[論文レビュー] Impact of Epistasis on Evolutionary Adaptation

Bjørn Østman, Arend Hintze+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2009

Evolution and Genetic Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、K個の遺伝子が相互作用するN遺伝子座の適応度ランドスケープにおいて、無性の単倍体集団の適応進化にエピスタシスと多效性がどのように影響するかを調査する。エピスタシスはKに応じて増加し、高頻度の変異ではエピスタシス的置換が好まれ、中程度の粗さが適応度を最大化する。これは、適応度の潜在的向上と進化可能性のバランスを取るからである。

ABSTRACT

Evolutionary adaptation is often likened to climbing a hill or peak. While this process is simple for fitness landscapes where mutations are independent, the interaction between mutations (epistasis) as well as mutations at loci that affect more than one trait (pleiotropy) are crucial in complex and realistic fitness landscapes. We investigate the impact of epistasis and pleiotropy on adaptive evolution by studying the evolution of a population of asexual haploid organisms (haplotypes) in a model of N interacting loci, where each locus interacts with K other loci. We use a quantitative measure of the magnitude of epistatic interactions between substitutions, and find that it is an increasing function of K. When haplotypes adapt at high mutation rates, more epistatic pairs of substitutions are observed on the line of descent than expected. The highest fitness is attained in landscapes with an intermediate amount of ruggedness that balance the higher fitness potential of interacting genes with their concomitant decreased evolvability. Our findings imply that the synergism between loci that interact epistatically is crucial for evolving genetic modules with high fitness, while too much ruggedness stalls the adaptive process.

研究の動機と目的

• 遺伝子座間のエピスタシス的相互作用が、進化の経路と結果にどのように影響するかを理解すること。
• 多効性とエピスタシスが適応度ランドスケープをどのように形作り、進化可能性に与える影響を検討すること。
• 無性集団における適応的適応度を最大化する最適な適応度ランドスケープの粗さレベルを特定すること。
• エピスタシス的相互作用の大きさを定量的に評価し、相互作用に参加する遺伝子座数（K）に依存する関係を同定すること。

提案手法

• N個の遺伝子座を持ち、それぞれがK個の他の遺伝子座と相互作用する適応度ランドスケープ上で進化する無性単倍体生物の集団をモデル化する。
• 置換間のエピスタシス的相互作用の大きさを定量化する指標を用い、この指標はKに応じて増加する。
• 高頻度の変異下での適応進化をシミュレートし、系統上でのエピスタシス的ペアの頻度を追跡する。
• 適応度ランドスケープの粗さを変化させ、その最大到達可能適応度に与える影響を評価する。
• 観察されたエピスタシス的置換パターンをランダム分布の期待値と比較し、非ランダムな豊富度を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用に参加する遺伝子座数（K）がエピスタシス的相互作用の大きさに与える影響は何か？
• RQ2 高頻度の変異下では、ランダム期待値と比較してエピスタシス的置換が適応ウォークで豊富に観察されるか？
• RQ3 進化的適応を最大化する最適な適応度ランドスケープの粗さレベルは何か？
• RQ4 エピスタシスと多効性が、適応度の潜在的向上と進化可能性のバランスにどのように影響するか？

主な発見

• エピスタシス的相互作用の大きさは、各遺伝子座が相互作用する遺伝子座数Kの関数として増加する。
• 高頻度の変異下では、期待値を上回るエピスタシス的置換ペアが系統上に多く観察される。
• 中程度の粗さを持つランドスケープで最大の適応度が達成され、エピスタシス的協同効果が適応を促進するが、過度の粗さは適応を妨げる。
• 過度の粗さは進化可能性を低下させ、適応を阻害するため、適応度の潜在的向上と進化可能性の間にはトレードオフがある。