[论文解读] Impact of Epistasis on Evolutionary Adaptation

Bjørn Østman, Arend Hintze+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2009

Evolution and Genetic Dynamics被引用 1

一句话总结

本研究探讨了在具有 K 个相互作用位点的 N 位点适应度景观中，上位性与多效性如何塑造无性二倍体种群的适应性进化。研究发现，上位性随 K 增加而增强，在高突变率下，适应性行走更倾向于选择具有上位性的替换；中等崎岖度的适应度景观通过平衡适应潜力与可进化性，使适应度达到最大值。

ABSTRACT

Evolutionary adaptation is often likened to climbing a hill or peak. While this process is simple for fitness landscapes where mutations are independent, the interaction between mutations (epistasis) as well as mutations at loci that affect more than one trait (pleiotropy) are crucial in complex and realistic fitness landscapes. We investigate the impact of epistasis and pleiotropy on adaptive evolution by studying the evolution of a population of asexual haploid organisms (haplotypes) in a model of N interacting loci, where each locus interacts with K other loci. We use a quantitative measure of the magnitude of epistatic interactions between substitutions, and find that it is an increasing function of K. When haplotypes adapt at high mutation rates, more epistatic pairs of substitutions are observed on the line of descent than expected. The highest fitness is attained in landscapes with an intermediate amount of ruggedness that balance the higher fitness potential of interacting genes with their concomitant decreased evolvability. Our findings imply that the synergism between loci that interact epistatically is crucial for evolving genetic modules with high fitness, while too much ruggedness stalls the adaptive process.

研究动机与目标

• 理解位点之间的上位性相互作用如何影响进化适应的轨迹与结果。
• 检验多效性与上位性在塑造适应度景观及其对可进化性影响方面的作用。
• 确定能最大化无性种群适应性适应度的适应度景观崎岖度的最优水平。
• 量化上位性相互作用的大小及其对相互作用位点数量（K）的依赖性。

提出的方法

• 建模无性二倍体生物种群在具有 N 个位点的适应度景观上的进化，每个位点与其他 K 个位点相互作用。
• 使用一种衡量替换之间上位性相互作用强度的定量指标，该指标随 K 增加而增加。
• 在高突变率下模拟适应性进化，以追踪谱系中上位性配对的频率。
• 分析具有不同崎岖度的适应度景观，以评估其对可达到最大适应度的影响。
• 将观察到的上位性替换模式与预期的随机分布进行比较，以检测非随机富集。

实验结果

研究问题

• RQ1 相互作用位点的数量（K）如何影响上位性相互作用的强度？
• RQ2 在高突变率下，与随机预期相比，适应性行走中是否观察到更多的上位性替换？
• RQ3 何种程度的适应度景观崎岖度能最大化进化适应？
• RQ4 上位性与多效性如何共同影响适应潜力与可进化性之间的平衡？

主要发现

• 上位性相互作用的强度随 K（每个位点相互作用的位点数量）的增加而增加。
• 在高突变率下，谱系中观察到的上位性替换对数量多于随机预期。
• 在中等崎岖度的景观中，适应度达到最大值，此时上位性协同作用增强适应度，而不会阻碍适应进程。
• 过度崎岖的景观会降低可进化性并阻碍适应，表明适应潜力与进化可达性之间存在权衡。