Koncept heritability
doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D.
urban@mendelu.cz
Genetika kvantitativních znaků
Heritabilita – míra
Použití korelačních koeficientů může podporovat
hypotézu, že daná kontinuální vlastnost má určitý
genetický základ.
Ale, pro kvantifikaci příspěvku genů a prostředí se
používá jiná míra: heritabilita (dědivost)
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 1
Heritability in the genomics era — concepts
and misconceptions - Peter M. Visscher,
William G. Hill & Naomi R. Wray; Nature
Reviews Genetics 9, 255-266 (April 2008)
Heritabilita dovoluje porovnávat relativní významnost
variability genů a prostředí na změny vlastností v a mezi
populacemi.
Koncept dědivosti a jeho definici jako odhadnutelný, bezrozměrný
parametr populace byl představen Sewall Wright a Ronald
Fisher téměř před sto lety.
Přes neustálé nedorozumění a spory o jeho využití a aplikaci,
heritabilita i nadále klíčem k odhadu odpovědi na selekci v
evoluční biologii a zemědělství, a na předpovědi rizika
onemocnění v medicíně.
Nedávné zprávy o významnosti heritability pro expresi genu a nové
metody odhadů používající data markerů podtrhují význam
dědivosti v éře genomiky.
Heritabilita - Dědivost
Heritabilita (koeficient heritability) - je mírou podílu fenotypové variance
vlastnosti, která je následkem genotypových rozdílů.
Část pozorované variability, která je přímo způsobená variabilitou genotypů
(rozdílnými genotypy v populaci).
2
222
2
2
2
P
IDA
P
G
s
sss
s
s
H


 Heritabilita v úzkém smyslu - hh22, je poměrem aditivní
genetické variance k celkové fenotypové:
2
2
2
P
A
s
s
h 
2
šh
2
uh
 Heritabilita v širším smyslu - HH22, která je poměrem genetické
variance k celkové fenotypové:
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 2
Hlavní body o heritabilitě
Odhad heritability je specifický k dané populaci a
prostředí, v kterém byl analyzován.
Odhaduje se na populaci, ne na jedincích.
Heritabilita neznamená stupeň genetického
založení vlastnosti, ale měří podíl genotypové
variance, která je výsledkem kombinací různých
alel různých genů.
Co není heritabilita?
neměří množství, kterým geny ovlivňují vlastnost
neměří relativní důsledky genů a prostředí na vlastnost
nemá neměnný podíl v druhu
nezahrnuje jenom geny – nedefinuje kompletní genetický
základ vlastnosti
není stejná pro všechny vlastnosti v populaci
není výpovědí o jedincích – vypočítána z variance na
populaci jedinců -> je charakteristika populace
Jedinec nemá heritabilitu, populace ano
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 3
Co je heritabilita
- je měřítkem velikosti variability genetické
informace determinující danou vlastnost
v populaci, tzn. říká něco o počtu genů a
různorodosti genotypů
- měří podíl fenotypové variance, která vyplývá z
genetických rozdílů mezi jedinci ve specifické
populaci
Závisí na genetické varianci – není-li (VG = 0), pak nelze
heritabilitu odhadnout
Vysoká hodnota může znamenat minimální VE
Definice heritability
Heritabilita neboli dědivost je hodnota, udávající, do
jaké míry je hodnota znaků závislá na genotypu
jedince a nakolik je konečná hodnota znaku výsledkem
působení vnějších faktorů.
• http://genetika.wz.cz/dedicnost.htm
Heritabilita (dědivost) udává, jak velká část
proměnlivosti znaku je zapříčiněna genetickými faktory,
takže ji lze vypočítat jako podíl variance fenotypu
způsobený genetickými faktory (VG) a celkového
rozptylu hodnot fenotypu (VP).
• http://www.wikiskripta.eu/index.php/Heritabilita
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 4
Definice heritability
U kvalitativních znaků je dědivost
pravděpodobnost, že se přenesou v
nezměněnépodobě do další generace
U kvantitativních znaků je dědivost míra, v jaké se
přenesou z generace na generaci.
- Podíl geneticky podmíněné variability v daném
znaku na celkové (tedy i prostředím podmíněné)
fenotypové variabilitě v tomto znaku.
- Některé složky geneticky podmíněné variability se
dědí z generace na generaci (VA) a jiné ne.
Správnější definice?
Heritability is the proportion of phenotypic
variation in a population that is attributable to
genetic variation among individuals. Phenotypic
variation among individuals may be due to
genetic and/or environmental factors. Heritability
analyses estimate the relative contributions of
differences in genetic and non-genetic factors to
the total phenotypic variance in a population.
• http://en.wikipedia.org/wiki/Heritability
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 5
Správnější definice?
Proportion of the total variance that is attributable
to the average effects of genes, and this is what
determines the degree of resemblance between
relatives.
• Falconer, D.S. 1989. Introduction to QG
• Lynch, M. & Walsh, B. 1997. Genetics and Analysis of Quantitative Traits
• Hartl, D.L., Clark, A.G.2007. Principles of Population Genetics
Hodnoty heritability
• Vysoká heritabilita (h2 = 0,70)
s2
G relativně velká  s2
E relativně malá
– Fenotypová selekce pro tuto populaci bude efektivní
– Změny managementu, v daném prostředí, nemohou být
efektivní
• Nízká heritabilita (h2 = 0,20)
s2
G relativně malá  s2
E relativně velká
– Fenotypová selekce pro tuto populaci nebude efektivní
– Změny managementu, v daném prostředí, mohou být
efektivní
2
2
2
P
A
s
s
h 
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 6
> 0,60VysokáJatečná hodnota
0,30 – 0,60StředníVýkrmnost
< 0,30NízkáReprodukce
Hodnoty h2DědivostTyp užitkovosti
Hodnoty heritability
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 7
Hodnoty heritability v
přirozených populacích
Bennington a McGraw
1996
0,08výškaNetýkavka nedůtklivá
0,29Doba klíčení
0,65výškaČlověk
0,50Počet břišních štětin
Hoffmann a Schiffer 19980,69Délka křídelDrosophila m.
Simons a Rof 19940,32Doba vývojeCvrček
Marilä a Sheldon 20000,15Délka života samcůBlejsek
Boag 19830,65Délka zobákuPěnkava
Boonstra a Boag 19870,54růstHraboš polní
Kruuk et al. 20000,46Plodnost samicJelen lesní
Arnold 19810,32Chemoreceptivní citlivostHad
Houde 19921,08Velikost oranžové skvrnyPaví očko
Referenceh2VlastnostOrganizmus
Vysoké hodnoty dědivosti – znaky podmíněné
menším počtem genů (nejvyšší – 1 genem –
kvalitativní znaky)
Nízká hodnota dědivosti – více polygenní; u
vlastností s vysokým vlivem na biologickou
zdatnost
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 8
Vliv prostředí na hodnoty
heritability
Hodnoty heritability se mohou lišit v různých prostředích
VE se zvyšuje (h2 se snižuje), protože menší podíl fenotypové variance
je aditivně genetická
Př. délka křídel u Drosophila melanogaster (Hoffmann a Schiffer,
1998)
V normálních podmínkách h2 = 0,69
V stresujících podmínkách h2 = 0,09, i když VA byla jen nepatrně větší za stresu
Příčina: větší hodnota VE v podmínkách stresu (VE = 9,2 oproti VE = 0,9
normální)
Čitatel ovlivňuje hodnotu h2 – zejména VE
Exprese genetické informace může být ovlivněna prostředím (interakce G × E)
EIDA
A
P
A
VVVV
V
V
V
h

2
HERITABILITA platí pro
danou populaci
daný čas
konkrétní podmínky
! nemá obecnou platnost !
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 9
Hodnota dědivosti závisí
nametodě výpočtu
struktuře populace
podmínkách chovu
úrovni užitkovosti
úrovni plemenářské práce
sezónnosti vlastnosti
pohlavním dimorfismu
četnosti souboru
přesnosti výpočtu
meziplemenných rozdílech (užitkovém zaměření)
Odhadování VA a h2
VA je zapříčiněna podobností mezi příbuznými
cíl: odhad VA a oddělit ji od VE a neaditivní genetické
variance
Statistické metody
Analýza regrese (rodič-potomek, …)
Analýza variance ANOVA (rodiny vlastních sourozenců a
plosourozenců)
Moderní metody:
Maximální věrohodnosti (maximum likelihood), REML
• nebalancovaná data
• maximilizuje pravděpodobnost pozorovaných dat daných parametrů
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 10
Způsoby odhadování
heritability
Odpověď na selekci:
Regrese potomek – rodič:
Regrese potomek – střed rodičů:
ANOVA (R. A. Fisher)
Korelace polosourozenců:
Korelace vlastních sourozenců:
VCE s AM:
d
G
h

2ˆ
RPbh  2ˆ2
OMPbh 2ˆ
ˆ4ˆ2
h
ˆ2ˆ2
h
2
2
2
ˆ
ˆˆ
P
A
h



Sewall Wright
Předpověď efektu selekce
- realizovaná dědivost
 selekselekččnníí zisk, genetický zisk, odpovzisk, genetický zisk, odpověďěď na selekcina selekci
Populace má průměrnou hodnotu vlastnosti , a budeme
selektovat skupinu jedinců, kteří mají průměr
1x
x
Sx
x Sxd
xxd S 
G
xxG  1
2
hdG .
xx
xx
d
G
h
S 



 12
Populace potomků
Základní populace
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 11
Odhadování fenotypu
potomkůOdhad fenotypu potomků z křížení dvou rodičů
selektovaných ze základní populace
x
Fx
Mx
Sx
= průměr populace
= fenotypová hodnota populace otců
= fenotypová hodnota populace matek
= průměrná hodnota obou populací rodičů = 2/)( FM xx 
1x = předpovídaná fenotypová hodnota potomků
• Vzorec pro předpověď hodnoty fenotypu potomků:
)(2
1 xxhxx S 2
.hdG 
Příklad předpovědi hodnoty
potomků
Jestliže průměrná hodnota IQ ve vybrané populaci otců je 120 a
matek 110 , h2 = 0,40 a průměr celé populace je 100, pak :
1152/)110120( Sx
•Jak se odlišují rodiče od populace? 15100115  xxS
•Jak moc je tato odchylka dědičná? 6)15.(4,0)(2
 xxh S
•Jak se budou potomci odlišovat od populace?
Průměrná hodnota IQ u potomků?
1066100)(2
1  xxhx S
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 12
Kolik % proměnlivosti můžeme
šlechtit ?
Genetika kvantitativních znaků
28/03/2011 13