[論文レビュー] Selection for Fitness vs. Selection for Robustness in RNA Secondary Structure Folding

Claus O. Wilke|ArXiv.org|Mar 9, 2001

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 29被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、RNAクオアジスペシーズにおける変異率が、適応度かレジリエンス（耐性）のどちらが進化的成功を決定づけるかを調査する。高変異率では、中立的ネットワークの接続性（耐性）が高いクオアジスペシーズが、速やかに複製できるが接続性が低いものに勝り、クオアジスペシーズ全体としての選択が働き、個々の配列ではなく集団全体が選択の単位であることを示している。

ABSTRACT

We investigate the competition between two quasispecies residing on two disparate neutral networks. Under the assumption that the two neutral networks have different topologies and fitness levels, it is the mutation rate that determines which quasispecies will eventually be driven to extinction. For small mutation rates, we find that the quasispecies residing on the neutral network with the lower replication rate will disappear. For higher mutation rates, however, the faster replicating sequences may be outcompeted by the slower replicating ones in case the connection density on the second neutral network is sufficiently high. Our analytical results are in excellent agreement with flow-reactor simulations of replicating RNA sequences.

研究の動機と目的

• RNAクオアジスペシーズにおいて、どのような条件下で内在的複製速度よりも耐性が選択を受けるかを特定すること。
• 異なる複製速度と接続密度を示す異なる中立的ネットワーク上に存在する2つのクオアジスペシーズの競争を調査すること。
• 中立的ネットワークの接続性として測定される耐性が、進化的ダイナミクスにおいて適応度の優位性を上回り得るかを検討すること。
• 解析的モデルによるクオアジスペシーズダイナミクスを、RNA配列の複製を模擬するフローレアクター・シミュレーションと照合すること。
• 分子進化における選択の単位が、個々のゲノタイプではなくクオアジスペシーズそのものであるという主張を明確にすること。

提案手法

• 単一の中立的ネットワーク上での集団ダイナミクスを記述するため、微分方程式を用いた二濃度モデルを構築し、ネットワーク上および外の配列を追跡する。
• 有効な複製正確性 $ Q = [1 - (1-q)(1- u)]^l \approx e^{-l(1-q)(1- u)} $ を導入し、ここで $ \nu $ は接続行列の最大固有値（平均の中立性）を表す。
• 2つのクオアジスペシーズ間の競争を、結合した微分方程式系でモデル化し、内在的適応度と有効正確性の積 $ wQ $ に基づく増加率を比較する。
• 中立的ゲノタイプ接続行列の最大固有値を用いて、集団の中立性 $ \nu $ を定量化し、これにより $ Q $ が決定され、クオアジスペシーズの安定性が決まる。
• 変異率やネットワーク構造を変化させたRNA配列の複製を模擬するフローレアクター・シミュレーションを用いて、解析的結果の妥当性を検証する。
• 固定確率を、個々の複製速度ではなく、競合するクオアジスペシーズ全体の増加率を比較することで分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下で、中立的ネットワークの接続性が高い（耐性が高い）クオアジスペシーズが、内在的複製速度がより高いものに勝るのか？
• RQ2 変異率は、速やかに複製するクオアジスペシーズとより耐性のあるクオアジスペシーズの優位性にどのように影響するか？
• RQ3 内在的適応度は低いが、有効正確性 $ Q $ が高いクオアジスペシーズが、より適応度が高くても耐性が低いものに勝る可能性はあるか？
• RQ4 成熟したクオアジスペシーズにおいて、1つの有利な突然変異が固定する確率は何かを決定づける要因は何か？
• RQ5 分子進化において、個々の配列ではなくクオアジスペシーズそのものが真の選択単位であると考えてよいのか？

主な発見

• 低変異率では、内在的複製速度が高いが接続性が低い中立的ネットワーク上に存在するクオアジスペシーズが優位を占める。
• 高変異率では、内在的適応度が低くても接続密度が高い（より耐性が高い）クオアジスペシーズが、速やかに複製できるものに勝る場合がある。
• 進化的成功を決定づけるのは、適応度そのものではなく、内在的適応度と有効正確性の積 $ wQ $ である。
• 接続行列の最大固有値から導かれる有効正確性 $ Q $ が、中立的ネットワーク上に留まる配列の割合を支配する。
• 内在的複製速度が低い1つの有利な突然変異であっても、そのクオアジスペシーズの有効正確性 $ Q $ が高ければ、特に優位なクオアジスペシーズの $ Q $ が低い場合には、固定する可能性がある。
• 微分方程式に基づく解析的予測は、小規模集団（$ N = 500 $）に対してもフローレアクター・シミュレーションとよく一致する。