[论文解读] On the role of epistasis in adaptation

David M. McCandlish, Jakub Otwinowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2014

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文在弱突变条件下研究了在上位性与非上位性适应度景观上的进化动态。结果表明，尽管上位性与非上位性景观的平均适应度轨迹无法区分，但上位性独特地促进了适应度方差和取代轨迹中的某些动态——这意味着可以通过这些群体水平的方差和取代模式推断出上位性。

ABSTRACT

The class of epistatic fitness landscapes is much more diverse than the class of non-epistatic landscapes, and so it stands to reason that there exist dynamical phenomena that can only be realized in the presence of epistasis. Here, we compare evolutionary dynamics on all finite epistatic landscapes versus all finite non-epistatic landscapes, under weak mutation. We first analyze the mean fitness trajectory - that is, the time course of the expected fitness of a population. We show that for any epistatic fitness landscape and starting genotype, there always exists a non-epistatic fitness landscape and starting genotype that produces the exact same mean fitness trajectory. Thus, surprisingly, the space of mean fitness trajectories that can be realized by epistatic landscapes is no more diverse than the space of mean fitness trajectories that can be realized by non-epistatic landscapes. On the other hand, we show that epistatic fitness landscapes can produce dynamics in the time-evolution of the variance in fitness across replicate populations and in the time-evolution of the expected number of substitutions that cannot be produced by any non-epistatic landscape. These results on identifiability have implications for efforts to infer epistasis from the types of data often measured in experimental populations.

研究动机与目标

• 在弱突变条件下，比较有限上位性与非上位性适应度景观上的进化动态。
• 确定上位性景观是否会产生在非上位性景观中无法实现的进化动态。
• 评估是否可从通常测量的群体水平数据（如平均适应度、适应度方差和取代计数）中识别上位性。
• 阐明上位性在生成进化轨迹中独特动力学现象中的作用。

提出的方法

• 本研究分析了在弱突变条件下所有有限的上位性与非上位性适应度景观。
• 计算平均适应度轨迹，即群体中期望适应度随时间的变化。
• 比较上位性与非上位性景观在重复群体中适应度方差的时间演化。
• 评估两类景观中预期取代数的时间演化。
• 使用数学分析确定方差或取代中的任何动力学行为是否仅能由上位性景观实现。
• 建立上位性与非上位性景观之间的同构关系，以证明平均适应度轨迹的等价性。

实验结果

研究问题

• RQ1 上位性适应度景观是否能产生任何非上位性景观都无法实现的平均适应度轨迹？
• RQ2 在重复群体中，是否存在仅在上位性景观中才会出现的适应度方差动力学行为？
• RQ3 上位性景观是否能唯一生成随时间演化的预期取代数？
• RQ4 在多大程度上可从群体水平数据（如平均适应度、方差和取代计数）中推断出上位性？
• RQ5 在平均适应度轨迹之外，上位性与非上位性景观的进化动态是否存在根本性差异？

主要发现

• 对于任意上位性适应度景观和起始基因型，均存在一个非上位性景观和起始基因型，可产生完全相同的平均适应度轨迹。
• 上位性景观可实现的平均适应度轨迹空间，其多样性并不超过非上位性景观可实现的范围。
• 上位性景观可产生在任何非上位性景观中无法复制的、群体间适应度方差随时间演化的独特动态。
• 上位性景观还可产生在非上位性景观中无法实现的、预期取代数随时间演化的独特动态。
• 这些发现表明，适应度方差和取代动态是上位性的关键特征，可被用于从实验数据中推断上位性相互作用。