[論文レビュー] Recent selective sweeps in Drosophila were abundant and primarily soft

Nandita R. Garud, Philipp W. Messer+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Genetic diversity and population structure参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、集団ゲノムデータにおけるハードスイープおよびソフトスイープの両方を検出する新しい統計的検定法 H12 を導入する。Drosophila melanogaster の全ゲノム配列（DGRP 由来）を用いて解析した結果、最近の適応的イベントは主にソフトスイープであることが判明し、複数のハプロタイプが同時に頻度を上昇させることで、急速な適応においてハードスイープが支配的であるという仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Rapid adaptation has been observed in numerous organisms in response to selective pressures, such as the application of pesticides and the presence of pathogens. When rapid adaptation is driven by rare alleles from the standing genetic variation or by a high population rate of de novo adaptive mutation, positive selection should commonly generate soft rather that hard selective sweeps. In a soft sweep, multiple adaptive haplotypes sweep through the population simultaneously, in contrast to hard sweeps in which only a single adaptive haplotype rises to high frequency. Current statistical methods were not designed to detect soft sweeps, and are therefore likely to miss these possibly numerous adaptive events. Here, we develop a statistical test (H12) based on haplotype homozygosity that is capable of detecting both hard and soft sweeps with similar power. We use H12 to identify multiple genomic regions that have undergone recent and strong adaptation in a population sample of fully sequenced Drosophila melanogaster strains from the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP). Visual inspection of the top 50 peaks revealed that multiple haplotypes are at high frequency, consistent with signatures of soft sweep. We developed a second statistic (H2/H1) that is sensitive to signatures common to soft sweeps but not hard sweeps, in order to determine whether sweeps detected by H12 can be more easily generated by hard versus soft sweeps. Surprisingly, we find that the H12 and H2/H1 values for all top 50 peaks are more easily generated by soft sweeps than hard sweeps under several evolutionary scenarios.

研究の動機と目的

• 既存の手法がソフトスイープを検出できないという限界を是正すること。ソフトスイープは急速な適応において一般的である。
• ハードスイープとソフトスイープの両方を同等の感度で同定できる統計的検定を開発すること。
• Drosophila melanogaster における最近の適応的イベントが、ソフトスイープとハードスイープのどちらによって引き起こされる可能性が高いかを調査すること。
• DGRP 群における観察された遺伝的選択のパターンを最もよく説明する進化的シナリオを評価すること。

提案手法

• ハプロタイプ相同性に基づく新しい統計量 H12 を開発し、ハードスイープおよびソフトスイープの両方に対して高い検出力を持つようにする。
• DGRP に由来する 200 株の完全な全ゲノム配列を用いた集団サンプルに H12 を適用し、最近の選択的スイープをスキャンする。
• 上位 50 個の H12 ピークを視覚的に検査し、ソフトスイープを示すハプロタイプ多様性および頻度パターンを評価する。
• ソフトスイープに特徴的なサインをハードスイープのパターンから区別するための第二の統計量 H2/H1 を導入する。
• 観察された H12 値および H2/H1 値を、シミュレートされた進化的シナリオと比較して、ソフトスイープとハードスイープのどちらの起源によって生じた可能性が高いかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の Drosophila の適応においてソフトスイープは一般的であり、既存の手法で信頼性高く検出可能だろうか？
• RQ2 H12 統計量は、従来の手法と比較して、ハードスイープおよびソフトスイープの両方をどの程度効果的に検出できるか？
• RQ3 Drosophila melanogaster における最近の適応的イベントのうち、ソフトスイープとハードスイープのどちらによってよりよく説明される割合が大きいのか？
• RQ4 上位 H12 ピークにおけるゲノムパターンは、複数の適応的ハプロタイプが同時に頻度を上昇しているという兆候を示しているだろうか？

主な発見

• H12 検定は、Drosophila melanogaster における最近の選択的スイープを、ハードスイープおよびソフトスイープの両方に対して高い感度で同定できた。
• 上位 50 個の H12 ピークの視覚的検査により、複数の高頻度ハプロタイプが確認され、これはソフトスイープの特徴的兆候である。
• H2/H1 統計量は、ソフトスイープのサインをハードスイープのパターンから効果的に区別でき、ソフトスイープの信号が確認された。
• 複数の進化的シナリオを想定した結果、上位 50 ピークにおける観察された H12 値および H2/H1 値は、ソフトスイープ由来のものである可能性の方が、ハードスイープ由来のものよりも統計的に有意に高い。
• 本研究は、最近の Drosophila の適応においてソフトスイープが広く存在することを強く示唆しており、急速な適応においてハードスイープが支配的であるという従来の仮定に疑問を呈するものである。