[論文レビュー] Selection strategies for randomly partitioned genetic replicators

Anton S. Zadorin, Yannick Rondelez|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2017

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 15被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、宿主コンpartmentにランダムに分配された遺伝的リプリケーターにおける選択方程式を構築し、ランダムな複数占有が、潜在的に混乱をきたすものの、進化的効率に驚くべきほど軽微な影響を与えることを示している。驚くべきことに、特定の状況では、その悪影響は完全に消滅し、平均占有度が高まることで表現型多様性の探索が促進される場合すらある。

ABSTRACT

The amplification cycle of many replicators (natural or artificial) involves the usage of a host compartment, inside of which the replicator express phenotypic compounds necessary to carry out its genetic replication. For example, viruses infect cells, where they express their own proteins and replicate. In this process, the host cell boundary limits the diffusion of the viral protein products, thereby ensuring that phenotypic compounds, such as proteins, promote the replication of the genes that encoded them. This role of maintaining spatial co-localization, also called genotype-phenotype linkage, is a critical function of compartments in natural selection. In most cases however, individual replicating elements do not distribute systematically among the hosts, but are randomly partitioned. Depending on the replicator-to-host ratio, more than one variant may thus occupy some compartments, blurring the genotype-phenotype linkage and affecting the effectiveness of natural selection. We derive selection equations for a variety of such random multiple occupancy situations, in particular considering the effect of replicator population polymorphism and internal replication dynamics. We conclude that the deleterious effect of random multiple occupancy on selection is relatively benign, and may even completely vanish is some specific cases. In addition, given that higher mean occupancy allows larger populations to be channeled through the selection process, and thus provide a better exploration of phenotypic diversity, we show that it may represent a valid strategy in both natural and technological cases.

研究の動機と目的

• コンpartment化リプリケーター系におけるゲノタイプ-表現型連関へのランダムな複数占有の影響をモデル化すること。
• ランダム分配下でのリプリケーター多様性および内部的リプリケーションダイナミクスが選択効率に与える影響を調査すること。
• ランダムな共封入が自然選択を損なうのか、あるいは有益な進化的戦略として活用可能かどうかを評価すること。
• さまざまなランダム分配およびリプリケーションダイナミクスの状況に適用可能な解析的選択方程式を導出すること。

提案手法

• ポisson統計を用いてホストの占有度をモデル化し、リプリケーターのランダム分配下での選択方程式を導出する。
• 全コンパートメント活性から子孫生成量へのマッピングを実行するリプリケーション関数を介して、ゲノタイプ-表現型連関を組み込む。
• 多様性を有するリプリケーター集団をモデル化し、エピスタシス相互作用および可変な活性寄与を持つフィットネスランドスケープを含む。
• 安定分布パラメータを有するNKランドスケープモデルを用いて、現実的なフィットネス分布および非致死的変異体をシミュレートする。
• 平均占有度および予算管理が進化的利得に与える影響を分析し、理論的上限値も含む。
• 数値シミュレーションおよび解析的近似を用いて、さまざまな条件下での選択ダイナミクスの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宿主コンパートメントへのランダムな複数占有は、遺伝的リプリケーターにおける自然選択の効率にどのように影響するか？
• RQ2 共占有コンパートメント内でのリプリケーター多様性は、ゲノタイプ-表現型連関をどの程度曖昧にするか？
• RQ3 特定のリプリケーションダイナミクス下では、ランダムな共封入による悪影響を緩和あるいは逆転できるか？
• RQ4 複数占有が存在するにもかかわらず、より高い平均占有度は表現型多様性の進化的探索を向上させるか？
• RQ5 ランダム分配下でのリプリケーション予算管理において、進化的利得の理論的上限は何か？

主な発見

• ランダムな複数占有による選択への悪影響は比較的軽微であり、進化的効率を普遍的に損なうものではない。
• 特定のパrameter領域では、バランスの取れたリプリケーションダイナミクスのおかげで、複数占有による選択への悪影響が完全に消滅する。
• より高い平均占有度により、より大きな集団が選択を通じて処理され、表現型多様性の探索が促進される。
• 予算管理下での理論的最大進化的利得は上限に達し、増加するラウンド数に伴い飽和する。初期頻度から導出された上限により示された。
• 安定分布パラメータを有するNKランドスケープを用いたシミュレーションでは、非致死的変異体が1.7%の割合で生成され、多くの低活性変異体を有する現実的なフィットネスランドスケープを反映した。
• 子孫生成量は、個々の寄与よりもリプリケーション関数の形状および全コンパートメント活性に依存するため、弱い表現型のハッチハイキングが生じる可能性がある。