[論文レビュー] Soft selective sweeps are the primary mode of recent adaptation in Drosophila melanogaster

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 10

ひとこと要約

本研究では、複数の適応的ハプロタイプが同時に頻度を上昇させる『ソフトスイープ』を検出する新しい統計的検定法 H12 を導入する。ドーパシラ・メラノガステルの全ゲノムデータを用いて、近年の適応の主要なメカニズムがソフトスイープであることを示し、特に上位のゲノムピークでは複数の高頻度ハプロタイプの兆候が観察された。H2/H1統計量は、複数の進化的モデルにおいて、ハードスイープよりもソフトスイープがデータをよりよく説明することを確認した。

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

• 急速な適応において一般的なソフトスイープを検出するための従来のハードスイープ中心の手法に限界があることに対処する。
• 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検出可能な統計的手法を開発する。
• 高カバレッジの集団ゲノムデータを用いて、ドーパシラ・メラノガステルにおける近年の適応の主なメカニズムがソフトスイープであるかどうかを調査する。
• DGRP集団における観察されたゲノムパターンを説明するにあたり、ソフトスイープとハードスイープのモデルの妥当性を比較する。

提案手法

• ハプロタイプ相同性に基づく統計量 H12 を開発し、最近の正の選択の兆候であるハプロタイプ多様性の低下を検出する。
• DGRP に収録された 200 株のドーパシラ・メラノガステルの全ゲノム配列に H12 を適用し、適応的領域の候補を同定した。
• 上位 50 個の H12 ピークを視覚的に検査し、ハプロタイプ多様性と頻度を評価し、ソフトスイープ特有の複数の高頻度ハプロタイプの存在を確認した。
• ソフトスイープに特徴的なパターンに敏感で、ハードスイープには感度が低い比統計量 H2/H1 を導入し、スイープタイプの区別を可能にした。
• ハードスイープとソフトスイープの両モデル下での進化的シナリオをシミュレートし、各モデルが観察された H12 および H2/H1 値をどれほどよく再現するかを比較した。
• 複数の人口動態的および選択的シナリオにおいて、シミュレートされた H12 および H2/H1 値を実測データと比較することで、ソフトスイープとハードスイープの相対的尤度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパシラ・メラノガステルの近年の適応において、ソフトスイープはハードスイープよりも一般的であるか？
• RQ2 既存の統計的手法はソフトスイープを効果的に検出できるか、それとも新たな手法が必要か？
• RQ3 DGRP データにおける上位 H12 ピークは、ソフトスイープに予想される複数の高頻度適応的ハプロタイプの証拠を示しているか？
• RQ4 現実的な進化的モデル下で、上位 H12 ピークにおける観察データは、ソフトスイープかハードスイープのどちらとより整合性があるか？

主な発見

• 上位 50 個の H12 ピークでは複数の高頻度ハプロタイプが観察され、ソフトスイープの強力な視覚的証拠となった。
• H2/H1 統計量は、ソフトスイープの特徴を効果的にハードスイープのパターンと区別でき、ソフトスイープの特性に感受性があることを確認した。
• 複数の進化的シナリオにおいて、ソフトスイープが観察された H12 および H2/H1 値をより妥当に再現した。
• 本研究では、ドーパシラ・メラノガステルにおける近年の適応の主なメカニズムがソフトスイープであると結論づけ、ハードスイープが支配的であるという仮定に疑問を呈した。