[논문 리뷰] Impact of Epistasis on Evolutionary Adaptation

Bjørn Østman, Arend Hintze외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 18.

Evolution and Genetic Dynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 K개의 상호작용하는 레지온을 가진 N-레지온 복수형 적합도 표면에서 무성 이배체 집단에서의 적응 진화가 에피스타시스와 페리오타로피에 의해 어떻게 형성되는지를 조사한다. 연구 결과, 에피스타시스는 K에 따라 증가하며, 높은 돌연변이율에서 적응적 보행은 고에피스타틱 치환을 선호하고, 중간 정도의 거친 표면이 적합도를 극대화하는 데 최적임을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Evolutionary adaptation is often likened to climbing a hill or peak. While this process is simple for fitness landscapes where mutations are independent, the interaction between mutations (epistasis) as well as mutations at loci that affect more than one trait (pleiotropy) are crucial in complex and realistic fitness landscapes. We investigate the impact of epistasis and pleiotropy on adaptive evolution by studying the evolution of a population of asexual haploid organisms (haplotypes) in a model of N interacting loci, where each locus interacts with K other loci. We use a quantitative measure of the magnitude of epistatic interactions between substitutions, and find that it is an increasing function of K. When haplotypes adapt at high mutation rates, more epistatic pairs of substitutions are observed on the line of descent than expected. The highest fitness is attained in landscapes with an intermediate amount of ruggedness that balance the higher fitness potential of interacting genes with their concomitant decreased evolvability. Our findings imply that the synergism between loci that interact epistatically is crucial for evolving genetic modules with high fitness, while too much ruggedness stalls the adaptive process.

연구 동기 및 목표

• 레지온 간의 에피스타틱 상호작용이 진화적 적응의 궤적과 결과에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 페리오타로피와 에피스타시스가 적합도 표면을 형성하고 그로 인해 육성 가능성에 미치는 영향를 검토하는 것.
• 무성 집단에서 적응적 적합도를 극대화하는 데 최적의 적합도 표면의 거친 정도를 규명하는 것.
• 에피스타틱 상호작용의 크기를 정량화하고, 이가 상호작용하는 레지온 수(K)에 따라 어떻게 달라지는지 분석하는 것.

제안 방법

• 각 레지온이 K개의 다른 레지온과 상호작용하는 N개의 레지온을 가진 적합도 표면에서 진화하는 무성 이배체 생물의 집단을 모델링하는 것.
• 치환 간의 에피스타틱 상호작용 크기를 측정하는 정량적 척도를 사용하며, 이는 K에 따라 증가한다.
• 높은 돌연변이율 하에서 적응적 진화를 시뮬레이션하여 선조 경로상의 에피스타틱 쌍의 빈도를 추적하는 것.
• 다양한 정도의 거친 표면을 가진 적합도 표면을 분석하여 최대 달성 가능한 적합도에 미치는 영향를 평가하는 것.
• 관측된 에피스타틱 치환 패턴을 무작위 분포와 비교하여 비무작위적 풍부도를 탐지하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호작용하는 레지온 수(K)가 에피스타틱 상호작용의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 돌연변이율 하에서 관측된 에피스타틱 치환 패턴은 무작위 기대값에 비해 풍부한가?
• RQ3 적응 진화를 극대화하는 데 최적의 적합도 표면의 거친 정도는 무엇인가?
• RQ4 에피스타시스와 페리오타로피가 적합도 잠재력과 육성 가능성의 균형에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 에피스타틱 상호작용의 크기는 각 레지온이 상호작용하는 레지온 수(K)의 함수로서 증가한다.
• 높은 돌연변이율에서 선조 경로상의 에피스타틱 치환 쌍의 수는 우연히 기대되는 수치보다 많다.
• 중간 정도의 거친 표면에서 최대 적합도가 달성되며, 이는 에피스타틱 상호작용의 공조 효과가 적응을 방해하지 않기 때문이다.
• 과도한 거친 표면은 육성 가능성을 감소시키고 적응을 방해하므로, 적합도 잠재력과 진화적 접근 가능성 사이에 상충관계가 있음을 시사한다.