[논문 리뷰] Pervasive adaptation of gene expression in Drosophila

Armita Nourmohammad, Joachim Rambeau외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 23.

CRISPR and Genetic Engineering참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 7개의 Drosophila 종에서 유전자 발현 진화의 방향성 선택을 탐지하기 위한 새로운 확률적 추론 방법을 제안하며, 발현 다형성의 63%가 적응적 진화에 의해 유도됨을 밝혀낸다. 이 방법은 알려지지 않은 유전적 구조와의 분리를 가능하게 하여, 조절 유전자, 감각 유전자, 성적으로 다른 유전자에서 광범위한 적응을 보여주며, 낮은 발현 수준과 넓은 코돈 사용도를 가진 유전자에서 더 강한 적응이 관찰된다.

ABSTRACT

Gene expression levels are important molecular quantitative traits that link genotypes to molecular functions and fitness. In Drosophila, population-genetic studies in recent years have revealed substantial adaptive evolution at the genomic level. However, the evolutionary modes of gene expression have remained controversial. Here we present evidence that adaptation dominates the evolution of gene expression levels in flies. We show that 63% of the observed expression divergence across seven Drosophila species are adaptive changes driven by directional selection. Our results are derived from the variation of expression within species and the time-resolved divergence across a family of related species, using a new inference method for selection. We identify functional classes of adaptively regulated genes, as well as sex-specific adaptation occurring predominantly in males. Our analysis opens a new avenue to map system-wide selection on molecular quantitative traits independently of their genetic basis.

연구 동기 및 목표

• Drosophila에서 유전자 발현 다형성이 적응적 진화인지, 혹은 느슨한 안정화 선택인지에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 유전자 발현 QTL의 수와 효과 등 알려지지 않은 유전적 구조에 대해 강건한 선택 추론 방법을 개발하기 위해.
• 기저 조절 유전형에 종속되지 않는 방식으로, 전체 게놈 수준에서 적응이 발현 진화에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• 유전자 발현의 적응적 진화와 관련이 있는 기능적 유전자 집합과 발현 수준 특성들을 규명하기 위해.
• 특히 남성 우세 유전자에서 나타나는 발현 적응의 성별 특이적 패턴을 조사하기 위해.

제안 방법

• 선택 모드를 추론하기 위해, 종 간 발현 다형성에 대한 종 내 발현 다양성 대비 비율인 분산-다양도 비율 $\Omega$ 를 사용한다.
• 안정화 선택과 방향성 선택 하에서 분자적 양적 형질 진화 이론 모델에 기반한 확률적 추론 프레임워크를 적용한다.
• 개별 QTL에 대한 지식 없이도, 종 간 집합적 $\Omega$ 비율에서 적합도 유동 $\Phi$ 와 안정화 강도 $c$ 를 추정한다.
• 점진적 및 느슨한 선택 시나리오를 포함한 다양한 적합도 지형에서 피셔-프라이어 시뮬레이션을 통해 방법의 타당성을 검증한다.
• 비선형 유전자형-형질 지도에서 다양한 상호작용 분산 $\varepsilon^2$ 를 가진 시뮬레이션을 통해 형질 상호작용에 대한 강건성을 시험하였으며, 추론에 체계적인 편향이 없음을 확인하였다.
• 7개의 Drosophila 종에 걸친 시간 해상도가 있는 계통발생 데이터를 통합하여 진화적 시간 동안 선택 매개변수를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Drosophila 종 간 유전자 발현 다형성의 몇 퍼센트가 중립 또는 안정화 진화가 아닌 방향성 선택에 의해 유도되는가?
• RQ2 기능적 유전자 집합에 따라 유전자 발현의 적응적 진화 강도는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 유전자 발현 수준이나 코돈 사용 편향 수준이 유전자 발현의 적응적 진화 정도와 관련이 있는가?
• RQ4 유전자 발현의 적응에 성별 특이적 패턴이 존재하는가? 만약 존재한다면, 어느 성별에서 더 흔한가?
• RQ5 모르고 있는 유전적 구조나 형질 상호작용으로 인해 적응적 진화 추론이 얼마나 왜곡되는가?

주요 결과

• 7개의 Drosophila 종 간 관찰된 발현 다형성의 63%는 방향성 선택에 의해 유도된 적응적 진화에 기인한다.
• 조절, 감각 인지, 성적 행동, 체형과 관련된 유전자에서 적응적 진화가 가장 강하게 나타나며, 특히 남성 우세 유전자에서 두드러진다.
• 낮은 발현 수준과 넓은 코돈 사용도를 가진 유전자에서 적응이 더 두드러지며, 발현 수준과 적응 가능성 사이에 상충 관계가 있음을 시사한다.
• 형질 상호작용에 대한 강건성 덕분에, 적합도 유동 추정치는 다양한 상호작용 분산 $\varepsilon^2$ 범위에서 편향 없이 유지된다.
• 다수의 유전자—주로 남성 우세 유전자—에서 성별 특이적 적응이 관찰되어 남성에서 별개의 진화적 압력이 존재함을 시사한다.
• 이 방법은 기저 QTL의 정보나 그 효과에 대한 사전 지식 없이도, 방향성 선택을 중립 또는 안정화 진화와 명확히 구분할 수 있었다.