[論文レビュー] An age-of-allele test of neutrality for transposable element insertions not at equilibrium

Justin P. Blumenstiel, Miaomiao He+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2012

Chromosomal and Genetic Variations被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、定常的転移率を仮定しない新しいアレル年齢検定法を、転移因子（TE）挿入に対して提案する。代わりに、TE内での置換数を用いて挿入年齢を推定する。中立的条件下でのアレル頻度分布を、人口規模の変化を考慮してモデル化することで、ドーリドフィラ・メラノガステルのTEアレル頻度の約80％の分散を説明でき、TEに対して広範な負の選択とまれな正の選択が示された。

ABSTRACT

How natural selection acts to limit the proliferation of transposable elements (TEs) in genomes has been of interest to evolutionary biologists for many years. To describe TE dynamics in populations, many previous studies have used models of transposition-selection equilibrium that rely on the assumption of a constant rate of transposition. However, since TE invasions are known to happen in bursts through time, this assumption may not be reasonable in natural populations. Here we propose a test of neutrality for TE insertions that does not rely on the assumption of a constant transposition rate. We consider the case of TE insertions that have been ascertained from a single haploid reference genome sequence and have subsequently had their allele frequency estimated in a population sample. By conditioning on the age of an individual TE insertion (using information contained in the number of substitutions that have occurred within the TE sequence since insertion), we determine the probability distribution for the insertion allele frequency in a population sample under neutrality. Taking models of varying population size into account, we then evaluate predictions of our model against allele frequency data from 190 retrotransposon insertions sampled from North American and African populations of Drosophila melanogaster. Using this non-equilibrium model, we are able to explain about 80% of the variance in TE insertion allele frequencies based on age alone. Controlling both for nonequilibrium dynamics of transposition and host demography, we provide evidence for negative selection acting against most TEs as well as for positive selection acting on a small subset of TEs. Our work establishes a new framework for the analysis of the evolutionary forces governing large insertion mutations like TEs, gene duplications or other copy number variants.

研究の動機と目的

• 定常的転移率を仮定する従来のTE中立性検定の限界に対処すること。これは、現実のバースト型TE侵入を反映していない可能性がある。
• TE内での配列相同性を用いて挿入年齢を推定する手法を開発し、転移-選択平衡を仮定しない中立性検定を可能にすること。
• 自然集団におけるTEアレル頻度分布に及ぼす人口規模の変化と選択の影響を評価すること。
• 中立的条件下での年齢条件付きアレル頻度予測を用いて、TE挿入に作用する負の選択と正の選択を両方検出すること。

提案手法

• 挿入後、TE配列内で蓄積された置換数を数えることで、個々のTE挿入の年齢を推定する。
• 変動する人口サイズを想定した中立モデルにおいて、推定された挿入年齢に条件づけたTEアレル頻度の確率分布を条件づける。
• 共通祖先に基づくモデルを用いて、人為的歴史（例えば、人口規模の変化を含む）を組み込んだ中立的条件下での期待されるアレル頻度分布を導出する。
• ドーリドフィラ・メラノガステル集団の190個のリトロトランスポジオン挿入から得た実測データに、予測された年齢依存アレル頻度分布をフィットさせる。
• 観察されたアレル頻度と中立的予測値を比較し、選択の兆候を示す乖離を検出する。
• 北米およびアフリカのドーリドフィラ・メラノガステル集団にこの手法を適用し、異なる人口動態的文脈における選択を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定常的転移率を仮定しないTE挿入のための中立性検定を開発できるか？
• RQ2 TE内置換数から推定される挿入年齢は、自然集団におけるTEアレル頻度をどの程度予測できるか？
• RQ3 人口規模の変化と非平衡的転移ダイナミクスは、TE頻度データの解釈にどのように影響するか？
• RQ4 ドーリドフィラ・メラノガステルにおけるTE頻度変動に、負の選択と正の選択の相対的寄与はどの程度か？

主な発見

• アレル年齢モデルは、挿入年齢のみを用いて、TE挿入アレル頻度の分散の約80％を説明でき、強い予測能力を示した。
• 非平衡的転移および人口動態の影響を補正した後、大多数のTE挿入に対して負の選択が検出された。
• 少数のTEは、正の選択の兆候を示しており、TE挿入にまれに適応的利点がある可能性を示唆した。
• 本手法は、バースト型転移ダイナミクスのため標準的平衡モデルが失敗する状況でも、選択の兆候を的確に同定できた。
• 本フレームワークは、遺伝子複数化やコピー数変異など、他の大規模挿入変異に対しても一般化可能である。
• 人口動態モデルを組み込むことで、定常的人口サイズを仮定するのと比較して、中立性検定の正確性が著しく向上した。