[논문 리뷰] Soft selective sweeps are the primary mode of recent adaptation in Drosophila melanogaster

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

Genetic diversity and population structure참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 하드 스위프트에 집중된 기존 테스트에서 빠지기 쉬운 소프트 선택 스위프트—다양한 적응적 허플로티프가 동시에 빈도가 증가하는 경우—를 탐지하기 위해 새로운 통계적 검정인 H12를 제안한다. Drosophila melanogaster의 전장 게놈 데이터를 사용하여, 저자들은 최근 적응의 주요 방식이 소프트 스위프트임을 보여주며, 최상위 유전적 피크에서 다수의 고빈도 허플로티프가 나타나는 특징을 확인한다. H2/H1 통계량은 다양한 진화 모델에서 소프트 스위프트가 하드 스위프트보다 데이터를 더 잘 설명함을 확인한다.

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 빠르게 적응하는 데서 흔한 소프트 선택 스위프트를 탐지하는 데에 한계를 보이는 데에 대응하기 위해.
• 하드 스위프트와 소프트 스위프트를 비교적 높은 민감도로 탐지할 수 있는 통계적 방법을 개발하기 위해.
• 고카버리지 인구 게놈 데이터를 활용하여 Drosophila melanogaster에서 최근 적응의 주요 방식이 소프트 스위프트인지 조사하기 위해.
• DGRP 인구에서 관측된 게놈 패턴을 설명하는 데 있어 소프트 스위프트 모델과 하드 스위프트 모델의 타당성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 선택적 압도적 허플로티프 동질성에 기반한 H12 통계량을 개발하여 최근 양적 선택의 징후로 보이는 허플로티프 다양성 감소 영역을 탐지한다.
• DGRP의 200개 Drosophila melanogaster 균주에서의 전장 게놈 시퀀스에 H12를 적용하여 적응 영역 후보를 식별한다.
• 상위 50개 H12 피크의 시각적 점검을 통해 허플로티프 다양성과 빈도를 평가하여 소프트 스위프트의 특징인 다수의 고빈도 허플로티프 존재 여부를 확인한다.
• 소프트 스위프트의 특징적인 패tern에 민감하지만 하드 스위프트에는 민감하지 않은 비율 통계량 H2/H1을 도입하여 스위프트 유형을 구분한다.
• 하드 스위프트와 소프트 스위프트 모델 하에서 다양한 진화 시나리오를 시뮬레이션하여 각 모델이 관측된 H12 및 H2/H1 값들을 얼마나 잘 재현하는지 비교한다.
• 다양한 인구역사적 및 선택적 시나리오에서 시뮬레이션된 H12 및 H2/H1 값들을 실제 데이터와 비교하여 소프트 스위프트와 하드 스위프트의 상대적 가능성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Drosophila melanogaster의 최근 적응에서 소프트 선택 스위프트가 하드 선택 스위프트보다 더 흔한가?
• RQ2 기존의 통계적 방법은 소프트 스위프트를 효과적으로 탐지할 수 있는가, 아니면 새로운 방법이 필요한가?
• RQ3 DGRP 데이터의 상위 H12 피크에서 소프트 스위프트가 예상하는 다수의 고빈도 적응적 허플로티프가 존재하는가?
• RQ4 실제 진화 모델 하에서 상위 H12 피크의 관측된 데이터는 소프트 스위프트인지, 하드 스위프트인지 더 일치하는가?

주요 결과

• 상위 50개 H12 피크에서 다수의 고빈도 허플로티프가 관찰되어 소프트 선택 스위프트에 대한 강력한 시각적 증거를 제공한다.
• H2/H1 통계량은 소프트 스위프트의 특징을 잘 구분하며, 소프트 스위프트의 특성에 민감함을 확인한다.
• 다양한 진화 시나리오에서 소프트 스위프트는 관측된 H12 및 H2/H1 값을 하드 스위프트보다 더 타당하게 생성한다.
• 이 연구는 소프트 선택 스위프트가 Drosophila melanogaster에서 최근 적응의 주요 방식임을 결론 내리며, 하드 스위프트가 지배한다는 가정을 도전한다.