ภาวะสมดุลฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก

ภาวะสมดุลฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กอธิบายสถานะทางพันธุกรรมของประชากรในอุดมคติที่ความถี่ของอัลลีลยังคงที่จากรุ่นสู่รุ่น และความถี่ของจีโนไทป์จะเข้าสู่ความสัมพันธ์ที่คงที่กับความถี่ของอัลลีลเหล่านั้น เป็นแบบจำลองว่าง (null model) ของพันธุศาสตร์ประชากร: การกระจายตัวของจีโนไทป์ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นเมื่อไม่มีแรงทางวิวัฒนาการใด ๆ ทำงานอยู่

Definition

ภาวะสมดุลฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กคือสภาวะในประชากรขนาดใหญ่ที่มีการผสมพันธุ์แบบสุ่ม ปราศจากการคัดเลือก การกลายพันธุ์ การอพยพ และการเลื่อนลอยทางพันธุกรรม (drift) ซึ่งความถี่ของอัลลีลยังคงที่ และความถี่ของจีโนไทป์สำหรับสองอัลลีลที่มีความถี่ p และ q เท่ากับ p-squared, 2pq และ q-squared

Scope

บทความนี้ครอบคลุมสมมติฐานเบื้องหลังภาวะสมดุล ความสัมพันธ์ทางพีชคณิตระหว่างความถี่ของอัลลีลและจีโนไทป์ ความหมายของการเบี่ยงเบนจากภาวะสมดุล และหลักการนี้ถูกนำมาใช้เป็นเส้นฐานและเป็นตัวตรวจสอบคุณภาพข้อมูลในการศึกษาทางพันธุกรรมอย่างไร นำเสนอในฐานะหัวข้อเชิงแนวคิดและระเบียบวิธี ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• สมมติฐานใดบ้างที่ต้องเป็นจริงเพื่อให้ความถี่ของจีโนไทป์ตรงกับสัดส่วนฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก?
• ความถี่ของจีโนไทป์ที่คาดการณ์ไว้คำนวณจากความถี่ของอัลลีลได้อย่างไร?
• การเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติจากภาวะสมดุลบ่งชี้ถึงอะไร?

Key concepts

• การผสมพันธุ์แบบสุ่ม (panmixia)
• ความถี่ของอัลลีล p และ q
• สัดส่วนจีโนไทป์ที่คาดการณ์ไว้ p-squared, 2pq, q-squared
• แบบจำลองว่างสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการ
• การเบี่ยงเบนจากภาวะสมดุล
• การทดสอบ HWE แบบแม่นยำและไคกำลังสอง

Key theories

หลักการฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก

สำหรับตำแหน่งยีนที่มีสองอัลลีลที่มีความถี่ p และ q (p บวก q เท่ากับ 1) ในประชากรขนาดใหญ่ที่มีการผสมพันธุ์แบบสุ่มและปราศจากแรงรบกวน ความถี่ของจีโนไทป์จะกลายเป็น p-squared, 2pq และ q-squared หลังจากหนึ่งรุ่นและคงที่หลังจากนั้น

Mechanisms

หลักการนี้มาจากการรวมเซลล์สืบพันธุ์แบบสุ่ม: หากประชากรรุ่นพ่อแม่มีส่วนร่วมในความถี่ของอัลลีล p และ q ในกลุ่มเซลล์สืบพันธุ์ร่วมกัน การรวมตัวแบบสุ่มของเซลล์สืบพันธุ์จะสร้างจีโนไทป์ของลูกหลานในสัดส่วนทวินาม p-squared, 2pq และ q-squared และสัดส่วนเหล่านี้จะเกิดขึ้นในหนึ่งรุ่นแล้วคงอยู่ต่อไป ผลลัพธ์นี้จะคงอยู่ก็ต่อเมื่อเป็นไปตามสมมติฐานในอุดมคติเท่านั้น การละเมิดสมมติฐานใด ๆ เหล่านี้ — การคัดเลือก การกลายพันธุ์ การอพยพ การเลื่อนลอยทางพันธุกรรม หรือการผสมพันธุ์ที่ไม่เป็นแบบสุ่ม — จะทำให้ประชากรเบี่ยงเบนไปจากสัดส่วนที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแบบจำลองนี้จึงทำหน้าที่เป็นจุดอ้างอิงสำหรับการตรวจจับแรงทางวิวัฒนาการ

Clinical relevance

ในการศึกษาทางพันธุกรรม หลักการนี้ใช้เพื่ออนุมานความถี่ของผู้พาหะและจีโนไทป์ที่คาดการณ์ไว้จากความถี่ของอัลลีลที่สังเกตได้ และที่สำคัญคือใช้เป็นตัวกรองควบคุมคุณภาพ: การเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญจากสัดส่วนฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กในกลุ่มตัวอย่างควบคุมสามารถบ่งชี้ถึงข้อผิดพลาดในการหาจีโนไทป์หรือโครงสร้างประชากรได้ หลักการนี้อธิบายถึงวิธีการประเมินความถี่ที่คาดการณ์ไว้และความสมบูรณ์ของข้อมูล และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การทดสอบทางสถิติสำหรับการเบี่ยงเบนจากสัดส่วนฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กเป็นขั้นตอนการควบคุมคุณภาพตามปกติในการศึกษาความสัมพันธ์ทางพันธุกรรม; Wigginton และคณะได้อธิบายการทดสอบที่แม่นยำซึ่งเป็นที่นิยมมากกว่าการประมาณค่าไคกำลังสองเมื่อจำนวนจีโนไทป์มีน้อย

History

ในปี 1908 นักคณิตศาสตร์ G. H. Hardy และแพทย์ Wilhelm Weinberg ได้แสดงให้เห็นอย่างอิสระว่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเมนเดลไม่ได้ทำให้ลักษณะเด่นเพิ่มขึ้นหรืออัลลีลที่หายากหายไปโดยตัวมันเอง: หากไม่มีแรงรบกวน ความถี่ของอัลลีลจะถูกรักษาไว้และจีโนไทป์จะเข้าสู่สัดส่วนที่คงที่ ผลลัพธ์นี้ซึ่งเริ่มต้นจากการเข้าใจผิดว่าอัลลีลเด่นควรแพร่กระจาย ได้กลายเป็นรากฐานสำคัญของพันธุศาสตร์ประชากร

Key figures

• G. H. Hardy
• Wilhelm Weinberg

Seminal works

• hardy-1908
• weinberg-1908

Frequently asked questions

สมมติฐานของภาวะสมดุลฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กคืออะไร?

ประชากรขนาดใหญ่ การผสมพันธุ์แบบสุ่ม และไม่มีการคัดเลือก การกลายพันธุ์ การอพยพ หรือการเลื่อนลอยทางพันธุกรรม เมื่อสิ่งเหล่านี้เป็นจริง ความถี่ของอัลลีลจะคงที่และความถี่ของจีโนไทป์จะเป็นไปตามรูปแบบ p-squared, 2pq, q-squared

ทำไมการเบี่ยงเบนจากภาวะสมดุลฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กจึงมีความสำคัญในการศึกษาทางพันธุกรรม?

เนื่องจากสัดส่วนที่คาดการณ์ไว้จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อไม่มีแรงใด ๆ กระทำ การเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญจึงส่งสัญญาณถึงสิ่งที่เป็นจริง — การคัดเลือก การผสมพันธุ์ที่ไม่เป็นแบบสุ่ม หรือโครงสร้างประชากร — หรือปัญหาทางเทคนิค เช่น ข้อผิดพลาดในการหาจีโนไทป์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการทดสอบจึงเป็นขั้นตอนการตรวจสอบคุณภาพข้อมูลมาตรฐาน