¿Por qué un coeficiente de heredabilidad no es un índice de qué tan "genético" es algo?

En lugar de discutir lo que no es la heredabilidad a través de oraciones prolijas, hablemos simplemente de lo que es la heredabilidad . Hay dos "tipos de heredabilidad":

• Heredabilidad en sentido amplio
• Heredabilidad en sentido estricto .

Discutiré algunos conceptos e introduciré lentamente el concepto de heredabilidad en ambos sentidos.

rasgo fenotípico

El fenotipo es la consecuencia del genotipo sobre el mundo. En resumen, un rasgo fenotípico es cualquier rasgo del que está hecho un individuo.

Rasgo cuantitativo

Un rasgo cuantitativo es cualquier rasgo que se puede medir y ordenar, es decir, cualquier rasgo que se puede medir con números. Por ejemplo, la altura es un rasgo cuantitativo, ya que puede decir que el individuo Aes más alto que el individuo, Bque a su vez es más alto que el individuo C.

Varianza de un rasgo cuantitativo

En una población, diferentes individuos pueden tener diferentes valores para un rasgo fenotípico dado.$x$. Debido a que estamos hablando de rasgos cuantitativos, podemos calcular la varianza del rasgo en la población. Llamemos a esta varianza$V_P$como

$$V_P=\frac{1}{N}\sum_i (x_i - \bar x)^2$$

En la ecuación anterior,$x_i$es el valor del rasgo fenotípico$x$de individuo$i$.$N$es el tamaño de la población (hay$N$individuos de la población) y$\bar x$es el rasgo fenotípico promedio$x$en la población

$$\bar x = \frac{1}{N}\sum_i x_i$$

¿Qué está causando la variación fenotípica?

¿Por qué una población mostraría alguna variación fenotípica? ¿Por qué no nos veríamos exactamente iguales? ¿Qué explica estas diferencias?

Para algunos rasgos, vemos muy poca variación. Para considerar el ejemplo que dio el OP en la publicación, la cantidad de brazos en la población humana muestra muy poca variación. Sin embargo, hay bastante variación en cuanto a la cantidad de CI, en cuanto a altura o peso.

Hay dos fuentes (principales) de variación que subyacen a esta variación fenotípica. El primero es la variación genética y el segundo es la variación ambiental. Llamaremos a la varianza genética$V_G$y la variación del entorno$V_E$.

Si en una población las personas varían mucho en cuanto a la cantidad de hamburguesas que comen, entonces hay una diferencia no despreciable.$V_E$subyacente a la variación fenotípica$V_P$por peso Si en una población hay mucha variación de genes que afectan el peso, entonces hay una no despreciable$V_G$subyacente a la variación fenotípica$V_P$por peso

Por cierto, un gen (u otra secuencia no codificante) que es polimórfico (es decir, tiene más de 1 alelo en la población) y que explica parte de la variación en el rasgo fenotípico cuantitativo se llama Quantitative Trait Locus (QTL). Un locus es una secuencia (de cualquier longitud) en el genoma.

recordatorio de matemáticas

¡Simplemente se pueden sumar las varianzas de las variables no correlacionadas! Para simplificar, supondremos por el momento que estamos considerando variables no correlacionadas. En consecuencia, podemos expresar la varianza fenotípica$V_P$como una suma de la variación fenotípica que se debe a la variación ambiental$V_E$y la variación fenotípica que se debe a la variación genética$V_G$

$$V_P=V_E+V_G$$

Esta ecuación está ligeramente simplificada y esto afectará los cálculos a continuación. Consulte la sección Otras fuentes de variación fenotípica para obtener más información.

¡Ya podemos hablar de heredabilidad!

Heredabilidad en sentido amplio

Heredabilidad en sentido amplio$h_B$se define como la fracción de la variación fenotípica$V_P$que se explica por la variación genética$V_G$. En la ecuación, da:

$$h_B=\frac{V_G}{V_P} = \frac{V_G}{V_E+V_G}$$

Heredabilidad en sentido estricto

Heredabilidad en sentido estricto$h_N$hace un truco más. Debemos considerar que la varianza genética$V_G$que subyace a la varianza fenotípica puede descomponerse en una suma de varianzas. Las varianzas que nos gusta considerar la varianza genética aditiva $V_{G,A}$y la varianza genética de dominancia $V_{G,D}$.

La variación genética aditiva es la variación genética que se debe a la interacción aditiva entre los alelos. El predominio de la variación genética se debe a interacciones no aditivas entre alelos.

Ahora podemos definir la heredabilidad en el sentido estricto$h_N$como se define como la fracción de la variación fenotípica$V_P$que se explica por la varianza genética aditiva$V_{G,A}$. En la ecuación, da:

$$h_N=\frac{V_{G,A}}{V_P} = \frac{V_{G,A}}{V_E+V_G} = \frac{V_{G,A}}{V_E+V_{G,A}+V_{G,D}}$$

En el caso especial, cuando toda la variación genética$V_G$se hace exclusivamente a través de interacciones aditivas, entonces$V_{G,D} = 0$y$V_{G,A}=V_G$y por lo tanto$h_N=h_B$

Interpretación de la heredabilidad

Si toda la variación fenotípica se debe a causas genéticas (y sin importar si hay mucha o poca variación), entonces$h_B=1$. Si toda la variación fenotípica se debe a la variación ambiental, entonces$h_B=0$.

Entonces, ¿qué hace un$h_B=0.3$¿medio?

Significa que el 30% de la variación fenotípica se explica por la variación genética y que el 70% de la variación fenotípica se debe a la variación ambiental.

Entonces, ¿qué pasa si no hay variación fenotípica en la población? si$V_P=0$, entonces la heredabilidad no está definida (ya que dividir por cero no está definido). Sin embargo, en general, tendemos a pensar que siempre hay una pequeña variación ambiental y la mayoría de la gente simplemente diría que la heredabilidad es 0 cuando$V_P=0$.

¿Qué afectará la heredabilidad?

Una medida de heredabilidad es verdadera para una población, en un ambiente.

Si cambia la población, agrega algunas mutaciones, por ejemplo, bien podría crear un locus polimórfico que esté causando alguna variación fenotípica. Si coloca la misma población en otro entorno, de repente podría tener más o menos variación fenotípica debido a la variación ambiental. Por lo general, si mide la heredabilidad en el laboratorio en un entorno controlado y constante, es probable que sobrestime la heredabilidad (al igual que subestima$V_e$) en comparación con la misma población que vive en un entorno muy heterogéneo.

¡Qué heredabilidad no es!

Si un rasgo tiene baja heredabilidad, NO significa que sea (o no sea) una adaptación. Solo significa que no hay variación genética que explique la variación fenotípica.

¿Por qué nos importa la heredabilidad?

Si no hay variación genética para un rasgo, significa que la única forma en que este rasgo puede cambiar con el tiempo es cambiando el entorno (o creando una variación genética distinta de cero a través de mutaciones). Si hay una variación genética distinta de cero y si hay una diferencia en la aptitud entre los individuos que tienen un valor de rasgo diferente, entonces el rasgo está bajo selección natural.

El índice de heredabilidad más utilizado en la heredabilidad en sentido estricto$h_N.$¿Por qué nos importa$h_N$?

Dejar$\bar x_t$ser el valor fenotípico medio del rasgo$x$en el momento$t$. Una generación más tarde, eso es en el momento$t+1$, el valor fenotípico medio es$\bar x_{t+1}$. Definamos la respuesta de selección.$R$como la diferencia esperada entre estas dos cantidades, que$R=E[\bar x_{t+1} - \bar x_t]$. Definamos la fuerza de la selección.$S$y la heredabilidad en sentido estricto$h_N$, después

$$R=h_N \cdot S$$

Como consecuencia saber$h_N$nos permite predecir el efecto de la selección en un rasgo dado.

Esta ecuación se llama ecuación del criador (ver este post sobre su interpretación).

Otras fuentes de variación fenotípica

Dicho$V_P=V_G+V_E$es un poco demasiado simplista. En realidad, existen otras fuentes de variación fenotípica, como la variación debida a cambios epigenéticos.$V_I$y la variación debido al ruido del desarrollo$V_{DN}$por ejemplo. A veces también es muy importante considerar la covarianza entre cualquier par de dicha varianza. Entonces, la ecuación sería más correcta si se estableciera como

$$V_P = V_G + V_E + V_I + V_{DN} + COV(V_G, V_E) + COV(V_G, V_I) + COV(V_G, V_{DN}) + COV(V_E, V_I) + COV(V_E, V_{DN}) + COV(V_I, V_{DN})$$

Tenga en cuenta que todos son libres de descomponer aún más cualquiera de las varianzas anteriores en una suma de varianzas como hicimos anteriormente para la varianza genética. Por ejemplo, la varianza ambiental$V_E$podría descomponerse en la suma de la variación fenotípica debida a la variación de la temperatura$V_T$y la variación fenotípica debido a la variación en la precipitación$V_{\text{precipitation}}$asumiendo que los otros tipos de variaciones ambientales son insignificantes.

Brevemente, debido a que remi.b brinda muchos buenos detalles sobre esto en su respuesta, la heredabilidad (en sentido estricto) es esencialmente una medida de la cantidad de variación fenotípica que se explica por la variación genética (aditiva). El fenotipo (P) en un individuo es el resultado de efectos genéticos (G) y ambientales (E).

$P = G + E$

Por lo tanto, la variación dentro de la población en el fenotipo es

$V_P = V_G + V_E$

La variación genética se descompone aún más en aditivo (A), dominancia (D) e interacción/varianza epistática (I).

$V_G = V_A + V_D + V_I$

Heredabilidad en sentido estricto ($h^2$) es entonces

$h^2 = \frac{V_A}{V_P}$

La variación genética aditiva y, como resultado, la heredabilidad en sentido estricto puede ser cero por dos razones.

En primer lugar, si ningún gen tiene un efecto sobre su rasgo , entonces la variación genética aditiva será cero.

En segundo lugar, si los alelos en los loci que afectan el rasgo están fijos dentro de la población , la variación genética aditiva será cero.

Por lo tanto, Eric Turkheimer tiene razón al decir que la heredabilidad no es una medida de cuán genético es algo. Sin embargo, una heredabilidad de cero no significa que algo no esté controlado genéticamente, solo que no hay variación en los efectos de los genes.

Siguiendo con el ejemplo de tener dos brazos, claramente tener brazos está controlado genéticamente, es un rasgo hereditario, pero el número de brazos tiene muy poca o ninguna variación genética. Muy pocas personas tienen >2 o <2 brazos, por lo que cualquier alelo para eso parece ser excepcionalmente raro (los alelos que determinan que se produzcan dos brazos son más o menos fijos,$p \approx 1$, donde p es la frecuencia del alelo que codifica para dos brazos).

El siguiente gráfico muestra el efecto de la frecuencia de alelos en la varianza genética aditiva, la varianza genética aditiva es cero cuando el locus tiene un alelo fijo y se maximiza cuando la frecuencia de ambos alelos (un modelo de dos alelos) es 0.5. En términos prácticos, cuando p = 0,5, la mitad de la población son heterocigotos, una cuarta parte son homocigotos para el alelo 1 y una cuarta parte son homocigotos para el alelo 2.

Por ejemplo, en este estudio , mostramos que la variación genética en el cromosoma Y explicaba solo ~0.4 % de la variación en la esperanza de vida, lo que podría deberse a que muy pocos de los genes que afectan la esperanza de vida están en el Y (probablemente, porque el Y contiene muy pocos genes, mientras que la vida útil es altamente poligénica) y/o los genes en la Y que afectan la vida útil tienen un polimorfismo bajo (probablemente, porque la Y está sujeta a varios procesos que reducen en gran medida la variación molecular dentro de la población, en comparación con otros cromosomas).

Es importante comprender la heredabilidad y la variación genética aditiva porque determinan la velocidad a la que puede ocurrir la adaptación (evolución como respuesta a la selección). Siguiendo el teorema fundamental de Fisher , y como se muestra en la ecuación de criadores ($r = h^2s$donde r es la respuesta y s es la selección), cuando$V_A = 0$la$r = 0$.

La heredabilidad no es una medida de cuán genético es un rasgo. Es una medida de cuánto de la variación en el rasgo se debe a la variación en la genética.

Intentaré aclarar esto con una historia, para complementar las respuestas que dependen más de las matemáticas.

Como referencia: técnicamente es la fracción de la variación fenotípica que se debe a la variación en los efectos genéticos:$H^2=\frac{V_G}{V_P}$(si está hablando de heredabilidad en un sentido amplio); o bien, es la fracción de la variación fenotípica que se debe a la variación en los valores genéticos :$h^2 = \frac{V_A}{V_P}$(si estás hablando de heredabilidad en sentido estricto).$V_A$También se suele llamar variación genética aditiva .

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Supongamos que tenemos dos islas, una al lado de la otra. En ambas islas, algunas personas son más altas que otras.

Da la casualidad de que sabemos (Dios nos lo dijo) que hay un gen particular que puede hacer una diferencia en tu altura: en igualdad de condiciones, los A son un pie más altos que los a . También sucede que sabemos (Dios nos lo dijo) que el café frena tu crecimiento; en igualdad de condiciones, las personas que beben té son un pie más altas que las personas que beben café.

(También sabemos que, en este momento, no hay otros factores que contribuyan a la variación en la altura. ¡Conveniente!)

Ahora a nuestras islas.

En la isla Azul , vemos que algunas personas son más altas que otras. Hacemos algunas pruebas y descubrimos que en esta isla algunas personas son A y otras son . En contraste, también encontramos que todos en esta isla beben té y nadie bebe café.

Hay variación en la altura: todo se debe a la variación en los genes, y nada se debe a la variación en la elección de la bebida. Heredabilidad = 1.

Pero eso no significa que el entorno no sea relevante para la altura en este caso. Por el contrario, sabemos (Dios nos lo dijo) que si todos hubieran bebido café en su lugar, todos serían un pie más bajos.

En la Isla Roja , vemos que algunas personas son más altas que otras. Hacemos algunas pruebas y descubrimos que todos ellos son un 's; ninguno de ellos es A s. En contraste, algunos beben café y otros beben té.

Hay variación en la altura: nada de esto se debe a la variación en los genes, y todo se debe a la variación en la elección de la bebida. Heredabilidad = 0.

Pero eso no significa que la genética sea irrelevante para la altura en este caso. Por el contrario, sabemos (Dios nos dijo) que si todos hubieran sido A s en su lugar, entonces todos serían un pie más altos.

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Creo que la forma más convincente de recordar por qué la heredabilidad no se trata de "cuán genético es un rasgo" es recordar que si todos tienen el gen, entonces el gen no varía y no contribuirá a la variación; ¡pero eso no significa que el gen no sea relevante!

Por ejemplo, que yo sepa, no existe una variación genética para "tener corazón". Todo el mundo nace con un corazón. A las personas sin corazones les faltan corazones debido a factores ambientales como este:

Entonces, tener un corazón tiene una heredabilidad baja, ¡pero eso no significa que los genes no estén involucrados en la construcción de corazones!

Asimismo, una alta heredabilidad no significa que los efectos ambientales no sean importantes para el rasgo; simplemente significa que las diferencias en el entorno no están contribuyendo actualmente a las diferencias en el rasgo.

Tampoco significa que los futuros factores ambientales podrían no volverse importantes. Por ejemplo, la heredabilidad de la vista era presumiblemente algo alta. ¡ Pero eso no impidió que quien lo hizo inventara las gafas !

Así que esa es otra lección. La heredabilidad no es una constante. La selección natural en realidad tiende a reducir las heredabilidades (ya que se deshace de los peores genes); y si el entorno cambia, entonces la heredabilidad puede subir hacia abajo o por todas partes.

Se han publicado muy buenas reseñas del concepto general, pero me gustaría centrarme en la pregunta suave de de qué manera la heredabilidad no refleja "cuán genético" es algo. Por supuesto, esa no es realmente una declaración definida técnicamente y, de alguna manera, lo es , pero atengámonos a la pregunta:

• Las contribuciones ambientales varían . Considere la fibrosis pulmonar. Una cierta tasa baja de fibrosis pulmonar familiar siempre estará presente debido a la genética. Pero en una ciudad construida alrededor de una mina de carbón, se espera ver un nivel mucho más alto de fibrosis pulmonar idiopática. Se podría discutir la semántica, pero probablemente los rasgos relacionados con esta condición no sean "más genéticos" en los pueblos sin minas de carbón.
• Las contribuciones genéticas dependen del medio ambiente . La correlación de los déficits cognitivos con los alelos de fenilcetonuria es bastante alta en algunas condiciones, pero con una dieta y suplementos apropiados, estos genes tienen mucha menos influencia: se podría decir "penetrancia reducida". ¿La PKU es "menos genética" según la nutrición? Tal vez el software de seguimiento ocular conduzca a un nuevo tipo de juego el próximo año y, a medida que los "atletas oculares" sufran desgracias, la heredabilidad de algunos rasgos oftálmicos se desplomará, pero ¿eso significa que los genes son más débiles?
• No se conocen todas las contribuciones genéticas . Antes de la pandemia del VIH, no se habría reconocido que delta32 CCR5 tuviera un efecto sobre la inmunosupresión (al menos, no por ese medio). Por lo tanto, es posible que no entendamos verdaderamente el componente genético que potencialmente existe incluso después de un estudio exhaustivo del rasgo en las condiciones actuales.

"Si toda la variación fenotípica se debe a causas genéticas (e independientemente de si hay mucha o poca variación), entonces hB=1hB=1. Si toda la variación fenotípica se debe a la variación ambiental, entonces hB=0hB =0.

Entonces, ¿qué significa hB=0.3hB=0.3?

Significa que el 30% de la variación fenotípica se explica por la variación genética y que el 70% de la variación fenotípica se debe a la variación ambiental.

Entonces, ¿qué pasa si no hay variación fenotípica en la población? si VP=0VP=0, entonces la heredabilidad no está definida (ya que dividir por cero no está definido). Sin embargo, en general, tendemos a pensar que siempre hay una pequeña variación ambiental y la mayoría de la gente simplemente diría que la heredabilidad es 0 cuando VP=0VP=0".

Por lo tanto, los factores ambientales que se enumeran junto con los factores genéticos es un intento de explicar los factores hereditarios que no resultan de modificaciones en la secuencia de ADN o factores epigenéticos. Creo que es por eso que los coeficientes de heredabilidad utilizados en el sentido de que solo son la única variable útil para demostrar la herencia es un problema. Los modelos estadísticos actuales que se utilizan para tratar de delinear la variación ambiental no tienen en cuenta (como los que se muestran arriba) y, aunque estos son los mejores modelos que tenemos en este momento, no incorporan variables que podrían afectar factores epigenéticos como como la reparación del ADN, los ciclos celulares o la metilación del ADN.