[論文レビュー] Rare beneficial mutations can halt Muller's ratchet

Sidhartha Goyal, Daniel J. Balick+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2011

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、希少な有益突然変異が、劣悪な突然変異の蓄積を相殺する動的突然変異選択バランスを確立することで、無性個体群におけるミュラーのラチェットを停止させ得ると提案している。低突然変異率および弱選択のもとでも、驚くべきほど小さな有益突然変異の割合（ε）があれば、あらゆる個体群サイズにおいて長期にわたり個体群の適応度安定性を維持できる。

ABSTRACT

The vast majority of mutations are deleterious, and are eliminated by purifying selection. Yet in finite asexual populations, purifying selection cannot completely prevent the accumulation of deleterious mutations due to Muller's ratchet: once lost by stochastic drift, the most-fit class of genotypes is lost forever. If deleterious mutations are weakly selected, Muller's ratchet turns into a mutational "meltdown" leading to a rapid degradation of population fitness. Evidently, the long term stability of an asexual population requires an influx of beneficial mutations that continuously compensate for the accumulation of the weakly deleterious ones. Here we propose that the stable evolutionary state of a population in a static environment is a dynamic mutation-selection balance, where accumulation of deleterious mutations is on average offset by the influx of beneficial mutations. We argue that this state exists for any population size N and mutation rate $U$. Assuming that beneficial and deleterious mutations have the same fitness effect s, we calculate the fraction of beneficial mutations, ε, that maintains the balanced state. We find that a surprisingly low εsuffices to maintain stability, even in small populations in the face of high mutation rates and weak selection. This may explain the maintenance of mitochondria and other asexual genomes, and has implications for the expected statistics of genetic diversity in these populations.

研究の動機と目的

• 無性個体群が、最も適応度の高いゲノタイプを不可逆的に失うにもかかわらず、なぜ突然変異的崩壊を回避できるかというパラドックスを解明すること。
• 希少な有益突然変異が、劣悪突然変異の蓄積を相殺することで個体群を安定化させ得るかどうかを調査すること。
• 有限な無性個体群において安定した進化的均衡を維持するために必要な有益突然変異の臨界的割合（ε_c）を特定すること。
• 個体群サイズ、突然変異率、選択強度の変動下におけるこの動的バランスの頑健性を分析すること。

提案手法

• 著者らは、劣悪突然変異と有益突然変異が同時に作用する無性個体群の動態を理論的にモデル化し、両者に同一の適応度効果（s）を仮定している。
• 安定した突然変異選択バランスを維持するための有益突然変異の臨界的割合ε_cの解析的表現式を導出している。
• モデルは、個体群の適応度が低下するにつれて有益突然変異の発生率が上昇することを仮定しており、適応の安定化をもたらすフィードバックループを形成している。
• 数値シミュレーションを用いて、多様なパrameter領域における解析的予測の妥当性を検証している。
• 定常および適応度依存の個体群サイズを考慮し、突然変異的崩壊の条件下での安定性を評価している。
• HIV、ミトコンドリア、モデル生物などの現実のシステムにこの枠組みを適用し、生物学的関連性を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限な無性個体群において、希少な有益突然変異が劣悪突然変異の不可逆的蓄積を防げるか。
• RQ2 ミュラーのラチェットが作用する中で、安定した進化的状態を維持するために必要な有益突然変異の最小割合（ε_c）は何か。
• RQ3 動的突然変異選択バランスの安定性は、個体群サイズ（N）、突然変異率（U）、選択強度（s）にどのように依存するか。
• RQ4 個体群サイズの変動および適応度依存の絶滅リスクにさらされても、この動的平衡は頑健か。
• RQ5 この動的バランスは、遺伝的多様性および分子進化のパターンにどのように影響を与えるか。

主な発見

• 安定性を維持するために必要な有益突然変異の臨界的割合ε_cは、予想に反って非常に小さく、小規模個体群や高い突然変異率のもとでも成立する。
• 動的突然変異選択バランスは、安定した進化的アトラクタとして機能し、均衡からの逸脱が生じると、適応度の回復を促すフィードバックが発生する。
• 弱選択および高い劣悪突然変異率のもとでも、ε > ε_c であれば安定な均衡に到達可能である。
• モデルは、劣悪突然変異の連続的固定にもかかわらず、定常状態で個体群の適応度が高く維持されることを予測している。
• 動的バランス状態では、ネット適応がなくても、分子多様性に正の選択と負の選択の両方の兆候が予想される。
• この枠組みは、ミトコンドリアのような長期にわたり安定した無性オルガネラの維持を説明でき、こうしたシステムが希少な有益突然変異によって維持されている可能性を示唆している。