[논문 리뷰] Epistasis and Shapes of Fitness Landscapes

Niko Beerenwinkel, Lior Pachter외 1명|ArXiv.org|2006. 03. 29.

Sports Analytics and Performance참고 문헌 28인용 수 55

한 줄 요약

이 논문은 애벌레 빈도 벡터의 볼록결합인 유전자형 다면체(genotope)를 사용하는 기하학적 프레임워크를 제안하여, 삼등분 분석을 통해 모든 유전자 상호작용, 특히 이차 상호작용을 초월한 고차원 상호작용을 분류한다. HIV와 초파리 데이터에 적용된 결과, 이 방법은 매개변수적 적합도 모델을 가정하지 않고 이전에 발견되지 않은 상호작용을 탐지한다.

ABSTRACT

The relationship between the shape of a fitness landscape and the underlying gene interactions, or epistasis, has been extensively studied in the two-locus case. Gene interactions among multiple loci are usually reduced to two-way interactions. We present a geometric theory of shapes of fitness landscapes for multiple loci. A central concept is the genotope, which is the convex hull of all possible allele frequencies in populations. Triangulations of the genotope correspond to different shapes of fitness landscapes and reveal all the gene interactions. The theory is applied to fitness data from HIV and Drosophila melanogaster. In both cases, our findings refine earlier analyses and reveal previously undetected gene interactions.

연구 동기 및 목표

• 이차 상호작용을 초월한 모든 가능한 유전자 상호작용, 특히 고차원 상호작용까지 포괄하는 적합도 표면 형태에 대한 기하학적 이론을 개발하는 것.
• 다양한 레이어의 적합도 표면의 조합적 구조를 고려하지 못하는传통적인 ANOVA 기반 상호작용 분석의 한계를 해결하는 것.
• 유전자형 다면체와 그 정규 삼등분을 사용하여 다중 레이어 시스템의 가능한 모든 적합도 표면 형태의 전체 집합을 특성화하는 것.
• HIV와 Drosophila melanogaster의 실제 생물학적 적합도 데이터에 이 방법을 적용하여 숨겨진 상호작용을 밝혀내는 것.
• 적합도 표면의 구조를 실험 데이터로부터 모델에 의존하지 않고 추론할 수 있도록 하는 것. 이는 적합도의 기능적 형태에 대한 가정을 피한다.

제안 방법

• 모든 가능한 애벌레 빈도 벡터의 볼록결합으로서의 유전자형 다면체를 정의하여, 집단 내 유전자형 공간을 기하학적 다면체로 표현한다.
• 유전자형 다면체의 정규 삼등분을 사용하여 적합도 표면의 형태를 표현하며, 각 단체가 최대 적합도 집단에서 함께 존재하는 유전자형 집합에 대응한다.
• 삼등분의 조합적 구조와 유전자 상호작용을 연결하기 위해 2차 다면체 구조를 적용한다.
• 삼등분의 GKZ 벡터를 사용하여 주어진 유전자형이 최대 적합도 집단에 나타날 확률을 계산한다. 이는 애벌레 빈도 분포에서 유도된다.
• 삼등분 내에서 최소 비면과 비단체를 식별하여, 최대 적합도 집단에서 함께 존재할 수 없는 유전자형 조합을 파악한다.
• 측정 오차 모델링과 삼등분 분석을 사용하여 HIV(3-로쿠스, 이등위) 및 초파리(5-로쿠스, 이등위)의 기존 발표된 적합도 데이터에 이 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차 상호작용을 초월한 적합도 표면의 전체 조합적 구조는 어떻게 포괄할 수 있는가?
• RQ2 다양한 레이어의 시스템에서 모든 가능한 유전자 상호작용을 코딩하는 기하학적 객체는 무엇인가?
• RQ3 매개변수적 모델을 가정하지 않고 실험 데이터로부터 적합도 표면 형태를 어떻게 추론할 수 있는가?
• RQ4 어떤 유전자형 조합이 최대 적합도 집단에서 함께 존재할 수 있고, 어떤 것은 존재할 수 없는가?
• RQ5 유전자형 다면체의 삼등분에서 타이트 스펜과 최소 비면의 생물학적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• Drosophila melanogaster의 5-로쿠스 시스템에 대한 적합도 표면은 5차원 유전자형 다면체를 110개의 단체로 삼등분한 것으로, 그림 7.7에 도시되어 있다.
• Drosophila 유전자형 다면체의 삼등분은 332개의 최소 비면을 포함하며, 이 중 하나는 비삼각형체이다: {00100, 00010, 11000, 01011}, 이는 이 네 개의 유전자형이 최대 적합도 집단에서 함께 존재할 수 없음을 시사한다.
• 초파리 데이터의 경우, 유전자형 10110이 최대 적합도 집단에 나타날 확률은 69.2%이며, 이는 GKZ 벡터(83/120)로부터 유도된다.
• Drosophila 유전자형 다면체의 타이트 스펜은 3차원이며, f-벡터는 (110, 214, 127, 22)이며, 이는 2개의 일차원
• 이 방법은 HIV 및 초파리 데이터셋에서 이전에 발견되지 않은 상호작용을 탐지하여, 선형 모델에 의존한 이전 분석을 개선한다.
• 인간 집단의 유전자형 다면체는 유전자형 다면체의 차원이 단일형질다형성(SNPs)의 수보다 훨씬 낮을 것으로 예상되며, 연관 불균형으로 인해 향후 데이터로 인간 유전자형 다면체에서 적합도 표면을 연구하는 것이 가능해질 것이다.