[論文レビュー] A simple model for the distribution of plasmid lengths

Alice Ledda, Luca Ferretti|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2014

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、プラスミド長さと遺伝子の重複、接合効率を結びつけるフィットネスに基づく進化的モデルを提案し、冗長な遺伝子による収益逓減が『挿入負荷』を生じさせ、プラスミドの安定性を制限することを示している。このモデルは、接合機構とプラスミド長さの正の相関関係を予測し、固定されないままのプラスミドの広がりを説明し、抗生物質ストレスの上昇がプラスミド長さと耐性遺伝子含有量の増加を引き起こすことを示している。

ABSTRACT

Plasmids are major players in Horizontal Gene Transfer mechanisms, hence they are highly variable in their gene content and length. We propose a model for the fitness of a plasmid as a function of its length, which predicts diminishing returns. We infer the distribution of plasmid lengths by a simple evolutionary model and we show that there is a positive correlation between the presence and efficiency of the conjugation machinery and the length of the plasmid. The model predicts an "insertion load" on plasmids, which could explain also the fact that plasmids are widespread in bacterial populations but rarely established. Finally we discuss how the typical length of plasmids increases with the amount of stress in the environment, focusing on the recent human-driven increase in antibiotic concentrations.

研究の動機と目的

• 細菌集団におけるプラスミド長さの分布を形作る進化的要因を理解すること。
• 遺伝子の重複とフィットネスコストがプラスミドの持続可能性と伝播に与える影響をモデル化すること。
• 接合機構がプラスミド長さと安定性を決定する役割を調査すること。
• 特に増加する抗生物質濃度という環境的ストレスが、プラスミド長さの進化に与える影響を調査すること。
• 細菌集団において広く存在するが、安定的に固定されないプラスミドの現象を説明すること。

提案手法

• 長さに依存するフィットネスを、有限のn*f個の機能からランダムに抽出する連続的近似を用いて、長さ関数としてモデル化する。
• Δf(l) = s* (1 − e^(-kl)) という式を用いて累積的フィットネス優位性を表現し、k = 1/(n*f * l_gene) とすることで、追加の遺伝子による収益逓減を捉える。
• 長さ依存のフィットネスを単純な進化的モデルに統合し、プラスミド長さの均衡分布を推定する。
• 接合率とプラスミドコストが、特に環境的ストレス下でプラスミドの安定性と長さに与える影響を分析する。
• 冗長な遺伝子による『挿入負荷』を、プラスミドの確立を制限し、選択的圧力が低下した場合に損失を促進する主要因とみなす。
• 突然の環境的ストレス（例：抗生物質暴露）に対する一時的なフィットネス反応をシミュレートし、負荷効果が優勢になるまでの一時的なフィットネス上昇を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細菌集団全体におけるプラスミド長さの観察された分布は、何によって駆動されているのか？
• RQ2 遺伝子の重複はプラスミドのフィットネスと進化的安定性にどのように影響するのか？
• RQ3 接合機構とプラスミド長さの関係は何か？
• RQ4 なぜプラスミドは広く存在するが、ほとんど固定されないのか？
• RQ5 環境的抗生物質ストレスの増加は、プラスミド長さと耐性遺伝子の蓄積にどのように影響するのか？

主な発見

• モデルは、プラスミドのフィットネスが長さとともに増加するが、遺伝子の重複による収益逓減のため、『挿入負荷』と呼ばれるフィットネスコストが生じることを予測している。
• 接合機構の存在と効率性とプラスミド長さの間には正の相関関係がある。接合性プラスミドは、非接合性遺伝子をより多く耐えられる。
• 挿入負荷のため、プラスミドは『安定性の境界』付近で維持され、微小な環境的摂動によって損失または固定の両方を引き起こしやすい。
• モデルは、プラスミドが広く存在するがほとんど固定されない理由を説明している。それはストレス下では維持されるが、選択的圧力が低下すると消失するからである。
• 環境的抗生物質濃度の上昇は、長めのプラスミドに一時的なフィットネス優位性をもたらし、その拡散を加速させ、時間の経過とともに平均長さを増加させる。
• 接合性プラスミドは、モビライズブルプラスミドよりも非接合性遺伝子を多く持つことが予測されており、実証的観察によるプラスミド長さの変異と整合的である。