[論文レビュー] On the role of epistasis in adaptation

David M. McCandlish, Jakub Otwinowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2014

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、弱い突然変異条件下における上位性あり・なしの適応度ランドスケープにおける進化的ダイナミクスを調査する。平均的適応度の時間的変化は、上位性あり・なしのランドスケープ間で区別できないが、上位性は適応度の分散と置換の時間的変化において特有のダイナミクスを可能にする。これは、上位性はこのような集団レベルの分散および置換パターンから同定可能であることを示唆する。

ABSTRACT

The class of epistatic fitness landscapes is much more diverse than the class of non-epistatic landscapes, and so it stands to reason that there exist dynamical phenomena that can only be realized in the presence of epistasis. Here, we compare evolutionary dynamics on all finite epistatic landscapes versus all finite non-epistatic landscapes, under weak mutation. We first analyze the mean fitness trajectory - that is, the time course of the expected fitness of a population. We show that for any epistatic fitness landscape and starting genotype, there always exists a non-epistatic fitness landscape and starting genotype that produces the exact same mean fitness trajectory. Thus, surprisingly, the space of mean fitness trajectories that can be realized by epistatic landscapes is no more diverse than the space of mean fitness trajectories that can be realized by non-epistatic landscapes. On the other hand, we show that epistatic fitness landscapes can produce dynamics in the time-evolution of the variance in fitness across replicate populations and in the time-evolution of the expected number of substitutions that cannot be produced by any non-epistatic landscape. These results on identifiability have implications for efforts to infer epistasis from the types of data often measured in experimental populations.

研究の動機と目的

• 弱い突然変異条件下における有限の上位性あり・なしの適応度ランドスケープにおける進化的ダイナミクスを比較すること。
• 上位性ランドスケープが、非上位性ランドスケープでは実現できない進化的ダイナミクスを生じるかどうかを特定すること。
• 平均的適応度、適応度の分散、置換回数といった一般的に測定される集団レベルのデータから、上位性が同定可能かどうかを評価すること。
• 上位性が、進化的軌道における特徴的な動的現象を生成する役割を明確にすること。

提案手法

• 本研究は、弱い突然変異条件下におけるすべての有限の上位性あり・なしの適応度ランドスケープを分析する。
• 平均的適応度の時間的変化を、集団全体における期待適応度の時間的推移として計算する。
• 上位性あり・なしランドスケープ間で、複数の集団における適応度の分散の時間的推移を比較する。
• 両ランドスケープクラスにおける期待置換回数の時間的推移を評価する。
• 数学的解析を用いて、分散または置換におけるいかなる動的挙動も、上位性ランドスケープに固有に実現可能かどうかを特定する。
• 上位性ランドスケープと非上位性ランドスケープの間の同型写像を確立することで、平均的適応度の時間的変化が同等であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上位性ランドスケープは、いかなる非上位性ランドスケープでも実現できない平均的適応度の時間的変化を生じるか？
• RQ2 複数の集団における適応度の分散の時間的推移に、上位性ランドスケープでのみ現れる動的挙動は存在するか？
• RQ3 時間経過に伴う期待置換回数は、上位性ランドスケープに固有に生成可能か？
• RQ4 平均的適応度、分散、置換回数といった集団レベルのデータから、上位性をどの程度同定可能か？
• RQ5 平均的適応度の時間的変化を超えて、上位性ランドスケープと非上位性ランドスケープの間には、進化的ダイナミクスにおいて根本的な違いがあるか？

主な発見

• 任意の上位性ランドスケープと初期ゲノタイプについて、同じ平均的適応度の時間的変化を示す非上位性ランドスケープと初期ゲノタイプが存在する。
• 上位性ランドスケープが実現可能な平均的適応度の時間的変化の空間は、非上位性ランドスケープが実現可能な空間と同程度の多様性を有する。
• 上位性ランドスケープは、いかなる非上位性ランドスケープでも再現できない、複数集団における適応度の分散の時間的推移を生成可能である。
• 上位性ランドスケープは、非上位性ランドスケープでは達成できない、期待置換回数の時間的推移を生成可能である。
• これらの発見は、適応度の分散と置換のダイナミクスが、上位性の主要な指標であり、実験データから上位性相互作用を同定するために使用可能であることを示唆する。