[论文解读] Selection for Fitness vs. Selection for Robustness in RNA Secondary Structure Folding

Claus O. Wilke|ArXiv.org|Mar 9, 2001

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 29被引用 9

一句话总结

本文研究了突变率如何决定在RNA准种中适应度或鲁棒性主导进化成功。结果表明，在高突变率下，中性网络连接度更高（即鲁棒性更强）的准种能够超越复制速度更快但连接度较低的准种，证明自然选择作用于准种整体，而非单个序列。

ABSTRACT

We investigate the competition between two quasispecies residing on two disparate neutral networks. Under the assumption that the two neutral networks have different topologies and fitness levels, it is the mutation rate that determines which quasispecies will eventually be driven to extinction. For small mutation rates, we find that the quasispecies residing on the neutral network with the lower replication rate will disappear. For higher mutation rates, however, the faster replicating sequences may be outcompeted by the slower replicating ones in case the connection density on the second neutral network is sufficiently high. Our analytical results are in excellent agreement with flow-reactor simulations of replicating RNA sequences.

研究动机与目标

• 确定在何种条件下，自然选择更倾向于鲁棒性而非更高的内在复制速率，以在RNA准种中实现进化优势。
• 研究位于不同中性网络上的两个准种之间，基于不同复制速率和连接密度的竞争力竞争。
• 检验鲁棒性（以中性网络连接度衡量）是否能在进化动态中超越适应度优势。
• 将准种动力学的分析模型与RNA序列复制的流动反应器模拟进行验证。
• 澄清分子进化中的选择单位，主张准种而非单个基因型才是真正的选择单位。

提出的方法

• 建立一个双浓度模型，使用微分方程描述单个中性网络上的种群动力学，追踪网络内和网络外的序列。
• 引入有效复制保真度 $ Q = [1 - (1-q)(1- u)]^l \approx e^{-l(1-q)(1- u)} $，其中 $ \nu $ 为平均中性度（连接矩阵的最大特征值）。
• 通过耦合微分方程模拟两个准种之间的竞争，基于 $ wQ $（内在适应度与有效保真度的乘积）比较其增长率。
• 利用中性基因型连接矩阵的最大特征值来量化种群的中性度 $ \nu $，该值决定 $ Q $，从而决定准种的稳定性。
• 通过在不同突变率和网络拓扑结构下对RNA序列复制进行流动反应器模拟，验证分析结果。
• 通过比较竞争准种的整体增长率而非单个复制速率，分析单个有利突变体的固定概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，鲁棒性（高阶中性网络连接度）能超越更高的内在复制速率，主导RNA准种？
• RQ2 突变率如何影响复制更快的准种与更鲁棒的准种之间的主导地位？
• RQ3 一个内在适应度较低但有效保真度 $ Q $ 更高的准种，能否超越适应度更高但鲁棒性较低的准种？
• RQ4 在已建立的准种中，单个有利突变体的固定概率由什么决定？
• RQ5 在分子进化中，准种而非单个序列，是否才是真正的选择单位？

主要发现

• 在低突变率下，中性网络上具有更高内在复制速率的准种占主导地位，即使其连接度较低。
• 在高突变率下，一个内在适应度较低但连接密度更高（鲁棒性更强）的准种，能够超越复制更快的准种。
• 内在适应度与有效保真度的乘积 $ wQ $ 决定进化成功，而非仅依赖于适应度本身。
• 有效保真度 $ Q $ 由连接矩阵的最大特征值导出，控制保持在中性网络上的序列比例。
• 即使一个有利突变体的内在复制速率较低，只要其准种具有较高的有效保真度 $ Q $，仍可在种群中固定，尤其当优势准种的 $ Q $ 较低时更为显著。
• 基于微分方程的分析预测与流动反应器模拟结果高度一致，即使在小种群规模（$ N = 500 $）下也成立。