[论文解读] To Understand Nature - Computer Modelling between Genetics and Evolution

Dorota Mackiewicz, S. Cebrat|ArXiv.org|Jan 11, 2009

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文利用蒙特卡洛模拟对编码蛋白的序列演化进行建模，展示了遗传密码如何最小化核苷酸突变对氨基酸序列的影响。研究发现，进化成功的最佳突变压力约为每代每基因组1次突变，该压力在突变累积与基因组清除之间达到平衡，且随着基因组大小增加和种群规模扩大，进化成本降低。

ABSTRACT

We have presented the basic knowledge on the structure of molecules coding the genetic information, mechanisms of transfer of this information from DNA to proteins and phenomena connected with replication of DNA. In particular, we have described the differences of mutational pressure connected with replication of the leading and lagging DNA strands. We have shown how the asymmetric replication of DNA affects the structure of genomes, positions of genes, their function and amino acid composition. Results of Monte Carlo simulations of evolution of protein coding sequences have shown a specific role of genetic code in minimizing the effect of nucleotide substitutions on the amino acid composition of proteins. The results of simulations were compared with the results of analyses of genomic and proteomic data bases. This chapter is considered as an introduction to further chapters where chromosomes with genes represented by nucleotide sequences were replaced by bitstrings with single bits representing genes.

研究动机与目标

• 理解DNA结构和不对称复制如何影响基因组组织、基因定位和氨基酸组成。
• 通过计算建模研究遗传密码在最小化核苷酸替换的表型影响方面的作用。
• 利用全基因组模拟，探讨突变的进化成本与基因组大小、突变压力和种群大小的关系。
• 研究在不同突变压力下有害突变对基因组存活和进化分歧的影响。
• 通过大规模、全基因组的计算机模拟，重新审视木村的中性理论，且不考虑重组。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟，研究在不同突变压力下蛋白质编码序列的演化。
• 模拟DNA复制过程，对前导链和滞后链施加不对称的突变压力，以反映生物学现实。
• 通过将演化后的序列与原始序列比对，追踪氨基酸序列的分歧，分歧程度以不同位置的比例衡量。
• 将进化成本定义为导致基因组清除的突变与被接受的氨基酸替换的比值。
• 改变基因组大小（从0.1至1.0倍B. burgdorferi基因组）和种群大小（2–10个基因组），以研究规模效应。
• 采用简化模型，即编码序列中发生一次有害突变即导致整个基因组被清除，以模拟关键基因的约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 不对称DNA复制在多大程度上影响基因组结构、基因定位和氨基酸组成？
• RQ2 在演化过程中，遗传密码在多大程度上最小化了核苷酸替换的表型影响？
• RQ3 何种突变压力可使进化分歧最大化，同时最小化基因组丢失？
• RQ4 基因组大小和种群大小如何影响进化成本及自然选择的效率？
• RQ5 全基因组模拟能否挑战或改进分子进化中性理论的预测？

主要发现

• 进化的最佳突变压力约为每代每基因组1次突变，此时进化成本（清除突变与被接受突变的比值）最小。
• 当基因组大小从0.1倍增至1.0倍B. burgdorferi基因组时，进化成本降低约一半，表明基因组大小与突变耐受性之间存在权衡。
• 被接受的氨基酸替换数量在突变压力达到每代每基因组1次之前近似线性增长，之后因基因组清除增加而显著减缓。
• 即使突变压力保持恒定，随着种群规模增大（2–10个基因组），进化成本仍下降，这与木村中性理论的某些预测相矛盾。
• 结果支持更高基因组大小需要更高的复制保真度以维持进化稳定性的观点。
• 模拟显示，多个替换和回复突变普遍存在，表明即使在简化模型中，进化动力学也极为复杂。