[論文レビュー] Epistasis and Shapes of Fitness Landscapes

Niko Beerenwinkel, Lior Pachter+1 more|ArXiv.org|Mar 29, 2006

Sports Analytics and Performance参考文献 28被引用数 55

ひとこと要約

本稿では、アレル頻度ベクトルの凸包としてのジェノタイプ（genotope）を用いた幾何学的枠組みを導入し、三角形分割を通じて適合度ランドスケープの形状を分類することで、2次以上の上位相互作用を含むすべての遺伝子相互作用を明らかにする。HIVおよびドーリスフィラのデータに適用した結果、パrametricな適合度モデルを仮定せず、従来検出されなかったエピスタシス相互作用を同定した。

ABSTRACT

The relationship between the shape of a fitness landscape and the underlying gene interactions, or epistasis, has been extensively studied in the two-locus case. Gene interactions among multiple loci are usually reduced to two-way interactions. We present a geometric theory of shapes of fitness landscapes for multiple loci. A central concept is the genotope, which is the convex hull of all possible allele frequencies in populations. Triangulations of the genotope correspond to different shapes of fitness landscapes and reveal all the gene interactions. The theory is applied to fitness data from HIV and Drosophila melanogaster. In both cases, our findings refine earlier analyses and reveal previously undetected gene interactions.

研究の動機と目的

• 2次相互作用を超える、すべての可能な遺伝子相互作用を捉えることができる、適合度ランドスケープ形状の幾何学的理論の構築を目的とする。
• 多遺伝子適合度ランドスケープの組み合わせ的構造を十分に反映しない、従来のANOVAベースのエピスタシス解析の限界を克服することを目的とする。
• ジェノタイプとその正則三角形分割を用いて、多遺伝子系における可能な適合度ランドスケープ形状の全セットを特徴化することを目的とする。
• HIVおよびドーリスフィラ・メラノガステル（Drosophila melanogaster）の実際の生物学的適合度データにこの手法を適用し、隠れたエピスタシス相互作用を同定することを目的とする。
• 適合度ランドスケープ構造を実験的データからモデルフリーに推論可能とし、適合度の関数形に関する仮定を避けること。

提案手法

• 集団内のすべての可能なアレル頻度ベクトルの凸包としてジェノタイプ（genotope）を定義し、遺伝子型空間を幾何的ポリトープとして表現する。
• ジェノタイプの正則三角形分割を用いて適合度ランドスケープの形状を符号化し、各単体が最大適合度集団で共存する遺伝子型の集合に対応する。
• 二次多面体構成法を用いて、ジェノタイプの三角形分割と適合度相互作用の組み合わせ的構造を関連付ける。
• 三角形分割のGKZベクトルを用いて、与えられた遺伝子型が最大適合度集団に現れる確率を、アレル頻度分布から導出する。
• 三角形分割における最小非面および非単体を特定し、最大適合度集団で共存できない遺伝子型の組み合わせを同定する。
• HIV（3遺伝子座、二アレル型）およびドーリスフィラ（5遺伝子座、二アレル型）の公開された適合度データに、測定誤差モデルと三角形分割解析を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次エピスタシスを超えて、適合度ランドスケープの全組み合わせ的構造をどのように捉えることができるか？
• RQ2 多遺伝子系におけるすべての可能な遺伝子相互作用を符号化する幾何的対象は何か？
• RQ3 パラメトリックモデルを仮定せず、実験的データからどのように適合度ランドスケープ形状を推定できるか？
• RQ4 どの遺伝子型の組み合わせが最大適合度集団で共存可能であり、どの組み合わせが不可能か？
• RQ5 ジェノタイプの三角形分割におけるタイトスパンおよび最小非面の生物学的意味は何か？

主な発見

• ドーリスフィラ・メラノガステルの5遺伝子座系の適合度ランドスケープは、5次元ジェノタイプを110個の単体に三角形分割したものであり、図7.7に示す。
• ドーリスフィラのジェノタイプの三角形分割には332個の最小非面があり、そのうち1つは非四面体である：{00100, 00010, 11000, 01011}。これは、これらの4つの遺伝子型が最大適合度集団で同時に共存できないことを示している。
• ドーリスフィラのデータにおいて、遺伝子型10110が最大適合度集団に現れる確率は69.2%であり、GKZベクトル（83/120）から導出された。
• ドーリスフィラのジェノタイプのタイトスパンは3次元で、fベクトルは(110, 214, 127, 22)であり、1次元のものが2つ含まれる。
• この手法により、HIVおよびドーリスフィラの両データセットで、従来の線形モデルに依存した解析では検出されなかったエピスタシス相互作用が同定された。
• ヒト集団のジェノタイプは、リガント・ディスクアリオリティ（linkage disequilibrium）のため、SNP数が示す次元よりもはるかに低次元であると予想され、将来的なデータでヒトのジェノタイプ上での適合度ランドスケープの研究が可能になる。