[논문 리뷰] Pleiotropic consequences of adaptation across gradations of environmental stress in budding yeast

Elizabeth R. Jerison, Sergey Kryazhimskiy외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 27.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 분열 효모에서 다양한 스트레스 수준에 적응할 때 환경 간 적합도의 상충관계 또는 상관관계가 어떻게 발생하는지를 조사하며, 유사한 스트레스 조건에서는 적합도 효과가 높이 상관되지만, 상이한 조건에서는 점차 0에 수렴함을 밝혀낸다. 염화나트륨, 온도, pH, 포도당 고갈 스트레스의 기울기를 따라 실험적 진화를 수행한 결과, 저자들은 공동 적합도 효과 분포(JDFE)를 프레임워크로 도입하여, 물리적으로 유사한 환경에서는 JDFE가 강하게 상관되고 비대칭적이지만, 환경 간 유사도가 감소함에 따라 상관관계는 감소하고 비대칭성이 증가함을 보여준다.

ABSTRACT

Adaptation to one environment often results in fitness gains and losses in other conditions. To characterize how these consequences of adaptation depend on the physical similarity between environments, we evolved 180 populations of Saccharomyces cerevisiae at different degrees of stress induced by either salt, temperature, pH, or glucose depletion. We measure how the fitness of clones adapted to each environment depends on the intensity of the corresponding type of stress. We find that clones evolved in a given type and intensity of stress tend to gain fitness in other similar intensities of that stress, and lose progressively more fitness in more physically dissimilar environments. These fitness trade-offs are asymmetric: adaptation to permissive conditions incurred a smaller trade-off in stressful conditions than vice versa. We also find that fitnesses of clones are highly correlated across similar intensities of stress, but these correlations decay towards zero in more dissimilar environments. To interpret these results, we introduce the concept of a joint distribution of fitness effects of new mutations in multiple environments (the JDFE), which describes the probability that a given mutation has particular fitness effects in some set of conditions. We find that our observations are consistent with JDFEs that are highly correlated between physically similar environments, and that become less correlated and asymmetric as the environments become more dissimilar. The JDFE provides a framework for quantifying evolutionary similarity between conditions, and forms a useful basis for theoretical work aimed at predicting the outcomes of evolution in fluctuating environments.

연구 동기 및 목표

• 적합도 상충관계와 상관관계가 환경 간 물리적 유사도에 따라 어떻게 달라지는지 이해하는 것.
• 스트레스적 또는 유리한 조건에 적응할 때 다른 환경에서의 적합도 결과가 비대칭이 되는지 조사하는 것.
• 다양한 환경에서 새로운 돌연변이의 공동 적합도 효과 분포(JDFE)를 특성화하여 진화 결과를 예측하는 프레임워크로 활용하는 것.
• 적합도 상관관계가 환경 간 유사도 증가에 따라 체계적으로 감소하는지, 그리고 이 감소가 대칭적인지 비대칭인지 확인하는 것.
• 관측된 상충관계가 상반된 다능성인지, 아니면 JDFE의 구조적 패atters, 특히 환경 기울기 유사도와의 관계에서 비롯되는지 평가하는 것.

제안 방법

• 염화나트륨, 온도, pH, 포도당 고갈의 4개 환경 변수에 대해 9개의 스트레스 수준에서 *Saccharomyces cerevisiae*의 180개 복제 집단을 진화시켰다.
• 모든 스트레스 수준에서 진화한 클론의 적합도를 측정하여, 다양한 환경에서의 적합도 향상과 감소를 정량화했다.
• 다중 조건에서 돌연변이가 특정 적합도 효과를 초래할 확률을 모델링하기 위해 공동 적합도 효과 분포(JDFE)를 구성했다.
• 물리적 유사도(예: 스트레스 강도 및 유형)에 따라 다른 환경 간 클론의 적합도 상관관계를 분석했다.
• 통계적 모델링을 통해 관측된 적합도 상관관계와 상충관계가 대칭적 또는 비대칭적 JDFE와 일치하는지 평가했다.
• 돌연변이 축적과 상반된 다능성이 기초 메커니즘으로서의 차이를 구분하기 위해 환경 간 적합도 변화 패턴을 비교했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 스트레스 수준에 적응한 균주가 동일한 스트레스의 다른 강도에서 평균 적합도가 어떻게 변화하는가?
• RQ2 두 환경 간 클론의 적합도 상관관계는 환경 간 물리적 이질성이 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 스트레스적 환경과 유리한 환경 간에 관측된 적합도 상충관계는 대칭적인가?
• RQ4 환경 간 공동 적합도 효과 분포(JDFE)는 물리적 유사도를 어느 정도 반영하며, 환경 간 이질성이 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 적합도 향상 및 감소 패턴은 유사한 환경에서는 상관되고 비편향된 JDFE로 설명될 수 있는가? 비슷한 환경에서는 상관관계가 유지되지만, 이질적인 환경에서는 상관관계가 감소하고 비대칭성이 증가하는가?

주요 결과

• 특정 스트레스 수준에 적응한 클론은 유사한 스트레스 수준을 가진 다른 환경에서 적합도 향상을 보이며, 물리적으로 유사한 조건에서 적합도 상관관계가 긍정적임을 시사한다.
• 적합도 손실은 점차적으로 물리적으로 이질적인 환경에서 증가하며, 환경 간 이질성이 증가함에 따라 상충관계가 더욱 심각해진다.
• 적합도 상충관계는 비대칭적이다: 유리한 조건에 적응할 경우 스트레스 조건에서의 적합도 손실이 반대로 적응할 경우보다 작다.
• 환경 간 이질성이 증가함에 따라 클론 간 적합도 상관관계는 점차 0에 수렴하며, 이 상관관계는 유사한 스트레스 조건에서만 높게 유지된다.
• 유사한 환경 간 공동 적합도 효과 분포(JDFE)는 매우 높은 상관관계를 보이지만, 환경 간 차이가 커질수록 점차 상관관계가 감소하고 비대칭성이 증가한다.
• 관측된 패턴은 유사한 환경에서는 돌연변이의 적합도 효과가 상관되지만, 이질적인 환경에서는 이러한 상관관계가 붕괴되는 JDFE 프레임워크와 일치하며, 진화적 상충관계에 대한 이진적 해석이 아닌 비이진적 관점을 지지한다.