[論文レビュー] To Understand Nature - Computer Modelling between Genetics and Evolution

Dorota Mackiewicz, S. Cebrat|ArXiv.org|Jan 11, 2009

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、モンテカルロシミュレーションを用いて、タンパク質コード配列の進化をモデル化し、遺伝子コードがヌクレオチド変異がアミノ酸配列に与える影響を最小限に抑える仕組みを示している。進化的成功のための最適な変異圧は約1回/ゲノム/世代であり、変異の蓄積とゲノムの消失のバランスが取れている。進化的コストはゲノムサイズが大きくなるほど低下し、集団サイズが大きくなるとさらに低下する。

ABSTRACT

We have presented the basic knowledge on the structure of molecules coding the genetic information, mechanisms of transfer of this information from DNA to proteins and phenomena connected with replication of DNA. In particular, we have described the differences of mutational pressure connected with replication of the leading and lagging DNA strands. We have shown how the asymmetric replication of DNA affects the structure of genomes, positions of genes, their function and amino acid composition. Results of Monte Carlo simulations of evolution of protein coding sequences have shown a specific role of genetic code in minimizing the effect of nucleotide substitutions on the amino acid composition of proteins. The results of simulations were compared with the results of analyses of genomic and proteomic data bases. This chapter is considered as an introduction to further chapters where chromosomes with genes represented by nucleotide sequences were replaced by bitstrings with single bits representing genes.

研究の動機と目的

• DNAの構造と非対称的複製がゲノム構造、遺伝子配置、アミノ酸組成に与える影響を理解すること。
• 計算モデルを用いて、遺伝子コードがヌクレオチド置換の表現型的影響をどのように最小化するかを調査すること。
• 全ゲノムシミュレーションを用いて、変異の進化的コストがゲノムサイズ、変異圧、集団サイズとどのように関係するかを調査すること。
• 変異圧を変化させた条件下で、有害な突然変異がゲノムの生存と進化的分岐に与える影響を検討すること。
• 再結合を含まない大規模な全ゲノムコンピュータシミュレーションを用いて、木村の中立説を再考すること。

提案手法

• 変異圧を変化させた条件下で、タンパク質コード配列の進化をモンテカルロシミュレーションでモデル化した。
• 生物学的現実を反映させるために、リーディングストランドとラギングストランドに非対称的な変異圧を適用してDNA複製をシミュレートした。
• 進化した配列と元の配列をアラインメントし、異なる位置の割合としてアミノ酸の多様性を測定した。
• 進化的コストを、ゲノムを消失させる突然変異数と許容されたアミノ酸置換数の比として評価した。
• ゲノムサイズ（B. burgdorferiゲノムの0.1〜1.0倍）と集団サイズ（2〜10ゲノム）を変化させ、スケーリング効果を調査した。
• コード配列に1つの有害な突然変異が発生すると完全なゲノム消失に至るとする簡略化モデルを用い、必須遺伝子の制約を模倣した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称的DNA複製は、ゲノム構造、遺伝子配置、アミノ酸組成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 進化的過程において、遺伝子コードはヌクレオチド置換の表現型的影響をどの程度最小化するか？
• RQ3 進化的分岐を最大化し、ゲノム損失を最小化する最適な変異圧は何か？
• RQ4 ゲノムサイズと集団サイズは、進化的コストと自然選択の効率にどのように影響するか？
• RQ5 全ゲノムシミュレーションは、分子進化の中立説の予測を挑戦または精緻化できるか？

主な発見

• 進化のための最適な変異圧は、約1回/ゲノム/世代であり、このとき進化的コスト（消失させる突然変異数と許容された突然変異数の比）が最小化される。
• ゲノムサイズがB. burgdorferiゲノムの0.1倍から1.0倍に増加するにつれ、進化的コストは約半減し、サイズと変異耐性のトレードオフが示された。
• 許容されたアミノ酸置換数は、変異圧が1回/ゲノム/世代までほぼ線形に増加するが、それ以上になるとゲノム消失の増加により著しく鈍化する。
• 変異圧を一定に保っても、集団サイズが増加する（2〜10ゲノム）と進化的コストが低下し、木村の中立説の一部の予測と矛盾する。
• より大きなゲノムサイズでは、進化的安定性を維持するための複製正確性を高める必要があるという考えを支持する結果となった。
• シミュレーションでは、複数の置換や逆変異が一般的に発生しており、簡略化されたモデルでも複雑な進化的ダイナミクスが存在することが示された。