群体重测序之适应性进化与功能基因定位

前言:随着IlluminaX-Ten测序仪的普及,重测序价格毫无疑问会继续越来越平民化。重测序已经是工具了,这意味着我们手头有什么诱人的材料都可以拿来测一测。既然比拼测序规模已经慢慢失去价值,而我们大部分人也不是数学/统计学家,没有能力去比拼或开发新的算法。那么相同的测序技术,大同小异的分析方法,我们的研究要如何从茫茫同质化的研究中脱颖而出呢?

其实最终,比拼的还是实验设计和数据挖掘解读能力。其实设计设计的高度和数据挖掘解读能力,本质上还是决定于我们对相关生物问题的理解程度以及对各种数据分析方法的理解程度。任何缺乏广泛性验证的结论都是耍流氓,未来从大群体数据中挖掘关键信息,将是越来越常用的方法。所以,在接下来一系列文章中,我们继续来讨论群体重测序。

第一节

概述:适应、分化以及相关基因定位

种群适应的过程,如何对基因组产生影响,这是个很有意思的问题。这里主要参考OutiSavolainenetal的一篇综述文章[],当然中间会大量加入我个人的观点。首先我们需要回答两个问题:

问题:在什么条件下,本地化适应会发生?

实际上,进化和适应是整个生物学世界的核心问题。我们看到的任何动物、植物、人的任何形态(除了你实验室刚刚制造出来的突变体),其实大部分都是适应选择的结果。正因为适应多种多样的地球环境,才造就了这五彩缤纷的世界。北极熊仅仅是60万年前从棕熊的一个分支演化而来的,而形态各异的汪星人其实只是狼的个亚种。达尔文的发现无处不在,在微观层面,人体内的癌细胞其实也是无时不刻上演着适应选择的过程,随时妄图统治我们的身体。

图:适应选择创造了五彩缤纷的世界

重要的是,演化是一个流动渐进的过程,过去在已慢慢发生,未来也不会停止。而我们现在看到的任何形态,其实都是漫长进化史的一个快照。所以,我们需要解答的问题是:什么情况下会发生适应性选择,以及适应性选择背后的原因上什么。

要观测到基因受本地化适应的痕迹,关键的因素是实验设计,尤其是群体的选择。其中个很关键的因素就是:不同群体间是否存在迁徙,因为本地化适应往往与某种程度的群体隔离相关(无论是人为还是自然导致的隔离)。其中地理隔绝导致的亚群分化是比较容易理解的,例如一座高山挡住两个亚群相互迁徙的可能。

那么,在非地理隔绝的群体如何产生亚群呢?在这样的群体中,本地化适应是选择和迁徙平衡的结果。这里不得不提到个概念:antagonisticpleiotropy,好像翻译为“拮抗性基因多效性”比较合理。这个概念实际上说的是,很多情况下,适应是有代价的:即以损失在其他环境下的适应性为代价,获得更强的本地适应能力。如下图,假设N是南方种,S是北方种,Y轴是适应性,X轴是地点。我们可以看到S在南方具有最高的适应性,到了北方却吃瘪了。这个道理其实非常容易懂,北极熊在北极的冰天雪地是霸主;如果到了针叶林,这一身高贵的白毛,保证耗子都抓不到。

图:拮抗性基因多效性

antagonisticpleiotropy的意义在于在某种程度上也降低了种群的迁徙能力(地头蛇一到外地分分钟变菜鸡),从而强化了本地化适应。这也解释了人类育成的作物、畜禽某种程度上都比较娇贵,对人类提供的环境非常依赖,在自然条件下毫无适应性。实际上就是人类育种选择过程中,追求高产带来的代价。如果不是antagonisticpleiotropy,某个优势基因型在任何环境下都非常强势,其就可能慢慢占领其他的生态位,导致这个基因座逐渐固定(英文翻译为fixed,指的是群体中仅仅保留一种基因型,其他基因型被淘汰)而失去了多样性。

绝大部分我们







































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