[論文レビュー] Strong selective sweeps associated with ampliconic regions in great ape X chromosomes

Kiwoong Nam, Kasper Munch+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Chromosomal and Genetic Variations参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、アフリカ大型霊長類のX染色体に、強力な選択的スイープによって著しく多様性が低下したメガバイトスケールの領域を同定した。この多様性低下は、アッピリコン的配列と強く関連している。これらのスイープは種間で独立しており、バックグラウンド選択やソフトスイープとは異なる。X染色体とY染色体の内部染色体間の対立が、X染色体の進化の主要因である可能性が示唆される。

ABSTRACT

The unique inheritance pattern of X chromosomes makes them preferential targets of adaptive evolution. We here investigate natural selection on the X chromosome in all species of great apes. We find that diversity is more strongly reduced around genes on the X compared with autosomes, and that a higher proportion of substitutions results from positive selection. Strikingly, the X exhibits several megabase long regions where diversity is reduced more than five fold. These regions overlap significantly among species, and have a higher singleton proportion, population differentiation, and nonsynonymous to synonymous substitution ratio. We rule out background selection and soft selective sweeps as explanations for these observations, and conclude that several strong selective sweeps have occurred independently in similar regions in several species. Since these regions are strongly associated with ampliconic sequences we propose that intra-genomic conflict between the X and the Y chromosomes is a major driver of X chromosome evolution.

研究の動機と目的

• X染色体の特異的な遺伝的インheritanceパターンがアフリカ大型霊長類における自然選択に与える役割を調査すること。
• X染色体領域における遺伝的多様性の低下が、選択的スイープ、バックグラウンド選択、またはソフトスイープによるものかどうかを特定すること。
• 低多様性領域とX染色体上のアッピリコン的配列との関連を検討すること。
• 複数のアフリカ大型霊長類種において、これらの領域の進化的意義を評価すること。
• X染色体とY染色体の内部ゲノム的対立が、観察された選択のパターンを説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• すべてのアフリカ大型霊長類種を対象に、グレート・アーマンゲノム多様性プロジェクトの集団ゲノムデータを分析した。
• X染色体の多様性と置換率を常染色体領域と比較し、乖離を同定した。
• 選択の兆候を検出するために、集団分化統計（FST）、シングルトン頻度、およびdN/dS比を用いた。
• 種間における低多様性領域の重複を評価し、共通の進化的歴史を推測した。
• 統計的モデルを用いて、ハードスイープ、ソフトスイープ、バックグラウンド選択のいずれが説明として適切かを区別した。
• 低多様性領域をアッピリコン的配列にマッピングし、機能的および構造的関連性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アフリカ大型霊長類種全体にわたり、X染色体に著しく多様性が低下した領域が存在するか？
• RQ2 観察された多様性低下を最もよく説明する進化的要因は、ハードスイープ、ソフトスイープ、それともバックグラウンド選択か？
• RQ3 X染色体上の低多様性領域はアッピリコン的配列と重複しているか？
• RQ4 異なるアフリカ大型霊長類系統で、類似した領域に独立して強い選択的スイープが発生している証拠はあるか？
• RQ5 X-Y内部ゲノム的対立が、アッピリコン的X染色体領域における選択的スイープのパターンを説明できるか？

主な発見

• X染色体は、いくつかのメガバイトスケールの領域で著しく多様性が低下しており、常染色体と比較して5倍以上も多様性が低下している。
• これらの低多様性領域では、シングルトンの割合が高く、集団分化統計（FST）が上昇し、dN/dS比も上昇しており、強い正の選択を示している。
• 低多様性領域はアフリカ大型霊長類の種間で顕著に重複しており、独立的だが収束的な選択的スイープが発生した可能性を示している。
• バックグラウンド選択やソフトスイープは、観察されたパターンの説明として除外された。
• これらの領域は、構造的変動や繰り返し配列の拡張にかかりやすいことが知られるアッピリコン的配列と強く関連している。
• 本研究の結果は、X染色体とY染色体の間の内部ゲノム的対立が、X染色体に強い反復的選択的スイープを駆り立てる要因であるという仮説を支持している。