[논문 리뷰] An age-of-allele test of neutrality for transposable element insertions not at equilibrium

Justin P. Blumenstiel, Miaomiao He외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 16.

Chromosomal and Genetic Variations인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 일정한 전위율을 가정하지 않고, TE 내부의 치환 수를 사용해 삽입 연령을 추정함으로써 전위율이 일정하지 않은 전위성소자(Te)의 중립성에 대한 새로운 연령-유전자형 테스트를 제안한다. 인구 크기 변화를 고려한 중립 모델 하에서 유전자형 분포를 모델링함으로써, Drosophila melanogaster에서 TE 유전자형 분포의 약 80%의 분산을 설명하며, TEs에 대한 광범위한 부정적 선택과 희귀한 양성 선택을 드러낸다.

ABSTRACT

How natural selection acts to limit the proliferation of transposable elements (TEs) in genomes has been of interest to evolutionary biologists for many years. To describe TE dynamics in populations, many previous studies have used models of transposition-selection equilibrium that rely on the assumption of a constant rate of transposition. However, since TE invasions are known to happen in bursts through time, this assumption may not be reasonable in natural populations. Here we propose a test of neutrality for TE insertions that does not rely on the assumption of a constant transposition rate. We consider the case of TE insertions that have been ascertained from a single haploid reference genome sequence and have subsequently had their allele frequency estimated in a population sample. By conditioning on the age of an individual TE insertion (using information contained in the number of substitutions that have occurred within the TE sequence since insertion), we determine the probability distribution for the insertion allele frequency in a population sample under neutrality. Taking models of varying population size into account, we then evaluate predictions of our model against allele frequency data from 190 retrotransposon insertions sampled from North American and African populations of Drosophila melanogaster. Using this non-equilibrium model, we are able to explain about 80% of the variance in TE insertion allele frequencies based on age alone. Controlling both for nonequilibrium dynamics of transposition and host demography, we provide evidence for negative selection acting against most TEs as well as for positive selection acting on a small subset of TEs. Our work establishes a new framework for the analysis of the evolutionary forces governing large insertion mutations like TEs, gene duplications or other copy number variants.

연구 동기 및 목표

• 기존의 TE 중립성 테스트가 일정한 전위율을 가정하는 한계를 해결하고자 하며, 이는 실제의 폭발적 전위 사건을 반영하지 못할 수 있다.
• 전위-선택 평형을 가정하지 않고도 중립성 테스트를 가능하게 하기 위해, TE 내부의 서열 다형성을 이용해 삽입 연령을 추정하는 방법을 개발하고자 한다.
• 인구 크기 변화와 선택이 자연 인구에서의 TE 유전자형 분포에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
• 중립 모델 하에서 연령 조건부 예측을 이용해, TE 삽입에 작용하는 부정적 및 양성 선택을 동시에 검출하고자 한다.

제안 방법

• 삽입 이후 TE 서열 내 누적된 치환 수를 세어 개별 TE 삽입의 연령을 추정한다.
• 변동하는 인구 크기를 고려한 중립 모델 하에서 추정된 삽입 연령에 따라 TE 유전자형 분포의 확률 분포를 조건화한다.
• 공통 조상 기반 모델을 사용해, 민족학적 역사(예: 인구 크기 변화 포함)를 통합한 중립 조건 하에서 기대되는 유전자형 분포를 유도한다.
• Drosophila melanogaster 인구의 190개의 리트로트랜스포지존 삽입으로부터의 실측 자료에 연령에 따라 예측된 유전자형 분포를 적합시킨다.
• 관측된 유전자형과 중립 예측값을 비교하여 선택의 흔적을 드러내는 분포의 이탈을 탐지한다.
• 북미 및 아프리카 Drosophila melanogaster 인구에 이 방법을 적용하여 다양한 민족학적 배경에서의 선택을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 전위율을 가정하지 않는 TE 삽입의 중립성 테스트를 개발할 수 있는가?
• RQ2 TE 내부의 치환 수로 추정한 삽입 연령이 자연 인구에서의 TE 유전자형을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?
• RQ3 인구 크기 변화와 비평형 전위 역학은 TE 빈도 데이터 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Drosophila melanogaster에서 TE 빈도 변동에 기여하는 부정적 선택과 양성 선택의 상대적 기여는 얼마인가?

주요 결과

• 연령-유전자형 모델은 삽입 연령만으로도 TE 삽입 유전자형 빈도의 약 80%의 분산을 설명하며, 강력한 예측 능력을 보인다.
• 비평형 전위 및 민족학적 역사에 대한 보정 후, 대부분의 TE 삽입에 대해 부정적 선택이 관찰된다.
• 소수의 TE 집단에서 양성 선택의 증거가 확인되어, TE 삽입이 희귀하게도 적응적 이점을 제공할 수 있음을 시사한다.
• 폭발적 전위 역학으로 인해 기존의 평형 모델이 실패할 경우에도 이 방법은 선택 신호를 성공적으로 식별할 수 있다.
• 이 프레임워크는 유전자 중복 및 복수 복제 수 변동과 같은 다른 큰 삽입 돌연변이에 일반화 가능하다.
• 민족학적 모델을 포함시킴으로써, 일정한 인구 크기를 가정하는 것보다 중립성 테스트의 정확도가 크게 향상됨을 확인하였다.