การแบ่งชั้นประชากรและความหลากหลายทางพันธุกรรมของมนุษย์

ความหลากหลายทางพันธุกรรมของมนุษย์มีโครงสร้าง: ความถี่ของอัลลีลแตกต่างกันไปตามรูปแบบทางภูมิศาสตร์และบรรพบุรุษ ทำให้ประชากรมีความแตกต่างกัน แทนที่จะเป็นกลุ่มประชากรเดียวที่ไม่มีการแบ่งแยก การแบ่งชั้นประชากรหมายถึงโครงสร้างนี้และอคติที่อาจเกิดขึ้นในการศึกษาทางพันธุกรรมเมื่อกลุ่มผู้ป่วยและกลุ่มควบคุมมีความแตกต่างกันอย่างเป็นระบบในด้านบรรพบุรุษ

Definition

การแบ่งชั้นประชากรคือการมีอยู่ของความแตกต่างอย่างเป็นระบบในความถี่ของอัลลีลระหว่างประชากรย่อยภายในกลุ่มตัวอย่าง ซึ่งเกิดจากบรรพบุรุษที่แตกต่างกัน ความหลากหลายทางพันธุกรรมในที่นี้หมายถึงการที่ความแปรผันนั้นถูกแบ่งส่วนภายในและระหว่างประชากรมนุษย์

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงมาตรการความแตกต่างทางพันธุกรรมระหว่างประชากร รูปแบบกว้างๆ ของความหลากหลายของมนุษย์ทั่วโลก และการแบ่งชั้นประชากรในฐานะตัวแปรแทรกซ้อนในการศึกษาความสัมพันธ์ รวมถึงวิธีการที่ใช้ในการตรวจจับและแก้ไข เนื้อหานี้เป็นหัวข้อเชิงระเบียบวิธีและเชิงพรรณนา และหลีกเลี่ยงการตีความทางคลินิกหรือทางสังคมของหมวดหมู่ประชากร

Core questions

• ความแตกต่างทางพันธุกรรมระหว่างประชากรถูกวัดปริมาณได้อย่างไร?
• ความแปรผันทางพันธุกรรมของมนุษย์ถูกแบ่งส่วนภายในและระหว่างประชากรอย่างไร?
• การแบ่งชั้นประชากรทำให้เกิดอคติในการศึกษาความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมได้อย่างไร?
• การแบ่งชั้นประชากรถูกตรวจจับและแก้ไขทางสถิติได้อย่างไร?

Key concepts

• F-statistics และ FST
• ความหลากหลายภายในและระหว่างประชากร
• การแยกตัวตามระยะทาง
• องค์ประกอบหลักของบรรพบุรุษ
• ตัวแปรแทรกซ้อนในการศึกษาความสัมพันธ์
• แผงประชากรอ้างอิง

Key theories

F-statistics และการแบ่งส่วนความหลากหลาย

F-statistics แบบลำดับชั้นของ Wright ซึ่งได้รับการกำหนดให้สามารถประมาณค่าได้โดย Nei และโดย Weir และ Cockerham ได้แบ่งส่วนความแปรปรวนทางพันธุกรรมออกเป็นองค์ประกอบภายในประชากรและระหว่างประชากร; FST สรุปสัดส่วนของความหลากหลายทั้งหมดที่เกิดจากความแตกต่างระหว่างประชากร และเป็นมาตรวัดมาตรฐานของความแตกต่าง

Mechanisms

ความแตกต่างสะสมขึ้นเมื่อการเลื่อนลอย (drift) การอพยพที่จำกัด และการคัดเลือกเฉพาะถิ่น ทำให้ความถี่ของอัลลีลแตกต่างกันระหว่างประชากร สัดส่วนของความหลากหลายทั้งหมดที่เกิดจากความแตกต่างระหว่างประชากรถูกวัดโดย FST ในมนุษย์ ความแปรผันทางพันธุกรรมส่วนใหญ่อยู่ภายในประชากร โดยมีองค์ประกอบที่เล็กกว่าแต่มีโครงสร้างระหว่างประชากรที่ติดตามภูมิศาสตร์ ในการศึกษาความสัมพันธ์ หากบรรพบุรุษแตกต่างกันระหว่างกลุ่มผู้ป่วยและกลุ่มควบคุม และยังมีความสัมพันธ์กับความถี่ของอัลลีล ก็อาจเกิดความสัมพันธ์ปลอมขึ้นได้ วิธีการที่สรุปบรรพบุรุษ — โดยเฉพาะการวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (principal-components analysis) ของจีโนมทั้งหมด — ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับและปรับแก้การแบ่งชั้นประชากรนี้

Clinical relevance

การพิจารณาโครงสร้างประชากรเป็นสิ่งจำเป็นต่อความถูกต้องของการศึกษาความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมที่เป็นข้อมูลความรู้ทางการแพทย์ เนื่องจากการแบ่งชั้นประชากรที่ไม่ได้รับการแก้ไขอาจสร้างความสัมพันธ์ที่ผิดพลาดได้ การตระหนักถึงความหลากหลายยังส่งผลต่อความสามารถในการถ่ายทอดผลการศึกษาทางจีโนมิกส์ข้ามประชากร เนื้อหานี้อธิบายโครงสร้างประชากรในฐานะข้อพิจารณาทางระเบียบวิธี และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การประมาณค่าความแตกต่างอาศัยการวิเคราะห์ความหลากหลายทางพันธุกรรมของ Nei และสถิติ F ของ Weir-Cockerham ในขณะที่การสำรวจจีโนมทั้งหมดของความแปรผันของมนุษย์ทั่วโลกและแผงอ้างอิงขนาดใหญ่ได้อธิบายโครงสร้างเชิงประจักษ์ของความหลากหลายของมนุษย์ การแก้ไขด้วยองค์ประกอบหลักเป็นวิธีการมาตรฐานในการจัดการกับการแบ่งชั้นประชากรในการศึกษาความสัมพันธ์

History

Wright ได้นำเสนอ F-statistics เพื่ออธิบายประชากรที่มีโครงสร้าง และ Nei ตามด้วย Weir และ Cockerham ได้จัดหาตัวประมาณค่าที่ใช้งานได้จริง การถกเถียงเกี่ยวกับวิธีการแบ่งส่วนความแปรผันของมนุษย์มีมาตั้งแต่ผลงานของ Lewontin ในทศวรรษ 1970; การทำแผนที่จีโนมทั้งหมดในภายหลังได้ทำแผนที่ความสัมพันธ์ของมนุษย์ทั่วโลกอย่างละเอียด และวิธีการองค์ประกอบหลักได้กลายเป็นมาตรฐานสำหรับการควบคุมการแบ่งชั้นประชากรเมื่อมีชุดข้อมูลจีโนไทป์ขนาดใหญ่เกิดขึ้น

Key figures

• Sewall Wright
• Masatoshi Nei
• Bruce Weir
• David Reich
• Alkes Price

Seminal works

• nei-1973
• weir-cockerham-1984
• price-2006

Frequently asked questions

FST วัดอะไรกันแน่?

FST คือสัดส่วนของความหลากหลายทางพันธุกรรมทั้งหมดที่เกิดจากความแตกต่างของความถี่อัลลีลระหว่างประชากรมากกว่าความแปรผันภายในประชากร; ค่าใกล้ศูนย์บ่งชี้ถึงความแตกต่างเพียงเล็กน้อย และค่าที่มากขึ้นบ่งชี้ถึงความแตกต่างที่มากขึ้น

ทำไมการแบ่งชั้นประชากรจึงเป็นปัญหาในการศึกษาความสัมพันธ์?

หากสัดส่วนของบรรพบุรุษที่แตกต่างกันระหว่างกลุ่มผู้ป่วยและกลุ่มควบคุมแตกต่างกัน ตัวแปรใดๆ ที่ความถี่แตกต่างกันไปตามบรรพบุรุษก็อาจปรากฏว่ามีความสัมพันธ์กับลักษณะนั้นได้ แม้ว่าจะไม่มีบทบาทเชิงสาเหตุ ดังนั้นจึงต้องตรวจจับและแก้ไขการแบ่งชั้นประชากร