[논문 리뷰] To Understand Nature - Computer Modelling between Genetics and Evolution

Dorota Mackiewicz, S. Cebrat|ArXiv.org|2009. 01. 11.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 단백질 코딩 서열의 진화를 모델링하며, 유전자가 돌연변이의 영향을 최소화하는 방식으로 유전적 코드가 어떻게 작용하는지 밝혀낸다. 이는 진화적 성공을 위한 최적의 돌연변이 압력이 약 1개의 돌연변이/유전체/세대이며, 돌연변이 축적과 유전체 제거 사이의 균형을 이루며, 유전체 크기가 클수록 진화 비용이 감소함을 보여준다.

ABSTRACT

We have presented the basic knowledge on the structure of molecules coding the genetic information, mechanisms of transfer of this information from DNA to proteins and phenomena connected with replication of DNA. In particular, we have described the differences of mutational pressure connected with replication of the leading and lagging DNA strands. We have shown how the asymmetric replication of DNA affects the structure of genomes, positions of genes, their function and amino acid composition. Results of Monte Carlo simulations of evolution of protein coding sequences have shown a specific role of genetic code in minimizing the effect of nucleotide substitutions on the amino acid composition of proteins. The results of simulations were compared with the results of analyses of genomic and proteomic data bases. This chapter is considered as an introduction to further chapters where chromosomes with genes represented by nucleotide sequences were replaced by bitstrings with single bits representing genes.

연구 동기 및 목표

• DNA의 구조와 비대칭 복제가 유전체 구성, 유전자 배치 및 아미노산 조성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 유전자가 핵산 치환의 표현형적 영향을 최소화하는 방식으로 작용하는 방식을 계산 모델링을 통해 조사하기 위해.
• 전체 유전체 시뮬레이션을 통해 유전체 크기, 돌연변이 압력 및 집단 크기와 관련된 돌연변이의 진화적 비용을 탐구하기 위해.
• 다양한 돌연변이 압력 하에서 유해 돌연변이가 유전체 생존 및 진화적 분화에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 재조합 없이 대규모 전체 유전체 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 킴우라의 중립 이론을 재검토하기 위해.

제안 방법

• 다양한 돌연변이 압력 하에서 단백질 코딩 서열의 진화를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 생물학적 현실을 반영하기 위해 앞선 및 뒤따르는 가닥에 비대칭적인 돌연변이 압력을 반영한 DNA 복제를 시뮬레이션하였다.
• 유전자가 진화한 서열을 원래 서열과 정렬하여 아미노산의 다양성을 위치 수의 차이 비율로 측정하였다.
• 진화 비용을 유전체 제거를 유도하는 돌연변이 수와 수용된 아미노산 치환 수의 비율로 평가하였다.
• 유전체 크기(0.1에서 1.0× B. burgdorferi 유전체)와 집단 크기(2–10개 유전체)를 변화시켜 척도 효과를 연구하였다.
• 단일 유전자 서열 내의 하나의 치명적인 돌연변이가 전체 유전체 제거를 유도하는 단순화된 모델을 사용하였으며, 필수 유전자 제약 조건을 모방하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 DNA 복제가 유전체 구조, 유전자 배치 및 아미노산 조성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 유전자가 진화 과정에서 핵산 치환의 표현형적 영향을 어느 정도 최소화하는가?
• RQ3 진화적 분화를 극대화하면서 유전체 손실를 최소화하는 데 최적의 돌연변이 압력는 무엇인가?
• RQ4 유전체 크기와 집단 크기가 진화 비용과 자연선택의 효율성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 전체 유전체 시뮬레이션은 분자진화의 중립 이론 예측을 도전하거나 개선할 수 있는가?

주요 결과

• 진화의 최적 돌연변이 압력은 약 1개의 돌연변이/유전체/세대이며, 이때 진화 비용(유전체 제거 돌연변이 수 대 수용된 돌연변이 수의 비율)이 최소화된다.
• 유전체 크기가 0.1에서 1.0× B. burgdorferi 유전체로 증가함에 따라 진화 비용은 약 50% 감소하여 크기와 돌연변이 내성 간의 상충 관계가 드러난다.
• 수용된 아미노산 치환 수는 돌연변이 압력이 1개의 돌연변이/유전체/세대 이하일 때 거의 선형적으로 증가하지만, 이후에는 유전체 제거가 증가함에 따라 급격히 감소한다.
• 일정한 돌연변이 압력 하에서도 집단 크기가 증가함에 따라 진화 비용이 감소함을 확인하였으며, 이는 킴우라 중립 이론의 일부 예측과 배치된다.
• 유전체 크기가 클수록 더 높은 복제 정밀도가 진화적 안정성을 유지하기 위해 필요하다는 주장에 대한 근거를 제공한다.
• 시뮬레이션 결과, 다수의 치환과 역전이가 흔히 발생함을 확인하여 단순화된 모델에서도 복잡한 진화 역학이 존재함을 시사한다.