[논문 리뷰] Recent selective sweeps in Drosophila were abundant and primarily soft

Nandita R. Garud, Philipp W. Messer외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 05.

Genetic diversity and population structure참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 인구 게놈 데이터에서 딱딱한 선택적 스위프트와 부드러운 선택적 스위프트를 모두 탐지할 수 있는 새로운 통계적 검정 H12를 제안한다. DGRP의 Drosophila melanogaster 전장 게놈 시퀀스를 사용하여, 최근 적응 사건은 주로 여러 히브로타입이 동시에 빈도가 증가하는 부드러운 스위프트로 이루어져 있음을 발견하였으며, 이는 빠른 적응에서 딱딱한 스위프트가 지배한다는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Rapid adaptation has been observed in numerous organisms in response to selective pressures, such as the application of pesticides and the presence of pathogens. When rapid adaptation is driven by rare alleles from the standing genetic variation or by a high population rate of de novo adaptive mutation, positive selection should commonly generate soft rather that hard selective sweeps. In a soft sweep, multiple adaptive haplotypes sweep through the population simultaneously, in contrast to hard sweeps in which only a single adaptive haplotype rises to high frequency. Current statistical methods were not designed to detect soft sweeps, and are therefore likely to miss these possibly numerous adaptive events. Here, we develop a statistical test (H12) based on haplotype homozygosity that is capable of detecting both hard and soft sweeps with similar power. We use H12 to identify multiple genomic regions that have undergone recent and strong adaptation in a population sample of fully sequenced Drosophila melanogaster strains from the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP). Visual inspection of the top 50 peaks revealed that multiple haplotypes are at high frequency, consistent with signatures of soft sweep. We developed a second statistic (H2/H1) that is sensitive to signatures common to soft sweeps but not hard sweeps, in order to determine whether sweeps detected by H12 can be more easily generated by hard versus soft sweeps. Surprisingly, we find that the H12 and H2/H1 values for all top 50 peaks are more easily generated by soft sweeps than hard sweeps under several evolutionary scenarios.

연구 동기 및 목표

• 기존 방법이 부드러운 선택적 스위프트를 탐지하지 못하는 한계를 해결하기 위해, 빠른 적응에서 흔한 부드러운 선택적 스위프트를 탐지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
• 딱딱한 스위프트와 부드러운 스위프트를 비교적 높은 민감도로 식별할 수 있는 통계적 검정을 개발하는 것을 목적으로 한다.
• Drosophila melanogaster에서 최근의 적응 사건이 부드러운 스위프트보다 딱딱한 스위프트로 이르는 것이 더 가능성 있는지 조사하는 것을 목적으로 한다.
• DGRP 인구에서 관찰된 유전적 선택 패턴을 설명할 수 있는 가장 적합한 진화적 시나리오를 평가하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 히브로타입 동질성에 기반한 새로운 통계량 H12를 개발하여, 딱딱한 스위프트와 부드러운 스위프트 모두에 높은 검정력을 갖춘 선택적 스위프트 탐지를 위한 것이다.
• DGRP의 200개의 완전 시퀀스화된 Drosophila melanogaster 균주 표본에 H12를 적용하여 최근 선택적 스위프트를 스크리닝한다.
• 상위 50개의 H12 피크에 대한 시각적 검토를 통해 부드러운 스위프트를 나타내는 히브로타입 다양성과 빈도 패턴을 평가한다.
• 부드러운 스위프트의 고유한 서명을 딱딱한 스위프트 서명과 구분할 수 있도록 두 번째 통계량 H2/H1을 도입한다.
• 관측된 H12 및 H2/H1 값들을 시뮬레이션된 진화적 시나리오와 비교하여, 부드러운 스위프트보다 딱딱한 스위프트의 기원이 더 가능성이 높은지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 Drosophila 적응에서 부드러운 선택적 스위프트는 흔한가, 그리고 기존 방법으로 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 기존 방법과 비교해 볼 때 H12 통계량은 딱딱한 스위프트와 부드러운 스위프트를 탐지하는 데 얼마나 잘 작동하는가?
• RQ3 Drosophila melanogaster에서 최근의 적응 사건 중 부드러운 스위프트로 설명되는 비율은 어느 정도인가?
• RQ4 상위 H12 피크에서 관찰된 유전적 패턴은 여러 적응적 히브로타입이 동시에 빈도가 증가하는 것과 일치하는가?

주요 결과

• H12 검정은 딱딱한 스위프트와 부드러운 스위프트 모두에 대해 높은 민감도로 Drosophila melanogaster에서 최근 선택적 스위프트를 성공적으로 식별한다.
• 상위 50개의 H12 피크에 대한 시각적 검토에서 다수의 고빈도 히브로타입이 관찰되어, 이는 부드러운 스위프트의 특징적인 징후임을 확인한다.
• H2/H1 통계량은 부드러운 스위프트 서명과 딱딱한 스위프트 패tern을 효과적으로 구분하여, 부드러운 스위프트 신호의 존재를 확인한다.
• 다양한 진화적 시나리오 하에서, 상위 50개 피크에서 관측된 H12 및 H2/H1 값들은 딱딱한 스위프트보다 부드러운 스위프트 기원에서 더 통계적으로 유력하게 발생할 가능성이 높다.
• 이 연구는 최근 Drosophila 적응에서 부드러운 스위프트가 광범위하게 존재함을 강력히 제시하며, 빠른 적응에서 딱딱한 스위프트가 지배한다는 전통적 가정을 도전한다.