[論文レビュー] Pervasive adaptation of gene expression in Drosophila

Armita Nourmohammad, Joachim Rambeau+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

CRISPR and Genetic Engineering参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、7種のドーパシラ属で遺伝子発現の進化における方向性選択を検出するための新しい確率的推論手法を導入し、発現の変異の63％が適応進化によって駆動されていることを明らかにした。この手法は、未知の遺伝的構造（発現QTLの数や効果）に依存せず選択の推論を可能とし、調節関連遺伝子、感覚関連遺伝子、性別に差がある遺伝子において広範な適応が見られることを示した。特に、発現レベルが低く、広くコドンが使用される遺伝子では、より強い適応が観察された。

ABSTRACT

Gene expression levels are important molecular quantitative traits that link genotypes to molecular functions and fitness. In Drosophila, population-genetic studies in recent years have revealed substantial adaptive evolution at the genomic level. However, the evolutionary modes of gene expression have remained controversial. Here we present evidence that adaptation dominates the evolution of gene expression levels in flies. We show that 63% of the observed expression divergence across seven Drosophila species are adaptive changes driven by directional selection. Our results are derived from the variation of expression within species and the time-resolved divergence across a family of related species, using a new inference method for selection. We identify functional classes of adaptively regulated genes, as well as sex-specific adaptation occurring predominantly in males. Our analysis opens a new avenue to map system-wide selection on molecular quantitative traits independently of their genetic basis.

研究の動機と目的

• ドーパシラ属における遺伝子発現の変異が、適応進化か緩和された安定化選択かによって駆動されているかという長年の論争を解消すること。
• 発現QTLの数や効果が未知であるような遺伝的構造に対しても頑健な選択推論手法を開発すること。
• 基礎的な調節ゲノタイプに依存しない形で、適応進化が発現進化に与える全ゲノム的寄与を定量化すること。
• 遺伝子発現の適応進化と相関する機能的カテゴリーおよび発現レベルの特性を同定すること。
• 特にメスに優位な遺伝子において、発現の適応における性別特異的パターンを調査すること。

提案手法

• 本手法は、種間発現変異を種内発現多様性に対して正規化した指標である発展-多様性比 $\Omega$ を用い、選択のタイプを推定する。
• 安定化選択と方向性選択の下での分子的多因子的形質進化の理論的モデルに基づく確率的推論フレームワークを適用する。
• 個々のQTLの知識を必要とせず、種全体の集約的 $\Omega$ 比から適応的適合度の変動 $\Phi$ と安定化強度 $c$ を推定する。
• 変異の選択的適合度の変動が、点的選択や緩和された選択のシナリオを含む、Fisher-Wrightシミュレーションによって検証された。
• エピスタシスの影響をテストするために、変動するエピスタシス分散 $\varepsilon^2$ を持つ非線形なゲノタイプ-フェノタイプ写像をシミュレートし、推定に系統的バイアスがないことを確認した。
• 進化的時間にわたる選択パラメータを推定するために、7種のドーパシラ属の時間分解能のある系統発生的データを統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパシラ属の種間で観察される遺伝子発現の変異のうち、どれくらいの割合が中立的または安定化進化ではなく、方向性選択によって駆動されているか？
• RQ2 遺伝子発現の適応進化の強さは、機能的遺伝子カテゴリーごとにどのように変化するか？
• RQ3 遺伝子発現レベルやコドン使用バイアスの程度は、遺伝子発現の適応進化の度合いと相関しているか？
• RQ4 遺伝子発現の適応には性別特異的パターンがあるのか。あるとすれば、どちらの性別で適応がより顕著に見られるか？
• RQ5 未知の遺伝的構造や形質のエピスタシスによって、適応進化の推定がどの程度歪められるか？

主な発見

• 7種のドーパシラ属で観察された発現変異の63％は、方向性選択によって引き起こされる適応進化に起因している。
• 適応進化は、調節、感覚受容、性的行動、形態に関与する遺伝子で最も強く、特にメスに優位な遺伝子において顕著である。
• 発現レベルが低く、広くコドンが使用される遺伝子では、適応がより顕著に観察され、発現レベルと適応可能性の間にはトレードオフがある可能性が示唆された。
• 推定手法は形質のエピスタシスに対して頑健であり、エピスタシス分散 $\varepsilon^2$ の広い範囲で適合度の変動の推定値に系統的バイアスが生じないことが確認された。
• 多くの遺伝子（主にメスに優位な遺伝子）が性別特異的適応を示しており、雄においては別個の進化的圧力が作用していることが示唆された。
• 本手法は、基礎的なQTLの知識やその効果を事前に必要とせず、方向性選択が中立的または安定化進化と区別して正しく推定できることを示した。