[논문 리뷰] Epistasis and Adaptation on Fitness Landscapes

Claudia Bank|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 28.

Evolution and Genetic Dynamics인용 수 20

한 줄 요약

epistasis가 적합도 지형을 형성하는 방식에 대한 포괄적 리뷰로, 확률적 모델과 Fisher의 기하학적 모델을 대조하고, 실험실 및 야생 개체군에서의 경험적 증거를 요약한다.

ABSTRACT

Epistasis occurs when the effect of a mutation depends on its carrier's genetic background. Despite increasing evidence that epistasis for fitness is common, its role during evolution is contentious. Fitness landscapes, mappings of genotype or phenotype to fitness, capture the full extent and complexity of epistasis. Fitness landscape theory has shown how epistasis affects the course and the outcome of evolution. Moreover, by measuring the competitive fitness of sets of tens to thousands of connected genotypes, empirical fitness landscapes have shown that epistasis is frequent and depends on the fitness measure, the choice of mutations for the landscape, and the environment in which it was measured. Here, I review fitness landscape theory and experiments and their implications for the role of epistasis in adaptation. I discuss theoretical expectations in the light of empirical fitness landscapes and highlight open challenges and future directions towards integrating theory and data, and incorporating ecological factors.

연구 동기 및 목표

• 적합도 지형 이론과 서로 다른 모델 프레임워크에서의 에피스타시스 발생 방식 요약(확률적 RMF 대 Fisher의 기하학적 모델).
• 공학적으로 설계된 실험실 실험과 자연 개체군에서의 경험적 적합도 지형을 조사하여 에피스타시스의 prevalence와 유형을 평가한다.
• 실험 설계, 적합도 척도, 돌연변이 샘플링이 관찰된 지형 형태에 어떻게 영향을 미치는지 논의한다.
• 환경 의존적 에피스타시스와 그것이 진화 및 게놈의 생태학적 역사 흔적에 미치는 시사점을 검토한다.
• 생태학적 요인을 적합도 지형 연구에 통합하기 위한 남은 과제와 향후 방향을 강조한다.

제안 방법

• 에피스타시스가 조정 가능한 Rough-Mount-Fuji 확률적 지형과 비선형 형질-적합도 매핑을 갖는 Fisher의 기하학적 모델의 두 가지 주요 모델링 접근법을 설명한다.
• 에피스타시스가 유전형–표현형 상호작용과 비선형 표현형–적합도 매핑에서 어떻게 발생할 수 있는지 설명한다.
• 울퉁불퉁한 지형에서의 진화에 대한 재조합, 다배수성, 그리고 개체군 역학의 시사점을 논의한다.
• 적합도 지형을 매핑하기 위해 설계된 돌연변이 부분집합과 심층 돌연변이 스캐닝을 사용하는 실증 연구를 검토한다.
• 환경 의존적 에피스타시스에 대한 증거를 종합하고 그것의 잠재적 생태학적 흔적을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론 모델과 경험적 지형에서 적합도에 대한 에피스타시스의 보편성(범위)과 특성은 무엇인가?
• RQ2 모델링 가정(유전형–적합도 vs. 유전형–표현형–적합도, 그리고 환경)이 적응적 궤도에 대한 예측을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 실험 설계 선택(조직 수준, 적합도 척도, 돌연변이 샘플링)이 관찰된 지형 토폴로지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 환경 의존적 에피스타시스가 적응과 게놈의 생태학적 역사 신호에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 적합도 지형 이론과 데이터에 생태학적 요인을 통합하는 데 남은 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 적합도에 대한 에피스타시스는 적응을 제약하고 특정 모델에서 다수의 국지적 봉우리를 가진 거친 지형을 만든다.
• Fisher의 기하학적 모델은 유전형 효과가 가법적이어도 비선형 표현형–적합도 매핑으로부터 에피스타시스가 발생할 수 있음을 보여준다.
• 경험적 지형은 널리 퍼진 에피스타시스를 드러내며, 설계 선택과 적합도 측정이 관찰된 거친 정도와 궤도 접근성에 영향을 준다.
• 수익 감소 에피스타시스(배경 적합도 증가에 따라 음의 에피스타시스)가 연구 전반에 걸쳐 일반적으로 관찰된다.
• 환경 의존적 에피스타시스는 적응 역학을 바꿀 수 있고 게놈에 생태학적 역사를 남길 흔적을 남길 수 있다.
• 재조합, 우성화, 및 개체군 역학은 에피스타시스가 적합도 지형에서의 진화를 어떻게 형성하는지에 영향을 준다.