[論文レビュー] Defensive complexity and the phylogenetic conservation of immune control

Erick Chastain, Rustom Antia+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、信号処理における複雑な論理が、到達が難しい深い適応度の谷を生み出すことで、病原体の進化を遅らせる防御的複雑性としての免疫制御システムの機能を提案する。進化的ゲームモデルを用いて、複雑な制御論理が符号上位性と高い計算的障壁を引き起こすことを示し、病原体の急速な進化にもかかわらず免疫調節の系統発生的保存が生じる理由を説明する。

ABSTRACT

One strategy for winning a coevolutionary struggle is to evolve rapidly. Most of the literature on host-pathogen coevolution focuses on this phenomenon, and looks for consequent evidence of coevolutionary arms races. An alternative strategy, less often considered in the literature, is to deter rapid evolutionary change by the opponent. To study how this can be done, we construct an evolutionary game between a controller that must process information, and an adversary that can tamper with this information processing. In this game, a species can foil its antagonist by processing information in a way that is hard for the antagonist to manipulate. We show that the structure of the information processing system induces a fitness landscape on which the adversary population evolves. Complex processing logic can carve long, deep fitness valleys that slow adaptive evolution in the adversary population. We suggest that this type of defensive complexity on the part of the vertebrate adaptive immune system may be an important element of coevolutionary dynamics between pathogens and their vertebrate hosts. Furthermore, we cite evidence that the immune control logic is phylogenetically conserved in mammalian lineages. Thus our model of defensive complexity suggests a new hypothesis for the lower rates of evolution for immune control logic compared to other immune structures.

研究の動機と目的

• 免疫系における複雑な情報処理が、病原体の急速な進化に対する防御として機能する仕組みを調査すること。
• 病原体からの強い進化的圧力にもかかわらず、哺乳類における免疫制御論理の観察された系統発生的保存を説明すること。
• 制御システムの複雑性が、粗い適応度の地形を形作ることで、敵対者の進化を遅らせるメカニズムをモデル化すること。
• 複雑な論理ネットワークが、病原体の適応を妨げる長く深い適応度の谷を生成するかどうかをテストすること。
• 理論的進化的ゲームダイナミクスと、免疫系の保存に関する実験的免疫学的観察を結びつけること。

提案手法

• 制御者（宿主の免疫系）と、信号をねじまげることで影響を及ぼす敵対者（病原体）との間の信号ねじまげゲームを形式化する。
• 信号状態と摂動を表すために、クレーネの三値論理（真、偽、未知）を用いて制御論理をモデル化する。
• 条件論理ゲート（AND、OR、XOR、NOT）を用いて、信号摂動に基づく敵対者の適応度の変化を定義する。
• 信号摂動を適応度の結果（+2m、+m、-2m、-m、または0）にマッピングする特定の条件ルールを持つ制御論理 $L_s$ と $L_c$ を構築する。
• 摂動ベースの論理を、デフォルト値 $d_i(c)$ を用いて信号ベースの論理に変換する。ここで、閾値 $h_i$ と $l_i$ を用いて信号状態を定義する。
• 敵対者のための結果として得られる適応度の地形を分析し、複雑な論理が符号上位性と適応度の谷を生じさせ、進化の進行を妨げることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 免疫系における複雑な制御論理は、病原体の進化的適応速度を遅らせる可能性があるか？
• RQ2 強い病原体圧力にもかかわらず、哺乳類の系統にわたり免疫制御論理が系統発生的に保存されているのはなぜか？
• RQ3 信号操作における計算的非効率性として定義される防御的複雑性は、宿主・病原体の共進化の進化ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 複雑な論理ネットワークが、病原体の適応を妨げる程度まで、適応度の谷を生成するか？
• RQ5 免疫系のルールを解読することが難しいという観察は、制御論理における防御的複雑性によって説明可能か？

主な発見

• 複雑な制御論理は、高い突然変異率や大きな集団サイズであっても、病原体集団が越えるのが困難な長く深い適応度の谷を生じさせる。
• 制御論理の構造によって、適応度の地形に符号上位性が生じ、制御のねじまげへの適応的経路が非自明かつまれにしか得られない。
• このモデルは、哺乳類における免疫制御論理の系統発生的保存を説明する。このような複雑性は、このシステムに対する進化的圧力を低下させる。
• 病原体集団は、粗い地形を横断するすべてのルートをサンプリングするのに十分な有効集団サイズを有しないため、すべての可能な操作経路を効率的に探索できない。
• 信号状態のモデル化に三値論理（真、偽、未知）を用いることで、免疫シグナリングにおける不確実性とデフォルト状態の現実的な表現が可能になる。
• 敵対者の適応度の結果は、条件論理ルールを用いて定量的に定義され、信号摂動に基づき $+2m$、$+m$、$-2m$、$-m$、または $0$ の変化が生じ、構造的かつ分析可能な適応度関数を形成する。