[论文解读] Selection strategies for randomly partitioned genetic replicators

Anton S. Zadorin, Yannick Rondelez|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2017

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 15被引用 1

一句话总结

本文为在宿主胞器中随机分配的遗传复制子推导出选择方程，表明尽管随机多重占据可能具有破坏性，但其对进化效率的影响出人意料地轻微。令人惊讶的是，在特定情况下，负面影响甚至完全消失，且更高的平均占据度反而能增强表型多样性探索。

ABSTRACT

The amplification cycle of many replicators (natural or artificial) involves the usage of a host compartment, inside of which the replicator express phenotypic compounds necessary to carry out its genetic replication. For example, viruses infect cells, where they express their own proteins and replicate. In this process, the host cell boundary limits the diffusion of the viral protein products, thereby ensuring that phenotypic compounds, such as proteins, promote the replication of the genes that encoded them. This role of maintaining spatial co-localization, also called genotype-phenotype linkage, is a critical function of compartments in natural selection. In most cases however, individual replicating elements do not distribute systematically among the hosts, but are randomly partitioned. Depending on the replicator-to-host ratio, more than one variant may thus occupy some compartments, blurring the genotype-phenotype linkage and affecting the effectiveness of natural selection. We derive selection equations for a variety of such random multiple occupancy situations, in particular considering the effect of replicator population polymorphism and internal replication dynamics. We conclude that the deleterious effect of random multiple occupancy on selection is relatively benign, and may even completely vanish is some specific cases. In addition, given that higher mean occupancy allows larger populations to be channeled through the selection process, and thus provide a better exploration of phenotypic diversity, we show that it may represent a valid strategy in both natural and technological cases.

研究动机与目标

• 建立随机多重占据对分隔复制子系统中基因型-表型关联影响的模型。
• 研究在随机分配下，复制子多态性及内部复制动力学如何影响选择效率。
• 评估随机共包封是否削弱自然选择，或可被利用为有益的进化策略。
• 推导适用于随机分配与复制动力学多种情形的选择方程。

提出的方法

• 使用泊松统计推导在随机分配下复制子的选择方程，以建模宿主占据度。
• 通过将总胞器活性映射到后代产生量的复制函数，建立基因型-表型关联。
• 对包含适应度景观中上位性相互作用及可变活性贡献的复制子种群进行建模，涵盖多态性。
• 使用具有稳定分布参数的NK-景观模型，模拟现实的适应度分布及非致死变体。
• 分析平均占据度与预算管理对进化收益的影响，包括理论上限。
• 采用数值模拟与解析近似方法，验证在不同条件下选择动力学的成立性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宿主胞器的随机多重占据在多大程度上影响遗传复制子中自然选择的效率？
• RQ2 在共占据胞器中复制子的多态性在多大程度上模糊了基因型-表型关联？
• RQ3 在特定复制动力学下，随机共包封的有害影响是否可被缓解甚至逆转？
• RQ4 尽管存在多重占据，更高的平均占据度是否能改善表型多样性探索的进化？
• RQ5 在随机分配下管理复制预算时，进化收益的理论上限是什么？

主要发现

• 随机多重占据对选择的有害影响相对轻微，不会普遍损害进化效率。
• 在特定参数范围内，由于复制动力学的平衡，多重占据对选择的负面影响可完全消失。
• 更高的平均占据度可使更大种群通过选择，从而增强表型多样性探索。
• 在预算管理下，理论上的最大进化收益存在上限，并随轮次增加而趋于饱和，其上限由初始频率推导得出。
• 使用具有稳定分布参数的NK-景观进行的模拟产生了1.7%的非致死变体，反映出具有大量低活性突变体的现实适应度景观。
• 后代产生量由复制函数形状和总胞器活性决定，而非个体贡献，导致弱表型可能被搭便车。