[논문 리뷰] Strong selective sweeps associated with ampliconic regions in great ape X chromosomes

Kiwoong Nam, Kasper Munch외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 24.

Chromosomal and Genetic Variations참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고대 영장류의 X 염색체에서 강한 자연선택적 스윕에 의해 유도된 염색체 크기의 영역에서 유전적 다양성이 극도로 감소한 것을 규명하였으며, 이는 암플리코닉 서열과 강하게 연관되어 있다. 이러한 스윕은 종 간에 독립적으로 발생하였고 배경 선택 또는 소프트 스윕과는 다름을 보이며, X와 Y 염색체 간의 내부 염색체 갈등이 X 염색체 진화의 주요 원동력임을 시사한다.

ABSTRACT

The unique inheritance pattern of X chromosomes makes them preferential targets of adaptive evolution. We here investigate natural selection on the X chromosome in all species of great apes. We find that diversity is more strongly reduced around genes on the X compared with autosomes, and that a higher proportion of substitutions results from positive selection. Strikingly, the X exhibits several megabase long regions where diversity is reduced more than five fold. These regions overlap significantly among species, and have a higher singleton proportion, population differentiation, and nonsynonymous to synonymous substitution ratio. We rule out background selection and soft selective sweeps as explanations for these observations, and conclude that several strong selective sweeps have occurred independently in similar regions in several species. Since these regions are strongly associated with ampliconic sequences we propose that intra-genomic conflict between the X and the Y chromosomes is a major driver of X chromosome evolution.

연구 동기 및 목표

• 고대 영장류의 X 염색체에서 그 유일한 유전적 유전 양식으로 인해 자연선택의 역할을 조사하기 위해.
• X 염색체 영역에서 유전적 다양성이 감소한 원인이 선택적 스윕, 배경 선택, 또는 소프트 스윕인지를 규명하기 위해.
• 저다양성 영역과 X 염색체의 암플리코닉 서열 간의 연관성을 검토하기 위해.
• 여러 고대 영장류 종에 걸쳐 이러한 영역의 진화적 의의를 평가하기 위해.
• X와 Y 염색체 간의 내유전자 갈등이 관찰된 선택 패턴을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 모든 고대 영장류 종을 대상으로 한 고대 영장류 게놈 다양성 프로젝트의 인구 게놈 데이터를 분석하였다.
• X 염색체의 다양성과 치환률을 자가염색체 영역과 비교하여 이질성을 규명하였다.
• 선택 징후를 탐지하기 위해 인구 분화도(FST), 싱글턴 빈도, dN/dS 비율을 사용하였다.
• 다양한 종 간의 저다양성 영역 겹침을 평가하여 공통된 진화적 역사를 추론하였다.
• 하드 스윕, 소프트 스윕, 배경 선택을 설명으로서의 차이를 식별하기 위해 통계 모델을 적용하였다.
• 저다양성 영역을 암플리코닉 서열에 매핑하여 기능적 및 구조적 연관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고대 영장류 종 전반에서 X 염색체에 유의미하게 감소된 유전적 다양성을 보이는 영역이 존재하는가?
• RQ2 관찰된 다양성 감소를 가장 잘 설명하는 진화적 힘은 무엇인가? (하드 스윕, 소프트 스윕, 또는 배경 선택)
• RQ3 X 염색체의 저다양성 영역이 암플리코닉 서열과 겹치는가?
• RQ4 다른 고대 영장류 계통에서 유사한 영역에 독립적으로 강한 선택적 스윕이 발생했는지에 대한 증거가 있는가?
• RQ5 X-Y 내유전자 갈등이 암플리코닉 X 염색체 영역에서 관찰된 선택적 스윕 패턴을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• X 염색체는 수백만 염기 길이의 여러 영역에서 유전적 다양성이 유의미하게 감소하였으며, 자가염색체보다 다섯 배 이상 감소하였다.
• 이 저다양성 영역는 싱글턴 비율이 높고, 인구 분화도(FST)가 증가하였으며, dN/dS 비율이 상승하여 강한 양적 선택을 나타낸다.
• 저다양성 영역는 고대 영장류 종 간에 유의미하게 겹치며, 독립적이지만 수렴적인 선택적 스윕을 시사한다.
• 배경 선택과 소프트 선택적 스윕은 관찰된 패턴의 설명으로서 배제되었다.
• 이 영역들은 구조적 변형과 반복 확장에 취약한 것으로 알려진 암플리코닉 서열과 강하게 연관되어 있다.
• 이러한 발견들은 X와 Y 염색체 간의 내유전자 갈등이 X 염색체에서 강력하고 반복적인 선택적 스윕을 이끄는 가설을 지지한다.