Инбридинг - это получение потомства от спаривания или размножения особей или организмов, которые тесно генетически связаны. По аналогии этот термин используется в репродукции человека, но чаще относится к генетическим нарушениям и другим последствиям, которые могут возникнуть в результате проявления вредоносных или рецессивных признаков. в результате инцестуозных сексуальных отношений и кровного родства.
Инбридинг приводит к гомозиготности, что может увеличить шансы того, что потомство будет затронуто вредными или рецессивными чертами. Обычно это приводит, по крайней мере, к временному снижению биологической приспособленности популяции (так называемая депрессия инбридинга ), что является ее способностью к выживанию и воспроизводству. Человека, который наследует такие вредные черты, в просторечии называют инбредным. Предотвращение экспрессии таких вредных рецессивных аллелей, вызванных инбридингом, посредством механизмов избегания инбридинга, является основной селективной причиной ауткроссинга. Скрещивание между популяциями также часто оказывает положительное влияние на характеристики, связанные с фитнесом, но также иногда приводит к отрицательным эффектам, известным как депрессия аутбридинга. Однако повышенная гомозиготность увеличивает вероятность фиксации полезных аллелей, а также немного снижает вероятность фиксации вредных аллелей в популяции. Инбридинг может привести к удалению вредных аллелей из популяции посредством очищающего отбора.
Инбридинг - это метод, используемый в селективном разведении. Например, в животноводстве селекционеры могут использовать инбридинг при попытке установить новый и желательный признак в поголовье и для создания отдельных семейств внутри породы, но им нужно будет следить за нежелательные характеристики потомства, которые затем могут быть устранены путем дальнейшего селекционного разведения или выбраковки. Инбридинг также помогает установить тип действия гена, влияющий на признак. Инбридинг также используется для выявления вредных рецессивных аллелей, которые затем могут быть устранены посредством ассортативного разведения или путем отбраковки. В селекции растений, инбредные линии используются в качестве исходных для создания гибридных линий, чтобы использовать эффекты гетерозиса. Инбридинг у растений также происходит естественным образом в форме самоопыления.
Инбридинг может значительно влиять на экспрессию гена, что может предотвратить инбридинговую депрессию.
Потомство биологически связанных лиц подвержено возможным последствиям инбридинга, таким как врожденные пороки развития. Вероятность таких расстройств увеличивается, когда биологические родители более тесно связаны. Это связано с тем, что такие пары имеют 25% вероятность получения гомозиготных зигот, что приводит к потомству с двумя рецессивными аллелями, которые могут вызывать расстройства, когда эти аллели вредны.. Поскольку большинство рецессивных аллелей в популяциях встречается редко, маловероятно, что два неродственных брака будут носителями одного и того же вредного аллеля; однако, поскольку близкие родственники имеют большую долю своих аллелей, вероятность того, что любой такой вредный аллель унаследован от общего предка через обоих родителей, резко возрастает. Для каждой сформированной гомозиготной рецессивной особи существует равный шанс произвести гомозиготную доминантную особь, полностью лишенную вредного аллеля. Вопреки распространенному мнению, инбридинг сам по себе не изменяет частоты аллелей, а скорее увеличивает относительное соотношение гомозигот к гетерозиготам; однако, поскольку увеличенная доля вредных гомозигот подвергает аллель естественному отбору, в долгосрочной перспективе его частота снижается более быстро в инбредных популяциях. В краткосрочной перспективе ожидается, что кровосмесительное размножение увеличит количество самопроизвольных абортов зигот, перинатальных смертей и послеродового потомства с врожденными дефектами. Преимущества инбридинга могут быть результатом тенденции к сохранению структур аллелей, взаимодействующих в разных локусах, которые были адаптированы вместе с помощью общей истории отбора.
Пороки развития или вредные черты могут оставаться в популяции из-за высокий уровень гомозиготности, и это приведет к тому, что популяция станет фиксированной по определенным признакам, таким как наличие слишком большого количества костей в определенной области, например, позвоночный столб волков на острове Рояль или наличие черепных аномалий, таких как у северных морских слонов, где их черепные изменилась длина кости в нижнем зубном ряду нижней челюсти. Высокий уровень гомозиготности проблематичен для популяции, поскольку он демаскирует рецессивные вредные аллели, порожденные мутациями, уменьшит преимущество гетерозигот и пагубно сказывается на выживании небольших популяций животных, находящихся под угрозой исчезновения. Когда вредные рецессивные аллели разоблачаются из-за повышенной гомозиготности, вызванной инбридингом, это может вызвать депрессию инбридинга.
Могут быть и другие вредные эффекты, помимо тех, которые вызваны рецессивными заболеваниями. Таким образом, аналогичные иммунные системы могут быть более уязвимы для инфекционных заболеваний (см. Главный комплекс гистосовместимости и половой отбор ).
При обсуждении вариаций степени инбридинга также следует учитывать историю инбридинга в популяции. депрессия между видами и внутри видов. При постоянном инбридинге есть данные, свидетельствующие о том, что инбридинговая депрессия становится менее серьезной. Это связано с выявлением и устранением крайне вредных рецессивных аллелей. Однако инбридинговая депрессия не является временным явлением, поскольку устранение пагубных рецессивные аллели никогда не будут полными. Устранение слегка вредных мутаций посредством инбридинга при умеренном отборе не столь эффективно. Фиксация аллелей, скорее всего, происходит с помощью храповика Мюллера, когда в геноме бесполой популяции накапливаются необратимые вредные мутации.
Несмотря на все свои недостатки, инбридинг может также иметь множество преимуществ, таких как снижение рекомбинационной нагрузки и возможность экспрессии рецессивных благоприятных фенотипов. Было высказано предположение, что при обстоятельствах, когда преимущества инбридинга перевешивают недостатки, может быть продвинуто предпочтительное разведение в малых группах, что потенциально может привести к видообразованию.
Аутосомно-рецессивные расстройства возникают у людей, которые имеют две копии аллеля для конкретной рецессивной генетической мутации. За исключением некоторых редких обстоятельств, таких как новые мутации или однопородная дисомия, оба родителя человека с таким заболеванием будут носителями гена. Эти носители не проявляют никаких признаков мутации и могут не знать, что они несут мутировавший ген. Поскольку родственники имеют более высокую долю своих генов, чем неродственные люди, более вероятно, что оба родственных родителя будут носителями одного и того же рецессивного аллеля, и, следовательно, их дети подвергаются более высокому риску наследования аутосомно-рецессивного генетического заболевания. Степень увеличения риска зависит от степени генетического родства между родителями; риск выше, когда родители являются близкими родственниками, и ниже для отношений между более дальними родственниками, такими как троюродные братья, хотя все еще выше, чем для населения в целом.
Дети союзов родитель-ребенок или братьев и сестер-братьев являются с повышенным риском по сравнению с союзами двоюродных братьев и сестер. Инбридинг может привести к большему, чем ожидалось, фенотипическому выражению вредных рецессивных аллелей в популяции. В результате у инбредных особей первого поколения чаще наблюдаются физические недостатки и дефекты здоровья, в том числе:
Изоляция небольшой группы населения на время может привести к к инбридингу внутри этой популяции, что приводит к увеличению генетического родства между размножающимися особями. Инбридинговая депрессия также может возникать в большой популяции, если люди склонны спариваться со своими родственниками, а не случайным образом.
Многие особи первого поколения инбридинга никогда не доживут до воспроизводства. Со временем, с изоляцией, такой как узкое место популяции, вызванное целенаправленным (ассортативным ) размножением или естественными факторами окружающей среды, вредные наследственные признаки отбрасываются.
Островные виды часто очень инбредны, поскольку их изоляция от более крупной группы на материке позволяет естественному отбору воздействовать на их популяцию. Этот тип изоляции может привести к формированию расы или даже видообразования, поскольку инбридинг сначала удаляет множество вредоносных генов и позволяет экспрессию генов, которые позволяют популяции адаптироваться к экосистема. По мере того, как адаптация становится более выраженной, новый вид или раса излучается от входа в новое пространство или вымирает, если не может адаптироваться и, что наиболее важно, воспроизводиться.
Уменьшенное генетическое разнообразие Например из-за узкого места неизбежно будет увеличиваться инбридинг для всей популяции. Это может означать, что виды не могут адаптироваться к изменениям в условиях окружающей среды. У каждого человека будет схожая иммунная система, поскольку иммунная система основана на генетике. Когда вид становится находящимся под угрозой исчезновения, популяция может упасть ниже минимума, в результате чего принудительное скрещивание между оставшимися животными приведет к исчезновению.
Естественное разведение включает инбридинг по необходимости, и большинство животных мигрируют только тогда, когда необходимо. Во многих случаях ближайший доступный помощник - это мать, сестра, бабушка, отец, брат или дедушка. Во всех случаях окружающая среда создает стресс для удаления из популяции тех особей, которые не могут выжить из-за болезни.
Было предположение, что дикие популяции не подвергаются инбридингу; это не то, что в некоторых случаях наблюдается в дикой природе. Однако у таких видов, как лошади, животные в диких или одичалых условиях часто отгоняют детенышей обоих полов, что считается механизмом, с помощью которого вид инстинктивно избегает некоторых генетических последствий инбридинга. В целом, многие виды млекопитающих, включая ближайших приматов родственников человечества, избегают близкого инбридинга, возможно, из-за пагубных последствий.
Хотя есть несколько примеров инбредных популяций для диких животных негативные последствия этого инбридинга плохо задокументированы. В южноамериканских морских львах высказывались опасения, что недавние катастрофы популяций уменьшат генетическое разнообразие. Исторический анализ показал, что рост популяции всего по двум матрилинейным линиям был ответственным за большинство людей в популяции. Даже в этом случае разнообразие внутри линий допускало большие вариации в генофонде, что могло помочь защитить южноамериканского морского льва от исчезновения.
ГетерозиготныйУ львов прайды часто сменяются родственными мужчины в группах бакалавров. Когда один из этих холостяков убивает или изгоняет доминирующего самца, отца может заменить его сын. Не существует механизма предотвращения инбридинга или обеспечения ауткроссинга. В прайдах большинство львиц связаны друг с другом. Если доминирует более одного самца, группа альфа-самцов обычно связана. Две линии затем «разводятся». Также известно, что в некоторых популяциях, таких как львы Crater, возникло узкое место в популяции. Исследователи обнаружили гораздо большую генетическую гетерозиготность, чем ожидалось. Фактически, хищники известны своей низкой генетической изменчивостью, наряду с большей частью верхней части трофических уровней экосистемы. Кроме того, альфа-самцы двух соседних прайдов могут быть из одного помета; один брат может прийти к власти над гордостью другого и впоследствии вступить в брак со своими племянницами или кузенами. Однако убийство детенышей другого самца при захвате позволяет новому отобранному генному комплексу приходящего альфа-самца преобладать над предыдущим самцом. Планируется проведение генетических анализов львов для определения их генетического разнообразия. Предварительные исследования показывают результаты, несовместимые с парадигмой ауткроссинга, основанные на индивидуальной среде обитания исследуемых групп.
В Центральной Калифорнии считалось, что каланы вымерли из-за чрезмерной охоты, пока в 1930-х годах в районе Пойнт-Сур не была обнаружена небольшая колония. С тех пор популяция выросла и распространилась вдоль центрального побережья Калифорнии до примерно 2000 особей, и этот уровень оставался стабильным более десяти лет. Рост популяции ограничен тем фактом, что все калифорнийские каланы произошли от изолированной колонии, что привело к инбридингу.
Гепарды - еще один пример инбридинга. Тысячи лет назад гепард пережил узкое место в популяции, которое резко сократило его популяцию, поэтому все животные, живущие сегодня, связаны друг с другом. Следствием инбридинга для этого вида стала высокая смертность молоди, низкая плодовитость и низкий успех размножения.
В исследовании островной популяции певчих воробьев инбредные особи показали значительно более низкие показатели выживаемости, чем аутбредные особи. во время суровой зимней погоды, связанной с падением населения. Эти исследования показывают, что инбридинговая депрессия и экологические факторы влияют на выживаемость.
Мерой инбридинга особи A является вероятность F (A) того, что оба аллеля в одном локусе являются происходит от того же аллеля у предка. Эти два идентичных аллеля, оба происходят от общего предка, считаются идентичными по происхождению. Эта вероятность F (A) называется «коэффициентом инбридинга ".
. Еще одна полезная мера, которая описывает степень родства двух особей (скажем, особей A и B), - это их коэффициент coancestry f (A, B), который дает вероятность того, что один случайно выбранный аллель из A и другой случайно выбранный аллель из B идентичны по происхождению. Это также обозначается как коэффициент родства между A и B.
Частным случаем является самоканцестрия индивидуума A с самим собой, f (A, A), что представляет собой вероятность того, что взяв один случайный аллель из A, а затем, независимо и с заменой, другой случайный аллель также из A, оба идентичны по происхождению. Поскольку они могут быть идентичными путем спуска путем выборки одного и того же аллеля или выборки обоих аллелей, которые оказались идентичными по происхождению, мы имеем f (A, A) = 1/2 + F (A) / 2.
И инбридинг, и Коэффициенты coancestry могут быть определены для конкретных людей или как средние значения популяции. Они могут быть c вычисляется по генеалогии или оценивается по размеру популяции и ее племенным свойствам, но все методы не предполагают отбора и ограничиваются нейтральными аллелями.
Есть несколько методов вычисления этого процента. Двумя основными способами являются метод пути и табличный метод.
Типичные отношения между родственниками следующие:
Разведение домашних животных в первую очередь ассортативное разведение (см. селекционное разведение ). Без сортировки особей по признакам невозможно установить породу и удалить плохой генетический материал. Гомозиготность - это случай, когда сходные или идентичные аллели объединяются для выражения признака, который не выражен иным образом (рецессивность). Инбридинг выявляет рецессивные аллели за счет увеличения гомозиготности.
Селекционеры должны избегать разведения от особей, которые демонстрируют либо гомозиготность, либо гетерозиготность по аллелям, вызывающим заболевание. Цель предотвращения передачи вредоносных аллелей может быть достигнута путем репродуктивной изоляции, стерилизации или, в крайнем случае, отбраковки. Выбраковка не является строго необходимой, если единственная проблема - генетика. Мелких животных, таких как кошки и собаки, можно стерилизовать, но в случае крупных сельскохозяйственных животных, таких как крупный рогатый скот, выбраковка обычно является единственным экономичным вариантом.
Проблема случайных заводчиков, которые безответственно производят инбридинг, обсуждается в следующей цитате по крупному рогатому скоту:
Между тем, удой молока на одну корову за лактацию увеличился с 17 444 фунтов до 25 013 фунтов с 1978 по 1998 год для голштинской породы. Средние племенные показатели молока коров голштинской породы увеличились за этот период на 4829 фунтов. Высокопродуктивных коров становится все труднее разводить, и они требуют более высоких затрат на здоровье, чем коровы с более низкой генетической ценностью для производства (Cassell, 2001).
Интенсивный отбор для повышения урожайности увеличил взаимоотношения между животными внутри породы и повысил уровень случайного инбридинга.
Многие признаки, влияющие на прибыльность при скрещивании современных молочных пород, не изучались в запланированных экспериментах. Действительно, все исследования по скрещиванию североамериканских пород и линий очень устарели (McAllister, 2001), если они вообще существуют.
BBC выпустила два документальных фильма о инбридинге собак под названием Разоблачение породистых собак и Разоблачение породистых собак: три года спустя, в которых задокументированы негативные последствия для здоровья чрезмерного инбридинга.
Лайнбридинг - это форма инбридинга. Между этими двумя терминами нет четкого различия, но лайнбридинг может включать в себя скрещивание особей и их потомков или двух кузенов. Этот метод можно использовать для увеличения вклада конкретного животного в популяцию. Хотя лайнбридинг с меньшей вероятностью вызовет проблемы в первом поколении, чем инбридинг, со временем лайнбридинг может уменьшить генетическое разнообразие популяции и вызвать проблемы, связанные со слишком маленьким генофондом, который может включать повышенную распространенность генетических нарушений и инбридинга. депрессия.
Ауткроссинг - это скрещивание двух неродственных особей для получения потомства. При ауткроссинге, если нет поддающейся проверке генетической информации, можно обнаружить, что все особи отдаленно связаны с древним прародителем. Если эта черта распространяется на всю популяцию, все люди могут иметь эту черту. Это называется эффектом основателя. У широко известных пород, которые обычно разводятся, присутствует большой генофонд. Например, в 2004 году было зарегистрировано более 18 000 персидских кошек. Существует возможность полного ауткросса, если между особями не существует препятствий для размножения. Однако это не всегда так, и имеет место разновидность удаленного лайнбридинга. И снова заводчик-ассортативный заводчик должен знать, какие черты, как положительные, так и отрицательные, существуют в разнообразии одного разведения. Это разнообразие генетической экспрессии даже у близких родственников увеличивает изменчивость и разнообразие жизнеспособного стада.
Систематическое инбридинг и поддержание инбредных линий лабораторных мышей и крыс имеют большое значение для биомедицинских исследований. Инбридинг гарантирует последовательную и однородную животную модель для экспериментальных целей и позволяет проводить генетические исследования на конгенных и нокаутированных животных. Для того, чтобы получить линию мышей, которая считается инбредной, должно произойти минимум 20 последовательных поколений вязок сиблингов. С каждым последующим поколением разведения гомозиготность во всем геноме увеличивается, устраняя гетерозиготные локусы. При 20 поколениях скрещиваний братьев и сестер гомозиготность наблюдается примерно в 98,7% всех локусов в геноме, что позволяет этим потомкам служить моделями на животных для генетических исследований. Использование инбредных штаммов также важно для генетических исследований на животных моделях, например, чтобы отличить генетические эффекты от воздействия окружающей среды. Инбредные мыши обычно показывают значительно более низкие показатели выживаемости.
Инбридинг увеличивает шансы на проявление вредных рецессивных аллелей за счет увеличения гомозиготности и, следовательно, имеет потенциал для снижения приспособленности потомства. При непрерывном инбридинге генетическая изменчивость утрачивается, а гомозиготность увеличивается, что делает возможным экспрессию рецессивных вредных аллелей у гомозигот. Коэффициент инбридинга, или степень инбридинга у индивидуума, представляет собой оценку процента гомозиготных аллелей в общем геноме. Чем более биологически родственны родители, тем выше коэффициент инбридинга, поскольку их геномы уже имеют много общего. Эта общая гомозиготность становится проблемой, когда в генофонде семьи присутствуют вредные рецессивные аллели. Путем спаривания хромосом схожих геномов вероятность того, что эти рецессивные аллели спарятся и станут гомозиготными, значительно возрастет, что приведет к потомству с аутосомно-рецессивными расстройствами.
Инбридинг особенно проблематичен в небольших популяциях, где генетические вариации уже ограничены. Путем инбридинга индивиды еще больше уменьшают генетическую изменчивость за счет увеличения гомозиготности в геномах своего потомства. Таким образом, вероятность спаривания вредных рецессивных аллелей значительно выше в небольшой популяции инбридинга, чем в большой популяции инбридинга.
Последствия пригодности кровнородственных связей изучались с момента их научного признания Чарльзом Дарвином. в 1839 г. Некоторые из наиболее вредных последствий такого разведения включают его влияние на уровень смертности, а также на общее состояние здоровья потомства. С 1960-х годов было проведено множество исследований, подтверждающих такое изнурительное воздействие на человеческий организм. В частности, было обнаружено, что инбридинг снижает фертильность как прямой результат увеличения гомозиготности вредных рецессивных аллелей. Плоды, полученные в результате инбридинга, также подвергаются большему риску самопроизвольных абортов из-за врожденных осложнений в развитии. Среди матерей, мертворожденных и умерших в раннем детстве, инбридинговые матери имеют значительно более высокие шансы на получение повторных результатов с будущим потомством. Кроме того, кровные родители имеют высокий риск преждевременных родов и рождения детей с недостаточным весом и ростом. Жизнеспособное инбредное потомство также может иметь физические уродства и генетически унаследованные заболевания. Исследования подтвердили рост ряда генетических нарушений из-за инбридинга, таких как слепота, потеря слуха, неонатальный диабет, пороки развития конечностей, нарушения полового развития, шизофрения и ряд других. Более того, существует повышенный риск врожденного порока сердца в зависимости от коэффициента инбридинга (см. коэффициент инбридинга ) потомства, при этом значительный риск сопровождается F = 0,125 или выше.
Общий негативный взгляд на инбридинг и отказ от инбридинга, который преобладает в западном мире сегодня, уходит корнями в более чем 2000 лет назад. В частности, письменные документы, такие как Библия, показывают, что существовали законы и общественные обычаи, которые призывали воздерживаться от инбридинга. Наряду с культурными табу, образование родителей и осознание последствий инбридинга сыграли большую роль в минимизации частоты инбридинга в таких регионах, как Европа. Таким образом, в мире есть менее урбанизированные и менее населенные регионы, которые продемонстрировали преемственность в практике инбридинга.
Непрерывность инбридинга часто происходит либо по выбору, либо неизбежно из-за ограничений географического района. По выбору, уровень кровного родства сильно зависит от религии и культуры. В западном мире некоторые группы анабаптистов сильно инбредны, потому что они происходят из небольшого населения основателей, и до сегодняшнего дня браки вне групп не разрешены для членов. В особенности меннониты старого порядка Рейденбаха и гуттериты происходят из очень небольшого населения основателей. То же самое верно и для некоторых групп хасидов и евреев харедим.
Среди практикующих регионов Ближний Восток и Северная Африка показывают наибольшую частоту кровного родства. Связь между высокой частотой и регионом в первую очередь связана с преобладанием исламского населения, которое исторически было вовлечено в семейные отношения.
Среди этих популяций с высоким уровнем инбридинга исследователи обнаружили несколько расстройств, распространенных среди инбредных потомство. В Ливане, Саудовской Аравии, Египте и в Израиле у потомков кровных родственников повышен риск врожденных пороков развития, врожденных пороки сердца, врожденная гидроцефалия и дефекты нервной трубки. Кроме того, среди инбредных детей в Палестине и Ливане существует положительная связь между кровным родством и зарегистрированными случаями расщелины губы / неба. Исторически сложилось так, что население Катара состояло в кровнородственных отношениях всех видов, что приводило к высокому риску наследования генетических заболеваний. По состоянию на 2014 год около 5% населения Катара страдали от наследственной потери слуха; большинство из них были потомками кровного родства.
Меж дворянский брак брак использовался как метод формирования политических союзов среди элит. Эти связи часто скреплялись только после рождения потомства в рамках брака по договоренности. Таким образом, брак рассматривался как союз представителей знати, а не как договор между людьми, как это принято сегодня.
Королевские смешанные браки часто практиковались среди европейских королевских семей, обычно в интересах государства. Со временем, из-за относительно ограниченного числа потенциальных супругов, генофонд многих правящих семей становился все меньше, пока все европейские королевские семьи не были связаны. Это также привело к тому, что многие из них произошли от определенного человека по разным линиям происхождения, например, многочисленные европейские члены королевской семьи и дворянство произошли от британской королевы Виктории или короля Дании Кристиана IX. Дом Габсбургов был печально известен своим инбридингом, при этом губа Габсбургов упоминалась как вредный эффект, хотя никакие генетические доказательства не подтвердили это утверждение. Близкородственные дома Габсбургов, Бурбон, Браганса и Виттельсбах также часто вступали в браки двоюродных братьев и сестер, а также случайные двоюродные братья и браки дяди и племянницы. Примеры кровосмесительных браков и влияние инбридинга на королевские семьи включают: