Erblichkeit - Heritability

Studium der Erblichkeit Fragen wie , in welchem Umfang sie genetische Faktoren beeinflussen Unterschiede in der Höhe zwischen den Menschen. Dies ist nicht dasselbe wie die Frage, inwieweit genetische Faktoren die Körpergröße einer einzelnen Person beeinflussen.

Heritabilität ist eine in den Bereichen Züchtung und Genetik verwendete Statistik , die den Grad der Variation eines phänotypischen Merkmals in einer Population schätzt, der auf genetische Variation zwischen Individuen in dieser Population zurückzuführen ist. Es misst, wie viel von der Variation eines Merkmals auf die Variation genetischer Faktoren zurückgeführt werden kann, im Gegensatz zu Variationen von Umweltfaktoren. Das Konzept der Heritabilität kann in Form der folgenden Frage ausgedrückt werden: "Wie groß ist der Anteil der Variation eines bestimmten Merkmals innerhalb einer Population, der nicht durch die Umgebung oder den Zufall erklärt wird?"

Andere Ursachen der gemessenen Variation in einem Merkmal werden als Umweltfaktoren charakterisiert , einschließlich Beobachtungsfehler . In Humanstudien zur Vererbung werden diese häufig in Faktoren aus "gemeinsamer Umgebung" und "nicht geteilter Umgebung" eingeteilt, je nachdem, ob sie tendenziell dazu führen, dass Personen, die im selben Haushalt aufgewachsen sind, mehr oder weniger ähnlich sind wie nicht-gewohnte Personen.

Die Heritabilität wird geschätzt, indem die individuelle phänotypische Variation zwischen verwandten Individuen in einer Population verglichen wird, indem die Assoziation zwischen individuellen Phänotyp- und Genotypdaten untersucht wird oder sogar Daten auf Zusammenfassungsebene aus genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) modelliert werden. Heritabilität ist ein wichtiges Konzept in der quantitativen Genetik , insbesondere in der selektiven Zucht- und Verhaltensgenetik (z. B. Zwillingsstudien ). Es ist die Quelle vieler Verwirrung aufgrund der Tatsache, dass sich seine technische Definition von der allgemein verstandenen Volksdefinition unterscheidet. Daher erweckt seine Verwendung den falschen Eindruck, dass Verhaltensmerkmale „vererbt“ oder gezielt durch die Gene weitergegeben werden. Verhaltensgenetiker führen auch Erblichkeitsanalysen durch, die auf der Annahme basieren, dass Gene und Umwelt auf separate, additive Weise zu Verhaltensmerkmalen beitragen.

Überblick

Die Heritabilität misst den Anteil der Variabilität des Phänotyps, der auf genetische Variation zurückgeführt werden kann . Dies ist nicht dasselbe wie zu sagen, dass dieser Anteil eines individuellen Phänotyps genetisch bedingt ist. Es ist zum Beispiel falsch zu sagen, da die Vererbbarkeit von Persönlichkeitsmerkmalen etwa 0,6 beträgt, bedeutet dies, dass 60 % Ihrer Persönlichkeit von Ihren Eltern geerbt werden und 40 % von der Umwelt. Darüber hinaus kann sich die Erblichkeit ändern, ohne dass eine genetische Veränderung auftritt, beispielsweise wenn die Umwelt beginnt, zu mehr Variation beizutragen. Bedenken Sie als Beispiel, dass sowohl Gene als auch die Umwelt das Potenzial haben, die Intelligenz zu beeinflussen. Die Erblichkeit könnte zunehmen, wenn die genetische Variation zunimmt, was dazu führt, dass Individuen mehr phänotypische Variationen aufweisen, wie zum Beispiel unterschiedliche Intelligenzniveaus. Auf der anderen Seite könnte die Erblichkeit auch zunehmen, wenn die Umweltvariation abnimmt, was dazu führt, dass Individuen weniger phänotypische Variationen aufweisen, wie etwa ein ähnlicheres Intelligenzniveau. Die Erblichkeit nimmt zu, wenn die Genetik zu mehr Variation beiträgt oder weil nicht-genetische Faktoren weniger Variation beitragen; was zählt, ist der relative Beitrag. Die Heritabilität ist spezifisch für eine bestimmte Population in einer bestimmten Umgebung. Eine hohe Heritabilität eines Merkmals bedeutet folglich nicht unbedingt, dass das Merkmal nicht sehr anfällig für Umwelteinflüsse ist. Die Erblichkeit kann sich auch als Folge von Umweltveränderungen, Migration, Inzucht oder der Art und Weise, wie die Erblichkeit selbst in der untersuchten Population gemessen wird, ändern . Die Erblichkeit eines Merkmals sollte nicht als Maß dafür interpretiert werden, inwieweit dieses Merkmal bei einem Individuum genetisch bedingt ist.

Das Ausmaß der Abhängigkeit des Phänotyps von der Umgebung kann auch eine Funktion der beteiligten Gene sein. Fragen der Vererbung sind kompliziert, da Gene einen Phänotyp kanalisieren können , was seine Expression in allen vorkommenden Umgebungen fast unvermeidlich macht. Personen mit demselben Genotyp können auch durch einen Mechanismus namens phänotypische Plastizität unterschiedliche Phänotypen aufweisen , was die Messung der Erblichkeit in einigen Fällen erschwert. Neuere Erkenntnisse der Molekularbiologie haben Veränderungen der Transkriptionsaktivität einzelner Gene identifiziert, die mit Umweltveränderungen verbunden sind. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Genen, deren Transkription durch die Umwelt nicht beeinflusst wird.

Schätzungen der Erblichkeit verwenden statistische Analysen , um die Ursachen von Unterschieden zwischen Individuen zu identifizieren. Da die Heritabilität mit Varianz zu tun hat, ist sie notwendigerweise eine Erklärung für die Unterschiede zwischen Individuen in einer Population. Heritabilität kann univariat sein – Untersuchung eines einzelnen Merkmals – oder multivariat – Untersuchung der genetischen und umweltbezogenen Assoziationen zwischen mehreren Merkmalen gleichzeitig. Dies ermöglicht einen Test der genetischen Überlappung zwischen verschiedenen Phänotypen: zum Beispiel Haarfarbe und Augenfarbe . Umwelt und Genetik können ebenfalls interagieren, und Erblichkeitsanalysen können diese Interaktionen testen und untersuchen (GxE-Modelle).

Eine Voraussetzung für Heritabilitätsanalysen ist, dass eine gewisse Populationsvariation zu berücksichtigen ist. Dieser letzte Punkt unterstreicht die Tatsache, dass die Erblichkeit nicht die Wirkung von Faktoren berücksichtigen kann, die in der Population invariant sind. Faktoren können unveränderlich sein, wenn sie nicht vorhanden sind und in der Bevölkerung nicht vorhanden sind, z. B. wenn niemand Zugang zu einem bestimmten Antibiotikum hat , oder weil sie allgegenwärtig sind, beispielsweise wenn jeder Kaffee trinkt . In der Praxis variieren alle menschlichen Verhaltensmerkmale und fast alle Merkmale weisen eine gewisse Erblichkeit auf.

Definition

Jeder bestimmte Phänotyp kann als Summe genetischer und umweltbedingter Effekte modelliert werden:

Phänotyp ( P ) = Genotyp ( G ) + Umgebung ( E ).

Ebenso ist die phänotypische Varianz im Merkmal – Var (P) – die Summe der Effekte wie folgt:

Var( P ) = Var( G ) + Var( E ) + 2 Cov( G , E ).

In einem geplanten Experiment kann Cov( G , E ) kontrolliert und auf 0 gehalten werden. In diesem Fall ist die Heritabilität definiert als:

H 2 ist die Erblichkeit im weitesten Sinne. Dies spiegelt alle genetische Beiträge zu einer phänotypischen Varianz der Population einschließlich Zusatzstoff , dominant , und epistatische (Multi-gene - Wechselwirkungen) sowie mütterliche und väterliche Effekte , in denen Menschen direkt betroffen sind , die von ihren Eltern Phänotyp, wie mit Milchproduktion in Säugetiere.

Eine besonders wichtige Komponente der genetischen Varianz ist die additive Varianz, Var(A), also die Varianz aufgrund der durchschnittlichen Effekte (additive Effekte) der Allele . Da jeder Elternteil ein einzelnes Allel pro Locus an jeden Nachkommen weitergibt, hängt die Ähnlichkeit zwischen Eltern und Nachkommen von der durchschnittlichen Wirkung einzelner Allele ab. Die additive Varianz stellt daher die genetische Varianzkomponente dar, die für die Ähnlichkeit zwischen Eltern und Nachkommen verantwortlich ist. Der additive genetische Anteil der phänotypischen Varianz wird als Narrow-Sense-Heritabilität bezeichnet und ist definiert als

Ein Großbuchstabe H 2 wird verwendet, um den weiten Sinn zu bezeichnen, und ein Kleinbuchstabe h 2 für den engen Sinn.

Für Züge , die wie eine zusätzliche Zehe oder bestimmte Krankheiten nicht kontinuierlich , sondern dichotomous sind, kann der Beitrag der verschiedenen Allele in Betracht gezogen wird eine Summe sein, die an einer Schwelle, zeigt mich als das Merkmal, was die Haftung Schwellen Modell , in der Erblichkeit geschätzt und Selektion modelliert werden kann.

Für die Selektion ist die additive Varianz wichtig . Wenn ein selektiver Druck ausgeübt wird, wie z. B. die Verbesserung des Viehbestands, steht die Reaktion des Merkmals in direktem Zusammenhang mit der engsinnigen Vererbung. Der Mittelwert des Merkmals wird in der nächsten Generation in Abhängigkeit davon steigen, wie sehr sich der Mittelwert der ausgewählten Eltern vom Mittelwert der Population unterscheidet, aus der die ausgewählten Eltern ausgewählt wurden. Die beobachtete Reaktion auf die Selektion führt zu einer Schätzung der engsinnigen Heritabilität (als realisierte Heritabilität bezeichnet ). Dies ist das Prinzip, das der künstlichen Selektion oder Züchtung zugrunde liegt.

Beispiel

Abbildung 1. Beziehung phänotypischer Werte zu additiven und Dominanzeffekten unter Verwendung eines vollständig dominanten Locus.

Das einfachste genetische Modell beinhaltet einen einzelnen Locus mit zwei Allelen (b und B), die einen quantitativen Phänotyp beeinflussen.

Die Anzahl der B- Allele kann 0, 1 oder 2 sein. Für jeden Genotyp ( B i , B j ), wobei B i und B j entweder 0 oder 1 sind, kann der erwartete Phänotyp dann als Summe der Gesamtmittelwert, ein linearer Effekt und eine Dominanzabweichung (man kann sich den Dominanzterm als Interaktion zwischen B i und B j vorstellen ):

Die additive genetische Varianz an diesem Locus ist der gewichtete Durchschnitt der Quadrate der additiven Effekte:

wo

Ein ähnlicher Zusammenhang besteht für die Varianz der Dominanzabweichungen:

wo

Die lineare Regression des Phänotyps auf den Genotyp ist in Abbildung 1 dargestellt.

Annahmen

Schätzungen der Gesamtvererbbarkeit menschlicher Merkmale gehen von der Abwesenheit von Epistase aus, die als "Annahme der Additivität" bezeichnet wird. Obwohl einige Forscher solche Schätzungen zitiert haben, um die Existenz einer „ fehlenden Heritabilität “ zu untermauern, die nicht durch bekannte genetische Loci erklärt wird, kann die Annahme der Additivität diese Schätzungen ungültig machen. Es gibt auch einige empirische Belege dafür, dass die Annahme der Additivität in verhaltensgenetischen Studien zur Intelligenz und schulischen Leistung von Jugendlichen häufig verletzt wird .

Schätzung der Erblichkeit

Da nur P direkt beobachtet oder gemessen werden kann, muss die Heritabilität aus den Ähnlichkeiten geschätzt werden, die bei Personen mit unterschiedlichem Grad an genetischer oder umweltbedingter Ähnlichkeit beobachtet wurden. Die zur Schätzung der genetischen und umweltbedingten Varianzkomponenten erforderlichen statistischen Analysen hängen von den Stichprobenmerkmalen ab. Kurz gesagt, bessere Schätzungen werden unter Verwendung von Daten von Personen mit sehr unterschiedlichen genetischen Verwandtschaftsgraden – wie Zwillingen , Geschwistern, Eltern und Nachkommen – erhalten, anstatt von weiter entfernt verwandten (und daher weniger ähnlichen) Personen. Der Standardfehler für Heritabilitätsschätzungen wird mit großen Stichprobengrößen verbessert.

In nichtmenschlichen Populationen ist es oft möglich, Informationen auf kontrollierte Weise zu sammeln. Bei Nutztieren ist es beispielsweise leicht, dafür zu sorgen, dass ein Bulle Nachkommen von einer großen Anzahl von Kühen erzeugt und die Umgebung kontrolliert. Eine solche experimentelle Kontrolle ist im Allgemeinen nicht möglich, wenn menschliche Daten gesammelt werden, die sich auf natürlich vorkommende Beziehungen und Umgebungen verlassen.

In der klassischen quantitativen Genetik gab es zwei Denkrichtungen bezüglich der Schätzung der Erblichkeit.

Eine Denkschule wurde von Sewall Wright an der University of Chicago entwickelt und von CC Li ( Universität Chicago ) und JL Lush ( Iowa State University ) weiter bekannt gemacht. Es basiert auf der Analyse von Korrelationen und im weiteren Sinne der Regression. Die Path Analysis wurde von Sewall Wright entwickelt, um die Heritabilität abzuschätzen.

Die zweite wurde ursprünglich von RA Fisher entwickelt und an der University of Edinburgh , der Iowa State University und der North Carolina State University sowie anderen Schulen erweitert. Es basiert auf der Varianzanalyse von Zuchtstudien unter Verwendung der klasseninternen Korrelation von Verwandten. Bei diesen Analysen werden verschiedene Methoden zur Schätzung von Varianzkomponenten (und damit der Heritabilität) aus ANOVA verwendet.

Heutzutage kann die Erblichkeit aus allgemeinen Stammbäumen unter Verwendung von linearen gemischten Modellen und aus der genomischen Verwandtschaft , die aus genetischen Markern geschätzt wird, geschätzt werden.

Studien zur menschlichen Erblichkeit verwenden häufig Adoptionsstudiendesigns, oft mit eineiigen Zwillingen , die früh im Leben getrennt wurden und in verschiedenen Umgebungen aufgewachsen sind. Solche Individuen haben identische Genotypen und können verwendet werden, um die Auswirkungen von Genotyp und Umwelt zu trennen. Eine Grenze dieses Designs ist die gemeinsame pränatale Umgebung und die relativ geringe Anzahl von Zwillingen, die getrennt aufgezogen werden. Ein zweites und häufigeres Design ist die Zwillingsstudie, bei der die Ähnlichkeit von eineiigen und zweieiigen Zwillingen verwendet wird, um die Erblichkeit zu schätzen. Diese Studien können durch die Tatsache eingeschränkt werden, dass eineiige Zwillinge genetisch nicht vollständig identisch sind , was möglicherweise zu einer Unterschätzung der Erblichkeit führt.

In Beobachtungsstudien oder aufgrund von evokativen Effekten (wo ein Genom durch seine Wirkung auf sie Umgebungen hervorruft) können G und E kovariieren: Korrelation der Genumgebung . Abhängig von den Methoden, die zur Schätzung der Erblichkeit verwendet werden, können Korrelationen zwischen genetischen Faktoren und geteilten oder nicht geteilten Umgebungen mit der Erblichkeit verwechselt werden oder nicht.

Regressions-/Korrelationsmethoden der Schätzung

Die erste Schätzungsschule verwendet Regression und Korrelation, um die Heritabilität zu schätzen.

Vergleich naher Verwandter

Im Verwandtschaftsvergleich stellen wir fest, dass im Allgemeinen

Dabei kann man sich r als den Verwandtschaftskoeffizienten vorstellen , b ist der Regressionskoeffizient und t ist der Korrelationskoeffizient.

Eltern-Nachkommen-Regression
Abbildung 2. Daten von Sir Francis Galton (1889), die die Beziehung zwischen der Größe der Nachkommen (928 Individuen) als Funktion der durchschnittlichen Größe der Eltern (205 Sätze von Eltern) zeigen.

Die Heritabilität kann durch den Vergleich von Eltern- und Nachkommenmerkmalen (wie in Abb. 2) abgeschätzt werden. Die Steigung der Linie (0,57) nähert sich der Heritabilität des Merkmals an, wenn die Nachkommenwerte gegen das durchschnittliche Merkmal der Eltern regressiert werden. Wenn nur der Wert eines Elternteils verwendet wird, ist die Vererbung doppelt so hoch wie die Steigung. (Beachten Sie, dass dies die Quelle des Begriffs " Regression " ist, da die Nachkommenswerte immer dazu neigen, sich auf den Mittelwert für die Population zu regressieren , dh die Steigung ist immer kleiner als eins). Dieser Regressionseffekt liegt auch der DeFries-Fulker-Methode zur Analyse von Zwillingen zugrunde, die für ein betroffenes Mitglied ausgewählt wurden.

Geschwistervergleich

Ein grundlegender Ansatz zur Vererbung kann mit Full-Sib-Designs verfolgt werden: Vergleich der Ähnlichkeit zwischen Geschwistern, die sowohl eine leibliche Mutter als auch einen Vater haben. Wenn es nur eine additive Genwirkung gibt, ist diese phänotypische Geschwisterkorrelation ein Vertrautheitsindex – die Summe aus der Hälfte der additiven genetischen Varianz plus der vollen Wirkung der gemeinsamen Umgebung. Es legt somit eine Obergrenze für die additive Heritabilität von dem Doppelten der phänotypischen Korrelation der vollständigen Sib fest. Halbgeschwister-Designs vergleichen phänotypische Merkmale von Geschwistern, die einen Elternteil mit anderen Geschwistergruppen teilen.

Zwillingsstudium
Abbildung 3. Zwillingskonkordanzen für sieben psychologische Merkmale (Stichprobengröße in Balken dargestellt), wobei DZ brüderlich und MZ eineiige Zwillinge sind.

Die Erblichkeit von Merkmalen beim Menschen wird am häufigsten durch den Vergleich von Ähnlichkeiten zwischen Zwillingen geschätzt. „Der Vorteil von Zwillingsstudien besteht darin, dass die Gesamtvarianz in genetische, gemeinsame oder gemeinsame Umwelt- und einzigartige Umweltkomponenten aufgeteilt werden kann, was eine genaue Schätzung der Erblichkeit ermöglicht.“ Zweieiige oder zweieiige (DZ) Zwillinge teilen im Durchschnitt die Hälfte ihrer Gene (vorausgesetzt, es gibt keine assortative Paarung für das Merkmal), und so sind eineiige oder eineiige (MZ) Zwillinge im Durchschnitt doppelt so genetisch ähnlich wie DZ-Zwillinge. Eine grobe Schätzung der Erblichkeit ist dann ungefähr der doppelte Unterschied in der Korrelation zwischen MZ- und DZ-Zwillingen, dh Falconers Formel H 2 = 2(r(MZ)-r(DZ)).

Der Effekt der gemeinsamen Umgebung, c 2 , trägt aufgrund der Gemeinsamkeit der Umgebung, in der sie aufgewachsen sind, zur Ähnlichkeit zwischen Geschwistern bei. Die gemeinsame Umgebung wird durch die DZ-Korrelation minus der halben Vererbbarkeit angenähert, das ist der Grad, in dem DZ-Zwillinge die gleichen Gene teilen , c 2 = DZ-1/2 h 2 . Die einzigartige Umweltvarianz, e 2 , spiegelt den Grad wider, in dem eineiige Zwillinge, die zusammen aufgewachsen sind, unähnlich sind, e 2 =1-r(MZ).

Analyse von Varianzschätzungsmethoden

Der zweite Satz von Methoden zur Schätzung der Heritabilität umfasst ANOVA und Schätzung von Varianzkomponenten.

Basismodell

Wir verwenden die grundlegende Diskussion von Kempthorne. Betrachten wir nur das grundlegendste genetische Modell, können wir den quantitativen Beitrag eines einzelnen Locus mit Genotyp G i als

wo ist die Wirkung des Genotyps G i und ist die Umweltwirkung.

Betrachten Sie ein Experiment mit einer Gruppe von Bullen und deren Nachkommen aus zufälligen Muttertieren. Da die Nachkommen die Hälfte ihrer Gene vom Vater und die andere Hälfte von ihrer (zufälligen) Mutter bekommen, lautet die Nachkommengleichung

Intraklassenkorrelationen

Betrachten Sie das obige Experiment. Wir haben zwei Nachkommengruppen, die wir vergleichen können. Die erste ist der Vergleich der verschiedenen Nachkommen eines einzelnen Vererbers ( innerhalb der Vererbergruppe genannt ). Die Varianz enthält Begriffe für genetische Varianz (da sie nicht alle den gleichen Genotyp erhielten) und Umweltvarianz. Dies wird als Fehlerbegriff angesehen .

Die zweite Nachkommengruppe sind Mittelvergleiche von Halbgeschwistern untereinander (genannt unter Vatergruppe ). Zusätzlich zum Fehlerterm wie in den Vererbergruppen haben wir einen Additionsterm aufgrund der Unterschiede zwischen den verschiedenen Mittelwerten der Halbgeschwister. Die Intraklassenkorrelation ist

,

da Umweltwirkungen unabhängig voneinander sind.

Die ANOVA

In einem Experiment mit Bullen und Nachkommen pro Bulle können wir die folgende ANOVA berechnen, indem wir als genetische Varianz und als Umweltvarianz verwenden:

Tabelle 1: ANOVA für das Sire-Experiment
Quelle df Quadratischer Mittelwert Erwartetes mittleres Quadrat
Zwischen den Vererbergruppen
Innerhalb der Vererbergruppen

Der Begriff ist die klasseninterne Korrelation zwischen Halbgeschwistern. Wir können leicht berechnen . Das erwartete mittlere Quadrat wird aus der Verwandtschaft der Individuen (Nachkommen innerhalb eines Vaters sind zum Beispiel alle Halbgeschwister) und dem Verständnis der klasseninternen Korrelationen berechnet.

Die Verwendung der ANOVA zur Berechnung der Heritabilität berücksichtigt oft nicht das Vorhandensein von Gen-Umwelt-Interaktionen , da die ANOVA eine viel geringere statistische Aussagekraft für das Testen von Interaktionseffekten als für direkte Effekte hat.

Modell mit additiven und Dominanztermen

Für ein Modell mit additiven und Dominanztermen, aber nicht anderen, lautet die Gleichung für einen einzelnen Locus

wo

ist die additive Wirkung des i- ten Allels, ist die additive Wirkung des j- ten Allels, ist die Dominanzabweichung für den ij- ten Genotyp und ist die Umgebung.

Experimente können mit einem ähnlichen Aufbau wie in Tabelle 1 durchgeführt werden. Unter Verwendung verschiedener Beziehungsgruppen können wir verschiedene klasseninterne Korrelationen auswerten. Unter Verwendung als additive genetische Varianz und als Varianz der Dominanzabweichung werden klasseninterne Korrelationen zu linearen Funktionen dieser Parameter. Im Allgemeinen,

Intraklassenkorrelation

wo und werden gefunden als

P[ zufällig aus dem Verwandtschaftspaar gezogene Allele sind nach Abstammung identisch ], und

P[ -Genotypen, die zufällig aus dem Verwandtschaftspaar gezogen wurden, sind nach Abstammung identisch ].

Einige allgemeine Beziehungen und ihre Koeffizienten sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Koeffizienten zur Berechnung von Varianzkomponenten
Beziehung
Eineiige Zwillinge
Eltern-Nachkommen
Halbgeschwister
Vollgeschwister
Cousinen ersten Grades
Doppel Cousinen ersten Grades

Lineare gemischte Modelle

In der Literatur wird über eine Vielzahl von Ansätzen berichtet, die lineare gemischte Modelle verwenden. Mit diesen Methoden wird die phänotypische Varianz in genetische, umweltbedingte und experimentelle Designvarianzen unterteilt, um die Heritabilität abzuschätzen. Umweltvarianz kann explizit modelliert werden, indem Individuen in einem breiten Spektrum von Umgebungen untersucht werden, obwohl der Rückschluss auf die genetische Varianz aus der Phänotyp- und Umweltvarianz zu einer Unterschätzung der Heritabilität führen kann, da es schwierig ist, den gesamten Bereich der Umwelteinflüsse zu erfassen, die ein Merkmal beeinflussen. Andere Methoden zur Berechnung der Heritabilität verwenden Daten aus genomweiten Assoziationsstudien , um den Einfluss genetischer Faktoren auf ein Merkmal abzuschätzen, der sich in der Rate und dem Einfluss mutmaßlich assoziierter genetischer Loci (normalerweise Einzelnukleotid-Polymorphismen ) auf das Merkmal widerspiegelt . Dies kann jedoch zu einer Unterschätzung der Erblichkeit führen. Diese Diskrepanz wird als "fehlende Heritabilität" bezeichnet und spiegelt die Herausforderung wider, sowohl genetische als auch umweltbedingte Varianz in Heritabilitätsmodellen genau zu modellieren.

Wenn ein großer, komplexer Stammbaum oder eine andere oben genannte Art von Daten verfügbar ist, können Heritabilität und andere quantitative genetische Parameter durch eingeschränkte maximale Wahrscheinlichkeit (REML) oder Bayessche Methoden geschätzt werden . Die Rohdaten enthalten normalerweise drei oder mehr Datenpunkte für jedes Individuum: einen Code für den Vater, einen Code für die Mutter und einen oder mehrere Merkmalswerte. Unterschiedliche Merkmalswerte können für unterschiedliche Merkmale oder für unterschiedliche Messzeitpunkte gelten.

Die derzeit verbreitete Methodik beruht auf einem hohen Grad an Sicherheit über die Identität von Vater und Mutter; Es ist nicht üblich, die Vateridentität probabilistisch zu behandeln. Dies ist normalerweise kein Problem, da die Methodik selten auf Wildpopulationen angewendet wird (obwohl sie für mehrere wildlebende Huftier- und Vogelpopulationen verwendet wurde) und Bullen in Zuchtprogrammen ausnahmslos mit sehr hoher Sicherheit bekannt sind. Es gibt auch Algorithmen, die eine unsichere Vaterschaft berücksichtigen.

Die Ahnentafeln können mit Programmen wie Pedigree Viewer [1] eingesehen und mit Programmen wie ASReml , VCE [2] , WOMBAT [3] , MCMCglmm innerhalb der R-Umgebung [4] oder der BLUPF90- Programmfamilie [5] analysiert werden. .

Stammbaummodelle sind hilfreich, um Verwechslungen wie umgekehrte Kausalität , mütterliche Effekte wie die pränatale Umgebung und die Verwechslung von genetischer Dominanz , geteilter Umgebung und mütterlichen Geneffekten zu entwirren .

Genomische Vererbbarkeit

Wenn genomweite Genotypdaten und Phänotypen aus großen Populationsstichproben verfügbar sind, kann man die Beziehungen zwischen Individuen basierend auf ihren Genotypen schätzen und ein lineares gemischtes Modell verwenden, um die Varianz zu schätzen, die durch die genetischen Marker erklärt wird. Dies ergibt eine Schätzung der genomischen Erblichkeit, die auf der Varianz basiert, die von gemeinsamen genetischen Varianten erfasst wird. Es gibt mehrere Methoden, die unterschiedliche Anpassungen der Allelfrequenz und des Kopplungsungleichgewichts vornehmen . Insbesondere die Methode namens High-Definition Likelihood (HDL) kann die genomische Heritabilität nur unter Verwendung von zusammenfassenden GWAS-Statistiken abschätzen, was es einfacher macht, große Stichprobengrößen in verschiedene GWAS-Metaanalysen einzubeziehen.

Antwort auf Auswahl

Abbildung 4. Stärke der Selektion (S) und Reaktion auf Selektion (R) in einem künstlichen Selektionsexperiment, h 2 =R/S.

Bei der selektiven Züchtung von Pflanzen und Tieren kann die erwartete Reaktion auf die Selektion eines Merkmals mit bekannter engsinniger Vererbung anhand der Züchtergleichung abgeschätzt werden :

In dieser Gleichung wird die Antwort auf die Selektion (R) als die realisierte durchschnittliche Differenz zwischen der Elterngeneration und der nächsten Generation definiert, und das Selektionsdifferential (S) wird als die durchschnittliche Differenz zwischen der Elterngeneration und den ausgewählten Eltern definiert.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, ein Pflanzenzüchter beteiligt sich an einem selektiven Züchtungsprojekt mit dem Ziel, die Anzahl der Körner pro Maiskolben zu erhöhen. Nehmen wir zur Argumentation an, dass die durchschnittliche Ähre der Elterngeneration 100 Körner hat. Nehmen wir auch an, dass die ausgewählten Eltern Mais mit durchschnittlich 120 Körnern pro Ähre produzieren. Wenn h 2 gleich 0,5 ist, wird die nächste Generation Mais mit durchschnittlich 0,5 (120-100) = 10 zusätzliche Körner pro Ähre produzieren. Daher wird die Gesamtzahl der Körner pro Maiskolben im Durchschnitt 110 betragen.

Die Beobachtung der Selektionsreaktion in einem künstlichen Selektionsexperiment ermöglicht die Berechnung der realisierten Heritabilität wie in Abb. 4.

Beachten Sie, dass die Heritabilität in der obigen Gleichung nur dann gleich dem Verhältnis ist , wenn der Genotyp und das Umgebungsrauschen Gaußschen Verteilungen folgen .

Kontroversen

Prominente Kritiker von Heritability-Schätzungen, wie Steven Rose , Jay Joseph und Richard Bentall , konzentrieren sich hauptsächlich auf Heritability-Schätzungen in den Verhaltens- und Sozialwissenschaften . Bentall hat behauptet, dass solche Heritabilitäts-Scores normalerweise kontraintuitiv berechnet werden, um numerisch hohe Werte abzuleiten, dass Heritabilität als genetische Determination fehlinterpretiert wird und dass diese angebliche Voreingenommenheit von anderen Faktoren ablenkt, die Forschungen als kausaler befunden haben, wie zum Beispiel Kindesmissbrauch, der spätere Psychosen verursacht. Heritabilitätsschätzungen sind auch von Natur aus begrenzt, da sie keine Informationen darüber liefern, ob Gene oder Umwelt eine größere Rolle bei der Entwicklung des untersuchten Merkmals spielen. Aus diesem Grund beschreiben David Moore und David Shenk den Begriff "Heritabilität" im Kontext der Verhaltensgenetik als "...einen der irreführendsten in der Geschichte der Wissenschaft" und argumentieren, dass er außer in sehr seltenen Fällen keinen Wert hat. Bei der Untersuchung komplexer menschlicher Merkmale ist es unmöglich, die Vererbungsanalyse zu verwenden, um die relativen Beiträge von Genen und Umwelt zu bestimmen, da solche Merkmale aus dem Zusammenspiel mehrerer Ursachen resultieren. Feldman und Lewontin betonen insbesondere, dass die Erblichkeit selbst eine Funktion der Umweltvariation ist. Einige Forscher argumentieren jedoch, dass es möglich ist, die beiden zu entwirren.

Die Kontroverse um die Schätzungen der Erblichkeit geht weitgehend auf ihre Grundlage in Zwillingsstudien zurück . Der knappe Erfolg von molekulargenetischen Studien so zu erhärten populationsgenetische Studien Schlussfolgerungen ist das fehlende Vererbbarkeit Problem . Eric Turkheimer hat argumentiert, dass neuere molekulare Methoden die konventionelle Interpretation von Zwillingsstudien bestätigt haben, obwohl es größtenteils unklar bleibt, wie die Beziehungen zwischen Genen und Verhaltensweisen erklärt werden können. Laut Turkheimer sind sowohl Gene als auch Umwelt vererbbar, der genetische Beitrag variiert je nach Umgebung und der Fokus auf Vererbbarkeit lenkt von anderen wichtigen Faktoren ab. Insgesamt ist die Erblichkeit jedoch ein weit verbreitetes Konzept.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Lynch M, Walsh B (1998). Genetik und Analyse quantitativer Merkmale . Sunderland, Massachusetts: Sinauer Assoc. ISBN 978-0-87893-481-2.
  • Johnson W, Penke L, Spinath FM (2011). "Erbfähigkeit verstehen: Was es ist und was es nicht ist". Europäische Zeitschrift der Persönlichkeit . 25 (4): 287–294. doi : 10.1002/per.835 . ISSN  0890-2070 . S2CID  41842465 .

Externe Links