[논문 리뷰] Selection strategies for randomly partitioned genetic replicators

Anton S. Zadorin, Yannick Rondelez|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 12.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 15인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 유전적 복제자를 랜덤하게 호스팅 셀에 분할한 경우의 선택 방정정식을 개발하며, 랜덤한 다중 점유가 비록 잠재적으로 혼란스럽지만 진화적 효율성에 놀랍게 미미한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 놀랍게도 특정 경우에선 부정적 영향이 완전히 사라지며, 평균 점유도가 높아질수록 표현형 다양성 탐색이 향상될 수도 있다.

ABSTRACT

The amplification cycle of many replicators (natural or artificial) involves the usage of a host compartment, inside of which the replicator express phenotypic compounds necessary to carry out its genetic replication. For example, viruses infect cells, where they express their own proteins and replicate. In this process, the host cell boundary limits the diffusion of the viral protein products, thereby ensuring that phenotypic compounds, such as proteins, promote the replication of the genes that encoded them. This role of maintaining spatial co-localization, also called genotype-phenotype linkage, is a critical function of compartments in natural selection. In most cases however, individual replicating elements do not distribute systematically among the hosts, but are randomly partitioned. Depending on the replicator-to-host ratio, more than one variant may thus occupy some compartments, blurring the genotype-phenotype linkage and affecting the effectiveness of natural selection. We derive selection equations for a variety of such random multiple occupancy situations, in particular considering the effect of replicator population polymorphism and internal replication dynamics. We conclude that the deleterious effect of random multiple occupancy on selection is relatively benign, and may even completely vanish is some specific cases. In addition, given that higher mean occupancy allows larger populations to be channeled through the selection process, and thus provide a better exploration of phenotypic diversity, we show that it may represent a valid strategy in both natural and technological cases.

연구 동기 및 목표

• 랜덤 분할된 환경에서 복제자 시스템의 유전자형-표현형 연결에 랜덤한 다중 점유가 미치는 영향을 모델링하기.
• 랜덤 분할 조건 하에서 복제자 다형성과 내부 복제 역학이 선택 효율성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기.
• 랜덤 공포입이 자연선택을 약화시키는지 아니면 유익한 진화 전략으로 활용될 수 있는지 평가하기.
• 다양한 랜덤 분할 및 복제 역학 상황에 적용 가능한 분석적 선택 방정식 유도하기.

제안 방법

• 호스팅 점유를 모델링하기 위해 포isson 통계를 사용해 랜덤 분할 조건 하에서 복제자를 위한 선택 방정식 유도하기.
• 총 셀 활동을 후손 생성으로 매핑하는 복제 기능을 통해 유전자형-표현형 연결 통합하기.
• 다형성을 포함한 복제자 집단 모델링하며, 상호작용이 있는 에피스태틱 상호작용과 변동하는 활동 기여도를 포함한 적합도 경관 모델링하기.
• 실제 적합도 분포와 비치명적 변이를 반영하기 위해 안정 분포 매개변수를 사용한 NK-경관 모델 사용하기.
• 평균 점유도와 예산 관리가 진화적 성과에 미치는 영향 분석하기, 이론적 상한선 포함하기.
• 수치 시뮬레이션과 분석적 근사치를 사용해 다양한 조건 하에서 선택 역학 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호스팅 셀의 랜덤한 다중 점유가 유전적 복제자에서 자연선택의 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 공점유된 셀 내 복제자 다형성이 유전자형-표현형 연결을 어느 정도 흐릿하게 하는가?
• RQ3 특정 복제 역학 조건 하에서 랜덤 공포입의 해로운 영향을 완화하거나 심지어 반전시킬 수 있는가?
• RQ4 다중 점유가 존재하더라도 높은 평균 점유도가 표현형 다양성 탐색의 진화적 탐색을 향상시키는가?
• RQ5 랜덤 분할 조건 하에서 복제 예산을 관리할 때 이론적 최대 진화적 성과는 무엇인가?

주요 결과

• 랜덤한 다중 점유가 선택에 미치는 해로운 영향은 비교적 온건하며, 진화적 효율성을 일반적으로 손상시키지 않는다.
• 특정 매개변수 영역에서는 균형 잡힌 복제 역학으로 인해 다중 점유가 선택에 미치는 부정적 영향이 완전히 사라질 수 있다.
• 높은 평균 점유도는 더 큰 인구 집단이 선택을 통해 통과하도록 가능하게 하여 표현형 다양성 탐색을 향상시킨다.
• 예산 관리 조건 하에서 이론적 최대 진화적 성과는 상한선이 존재하며, 반복 횟수가 증가함에 따라趋세에 도달함을 초기 빈도로부터 도출된 상한선으로 보여주었다.
• 안정 분포 매개변수를 사용한 NK-경관 모델을 사용한 시뮬레이션은 비치명적 변이의 1.7% 비율을 생성하였으며, 많은 저활성 돌연변이를 포함한 현실적인 적합도 경관을 반영하였다.
• 후손 생성은 개별 기여도보다는 총 셀 활동과 복제 기능의 형태에 의해 결정되며, 이는 약한 표현형의 히치하이킹 가능성을 초래할 수 있다.