[论文解读] Strong selective sweeps associated with ampliconic regions in great ape X chromosomes

Kiwoong Nam, Kasper Munch+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Chromosomal and Genetic Variations参考文献 31被引用 5

一句话总结

该研究在大猿类X染色体上识别出多个巨碱基对尺度的区域，这些区域因强烈的定向选择扫荡而出现极端的遗传多样性降低，且与重复序列密切相关。这些扫荡事件在不同物种间独立发生，不同于背景选择或软扫荡，表明X与Y染色体之间的染色体内冲突是驱动X染色体进化的重要因素。

ABSTRACT

The unique inheritance pattern of X chromosomes makes them preferential targets of adaptive evolution. We here investigate natural selection on the X chromosome in all species of great apes. We find that diversity is more strongly reduced around genes on the X compared with autosomes, and that a higher proportion of substitutions results from positive selection. Strikingly, the X exhibits several megabase long regions where diversity is reduced more than five fold. These regions overlap significantly among species, and have a higher singleton proportion, population differentiation, and nonsynonymous to synonymous substitution ratio. We rule out background selection and soft selective sweeps as explanations for these observations, and conclude that several strong selective sweeps have occurred independently in similar regions in several species. Since these regions are strongly associated with ampliconic sequences we propose that intra-genomic conflict between the X and the Y chromosomes is a major driver of X chromosome evolution.

研究动机与目标

• 研究自然选择在大猿类X染色体上的作用，因其独特的遗传方式。
• 确定X染色体区域遗传多样性降低的原因是否为选择扫荡、背景选择或软扫荡。
• 检查X染色体上低多样性区域与重复序列之间的关联。
• 评估这些区域在多个大猿类物种中的进化意义。
• 评估X与Y染色体之间的基因组内冲突是否可解释观察到的选择模式。

提出的方法

• 分析了大猿类基因组多样性计划在所有大猿类物种中的群体基因组数据。
• 将X染色体的多样性与替代率与常染色体区域进行比较，以识别偏离情况。
• 使用群体分化指数（FST）、单体型频率和dN/dS比率检测选择信号。
• 评估不同物种间低多样性区域的重叠情况，以推断共同的进化历史。
• 应用统计模型以区分硬扫荡、软扫荡和背景选择作为解释因素。
• 将低多样性区域映射到重复序列上，以检验其功能与结构关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大猿类物种中，X染色体是否存在显著降低遗传多样性的区域？
• RQ2 哪种进化力量——硬扫荡、软扫荡或背景选择——最能解释观察到的多样性降低？
• RQ3 X染色体上的低多样性区域是否与重复序列重叠？
• RQ4 是否存在独立发生的强烈选择扫荡，在不同大猿类谱系的相似区域中均被观察到？
• RQ5 X-Y基因组内冲突是否可解释重复X染色体区域中选择扫荡的模式？

主要发现

• X染色体在多个巨碱基对长度的区域表现出显著降低的遗传多样性，其多样性水平比常染色体降低五倍以上。
• 这些低多样性区域中单体型比例更高，群体分化指数（FST）增加，且dN/dS比率升高，表明存在强烈的正向选择。
• 低多样性区域在大猿类各物种间显著重叠，表明发生了独立但趋同的选择扫荡。
• 背景选择和软选择扫荡被排除为解释观察模式的原因。
• 这些区域与重复序列强烈相关，而重复序列已知易发生结构变异和重复扩增。
• 研究结果支持X与Y染色体之间基因组内冲突是驱动X染色体上强烈且反复发生的选择扫荡的关键因素。