Em formação

Por que um coeficiente de herdabilidade não é um índice de quão “genético” algo é?


Em seu blog, Eric Turkheimer escreve:

[T] como um número, uma unidade de análise, os coeficientes de herdabilidade são coisas engraçadas de agregar em um nível tão massivo. O que exatamente devemos fazer com o fato de que os estudos de gêmeos no domínio da oftalmologia produziram as herdabilidades mais altas? Devem os oftalmologistas, ao contrário dos dermatologistas, correr para o laboratório de genética porque sua característica acaba sendo mais hereditária? Não. O que quer que seja uma herdabilidade, não é um índice de quão "genética" algo é. Não é, por exemplo, um indicador útil de quão bem-sucedidos os esforços para encontrar genes podem ser. Se nada mais, as diferenças na confiabilidade da medição são confundidas a cada herdabilidade registrada aqui. Meu ponto é este - embora seja bom saber que em média tudo é 50% herdável, é difícil atribuir muito significado ao próprio número, ou especialmente aos desvios desse número, ao fato de que as condições oculares têm herdabilidades em torno de 0,7 e atitudes em torno de .3. Ter dois braços tem uma herdabilidade de 0.

Pelo que entendi, uma razão pela qual Turkheimer acredita que os coeficientes de herdabilidade não são um índice de quão genética é uma característica é que eles são confundidos por níveis variáveis ​​de erro de medição. Então, por exemplo, talvez as herdabilidades relativamente baixas nas condições da pele em comparação às condições dos olhos se devam ao fato de haver mais erros de medição em relação às condições da pele.

Turkheimer sugere que há outras razões pelas quais não é apropriado dizer que um coeficiente de herdabilidade é um índice de "quão genético" algo é. Quais são essas outras razões?


Em vez de discutir o que a herdabilidade não é por meio de frases prolixas, vamos apenas falar sobre o que a herdabilidade é. Existem dois "tipos de herdabilidade":

  • Herdabilidade em sentido amplo
  • Herdabilidade no sentido estrito.

Discutirei alguns conceitos e lentamente introduzirei o conceito de herdabilidade em ambos os sentidos.

Traço fenotípico

O fenótipo é a consequência do genótipo no mundo. Em resumo, um traço fenotípico é qualquer traço de que um indivíduo é feito!

Traço quantitativo

Uma característica quantitativa é qualquer característica que você possa medir e ordenar, ou seja, qualquer característica que você possa medir com números. Por exemplo, a altura é uma característica quantitativa, como você pode dizer que o indivíduoUMAé mais alto que o indivíduoBque é mais alto que o indivíduoC.

Variância de uma característica quantitativa

Em uma população, diferentes indivíduos podem ter valores diferentes para uma determinada característica fenotípica $ x $. Como estamos falando sobre características quantitativas, podemos calcular a variância da característica na população. Vamos chamar isso de variação $ V_P $ tal como

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

Na equação acima, $ x_i $ é o valor do traço fenotípico $ x $ do indivíduo $ i $. $ N $ é o tamanho da população (há $ N $ indivíduos da população) e $ bar x $ é a característica fenotípica média $ x $ na população.

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

O que está causando a variação fenotípica

Por que uma população apresentaria qualquer variação fenotípica? Por que não teríamos exatamente a mesma aparência? O que explica essas diferenças?

Para algumas características, vemos muito pouca variação. Para considerar o exemplo que o OP deu no post, o número de armas na população humana mostra muito pouca variação. No entanto, existe uma grande variação em termos do número de QI, em termos de altura ou peso.

Existem duas (principais) fontes de variação que estão subjacentes a esta variação fenotípica. O primeiro é a variância genética e o segundo é a variância ambiental. Vamos chamar a variância genética $ V_G $ e a variação do ambiente $ V_E $.

Se em uma população, as pessoas variam muito em termos de quantos hambúrgueres comem, então há um valor não desprezível $ V_E $ subjacente à variação fenotípica $ V_P $ para peso. Se em uma população, há uma grande variação de genes que afetam o peso, então há um valor não desprezível $ V_G $ subjacente à variação fenotípica $ V_P $ para peso.

A propósito, um gene (ou outra sequência não codificante) que é polimórfico (ou seja, tem mais de 1 alelo na população) e que explica parte da variação no traço quantitativo fenotípico é chamado de Locus de Traço Quantitativo (QTL). Um locus é uma sequência (de qualquer comprimento) no genoma.

Lembrete de matemática

Variâncias de variáveis ​​não correlacionadas podem simplesmente ser adicionadas! Para simplificar, assumiremos por enquanto que estamos considerando variáveis ​​não correlacionadas. Como consequência, podemos expressar a variância fenotípica $ V_P $ como uma soma da variância fenotípica que é devido à variância ambiental $ V_E $ e a variação fenotípica que é devido à variação genética $ V_G $

$$ V_P = V_E + V_G $$

Esta equação é ligeiramente simplificada e isso afetará os cálculos abaixo. Veja a seção Outras fontes de variação fenotípica para mais informações.

Agora podemos falar sobre herdabilidade!

Herdabilidade em sentido amplo

Herdabilidade em sentido amplo $ h_B $ é definido como a fração da variância fenotípica $ V_P $ isso é explicado pela variação genética $ V_G $. Na equação, dá:

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

Herdabilidade no sentido estrito

Herdabilidade no sentido estrito $ h_N $ faz mais um truque. Temos que considerar que a variância genética $ V_G $ que está subjacente à variância fenotípica pode ser decomposta em uma soma de variâncias. As variações que gostamos de considerar o variância genética aditiva $ V_ {G, A} $ e a variância genética de dominância $ V_ {G, D} $.

A variância genética aditiva é a variação genética que se deve à interação aditiva entre alelos. O domínio da variância genética é devido a interações não aditivas entre alelos.

Agora podemos definir a herdabilidade no sentido estrito $ h_N $ como o é definido como a fração da variância fenotípica $ V_P $ que é explicado pela variância genética aditiva $ V_ {G, A} $. Na equação, dá:

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

No caso especial, quando toda a variância genética $ V_G $ é feito exclusivamente por meio de interações aditivas, então $ V_ {G, D} = 0 $ e $ V_ {G, A} = V_G $ e portanto $ h_N = h_B $

Interpretação da herdabilidade

Se toda a variação fenotípica é devida a causas genéticas (e independentemente de haver muita ou pouca variação), então $ h_B = 1 $. Se toda a variação fenotípica é devido à variação ambiental, então $ h_B = 0 $.

Então, o que um $ h_B = 0,3 $ meios?

Isso significa que 30% da variância fenotípica é explicada pela variância genética e que 70% da variância fenotípica é devido à variância ambiental.

Então, e se não houver variação fenotípica na população? E se $ V_P = 0 $, então a herdabilidade é indefinida (já que a divisão por zero é indefinida). No entanto, em geral, tendemos a pensar que sempre há uma pequena variação ambiental e a maioria das pessoas continuaria dizendo que a herdabilidade é 0 quando $ V_P = 0 $.

O que afetará a herdabilidade?

Uma medida de herdabilidade é verdadeira para uma população, em um ambiente.

Se você alterar a população, adicionar algumas mutações, por exemplo, você pode muito bem criar um locus polimórfico que está causando alguma variação fenotípica. Se você colocar a mesma população em outro ambiente, poderá repentinamente ter mais ou menos variação fenotípica devido à variação ambiental. Normalmente, se você medir a herdabilidade no laboratório em um ambiente controlado e constante, provavelmente superestimará a herdabilidade (como você subestima $ V_e $) em comparação com a mesma população que vive em um ambiente muito heterogêneo.

O que não é herdabilidade!

Se uma característica tem baixa herdabilidade, isso NÃO significa que é (ou não é) uma adaptação. Significa apenas que não há variância genética que explique a variância fenotípica.

Por que nos preocupamos com a herdabilidade?

Se não houver variância genética para uma característica, isso significa que a única maneira pela qual essa característica pode mudar ao longo do tempo é mudando o ambiente (ou criando uma variância genética diferente de zero por meio de mutações). Se houver uma variância genética diferente de zero e se houver uma diferença na adequação entre indivíduos com valores de característica diferentes, então, a característica está sob seleção natural.

O índice de herdabilidade mais comumente usado no sentido restrito $ h_N. $Por que nos preocupamos $ h_N $?

Deixar $ bar x_t $ ser o valor fenotípico médio da característica $ x $ no tempo $ t $. Uma geração depois, ou seja, $ t + 1 $, o valor fenotípico médio é $ bar x_ {t + 1} $. Vamos definir a resposta da seleção $ R $ como a diferença esperada entre essas duas quantidades, que $ R = E [ bar x_ {t + 1} - bar x_t] $. Vamos definir a força da seleção $ S $ e a herdabilidade no sentido estrito $ h_N $, então

$$ R = h_N cdot S $$

Como conseqüência, saber $ h_N $ nos permite prever o efeito da seleção em uma determinada característica.

Essa equação é chamada de equação do criador (veja este post sobre sua interpretação).

Outras fontes de variação fenotípica

Dizendo $ V_P = V_G + V_E $ é um pouco simplista. Na realidade, existem outras fontes de variação fenotípica, como variância devido a mudanças epigenéticas $ V_I $ e variação devido ao ruído de desenvolvimento $ V_ {DN} $ por exemplo. Às vezes também é muito importante considerar a covariância entre qualquer par de tal variância. Portanto, a equação seria mais correta se declarada como

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

Observe que todos são livres para decompor qualquer uma das variâncias acima em uma soma das variâncias, como fizemos acima para a variância genética. Por exemplo, a variação ambiental $ V_E $ pode ser decomposto na soma da variação fenotípica devido à variação da temperatura $ V_T $ e a variação fenotípica devido à variação na precipitação $ V _ { text {precipitação}} $ assumindo que os outros tipos de variações ambientais são insignificantes.


Resumidamente, porque remi.b dá muitos detalhes sobre isso em sua resposta, (sentido restrito) a herdabilidade é essencialmente uma medida de quanto da variância fenotípica é explicada pela variância genética (aditiva). O fenótipo (P) em um indivíduo é o resultado de efeitos genéticos (G) e ambientais (E).

$ P = G + E $

Assim, a variação dentro da população no fenótipo é

$ V_P = V_G + V_E $

A variância genética ainda se decompõe em aditivo (A), dominância (D) e interação / variância epistática (I).

$ V_G = V_A + V_D + V_I $

A herdabilidade em sentido restrito ($ h ^ 2 $) é então

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

A variância genética aditiva e, como resultado, a herdabilidade no sentido restrito podem ser zero por duas razões.

Em primeiro lugar, se nenhum gene tiver efeito sobre o seu traço, então a variância genética aditiva será zero.

Em segundo lugar, se os alelos nos loci que afetam a característica são fixados na população, a variância genética aditiva será zero.

Portanto, Eric Turkheimer está correto ao dizer que a herdabilidade não é uma medida de quão genética algo é. No entanto, uma herdabilidade de zero não significa que algo não é controlado geneticamente, apenas que não há variação nos efeitos dos genes.

Seguindo o exemplo de ter dois braços, claramente ter braços é geneticamente controlado, é uma característica hereditária, mas o número de braços tem muito pouca / nenhuma variação genética. Muito poucas pessoas têm> 2 ou <2 braços, portanto, qualquer alelo para isso parece ser excepcionalmente raro (os alelos que determinam que dois braços são produzidos são mais ou menos fixos, $ p approx 1 $, onde p é a frequência do codificação de alelos para dois braços).

O gráfico a seguir mostra o efeito da frequência do alelo na variância genética aditiva, a variância genética aditiva é zero quando o locus tem um alelo fixo e maximizada quando a frequência de ambos os alelos (um modelo de dois alelos) 0,5. Em termos práticos, quando p = 0,5, metade da população são heterozigotos, um quarto são homozigotos para o alelo 1 e um quarto são homozigotos para o alelo 2.

Por exemplo, neste estudo, mostramos que a variância genética no cromossomo Y explicou apenas ~ 0,4% da variação na expectativa de vida, o que pode ser porque muito poucos dos genes que afetam a expectativa de vida estão no Y (provavelmente, porque o Y contém muito poucos genes, enquanto o tempo de vida é altamente poligênico) e / ou os genes no Y que afetam o tempo de vida têm baixo polimorfismo (provavelmente porque o Y está sujeito a vários processos que reduzem muito a variação molecular da população, em comparação com outros cromossomos).

A herdabilidade e a variância genética aditiva são importantes para entender porque determinam a taxa na qual a adaptação (evolução como uma resposta à seleção) pode ocorrer. Seguindo o teorema fundamental de Fisher, e conforme mostrado na equação dos criadores ($ r = h ^ 2s $ onde r é a resposta es é a seleção), quando $ V_A = 0 $ the $ r = 0 $.


A herdabilidade não é uma medida de quão genética é uma característica. É uma medida de quanto do variação no traço é devido a variação em genética.

Tentarei deixar isso claro com uma história, para complementar as respostas que dependem mais da matemática.

Para referência: tecnicamente, é a fração de variância fenotípica que é devido à variação nos efeitos genéticos: $ H ^ 2 = frac {V_G} {V_P} $ (se você está falando sobre herdabilidade em sentido amplo); ou, é a fração da variância fenotípica que é devido à variância em valores genéticos: $ h ^ 2 = frac {V_A} {V_P} $ (se você está falando sobre herdabilidade no sentido estrito). $ V_A $ também é freqüentemente chamado variância genética aditiva.


Suponha que temos duas ilhas, lado a lado. Em ambas as ilhas, algumas pessoas são mais altas do que outras.

Acontece que sabemos (Deus nos disse) que existe um determinado gene que pode fazer a diferença na sua altura: todo o resto sendo igual, UMAs são um pé mais alto que umas. Acontece também que sabemos (Deus nos disse) que o café atrapalha o seu crescimento; sendo tudo o mais igual, as pessoas que bebem chá são trinta centímetros mais altas do que as que bebem café.

(Também sabemos que, neste momento, não existem quaisquer outros fatores que contribuem para a variação da altura. Prático!)

Agora, para nossas ilhas.

Na ilha azul, vemos que algumas pessoas são mais altas do que outras. Fazemos alguns testes e descobrimos que nesta ilha algumas pessoas estão UMA e outros são uma. Em contraste, também descobrimos que todo o mundo nesta ilha bebe chá e ninguém bebe café.

Há variação na altura: tudo disso é devido à variação nos genes, e Nenhum disso é devido à variação na escolha da bebida. Herdabilidade = 1.

Mas isso não significa que o ambiente não seja relevante para a altura neste caso. Pelo contrário, sabemos (Deus nos disse) que se todos eles tivessem bebido café, estariam 30 centímetros mais baixos.

Na ilha vermelha, vemos que algumas pessoas são mais altas do que outras. Fazemos alguns testes e descobrimos que tudo deles são uma's; Nenhum deles são UMAs. Em contraste, alguns deles bebem café e outros bebem chá.

Há variação na altura: Nenhum disso é devido à variação nos genes, e tudo disso é devido à variação na escolha da bebida. Herdabilidade = 0.

Mas isso não significa que a genética seja irrelevante para a altura neste caso. Pelo contrário, sabemos (Deus nos disse) que se todos eles tivessem sido UMAEm vez disso, todos eles seriam trinta centímetros mais altos.


A maneira mais convincente de se lembrar por que a herdabilidade não é sobre "o quão genético é um traço", eu acho, é lembrar que se todos tem o gene, então o gene não varia e não contribui para a variação; mas isso não significa que o gene não seja relevante!

Por exemplo, tanto quanto eu sei, não existe variação genética para "ter um coração". Todos nasce com um coração. Pessoas sem coração estão perdendo corações devido a fatores ambientais como este:

Portanto, ter um coração tem baixa herdabilidade, mas isso não significa que os genes não estejam envolvidos na construção de corações!

Da mesma forma, uma alta herdabilidade não significa que os efeitos ambientais não sejam importantes para a característica; isso significa apenas que diferenças no meio ambiente não estão contribuindo para diferenças no traço.

Também não significa que futuro fatores ambientais podem não se tornar importantes. Por exemplo, a herdabilidade da visão era presumivelmente um pouco alta. Mas isso não impediu quem o fez de inventando óculos!

Então essa é outra lição. A herdabilidade não é uma constante. A seleção natural, na verdade, tende a reduzir as herdabilidades (uma vez que elimina os piores genes); e se o ambiente mudar, então a herdabilidade pode aumentar ou se espalhar.


Foram postadas análises muito boas do conceito geral, mas eu gostaria de me concentrar na questão branda de como a herdabilidade não reflete "quão genética" alguma coisa é. Claro, isso não é realmente uma declaração definida tecnicamente e, de certa forma, faz, mas vamos nos concentrar na pergunta:

  • As contribuições ambientais variam. Considere fibrose pulmonar. Uma certa taxa baixa de fibrose pulmonar familiar sempre estará presente devido à genética. Mas em uma cidade construída em torno de uma mina de carvão, você espera ver um nível muito mais alto de fibrose pulmonar idiopática. Você poderia questionar a semântica, mas provavelmente os traços relacionados a essa condição não são "mais genéticos" nas cidades sem minas de carvão.
  • Contribuições genéticas dependem do meio ambiente. A correlação dos déficits cognitivos com os alelos da fenilcetonúria é bastante alta em algumas condições, mas com dieta adequada e suplementos, esses genes têm muito menos influência - "penetração reduzida", pode-se dizer. A PKU é "menos genética" dependendo da nutrição? Talvez o software de rastreamento ocular leve a um novo tipo de jogo no próximo ano e, à medida que os "eyethletes" sofrem infortúnios, a herdabilidade de algumas características oftálmicas despencará, mas isso significa que os genes são mais fracos?
  • Nem todas as contribuições genéticas são conhecidas. Antes da pandemia de HIV, o delta32 CCR5 não teria sido reconhecido por ter um efeito sobre a imunossupressão (pelo menos, não por esse meio). Portanto, podemos não compreender verdadeiramente o componente genético que potencialmente existe mesmo após um estudo completo da característica nas condições atuais.

"Se toda a variância fenotípica for devida a causas genéticas (e independentemente de haver muita ou pouca variância), então hB = 1hB = 1. Se toda a variância fenotípica for devida à variância do ambiente, então hB = 0hB = 0.

Então, o que significa hB = 0,3hB = 0,3?

Isso significa que 30% da variância fenotípica é explicada pela variância genética e que 70% da variância fenotípica é devido à variância ambiental.

Então, e se não houver variação fenotípica na população? se VP = 0VP = 0, então a herdabilidade é indefinida (pois a divisão por zero é indefinida). No entanto, em geral, tendemos a pensar que sempre há uma pequena variação ambiental e a maioria das pessoas simplesmente continuaria dizendo que a herdabilidade é 0 quando VP = 0VP = 0. "

Portanto, os fatores ambientais listados em conjunto com os fatores genéticos são uma tentativa de explicar os fatores hereditários que não resultam de modificações na sequência do DNA, ou fatores epigenéticos. Acho que é por isso que os coeficientes de herdabilidade usados ​​no sentido de serem apenas a única variável útil para demonstrar a hereditariedade são um problema. Os modelos estatísticos atuais que são usados ​​para tentar delinear a variância ambiental não levam em consideração (como os mostrados acima) e embora estes sejam os melhores modelos que temos agora, eles não incorporam variáveis ​​que poderiam afetar fatores epigenéticos como como reparo de DNA, ciclos celulares ou metilação de DNA.


Assista o vídeo: Herdabilidade (Novembro 2021).