基因型频率

基因型频率（Genotype Frequency） 是群体遗传学中的核心概念，指一个生物群体中特定基因型（如 AA、Aa、aa）的个体数占总个体数的比例。它反映了群体内遗传变异的分布状态，是研究进化、遗传多样性和疾病风险的基础。

核心公式

基因型频率的计算公式为：

例如：

• 群体共 1000 人，其中 AA 型 600 人 → $f(AA) = 600/1000 = 0.6$

• Aa 型 300 人 → $f(Aa) = 300/1000 = 0.3$

• aa 型 100 人 → $f(aa) = 100/1000 = 0.1$

与等位基因频率的关系

• 等位基因频率（Allele Frequency）：群体中某等位基因（如 A 或 a）占该基因座所有等位基因的比例。

  $$f(A) = f(AA) + \frac{1}{2}f(Aa) \quad ; \quad f(a) = f(aa) + \frac{1}{2}f(Aa)$$

  以上述群体为例：

  $$f(A) = 0.6 + \frac{1}{2} \times 0.3 = 0.75 \quad ; \quad f(a) = 0.1 + \frac{1}{2} \times 0.3 = 0.25$$

哈迪-温伯格平衡（Hardy-Weinberg Equilibrium, HWE）

在理想群体（无突变、迁移、自然选择、随机交配、无限大群体）中，基因型频率与等位基因频率满足：

示例：若 $f(A) = 0.75$, $f(a) = 0.25$，则平衡时：

• $f(AA) = (0.75)^2 = 0.5625$

• $f(Aa) = 2 \times 0.75 \times 0.25 = 0.375$

• $f(aa) = (0.25)^2 = 0.0625$

✅ 实际应用：通过检验群体是否偏离 HWE，可判断是否存在进化力量（如选择、近交）或基因分型错误。

影响基因型频率的因素

实际应用场景

1. 医学遗传学

   • 计算隐性遗传病（如囊性纤维化）携带者频率：若致病等位基因频率 $f(a) = q$，则携带者频率 $f(Aa) = 2q(1-q)$。

   • 示例：白化病群体发病率 $f(aa) = 1/20,000$ → $q = \sqrt{1/20,000} \approx 0.007$ → 携带者频率 $\approx 2 \times 0.007 = 1.4\%$。

2. 保护生物学

   • 濒危物种的遗传多样性评估：基因型频率越低 → 纯合度越高 → 近交衰退风险↑。

3. 进化研究

   • 检测自然选择：若基因型频率偏离 HWE 且与环境梯度相关，暗示选择作用（如蛾类工业黑化）。

4. 法医DNA分析

   • 通过基因型频率计算人群中出现特定DNA图谱的概率（乘积法则需假设 HWE）。

示例分析：镰状细胞贫血症

• 背景：疟疾流行区，杂合子（HbA/HbS）对疟疾有抵抗力。

• 等位基因频率：

  • $f(\text{HbS}) = 0.2$（高疟区） vs $0.01$（无疟区）

• 基因型频率（假设 HWE）：

  • 高疟区：$f(\text{HbS/HbS}) = (0.2)^2 = 0.04$（患者），$f(\text{HbA/HbS}) = 2 \times 0.8 \times 0.2 = 0.32$（携带者，抗疟优势）。

• 进化意义：杂合子优势 → HbS 等位基因在疟区维持较高频率。

重要注意事项

1. 样本代表性：频率估算需随机抽样，避免群体分层（如人种混合导致假性偏离 HWE）。

2. 基因型-表型关联：复杂性状中，基因型频率≠表型频率（受环境影响、多基因控制）。

3. 动态变化：基因型频率是群体某一时刻的快照，会随进化力量持续改变。

总结：基因型频率是解码群体遗传结构的钥匙，通过其与等位基因频率的数学关联（HWE）及对进化力量的响应，为理解生物适应、疾病机制和生物多样性保护提供定量基础。