第九章 中性理论及检测

中性理论

中性进化又被称为非达尔文进化，因为大多数等位基因的替换都被认为是由于遗传漂变而非自然选择作用的结果。实际上，中性进化与达尔文学说并不矛盾！它只是说大部分基因替换对基因型的存活没有影响而已。少数有影响的那些替换则受到自然选择的作用，并且增加了物种对于环境的适应性

中性理论

中性理论一提出就充满争议，直到今天！

中性理论经典文献：M. Kimura & T. Ohta (1971) Protein polymorphism as a phase of molecular evolution. Nature 229:467-469

中性理论

氨基酸平均每年替换速率在脊椎动物所研究的各个蛋白质中都是相当恒定的。

血红蛋白： ks=10-9 氨基酸 × 位点－ 1× 年－ 1

细胞色素 c ： ks=0.3×10-9 氨基酸 × 位点－ 1× 年－ 1

蛋白质平均： ks=1.6×10-9 氨基酸 × 位点－ 1× 年－ 1

由于进化速率恒定而产生了分子钟的概念。 Kimura & Ohta 认为，如果（多变的）自然选择决定了氨基酸替换率，那么它不可能保持如此恒定。

Inferred pairwise nucleotide substitutions among 17 mammal species from seven gene products, as estimated from protein studies, plotted against date of divergence, as estimated from the fossil record. The line is drawn from the origin through the oldest point (marsupial / placental divergence at 125 MYBP). The strong linear relationship suggests that molecular differences between pairs of species are proportional to the time of their separation

中性理论

实验室测定的核苷酸突变率非常接近于 1.6×10－ 9 。这些证据是否说明了氨基酸进化是中性的？

蛋白质杂合度平均约为 0.1 （ 0.05-0.15 ） , 这意味着 =4N=0.1

中性理论

一个蛋白质大约有 300 个氨基酸，大约 30 ％的变异可以通过电泳检测出来。因此，电泳可检测出的整个蛋白质的突变率为： =1.6×10 -

9×300×0.3=1.44×10-7

根据估计的突变率、值，我们就可以大致算出（有效）种群有多大。

中性理论的两个难点1 、推导出 k ＝这个关系式所用时间单位是世代，而不是年。因而应该是每世代替换率保持恒定。从绝对时间（年）来看，世代短的生物进化速率要快一些！这种世代时间效应反映在非编码序列中，但在蛋白质中却未能观测到。数据与理论的不符促使 Ohta 提出：大多数氨基酸替换不是中性的，而是弱有害的。

中性理论的两个难点2 、从人到果蝇，蛋白质杂合度都落在 0.05-0.15 之间。这意味着这些物种的有效种群大小也应落在一个较小的范围内，而一般来说种群大小相差若干数量级。例如，果蝇的个体数量很可能在 1010 以上，杂合度应趋近于 1 ！解决这个矛盾，可从两个方面改进中性理论： Ohta 的弱有害突变假说，有效种群大小。

dn: the rate of nonsynonymous substitutions per nonsynonymous sites

ds: the rate of synonymous substitutions per synonymous sites

negative selection

positive selection

neutrality1

1

1

s

N

s

N

s

N

dd

dd

dd

sN dd

当平均很多位点时， dn/ds 很少会显著大于 1. 但即使一个基因所有位点的平均 dn/ds 小于

1 ，也可能会检测到大于 1 的位点。 如果选择作用于一个突变或非编码区， dn/ds

检测不到正选择。

HKA test

R. R.Hudson, M. Kreitman, M.Agaude 比较种间和种内的遗传变异。 种内遗传变异 种间遗传变异 来自不同物种的两个序列差异： 零假设：

iSE ni 11

1

T2 ANT 42

2211 FESEFESE

如果 S2/F2 <S1/F1 ，可以得出？

MK test

MacDonald-Kreitman test 与 HKA 相似，也是比较种内和种间的遗传差异，

但仅考虑编码区。 零假设：

对人类基因组的每一个 Locus 进行 MK ，大部分基因座是负选择， MK 检测不到强有害的突变。

SNSN FEFESESE

selectionnegativeFFSS

selectionpositiveFFSS

SNSN

SNSN

Negative selection+population expansion

positive selection+population decline

Site frequency spectrum (SFS)

如果一个新突变受负选择，它们处于低频， SFS相对于中性等位基因来说，主要集中在低频率。

正选择正好相反。 Selective sweep 会强烈改变与有利突变基因

连锁突变等位基因的频率，表现处于高频和低频两头的模式。

在实际数据中，非同义突变的频谱图相对于同义突变的频谱图更倾向于低频等位基因。

Tajima’s D test

检测等位基因频率与标准中性模型的偏差。

在标准的中性模型，这两个统计量应该相同，如果不同，不符合原假设的模型。

Selective sweep, balancing selection,

211 :,

1

1

nn

d

iS jijiij

T

n

i

W

Tw

Tw

Tajima’s D test

WT

WT

V

DsTajima

'

Tajima’s D <0, selective sweep or population decline Tajima’s D >0, balancing selection or population expansion

通常我们需要做模拟来确定显著性水平，经验值是 D>1.8 或 D<-1.8

种群间的遗传分化 在不同的种群，选择起作用的方式不同；正选择将提高有利突变基因的频率。但选择也可造成相似的基因频率。

乳糖耐受基因 LCT （ AA ， Aa ），乳糖不耐受（ aa) ，北欧有 1-2%乳糖不耐受，但在泰国97% 。

种群间的遗传分化

藏族人和汉族人 EPAS1 基因频率上的差别。

LD 和单倍型结构

检测正在进行的选择， segregating mutation 。

当有利突变达到中等频率时，携带有利基因的染色体在这个区段附近，基因相同；没有携带这个有利基因的染色体，继续保持原来的状态。