固定指数

固定指数（F _ST ）は、遺伝的構造に起因する集団分化の尺度です。一塩基多型（SNP）やマイクロサテライトなどの遺伝的多型データから推定されることが多く、ライトの F統計量の特殊なケースとして開発され、集団遺伝学において最も一般的に用いられる統計量の一つです。その値は0から1までで、0は分化なし、1は完全分化を示します。

解釈

集団内および集団間の遺伝的変異性の比較は、応用集団遺伝学において頻繁に用いられます。値の範囲は0から1です。値が0の場合、完全な混血、つまり2つの集団が自由に交配していることを意味します。値が1の場合、すべての遺伝的変異は集団構造によって説明され、2つの集団は遺伝的多様性を共有していないことを意味します。

ライトの有限島嶼モデルのような理想化されたモデルでは、F _STを用いて移住率を推定することができる。このモデルでは、移住率は

M={\frac {m}{\mu }}\approx {\frac {1}{4}}\left({\frac {1}{F_{ST}}}-1\right)

、

ここで、 $m$ は世代あたりの移住率、は世代あたりの突然変異率である。^[1] $\mu$

分析対象データに高度な多型性がある場合、 F _STの解釈は困難になる場合があります。この場合、同一性確率は非常に低く、F _{ST の}上限が任意に低くなる可能性があり、データの解釈を誤る可能性があります。また、厳密に言えば、F _{ST は}三角不等式を満たさないため、数学的な意味での距離ではありません。

意味

_{特定の遺伝子座における F ST}の最も一般的な定義のうち 2 つは、1) 集団間の対立遺伝子頻度の分散と、2)祖先による同一性の確率に基づいています。

が全集団における対立遺伝子の平均頻度、が各集団における対立遺伝子の頻度の分散（集団の大きさで重み付け）、が全集団における対立遺伝子の状態の分散である場合、F _STは次のように定義される^[2]。 ${\bar {p}}$ $\sigma _{S}^{2}$ $\sigma _{T}^{2}$

F_{ST}={\frac {\sigma _{S}^{2}}{\sigma _{T}^{2}}}={\frac {\sigma _{S}^{2}}{{\bar {p}}(1-{\bar {p}})}}

ライトの定義によれば、F _{ST は}集団構造によって説明できる遺伝的変異の量を測定するものである。これは、部分集団内の平均多様性の結果ではない、全体の多様性の割合と考えることもできる。ここで、多様性はランダムに選択された2つの対立遺伝子が異なる確率、すなわちで測定される。番目の集団における対立遺伝子頻度がで、番目の集団の相対的な大きさがである場合、 $2p(1-p)$ $i$ $p_{i}$ $i$ $c_{i}$

F_{ST}={\frac {{\bar {p}}(1-{\bar {p}})-\sum c_{i}p_{i}(1-p_{i})}{{\bar {p}}(1-{\bar {p}})}}={\frac {{\bar {p}}(1-{\bar {p}})-{\overline {p(1-p)}}}{{\bar {p}}(1-{\bar {p}})}}

あるいは、^[3]

F_{ST}={\frac {f_{0}-{\bar {f}}}{1-{\bar {f}}}}

ここで、は2つの個体が同じ亜集団に属している場合の、それらの個体の系統的同一性の確率であり、は全集団の2つの個体が系統的同一である確率である。この定義を用いると、F _{ST は}、同じ亜集団の2つの個体が全集団と比較してどれだけ近いかを測定するものと解釈できる。突然変異率が小さい場合、この解釈は系統的同一性の確率を合体時間と関連付けることでより明確にすることができる。T ₀とTを、それぞれ同じ亜集団と全集団の個体の合体までの平均時間を表すものとする。すると、 $f_{0}$ ${\bar {f}}$

F_{ST}\approx 1-{\frac {T_{0}}{T}}

この定式化の利点は、融合までの予想時間を遺伝子データから簡単に推定できることであり、これが F _STのさまざまな推定値の開発につながりました。

推定

実際には、定義に用いられる量はどれも容易に測定できない。そのため、様々な推定量が提案されている。DNA配列データに適用可能な特に単純な推定量は以下の通りである。^[4]

F_{ST}={\frac {\pi _{\text{Between}}-\pi _{\text{Within}}}{\pi _{\text{Between}}}}

ここで、およびは、異なるサブ母集団（）または同じサブ母集団（）からサンプリングされた2つの個体間のペアワイズ差異の平均数を表します。母集団内の平均ペアワイズ差異は、ペアワイズ差異の合計をペアの数で割ることで計算できます。ただし、サンプルサイズが小さい場合、または母集団間でサンプルサイズが異なる場合は、この推定値に偏りが生じます。そのため、実際にはより複雑な方法がF _{STの計算に使用されます。最も広く使用されている2つの手順は、Weir & Cockerham (1984)、}^[5]による推定値、または分子分散分析の実行です。実装の一覧は、この記事の最後にあります。 $\pi _{\text{Between}}$ $\pi _{\text{以内}}$ $\pi _{\text{Between}}$ $\pi _{\text{以内}}$

F_ST人間の場合

F _ST値は、対象とする集団によって大きく異なります。デンマーク人とオランダ人、ポルトガル人とスペイン人など、近縁の民族集団では1%を大幅に下回る値を示し、混血と区別がつきません。ヨーロッパ内では、最も異なる民族集団（サーミ人とサルデーニャ人）では、F ST値は7%程度であることが分かっています。

大きく異なる同質集団を比較すると、より大きな値が見つかる。最も高い値はムブティ人とパプア人の間で46%近くに達した。^[6]

人間集団における遺伝的距離

古典的なマーカーに基づく常染色体遺伝距離

カヴァッリ＝スフォルツァ、メノッツィ、ピアッツァは、1994年の論文『人類遺伝子の歴史と地理』において、大陸内および大陸間における人類集団間の遺伝的距離について、最も詳細かつ包括的な推定値を提示しています。彼らの最初のデータベースには、76,676の遺伝子頻度（120の血液型を使用）が含まれており、これは異なる地域における6,633のサンプルに相当します。これらのサンプルを選別・統合することで、彼らは分析対象を491の集団に絞り込みました。

彼らは、15世紀末にヨーロッパ人の大移動が始まった当時、現在の場所にいた先住民集団に焦点を当てている。 ^[7]世界レベルでの遺伝的差異を研究する場合、その数は42の代表的な集団に絞り込まれ、高い遺伝的類似性を特徴とする亜集団を集約する。カヴァッリ＝スフォルツァと共著者らは、これらの42の集団について、120の対立遺伝子から算出された二国間距離を報告している。この42の世界集団の中で、最も遺伝的距離が長いのはムブティ・ピグミーとパプアニューギニア人で、Fst距離は0.4573である。一方、最も遺伝的距離が短いのはデンマーク人とイギリス人の間で、0.0021であった。

26のヨーロッパ集団についてより細分化されたデータを考慮すると、遺伝距離が最も小さいのはオランダ人とデンマーク人（0.0009）で、最も大きいのはラップランド人とサルデーニャ人（0.0667）です。選択された42の集団の861のペアにおける平均遺伝距離は0.1338でした。[ ^{ページが必要]}

次の表は、Cavalli-Sforza (1994) がいくつかの集団について計算した Fst を示しています。

SNPに基づく常染色体遺伝距離

国際ハップマッププロジェクトのデータに基づく2012年の研究では、_{ヨーロッパ}人（CEPHコレクションのユタ州在住の北欧系および西欧系住民とトスカーナ地方のイタリア系住民を合わせたもの）、東アジア人（北京の漢民族、デンバー都市圏の中国人、東京の日本人を合わせたもの）、サハラ以南のアフリカ人（ケニア、ウェブイエのルヒヤ族、ケニア、キニャワのマサイ族、ナイジェリア、イバダンのヨルバ族を合わせたもの）の3つの主要な「大陸」集団間のF STを推定しました。この研究では、大陸集団間のF STは12%近く、大陸集団内では汎混血（1%未満）に近い値が報告されています。^[8]

全エクソーム配列解析（WES）に基づく常染色体遺伝距離

2016年の全エクソームシークエンシング（WES）に基づく複数の集団間のペアワイズFst値： ^[11]

Fを計算するプログラム_ST

アルルカン
Fstat
スモッグ^[12]
多様性（Rパッケージ）
hierfstat (R パッケージ)
FinePop ^[13]（Rパッケージ）
マイクロサテライトアナライザー（MSA） 2015年3月29日アーカイブ - Wayback Machine
VCFツール
遺伝子SP
ポプール化2

Fを計算するためのモジュール_ST

バイオパール
バイオパイソン

参考文献

^ Peter Beerli, 地理的に構造化された集団における移動率と集団規模の推定（1998年）、分子生態学の進歩（G. Carvalho編）NATO科学シリーズA：生命科学、IOS Press、アムステルダム、39-53ページ。
^ Holsinger, Kent E.; Bruce S. Weir (2009). 「地理的に構造化された集団における遺伝学：FSTの定義、推定、解釈」Nat Rev Genet . 10 (9): 639– 650. doi :10.1038/nrg2611. ISSN 1471-0056. PMC 4687486. PMID 19687804 .
^ リチャード・デュレット（2008年8月12日）. DNA配列進化の確率モデル. シュプリンガー. ISBN 978-0-387-78168-6. 2012年10月25日閲覧。
^ Hudson, RR.; Slatkin, M.; Maddison, WP. (1992年10月). 「DNA配列データによる遺伝子流動レベルの推定」. Genetics . 132 (2): 583–9 . doi :10.1093/genetics/132.2.583. PMC 1205159. PMID 1427045 .
^ Weir, BS; Cockerham, C. Clark (1984). 「個体群構造分析のためのF統計量の推定」. Evolution . 38 (6): 1358– 1370. doi :10.2307/2408641. ISSN 0014-3820. JSTOR 2408641. PMID 28563791.
^ Cavalli-Sforza et al. (1994)、V. Ginsburgh、S. Weber著『The Palgrave Handbook of Economics and Language』、Springer (2016)、p. 182より引用。
^ Cavalli-Sforza 他、1994、p. 24
^ Elhaik, Eran (2012). 「大規模ヒト多型データを用いたFSTの経験的分布」. PLOS ONE . 7 (11) e49837. Bibcode :2012PLoSO...749837E. doi : 10.1371/journal.pone.0049837 . PMC 3504095. PMID 23185452 .
^ ab Nelis, Mari; et al. (2009-05-08). Fleischer, Robert C. (編). 「ヨーロッパ人の遺伝的構造：北東からの視点」. PLOS ONE . 4 (5) e5472. Bibcode :2009PLoSO...4.5472N. doi : 10.1371/journal.pone.0005472 . PMC 2675054 . PMID 19424496. 、表を参照
^ Tian, Chao; et al. (2009年11月). 「ヨーロッパ人集団の遺伝的サブストラクチャー：多様なヨーロッパ民族集団を区別するための祖先情報マーカーの更なる定義」. Molecular Medicine . 15 ( 11–12 ): 371–383 . doi :10.2119/molmed.2009.00094. ISSN 1076-1551. PMC 2730349. PMID 19707526 . 、表を参照
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^ Crawford, Nicholas G. (2010). 「smogd：遺伝的多様性測定ソフトウェア」. Molecular Ecology Resources . 10 (3): 556– 557. doi :10.1111/j.1755-0998.2009.02801.x. PMID 21565057. S2CID 205970662.
^ 北田真司、北角達也、岸野英史 (2007). 「ペアワイズ F(ST) の経験的ベイズ推論とゲノム内でのその分布」。遺伝学。177 (2): 861–73 .土井:10.1534/genetics.107.077263。PMC 2034649。PMID 17660541。

さらに読む

進化と集団の遺伝学第2巻：遺伝子頻度理論、294～295ページ、S.ライト、シカゴ大学出版局、シカゴ、1969年
ヒトゲノムのハプロタイプマップ、国際ハプロタイプマップコンソーシアム、Nature 2005

参照

外部リンク

BioPerl - Bio::PopGen::PopStats