[論文レビュー] WiSPA: A new approach for dealing with widespread parasitism

Benjamin Drinkwater, Angela Qiao+1 more|eCite Digital Repository (University of Tasmania)|Mar 30, 2016

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

WiSPAは、系統的に遠く離れた宿主に寄生する広範な寄生関係をモデル化するための新しい進化的イベント「スプレッド」を導入することで、共系統的再統合を拡張する画期的な計算フレームワークを提示する。合成データおよび生物学的データセットにおいて、共進化履歴の推定において顕著に高い整合性を達成し、特に霊長類-Enterobius系統に対して、従来の手法では解決できなかった統計的に有意な共進化仮説を初めて提示した。

ABSTRACT

Traditionally, studies of coevolving systems have considered cases where a parasite may inhabit only a single host. The case where a parasite may infect many hosts, widespread parasitism, has until recently gained little traction. This is due in part to the computational complexity involved in reconstructing the coevolutionary histories where parasites may infect only a single host, which is NP-Hard. Allowing parasites to inhabit more than one host has been seen to only further compound this computationally intractable problem. Recently however, well-established algorithms for estimating the problem instance where a parasite may infect only a single host have been extended to handle widespread parasites. Although this has offered significant progress, it has been noted that these algorithms poorly handle parasites that inhabit phylogenetically distant hosts. In this work we extend these previous algorithms to handle cases where parasites inhabit phylogenetically distant hosts using an additional evolutionary event which we call spread. Our new framework is shown to infer significantly more congruent coevolutionary histories compared to existing methods over both synthetic and biological data sets. We then apply the newly proposed algorithm, which we call WiSPA (WideSpread Parasitism Analyser), to the well studied coevolutionary system of Primates and Enterobius (pinworms), where existing methods have been unable to reconcile the widespread parasitism present without permitting additional divergence events. Using WiSPA and the new biological event, spread, we provide the first statistically significant coevolutionary hypothesis for this system.

研究の動機と目的

• 広範な寄生関係、すなわち寄生虫が系統的に遠く離れた複数の宿主に感染する状況をモデル化する計算的および生物学的課題に対処すること。
• 既存の共系統的再統合手法が、過剰な分岐イベントを伴わずに広範な寄生関係を再統合できないという限界を克服すること。
• 系統的に遠く離れた宿主に寄生虫が広がる様子を捉える新しい進化的イベント「スプレッド」を考案すること。
• 時間情報が与えられた場合に多項式時間で解けるソリューションと、時間制約がない場合に適用可能なメタヒューリスティックフレームワークを提供すること。
• 合成データおよび実世界のデータの両方でモデルを検証すること。特に霊長類-Enterobiusの共進化システムに焦点を当てる。

提案手法

• 宿主の系統的距離の遠い宿主への寄生虫の定着をモデル化するため、共進化的イベントとして「スプレッド」を導入し、宿主移転とは明確に区別する。
• 既存の共系統的再統合アルゴリズムを拡張し、コスト最小化フレームワーク内にスプレッドイベントを統合する。
• 宿主系統の時間情報が利用可能な場合には多項式時間アルゴリズムを、情報が欠落している場合にはメタヒューリスティック手法を適用する。
• 再構築されたマップにおける共進化的信号の統計的有意性を評価するために、ウィルソンのスコア信頼区間を用いる。
• タングルグラム可視化とイベントコスト最適化を用いて、宿主と寄生虫の系統樹の整合性を評価する。
• 合成データおよび生物学的データセットを用いて、最新のツール（JaneやCoRe-PA）と比較して性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 「スプレッド」という新しい進化的イベントを導入することで、広範な寄生関係を示す系における共系統的再統合の正確性が向上するか？
• RQ2 スプレッドの導入により、従来のモデルよりも生物学的に現実的で整合性の高い共進化履歴が得られるか？
• RQ3 WiSPAは、従来の手法では解決できなかった霊長類-Enterobius系に対して、統計的に有意な共進化仮説を提示できるか？
• RQ4 WiSPAの性能は、Jane や CoRe-PA といった最新のツールと比較して、整合性および正確性の観点で優れているか？
• RQ5 スプレッドイベントの導入により、広範な寄生関係を再統合する際に、過剰な分岐または喪失イベントの必要性が減少するか？

主な発見

• WiSPAは『スプレッド』イベントを組み込むことで、既存のモデルと比較して55％以上の精度向上を達成した。
• アルゴリズムは、以前のモデルが過剰な分岐イベントを伴わずに再統合できなかった霊長類-Enterobius系に対し、広範な寄生関係の解を成功裏に回復した。
• 霊長類-Enterobius系において、スプレッドコストが1の場合の95％信頼区間は(0.028, 0.045)、コストが2の場合には(0.044, 0.069)であり、統計的に有意な共進化仮説を提示した。
• WiSPAの結果の信頼区間は、内部ノードが4つの完全に整合的なタングルグラムのものよりも大きいことから、共進化に対する強い統計的根拠が示された。
• WiSPAは、テストされた唯一の手法であり、霊長類-Enterobius亜系統において広範な解を回復しつつ、統計的有意性を維持した。
• Xscapeツールよりも漸近的に効率が良く、Jane 1 や TreeMap の Jungle モデルよりも著しく高速であるが、最新版の Jane よりは約10倍遅い。