamme kuitenkin määritellä luonnonvalinnan tarkemmin. Ensin määrittelemme kelpoisuuden (engl. fitness), evoluutiobiologiassa on joitakin käsitteitä joilla on tutkimuskäytössä tarkat määritelmät, mutta joita valitettavasti pahoinpidellään julmasti kansan keskuudessa. Kelpoisuus on yksi näistä. Kelpoisuus, W, on yksilön jälkeläisten lukumäärä seuraavassa sukupolvessa. Populaatiogenetiikassa käytämme usein genotyypin kelpoisuutta, joka on kaikkien populaation saman genotyypin yksilöiden keskimääräinen kelpoisuus. Eli genotyypin A_1A_2 genotyyppinenkelpoisuus, w_{12}, on kaikkien niiden yksilöiden W:n keskiarvo, joilla on genotyyppi A_1A_2. Usein populaatiogenetiikassa oletamme, että luonnonvalinta kohdistuu yksilötasolla fenotyyppeihin ja nämä fenotyypit määrää yksilön genotyyppi. Niinpä kelpoisuuden määritelmä yksilön ominaisuudeksi ei ole ongelma vaikka sovellamme kelpoisuutta genotyyppeihin.

Voimme mitata genotyyppistäkelpoisuutta joko absoluuttisesti tai suhteellisesti. Absoluuttinenkelpoisuus on odotettu eloonjäävien jälkeläisten määrä jotka tietyn genotyypin yksilö tuottaa. Suhteellinenkelpoisuus on absoluuttinen kelpoisuus skaalattuna jollakin tavalla. Usein esimerkiksi siten, että suurin kelpoisuus saa arvon 1. Suhteellinen kelpoisuus on usein hyödyllinen evoluution mallintamisessa, mutta absoluuttista kelpoisuutta käyttämällä näemme miten kelpoisuuden käsite on kytköksissä ekologiaan.

Tarkastellaan populaation kasvua yhden sukupolven verran. Olkoon populaatiokoko ajassa t, N_t. Oletetaan, että tarkasteltavassa lokuksessa on kaksi alleelia A_1 ja A_2 kuten edellä. Populaatiossa on p^2N_t yksilöä joilla on genotyyppi A_1A_1, 2p(1-p)N_t genotyypin A_1A_2 ja (1-p)^2 genotyypin A_2A_2 yksilöä. Huomaa, että tiputin p_{A_1} termistä alleelia merkitsevän alaindeksin selvyyden vuoksi, lisäksi p_{A_2} = 1 - p_{A_1}. Käyttäen genotyyppien absoluuttisia kelpoisuuksia, populaatiokoko seuraavassa sukupolvessa on

N_{t+1} = p^2N_tw_{11} + 2p(1-p)N_tw_{12} + (1-p)^2N_tw_{22}.

Tämän voimme kirjoittaa muotoon N_{t+1} = \bar{w}N_t, jossa \bar{w} = p^2w_{11} + 2p(1-p)w_{12} + (1-p)^2w_{22}. Termi \bar{w} on populaation keskimääräinen kelpoisuus, koska se on genotyyppien kelpoisuuksien summa painotettuna genotyyppien frekvensseillä. Se myös kertoo populaation kasvun yhden sukupolven yli, jos oletamme, että aika on diskreettimuuttuja. Vaikka tämä yhtälö pätee jos sukupolvet eivät ole päällekkäiset (esim. yksivuotiset kasvit), niin usein haluamme ekologiassa kuitenkin mallintaa aikaa jatkuvana muuttujana. Ekologiassa usein populaation kasvua kuvataan termillä

r = \frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t} \frac{1}{N}.

Jos populaation kasvun on hidasta, niin diskreetti- ja jatkuvamalli ovat likimäärin samat, ja näin löydämme yhteyden populaation kelpoisuuden ja ekologiassa käytetyn populaation kasvun kesken. Siis N_{t+1} = N_t\bar{w} \approx N_te^r, joten r \approx \mathrm{ln}(\bar{w}). Ekologiassa käytetty populaation kasvuvauhti on siis populaation keskimääräisen kelpoisuuden luonnollinen logaritmi.

Näin huomaamme, että kelpoisuus siis kytkeytyy ekologiseen teoriaan ja populaation kasvuun. Niinkuin nykyään on tapana sanoa: Fantastista! Kelpoisuudella ei siis ole mitään tekemistä ”vain vahvimmat selviytyvät” tyyppisten sanontojen kanssa. Kyse on siitä miten eri yksilöt vaikuttavat populaation kasvuun. Tietysti yksi osa kelpoisuutta voi olla eloonjääminen, mutta niin ei tarvitse olla.

Kirjallisuutta

Rice, S. H. 2004. Evolutionary Theory: Mathematical and Conceptual Foundations. Sinauer Associates Inc., Sunderland, MA.

Peruskäsitteistä

Nyt kun blogin lukijat ovat toipuneet juhannuksen vietosta, voimmekin varsinaisesti käynnistää tämän blogin.

Ajattelin, että ensimmäisessä kirjoituksessa selvennän muutamia peruskäsitteitä. Tämän blogin ideahan on sivistää kansalaisia genetiikasta ja evoluutiobiologiasta. Ennenkuin voimme keskustella evoluutiosta meidän täytyy ymmärtää ensin muutama populaatiogenetiikan käsite. Keskustelkaamme ensin hieman geeneistä. Lukijat toivottavasti muistavat koulusta sen, että DNA kantaa perinnöllistä informaatiota. Geenit ovat jaksoja DNA:ssa, jotka ohjaavat jonkin proteiinin tai RNA-molekyylin synteesiä. Tässä vaiheessa meidän ei tarvitse vaivata päätämme molekyylibiologian yksityiskohdilla.

Geenit ja alleelit

Mediaa seuraamalla törmää vähän väliä tiedeuutisiin, joissa raportoidaan, että taas on löydetty uusi geeni. Nämä geenit uutisten mukaan aiheuttavat milloin mitäkin – syöpää, alkoholismia, hiustenlähtöä – yleensä kuitenkin jotain sangen epämiellyttävää. Meillä ei kuitenkaan ole perimässämme geenejä joiden ainoa tehtävä on aiheuttaa syöpää. Mutaatiot joissakin geeneissä, joiden normaali tehtävä on esimerkiksi säädellä solujen jakautumista, voivat laukaista syövan. Oikeasti on siis ymmärretty, että mutaatio geenissä A voi aiheuttaa jonkin kamalan sairauden. Tämä tieto kertoo meille toivottavasti jotain mitä geeni A tekee kun kaikki toimii normaalisti.

Mutaatiot eivät kuitenkaan aina riko geenin toimintaa kokonaan, vaan ne voivat myös muuttaa sitä eri tavoin. Voi olla, että mutaatio geenissä A muuttaa sen toiminnan säätelyä, jolloin sen aktiivisuus voi laskea tai kasvaa. Olettakaamme, että A on proteiiniä tuottava geeni. Jotkin mutaatiot voivat muuttaa A:n sekvenssiä siten, että A:n tuottama proteiini toimii eri tavalla mutaation jälkeen.

Tästä pääsemmekin ensimmäiseen populaatiogenetiikan käsitteeseemme eli alleeliin. Määrittelemme ensin kuitenkin lokuksen käsitteen

Lokus: Jokin paikka genomissa. Yleensä lokuksella viitataan johonkin geenin, mutta kontekstista riippuen se voi olla myös laajempi alue genomista tai jopa yksittäinen DNA:n emäspari.

Alleeli: Alleelit ovat saman lokuksen eri muotoja. Oletetaan, että meillä on pätkä DNA:ta joka on viisi emäsparia pitkä: ATCGG. Jokin tämän lokuksen alleeli voisi esimerkiksi olla AACGG. Yksinkertaisimmillaan alleeli on siis vaihtoehtoinen emäspäri DNA:ssa.

Genotyyppi ja fenotyyppi

Seuraavaksi on hyvä erottaa yksilön genotyyppi ja fenotyyppi. Erilaiset alleelit voivat aiheuttaa jonkin näkyvän muutoksen niitä kantavissa yksilöissä, esimerkiksi erot hiusten ja silmien väreissä johtuvat siitä, että yksilöillä on eri alleelit niihin vaikuttavissa geeneissä. Vaikka molemmilla on tietyti sama geeni. Oletetaan, että geenilla A on kaksi alleellia A_1 ja A_2. Useimmilla monisoluisilla eläimillä, joita myös ihmiset ovat, on kaksi kopiota jokaisesta lokuksesta. Olemme perineet yhden kopion kultakin vanhemmalta. Tässä tapauksessa geeni A:n mahdolliset genotyypit ovat: A_1A_1, A_1A_2 tai A_2A_2. Tapauksessa jossa yksilö kantaa molempia alleeleja, emme tee eroa sille kummalta vanhemmalta ne ovat peritty joten A_1A_2 ja A_2A_1 ovat sama genotyyppi. Sanokaamme, että alleeli A_2 aiheuttaa jonkin päällepäin näkyvän ominaisuuden sen kantajissa, esim. valkoiset silmät banaanikärpäsellä, mutta vain sellaisissa genotyypeissä joiden genotyyppi on A_2A_2. Genotyyppien A_1A_1 ja A_1A_2 silmät ovat punaiset. Yksilön genotyyppi on siis ne tarkasteltavien lokusten alleelit, joita yksilö kantaa. Fenotyyppi puolestaan on jokin näkyvä tai mitattu ominaisuus yksilöstä, josta molemme kiinnostuneet.

Joskus yksilön fenotyypillä tarkoitetaan useiden ominaisuuksien jonkinlaista kokonaisuutta joka on geenien ja ympäristön tuote. Moniin monimutkaisempiin ja mielenkiintoisempiin fenotyyppeihin vaikuttaa tietysti sekä yksilön genotyyppi, että se ympäristö jossa yksilö on kasvanut.

Lopuksi

Koska blogin lukijat ovat varmasti valikoitunut ja sivistynyt joukko. Oletan, että monille tämä varmasti oli niin sanotusti tutta kauraa. Ajatuksenani on pienin askelin edetä mielenkiintoisempiin aiheisiin, mutta ensin on syytä varmistaa, että peruskäsitteet ovat kaikille tuttuja. Koettakaa kestää seuraavaa kirjoitusta odotellessa!