佛羅里達州立大學科學家開發(fā)的一種先進的新分析工具可能標志著群體遺傳學研究的新時代。

他們的模型結(jié)合了先進的數(shù)學策略，可以幫助改變研究人員調(diào)查危險的，快速進化的疾病媒介的傳播和分布的方式。

這項突破性的研究是博士后數(shù)學家Somayeh Mashayekhi與計算生物學家Peter Beerli在FSU科學計算系的跨學科合作。他們的研究結(jié)果發(fā)表在“美國國家科學院院刊”上。

“我們是分數(shù)微積分在群體遺傳學中的首次應用，”Beerli說。“這將有助于我們更好地估計可能對抗病原體的重要數(shù)量。”

該團隊的模型稱為f-coalescent，用于分數(shù)階微積分的新穎用途，遵循類似但更有限的模型稱為n-coalescent的譜系。由英國數(shù)學家約翰金曼于1982年提出，n-coalescent允許科學家使用當前收集的數(shù)據(jù)對人口過去做出統(tǒng)計陳述。

“n-coalescent引入了對個體之間關系的回顧性觀點，”Beerli說。

它允許研究人員使用來自群體的基因組樣本來制作關于該群體中不同基因變體起源的概率陳述。這為科學家提供了前所未有的嚴謹洞察力，有助于形成物種隨時間變化的情景和相互作用。

但是，盡管它具有突破性的理論優(yōu)勢，但n-coalescent還有一個主要障礙：該模型是在人口均勻的假設下運作的。也就是說，它假設每個人都有相同的經(jīng)歷，同樣的逆境威脅著他們的生存，同樣的好處使他們有競爭力。

這是FSU團隊的新f-coalescent在其前身上取得進展的地方。他們的模型允許增加環(huán)境異質(zhì)性，特別是在位置和時間間隔。這些允許量有助于更清晰地了解何時出現(xiàn)不同的遺傳變異 - 這些信息對于分析對不同環(huán)境迅速演變的病原體至關重要。

在他們的研究中，Beerli和Mashayekhi將f-coalescent應用于三個真實的數(shù)據(jù)集：座頭鯨的線粒體序列數(shù)據(jù)，瘧疾寄生蟲的線粒體數(shù)據(jù)和H1N1流感病毒株的完整基因組數(shù)據(jù)。

他們發(fā)現(xiàn)雖然環(huán)境異質(zhì)性似乎對座頭鯨數(shù)據(jù)集影響不大，但流感和瘧疾數(shù)據(jù)表明，在評估由于選擇壓力變化而迅速演變的病原體時，應考慮異質(zhì)性。

“異質(zhì)性對家譜的時間有影響，”Mashayekhi說。“f-coalescent將導致對這種時間的更好估計，這將導致病原體分析的重大變化。”

雖然f-coalescent提供了一種有前景的新方法來提高我們對這些病原體變量和動態(tài)發(fā)展的理解，但研究人員表示，為了解釋可能影響人口變化的諸多因素，該模型需要進一步擴大。

“我們需要將我們的理論擴展到單一人口之外，并在模型中包括移民，”Beerli說。“只有這樣，我們才能解決諸如流感或其他快速進化的病原體分布變化等問題。”

該研究由國家科學基金會資助。