การถ่ายทอดทางพันธุกรรมและปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม

การถ่ายทอดทางพันธุกรรม (Heritability) เป็นสถิติประชากรที่แสดงสัดส่วนของความแปรปรวนในลักษณะเฉพาะอย่างหนึ่ง ภายในประชากรและสิ่งแวดล้อมที่กำหนด ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยความแตกต่างทางพันธุกรรมระหว่างบุคคล ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม (Gene-environment interaction) หมายถึงลักษณะที่ผลกระทบของความหลากหลายทางพันธุกรรมต่อลักษณะหนึ่งๆ สามารถขึ้นอยู่กับสิ่งแวดล้อม และในทางกลับกัน ทั้งสองแนวคิดนี้ร่วมกันกำหนดว่าพันธุกรรมแบ่งแยกความแปรปรวนของลักษณะอย่างไร พร้อมทั้งเตือนไม่ให้ตีความเกินจริงว่าการแบ่งแยกนั้นมีความหมายอย่างไรสำหรับบุคคลใดบุคคลหนึ่ง

Definition

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมคือสัดส่วนของความแปรปรวนของฟีโนไทป์ในประชากรที่กำหนด ซึ่งเกิดจากความแปรปรวนทางพันธุกรรม; การถ่ายทอดทางพันธุกรรมในความหมายแคบ (narrow-sense heritability) นับเฉพาะความแปรปรวนทางพันธุกรรมแบบเสริม (additive genetic variance) ในขณะที่การถ่ายทอดทางพันธุกรรมในความหมายกว้าง (broad-sense heritability) นับรวมความแปรปรวนทางพันธุกรรมทั้งหมด ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นเมื่อผลกระทบของจีโนไทป์ต่อฟีโนไทป์แตกต่างกันไปในแต่ละสภาพแวดล้อม

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมคำจำกัดความและการประมาณค่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรม (รวมถึงความหมายแคบและกว้าง) ความหมายและการตีความผิดพลาดที่พบบ่อยของสถิติดังกล่าว ปฏิสัมพันธ์และความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม และวิธีการทางจีโนมิกส์ที่ใช้ประมาณค่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากข้อมูลพันธุกรรม นี่เป็นหัวข้อเชิงแนวคิดและระเบียบวิธีวิจัย ไม่ใช่แนวทางการรักษาทางคลินิก

Core questions

• ค่าประมาณการถ่ายทอดทางพันธุกรรมวัดอะไรกันแน่ และใช้กับประชากรกลุ่มใด?
• เหตุใดการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจึงไม่ได้บอกอะไรโดยตรงเกี่ยวกับบุคคลหรือเกี่ยวกับว่าลักษณะหนึ่งๆ สามารถเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่?
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมและความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมทำให้การแบ่งแยกความแปรปรวนซับซ้อนขึ้นได้อย่างไร?
• การถ่ายทอดทางพันธุกรรมประมาณค่าจากข้อมูลครอบครัวเทียบกับข้อมูลพันธุกรรมทั่วทั้งจีโนมได้อย่างไร?

Key concepts

• การถ่ายทอดทางพันธุกรรมในความหมายแคบ (แบบเสริม)
• การถ่ายทอดทางพันธุกรรมในความหมายกว้าง
• การแบ่งแยกความแปรปรวนของฟีโนไทป์
• การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบ SNP-based
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม
• ความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม
• ค่าประมาณเฉพาะประชากรและสิ่งแวดล้อม

Key theories

การแบ่งแยกความแปรปรวน

กรอบแนวคิดของฟิชเชอร์แยกความแปรปรวนของฟีโนไทป์ออกเป็นองค์ประกอบทางพันธุกรรมและสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นพื้นฐานอย่างเป็นทางการสำหรับการกำหนดการถ่ายทอดทางพันธุกรรมว่าเป็นอัตราส่วนของความแปรปรวนทางพันธุกรรมต่อความแปรปรวนของฟีโนไทป์ทั้งหมด และสำหรับการแยกผลกระทบทางพันธุกรรมแบบเสริมออกจากแบบไม่เสริม

Mechanisms

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมคำนวณโดยการแบ่งความแปรปรวนของลักษณะเฉพาะในแต่ละบุคคลออกเป็นองค์ประกอบทางพันธุกรรมและสิ่งแวดล้อม; สัดส่วนทางพันธุกรรมเมื่อเทียบกับทั้งหมดจะเป็นตัวกำหนดการถ่ายทอดทางพันธุกรรม การออกแบบการศึกษาในครอบครัวและฝาแฝดอนุมานสิ่งนี้จากความคล้ายคลึงกันของญาติ ในขณะที่วิธีการทางจีโนมิกส์ประมาณค่าจากความคล้ายคลึงทางพันธุกรรมที่วัดได้จากความหลากหลายทางพันธุกรรมจำนวนมาก เนื่องจากเป็นอัตราส่วนของความแปรปรวน การถ่ายทอดทางพันธุกรรมจึงขึ้นอยู่กับความถี่ของอัลลีลและช่วงของสิ่งแวดล้อมที่มีอยู่ในประชากรที่ศึกษา และสามารถเปลี่ยนแปลงได้หากปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งเปลี่ยนไป ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมหมายความว่าผลกระทบที่ปรากฏของความหลากหลายทางพันธุกรรมอาจแตกต่างกันไปในแต่ละสิ่งแวดล้อม และความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมหมายความว่าจีโนไทป์อาจมีการกระจายตัวที่ไม่เป็นแบบสุ่มในแต่ละสิ่งแวดล้อม ทั้งสองสิ่งนี้ต้องนำมาพิจารณาเมื่อตีความองค์ประกอบของความแปรปรวน

Clinical relevance

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมและปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมให้ข้อมูลว่าหลักฐานทางพันธุกรรมเกี่ยวกับลักษณะและโรคที่พบบ่อยถูกตีความอย่างไร รวมถึงเหตุผลที่ว่าทำไมการถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่สูงจึงไม่ได้หมายความว่าปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมหรือพฤติกรรมไม่สำคัญหรือไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อสนับสนุนการอ่านหลักฐานทางพันธุกรรมในระดับประชากรอย่างมีวิจารณญาณ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการทำนายหรือการดูแลรายบุคคล

Epidemiology

มีการประมาณค่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมสำหรับลักษณะของมนุษย์และโรคที่พบบ่อยในวงกว้าง โดยทั่วไปผ่านการศึกษาฝาแฝดและครอบครัว และล่าสุดจากข้อมูลพันธุกรรมทั่วทั้งจีโนม; ค่าประมาณจะแตกต่างกันไปตามลักษณะ ประชากร และสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นจุดสำคัญในการตีความ

History

แนวคิดนี้สืบเนื่องมาจากกรอบการแบ่งแยกความแปรปรวนของฟิชเชอร์ในปี 1918 และได้รับการพัฒนาสำหรับการประมาณค่าเชิงปฏิบัติโดยนักพันธุศาสตร์เชิงปริมาณ เช่น ฟอลโคเนอร์ ในยุคจีโนมิกส์ วิธีการที่ประมาณค่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมโดยตรงจากความหลากหลายทางพันธุกรรมทั่วทั้งจีโนม ซึ่งนำมาใช้ครั้งแรกกับลักษณะต่างๆ เช่น ความสูงของมนุษย์ ได้ทั้งการหาปริมาณสัดส่วนทางพันธุกรรมที่จับได้โดยความหลากหลายทางพันธุกรรมที่พบบ่อย และทำให้การถกเถียงเกี่ยวกับช่องว่างระหว่างสิ่งนี้กับการถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่อิงครอบครัวมีความชัดเจนยิ่งขึ้น

Debates

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมบอกอะไรเรา และไม่บอกอะไรเรา?

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมมักถูกตีความผิดว่าเป็นมาตรวัดว่าลักษณะหนึ่งๆ 'เป็นพันธุกรรม' มากน้อยเพียงใดในแต่ละบุคคล หรือเป็นค่าคงที่ในทุกสถานการณ์; ในความเป็นจริงแล้วเป็นอัตราส่วนของความแปรปรวนที่เฉพาะเจาะจงกับประชากรและสิ่งแวดล้อม และข้อจำกัดของมันเป็นประเด็นที่กล่าวถึงซ้ำๆ ในวรรณกรรม

เหตุใดการถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่อิงครอบครัวจึงมักสูงกว่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่จับได้โดยความหลากหลายทางพันธุกรรมที่วัดได้?

ค่าประมาณทางจีโนมิกส์จากความหลากหลายทางพันธุกรรมที่พบบ่อยมักจะต่ำกว่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่อิงครอบครัว โดยมีเหตุผลที่เสนอได้แก่ ความหลากหลายทางพันธุกรรมที่ไม่ถูกตรวจพบ ความหลากหลายที่หายาก ปฏิสัมพันธ์ และความเป็นไปได้ของการประมาณค่าสูงเกินไปโดยการออกแบบการศึกษาในครอบครัว

Key figures

• Ronald A. Fisher
• Douglas Falconer
• Peter Visscher
• Jian Yang

Seminal works

• fisher-1918
• visscher-2008
• yang-2010

Frequently asked questions

การถ่ายทอดทางพันธุกรรม 80% หมายความว่าลักษณะนั้นเป็นพันธุกรรม 80% ในตัวฉันหรือไม่?

ไม่ การถ่ายทอดทางพันธุกรรมอธิบายสัดส่วนของความแปรปรวนระหว่างบุคคลในประชากรที่สอดคล้องกับความแตกต่างทางพันธุกรรมในสภาพแวดล้อมที่กำหนด; ไม่ได้แบ่งแยกสาเหตุภายในบุคคลใดบุคคลหนึ่ง

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อมคืออะไร?

คือเมื่อผลกระทบของความหลากหลายทางพันธุกรรมต่อลักษณะหนึ่งๆ ขึ้นอยู่กับสิ่งแวดล้อม — ตัวอย่างเช่น ความหลากหลายทางพันธุกรรมอาจเพิ่มความเสี่ยงเฉพาะเมื่อมีการสัมผัสกับปัจจัยบางอย่างเท่านั้น — ดังนั้นจีโนไทป์และสิ่งแวดล้อมจึงไม่สามารถถือได้ว่าเป็นเพียงการเสริมกันเสมอไป