Fiksacijski indeks

Fiksacijski indeks ($F$_ST) jest mjera populacijske diferencijacije zbog njene genetičke strukture. Obično se procjenjuje na osnovu podataka o genetičkom polimorfizmu, kao što su jednonukleotidni polimorfizam (SNP) ili mikrosateliti. Kao poseban oblik Wrightove $F$-statistike, to je jedna od najčešće korištenih statistika u populacijskoj genetici.

Definicija

Dvije uobičajene definicije za $F$_ST na datom lokusu zasnivaju se na varijansi alelnih frekvencija između populacija i vjerovatnoći njihovog identiteta preko predaka. Ako je $\overline{p}$ je frekvencija alela u ukupnoj populaciji, ${\sigma }_S^2$ je varijansa frekvencije alela među različitim subpopulacijama, mjerena njihovom veličinom, a ${\sigma }_T^2$ je varijansa alelnog stanja u ukupnoj populaciji, $F$_ST je definiran kao:

$F_{ST}=\frac{{\sigma }_S^2}{{\sigma }_T^2}=\frac{{\sigma }_S^2}{\overline{p}(1-\overline{p})}$

Ova definicija, po Wrightovom F_ST mjeri iznos genetičke varijanse kojim se može objasniti struktura populacije. Također se može smatrati i dijelom ukupne različitosti koja nije posljedica prosječne različitosti unutar subpopulacija, Tu se različitost mjeri vjerojatnošću da su dva nasumično odabrana alela različita. Može se također uzeti da je

$2p(1-p)$.
Ako frekvencija alela u $i$toj populaciji iznosi $p_i$ , a relativna veličina $i$te populacije je $c_i$, tada

$F_{ST}=\frac{\overline{p}(1-\overline{p})-\sum c_i{p}_i(1-p_i)}{\overline{p}(1-\overline{p})}=\frac{\overline{p}(1-\overline{p})-\overline{p(1-p)}}{\overline{p}(1-\overline{p})}$

Alternativno,

$F_{ST}=\frac{f_0-\overline{f}}{1-\overline{f}}$,

gdje $f_0$ je vjerovatnoća identiteta pretka dvije individue data tako da su one u istoj subpopulaciji, a $\overline{f}$ je vjerovatnoća da su dvije individue iz ukupne populacije identične po porijeklu. Upotreba ove definicije, F_ST može se interpretirati koliko su bliske dvije individue iste subpopulacijebliskear, u poređenju sa ukupnom populacijom. Ako je stopa mutacija niska, ova interpretacija može naći eksplicitnije veze vjerovatnoće identiteta porijekla koalescentnog vremenskog puta: ako T₀ i T označavaju prosječno vrijeme koalescencije individua iz iste subpopulacije i ukpne populacije. Tada je

$F_{ST}\approx 1-\frac{T_0}{T}$

Ova formulacija se odnosi na prosjek koji se očekuje procjenom genetičkih podataka, a vodi ka razvoju različitih obrazaca procjene $F$_ST.

Procjene

U praksi, ni jedak kvantitet upotrebljen za definicije može se lako proračunati. Posljedica je da različiti estimatori predlažu i različite procjene. Primjer je procjena koja je primjenljiva na podatke o DNK sekvencama:

$F_{ST}=\frac{{\pi }_{\text{between}}-{\pi }_{\text{within}}}{{\pi }_{\text{between}}}$,

gdje ${\pi }_{\text{between}}$ and ${\pi }_{\text{within}}$ predstavlja prosjek broja razlika u uparivanju dvije individue iz različitih subpopulacija (${\pi }_{\text{between}}$) ili iz iste (${\pi }_{\text{within}}$) subpopulacije. Prosjek parnih razlika među populacijama može se izračunati kao suma međuparnih razlika podijeljenih brojem parova. Međutim, ova procjena $F$_ST je pristrasna kada je veličina uzorka mala ili varira među proučavanim populacijama. Stoga se za izračunavanje $F$_ST u praksi primijenjuju složenije metode. Dvije od najrasprostranjenijih procedura su pokazatelji prema Weiru i Cockerhamu (1984. -), prilagođena za analizu molekulske genetičke raznolikosti.

Interpretacija

Ovo poređenje genetičke varijabilnosti unutar i između populacija se često koristi u primijenjenoj populacijskoj genetici. Vrijednosti se kreću od 0 do 1, pri čemu nulta vrijednost podrazumijeva potpunu panmiksiju, što znači da se jedinke dvije posmatrane populacije slobodno pare. Vrijednost 1 podrazumijeva da se sve genetičke varijacije objašnjavaju strukturom populacije, a da dvije poređene populacije se međusobno genetički ne raznolikuju. Za idealizirane modele poput Wrightovog, tj. model otoka otoka, $F$_ST može se koristiti za procjenu stope migracija. Prema tom modelu, ta stopa je:

$\hat{M}\approx \frac{1}{2}(\frac{1}{F_{ST}}-1)$.

Interpretacija $F$_ST može biti teško kada su analizirani podaci visoko polimorfni. U ovom slučaju, vjerojatnost identiteta porijekla je vrlo niska i $F$_ST može imati proizvoljno nisku gornju granicu, što bi moglo dovesti do pogrešnog tumačenja podataka. Također, strogo govoreći $F$_ST nije genetička udaljenost, jer ne zadovoljava „trokut nejednakosti“. Kao posljedica toga, i dalje se razvijaju novi obrasci za mjerenje genetičke diferencijacije.

F_ST u ljudskim populacijama

Mešunarodni HapMap projekat International HapMap Project, za grananje populacijskog stabla po $F$_ST procjenjuje primjenom SNP podataka. Preko autosoma, $F$_ST je procijenjen na 0,12. Značaj ove $F$_ST vrijednosti kod ljudi je još sporan. Kao što $F$_ST nula znači da nema divergencije između populacija, $F$_STje jedan od indikakora stanja kompletne izolacije populacija.

Antropolozi često citiraju rad Richarda Lewontina iz 1972. koji je došao do sličnih vrijednosti i tumače ovaj iznos kao male biološke razlike između ljudskih rasa. S druge strane, Harpending je tvrdio da ova vrijednost $F$_ST = 0,12, na svjetskoj razini, podrazumijeva da je Šablon:Citat

Autosomna genetička distanca na bazi SNP

Interkontinentalna autosomna genetička distanca na bazi SNP markera

	Evropa (CEU)	Subsaharska Afrika (Yoruba)	Istočna Azija (Japanci)
Subsaharska Afrika (Yoruba)	0,153
Istočna Azija (Japanci)	0,111	0,190
Istočna Azija (Kinezi)	0,110	0,192	0,007

Intraevropko/mediteranske autosomne genetičke distance na bazi SNP markera

	Italijani	Palestinci	Šveđani	Finci	Španci	Nijemci	Rusi	Francuzi	Grci
Palestinci	0,0064
Šveđani	0,0064-0,0090	0,0191
Finci	0,0130-0,0230		0,0050-0,0110
Španci	0,0010-0,0050	0,0101	0,0040-0,0055	0,0110-0,0170
Nijemci	0,0029-0,0080	0,0136	0,0007-0,0010	0,0060-0,0130	0,0015-0,0030
Rusi	0,0088-0,0120	0,0202	0,0030-0,0036	0,0060-0,0120	0,0070-0,0079	0,0030-0,0037
Francuzi	0,0030-0,0050		0,0020	0,0080-0,0150	0,0010	0,0010	0,0050
Grci	0,0000	0,0057	0,0084		0,0035	0,0039	0,0108

Programi procjene F_ST

• Arlequin
• Fstat
• SMOGD
• diveRsity
• Microsatellite Analyzer (MSA) Šablon:Webarchive
• VCFtools

Moduli ca izračunavanje F_ST

• BioPerl
• hierfstat (R package)

Također pogledajte

• Genetička distanca
• Populacijska genetika

Vanjski linkovi

• BioPerl - Bio::PopGen::PopStats