[논문 리뷰] Genome Sequencing Highlights Genes Under Selection and the Dynamic Early History of Dogs

Adam H. Freedman, Rena M. Schweizer외 28명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 31.

Genomics and Phylogenetic Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 늑대, 개, 황금도狼을 대상으로 한 고복도 전장 게놈 시퀀싱을 통해 개의 초기 도입 역사를 재구성한다. 개에서 심각한 인구 감소(17~49배 감소)가 발생했으며, 개와 늑대 간의 분리 후 유전자 유동이 있었고, 农耕 이전인 11,000~16,000년 전에 도입이 이루어졌음을 밝혀내며, 현대 늑대 계통 중 개와 가장 가까운 계통은 존재하지 않아, 복잡한 기원을 반영하며 과거의 가설 재고가 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

To identify genetic changes underlying dog domestication and reconstruct their early evolutionary history, we analyzed novel high-quality genome sequences of three gray wolves, one from each of three putative centers of dog domestication, two ancient dog lineages (Basenji and Dingo) and a golden jackal as an outgroup. We find dogs and wolves diverged through a dynamic process involving population bottlenecks in both lineages and post-divergence gene flow, which confounds previous inferences of dog origins. In dogs, the domestication bottleneck was severe involving a 17 to 49-fold reduction in population size, a much stronger bottleneck than estimated previously from less intensive sequencing efforts. A sharp bottleneck in wolves occurred soon after their divergence from dogs, implying that the pool of diversity from which dogs arose was far larger than represented by modern wolf populations. Conditional on mutation rate, we narrow the plausible range for the date of initial dog domestication to an interval from 11 to 16 thousand years ago. This period predates the rise of agriculture, implying that the earliest dogs arose alongside hunter-gathers rather than agriculturists. Regarding the geographic origin of dogs, we find that surprisingly, none of the extant wolf lineages from putative domestication centers are more closely related to dogs, and the sampled wolves instead form a sister monophyletic clade. This result, in combination with our finding of dog-wolf admixture during the process of domestication, suggests a re-evaluation of past hypotheses of dog origin is necessary. Finally, we also detect signatures of selection, including evidence for selection on genes implicated in morphology, metabolism, and neural development. Uniquely, we find support for selective sweeps at regulatory sites suggesting gene regulatory changes played a critical role in dog domestication.

연구 동기 및 목표

• 고복도 게놈 시퀀싱을 통해 개 도입의 유전적 변화를 규명하기 위해.
• 개와 늑대의 동적 초기 진화 역사를 인구 감소와 유전자 유동을 포함해 재구성하기 위해.
• 다양한 늑대 계통과 고대 개 샘플을 분석하여 개의 지리적 기원에 대한 모순되는 가설을 해결하기 위해.
• 형태, 대사 및 신경 발달과 관련된 유전자에서 도입 과정 중 양성 선택의 흔적을 탐지하기 위해.
• 비코딩 영역에서의 선택적 스위프트를 식별함으로써 도입 과정에서 조절 변화가 얼마나 기여했는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 도입 중심으로 추정되는 세 마리 회색 늑대, 두 개의 고대 개 계통(Basenji 및 Dingo), 그리고 외계군으로서의 황금도狼에 대한 고복도 전장 게놈 시퀀싱.
• 개와 늑대 계통 간의 진화적 관계와 분리 시기를 추론하기 위한 계통발생 분석.
• 효용 인구 크기 추정 및 개와 늑대에서의 감소를 탐지하기 위한 인구 유전 모델링.
• FST 및 iHS 통계를 사용한 선택적 스위프트 탐지로 개에서 양성 선택을 받은 영역 식별.
• D-통계 및 Dsuite 분석을 통한 개와 늑대 계통 간의 유전자 유동 추론.
• 돌연변이율 캘리브레이션을 이용한 조건부 도입 시기 추정으로 개-늑대 분리 시점의 시간 창을 좁히기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개와 늑대는 언제 분리되었으며, 이는 农耕의 출현 이전이었는가?
• RQ2 현대의 어떤 늑대 집단이 고대 개 계통과 가장 가까이 관련되어 있으며, 이는 도입의 진정한 지리적 기원을 반영하는가?
• RQ3 개와 늑대의 인구 역사, 특히 인구 감소와 유전자 유동 측면에서의 역사적 흐름은 어떠한가?
• RQ4 형태, 대사 및 신경 발달과 관련된 유전자 또는 조절 영역에서 도입 과정 중 양성 선택의 흔적이 나타나는가?
• RQ5 형질 변화에 기여한 조절 변화의 정도는 얼마나 크며, coding 돌연변이보다 더 중요한가?

주요 결과

• 개는 심각한 인구 감소를 겪었으며, 효용 인구 크기가 17~49배 감소하여 이전에 추정된 것보다 훨씬 강한 감소를 보였다.
• 개와 분리된 직후 늑대에서도 급격한 감소가 발생했으며, 이는 고대 개의 기원이 현대 늑대가 나타내는 것보다 더 다양성 있는 늑대 계통에서 유래했음을 시사한다.
• 초기 개 도입 시점은 11,000~16,000년 전로 좁혀졌으며, 이는 농경 사회의 출현 이전이므로 초기 도입 과정이 사냥-수렵 사회에 기인했음을 암시한다.
• 도입 중심으로 추정되는 현대 늑대 계통 중 어느 것도 다른 늑대 집단보다 개와 더 가까이 관련되어 있지 않아, 이전의 지리적 기원 가설을 도전한다.
• 형태, 대사 및 신경 발달과 관련된 유전자에서 선택의 흔적이 확인되었으며, 조절 영역에서 강력한 선택적 스위프트 증거가 있었다.
• 개와 늑대 간의 분리 후 유전자 유동이 확인되었으며, 이는 이전의 추론을 혼란스럽게 하며 복잡하고 역동적인 도입 과정을 시사한다.