[论文解读] Pervasive adaptation of gene expression in Drosophila

Armita Nourmohammad, Joachim Rambeau+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

CRISPR and Genetic Engineering参考文献 62被引用 4

一句话总结

本研究提出一种新颖的概率推理方法，用于检测七个果蝇物种中基因表达进化过程中的方向性选择，揭示了63%的表达分化由适应性进化驱动。该方法将选择推断与未知的遗传架构分离，表明调控基因、感觉相关基因及具有性别二态性的基因中普遍存在适应性进化，且在低表达量和广泛使用密码子的基因中适应性更强。

ABSTRACT

Gene expression levels are important molecular quantitative traits that link genotypes to molecular functions and fitness. In Drosophila, population-genetic studies in recent years have revealed substantial adaptive evolution at the genomic level. However, the evolutionary modes of gene expression have remained controversial. Here we present evidence that adaptation dominates the evolution of gene expression levels in flies. We show that 63% of the observed expression divergence across seven Drosophila species are adaptive changes driven by directional selection. Our results are derived from the variation of expression within species and the time-resolved divergence across a family of related species, using a new inference method for selection. We identify functional classes of adaptively regulated genes, as well as sex-specific adaptation occurring predominantly in males. Our analysis opens a new avenue to map system-wide selection on molecular quantitative traits independently of their genetic basis.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即在果蝇中，驱动基因表达分化的究竟是适应性进化还是宽松的稳定化选择？
• 开发一种对未知遗传架构（如表达QTL的数量和效应）具有鲁棒性的选择推断方法。
• 在不依赖潜在调控基因型的前提下，量化适应性对全基因组表达进化的贡献。
• 识别与基因表达适应性进化相关的功能类别及表达水平特征。
• 研究基因表达适应性的性别特异性模式，特别是雄性优势基因中的情况。

提出的方法

• 该方法使用分化-多样性比 $\Omega$，即相对于种内表达多样性，跨物种表达分化的归一化度量，以推断选择模式。
• 基于分子数量性状在稳定化选择与方向性选择下的理论模型，采用概率推理框架。
• 该方法通过物种间总体 $\Omega$ 比值估计适应性通量 $\Phi$ 和稳定化强度 $c$，而无需了解单个QTL的信息。
• 通过费雪-赖特模拟在多种适应性景观下（包括间断式和宽松选择情景）对方法进行验证。
• 通过模拟具有不同上位性方差 $\varepsilon^2$ 的非线性基因型-表型映射，检验对性状上位性的鲁棒性，结果表明推断无系统性偏差。
• 该分析整合了七种果蝇物种的时间分辨系统发育数据，以跨进化时间估算选择参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在果蝇物种间，有多少比例的基因表达分化是由方向性选择而非中性或稳定化进化驱动的？
• RQ2 基因表达适应性进化的强度在不同功能基因类别中如何变化？
• RQ3 基因表达水平或密码子使用偏好是否与基因表达适应性进化的程度相关？
• RQ4 是否存在基因表达适应性的性别特异性模式？若存在，适应性在哪个性别中更普遍？
• RQ5 未知遗传架构或性状上位性在多大程度上干扰了适应性进化的推断？

主要发现

• 在七个果蝇物种中观察到的63%的表达分化可归因于由方向性选择驱动的适应性进化。
• 适应性进化在参与调控、感觉感知、性行为和形态发生相关基因中最强，尤其在雄性优势基因中更为显著。
• 在广泛使用密码子且表达水平较低的基因中，适应性进化更为明显，提示表达水平与适应性潜力之间存在权衡。
• 该方法对性状上位性具有鲁棒性，因为适应性通量估计在广泛的上位性方差 $\varepsilon^2$ 范围内均保持无偏。
• 大量基因——主要为雄性优势基因——表现出性别特异性适应，表明雄性中存在不同的进化压力。
• 该方法在无需事先了解潜在QTL及其效应的情况下，成功区分了方向性选择与中性或稳定化进化。