[论文解读] Soft selective sweeps are the primary mode of recent adaptation in Drosophila melanogaster

Nandita R. Garud, Philipp W. Messer+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Genetic diversity and population structure参考文献 45被引用 10

一句话总结

本研究提出了一种新的统计检验方法 H12，用于检测软性选择扫荡——即多个适应性单倍型同时频率上升的情况，而非硬性选择扫荡。利用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的全基因组数据，作者发现软性扫荡是近期适应的主要模式，基因组顶峰区域表现出多个高频单倍型的特征，且 H2/H1 统计量表明，在多种进化模型下，软性扫荡比硬性扫荡更能解释观测数据。

ABSTRACT

Rapid adaptation has been observed in numerous organisms in response to selective pressures, such as the application of pesticides and the presence of pathogens. When rapid adaptation is driven by rare alleles from the standing genetic variation or by a high population rate of de novo adaptive mutation, positive selection should commonly generate soft rather that hard selective sweeps. In a soft sweep, multiple adaptive haplotypes sweep through the population simultaneously, in contrast to hard sweeps in which only a single adaptive haplotype rises to high frequency. Current statistical methods were not designed to detect soft sweeps, and are therefore likely to miss these possibly numerous adaptive events. Here, we develop a statistical test (H12) based on haplotype homozygosity that is capable of detecting both hard and soft sweeps with similar power. We use H12 to identify multiple genomic regions that have undergone recent and strong adaptation in a population sample of fully sequenced Drosophila melanogaster strains from the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP). Visual inspection of the top 50 peaks revealed that multiple haplotypes are at high frequency, consistent with signatures of soft sweep. We developed a second statistic (H2/H1) that is sensitive to signatures common to soft sweeps but not hard sweeps, in order to determine whether sweeps detected by H12 can be more easily generated by hard versus soft sweeps. Surprisingly, we find that the H12 and H2/H1 values for all top 50 peaks are more easily generated by soft sweeps than hard sweeps under several evolutionary scenarios.

研究动机与目标

• 为解决现有方法在检测软性选择扫荡方面的局限性，这类现象在快速适应中很常见，但常被以硬性扫荡为中心的传统检验方法所遗漏。
• 开发一种统计方法，能够以相近的敏感度检测硬性与软性扫荡。
• 利用高覆盖度群体基因组数据，探究软性扫荡是否是黑腹果蝇近期适应的主要模式。
• 比较软性与硬性扫荡模型在解释 DGRP 群体中观测到的基因组模式方面的合理性。

提出的方法

• 开发 H12 统计量，基于单倍型纯合度，用于检测单倍型多样性降低的区域，这些区域是近期正向选择的标志。
• 将 H12 应用于 DGRP 中 200 株黑腹果蝇的全基因组序列，以识别候选适应区域。
• 通过视觉检查 H12 前 50 个峰值，评估单倍型多样性与频率，寻找软性扫荡典型特征——即多个高频单倍型存在的证据。
• 引入 H2/H1 比率统计量，该统计量对软性扫荡的典型模式敏感，但对硬性扫荡不敏感，用于区分不同类型的扫荡。
• 在硬性与软性扫荡模型下模拟进化情景，比较两种模型在多大程度上能重现观测到的 H12 与 H2/H1 值。
• 通过在多种人口历史与选择情景下，将模拟的 H12 与 H2/H1 值与实际数据对比，评估软性扫荡与硬性扫荡的相对似然性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在黑腹果蝇的近期适应中，软性选择扫荡是否比硬性选择扫荡更常见？
• RQ2 现有统计方法能否有效检测软性扫荡，还是需要开发新方法？
• RQ3 DGRP 数据中 H12 的顶峰是否显示出多个高频适应性单倍型的证据，这与软性扫荡的预期一致？
• RQ4 在现实的进化模型下，观测到的 H12 顶峰数据更符合软性扫荡还是硬性扫荡？

主要发现

• 前 50 个 H12 峰位显示存在多个高频单倍型，为软性选择扫荡提供了强有力的视觉证据。
• H2/H1 统计量能有效区分软性扫荡特征与硬性扫荡模式，证实其对软性扫荡特征的高度敏感性。
• 在多种进化情景下，软性扫荡比硬性扫荡更可能生成观测到的 H12 与 H2/H1 值。
• 本研究结论认为，软性选择扫荡是黑腹果蝇近期适应的主要模式，挑战了硬性扫荡占主导的传统假设。