سازگاری مولکولی و تشخیص انتخاب

سازگاری مولکولی، تغییر تکاملی در توالی‌ها است که توسط انتخاب مثبت هدایت می‌شود، و طیفی از آزمون‌های آماری، نشانه‌های آن را در برابر زمینه خنثی تشخیص می‌دهند.

Definition

سازگاری مولکولی به تغییرات در توالی‌های اسید نوکلئیک یا پروتئین اشاره دارد که توسط انتخاب طبیعی مثبت مورد حمایت قرار می‌گیرند. تشخیص انتخاب شامل روش‌های آماری مورد استفاده برای شناسایی چنین تغییرات سازگاری و تمایز آن از تکامل خنثی و اثرات جمعیتی است.

Scope

این موضوع شامل چگونگی برجای گذاشتن نشانه‌های قابل تشخیص توسط انتخاب طبیعی در داده‌های مولکولی، مقایسه نرخ‌های جایگزینی غیرمترادف و مترادف، آزمون‌هایی که چندشکلی را با واگرایی مقایسه می‌کنند، اسکن‌هایی برای جاروب‌های انتخابی، و چالش‌های تمایز انتخاب از تاریخچه جمعیتی است.

Core questions

• چگونه انتخاب مثبت یک نشانه قابل تشخیص در داده‌های توالی برجای می‌گذارد؟
• نسبت جایگزینی‌های غیرمترادف به مترادف چه چیزی را در مورد انتخاب آشکار می‌کند؟
• چگونه آزمون‌هایی که چندشکلی و واگرایی را مقایسه می‌کنند، سازگاری را شناسایی می‌کنند؟
• چگونه می‌توان جاروب‌های انتخابی را تشخیص داد، و چگونه انتخاب از جمعیت‌شناسی جدا می‌شود؟

Key theories

آزمون‌های نسبت نرخ برای انتخاب

مقایسه نرخ جایگزینی‌های تغییردهنده اسید آمینه (غیرمترادف) با جایگزینی‌های خاموش (مترادف)، انتخاب خالص‌کننده را زمانی که نسبت پایین است و انتخاب مثبت را زمانی که از یک فراتر می‌رود، با استفاده از انتظارات خنثی به عنوان خط پایه، آشکار می‌کند.

آزمون‌های چندشکلی-واگرایی

چارچوب‌هایی که چندشکلی درون گونه‌ای را با واگرایی بین گونه‌ای در جایگاه‌های انتخابی در مقابل جایگاه‌های خنثی مقایسه می‌کنند، نسبت جایگزینی‌های ناشی از سازگاری را تخمین می‌زنند.

Mechanisms

تشخیص انتخاب بر اساس انحراف از انتظارات خنثی استوار است. نسبت dN/dS، نرخ‌های جایگزینی تغییردهنده اسید آمینه را با نرخ‌های جایگزینی مترادف مقایسه می‌کند: مقادیر زیر یک نشان‌دهنده انتخاب خالص‌کننده و مقادیر بالای یک نشان‌دهنده انتخاب مثبت مکرر است. آزمون‌های مبتنی بر طیف فراوانی جایگاه، انحراف به سمت واریانت‌های نادر را که توسط جاروب‌های اخیر باقی مانده‌اند، تشخیص می‌دهند. روش‌هایی که چندشکلی درون گونه‌ای را با واگرایی بین گونه‌ای مقایسه می‌کنند، جایگزینی‌ها را به کلاس‌های خنثی و سازگار تقسیم می‌کنند. از آنجا که رشد جمعیت، تنگناهای جمعیتی و ساختار جمعیت می‌توانند انتخاب را تقلید کنند، استنتاج قوی نیازمند کنترل تاریخچه جمعیتی است، که اغلب با مقایسه مناطق کاندید با زمینه‌های خنثی در سراسر ژنوم انجام می‌شود.

Clinical relevance

تشخیص سازگاری مولکولی، ژن‌های در حال تکامل سریع را در درگیری‌های میزبان-پاتوژن، جایگاه‌های سیستم ایمنی، و اهداف دارویی مشخص می‌کند و به شناسایی جایگاه‌های تحت انتخاب برای مقاومت یا فرار ایمنی که برای طراحی واکسن و درمان مرتبط هستند، کمک می‌کند.

History

به دنبال نظریه خنثی، روش‌های تشخیص انتخاب به سرعت توسعه یافتند: مدل‌های dN/dS مبتنی بر کدون و مقایسه چندشکلی با واگرایی در اواخر دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ ظاهر شدند. سپس توالی‌یابی در سراسر ژنوم، اسکن‌هایی برای جاروب‌های انتخابی و تخمین نرخ تکامل سازگار در سراسر ژنوم را امکان‌پذیر ساخت.

Debates

جداسازی انتخاب از جمعیت‌شناسی

از آنجا که رویدادهای جمعیتی و انتخاب می‌توانند نشانه‌های همپوشانی در داده‌های توالی ایجاد کنند، قابلیت اطمینان اسکن‌های انتخاب در سراسر ژنوم و تخمین‌های سازگاری همچنان یک نگرانی روش‌شناختی است.

Key figures

• Masatoshi Nei
• Ziheng Yang
• John McDonald
• Martin Kreitman

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

نسبت dN/dS بزرگتر از یک چه چیزی را نشان می‌دهد؟

این نشان می‌دهد که جایگزینی‌های تغییردهنده اسید آمینه سریع‌تر از جایگزینی‌های خاموش انباشته شده‌اند، که نشانه‌ای از انتخاب مثبت مکرر است که تغییر پروتئین را در آن ژن یا مجموعه جایگاه‌ها ترجیح می‌دهد.

چرا جمعیت‌شناسی برای تشخیص انتخاب مشکل‌ساز است؟

از آنجا که تغییرات اندازه جمعیت، تنگناهای جمعیتی و ساختار جمعیت می‌توانند الگوهای توالی را تولید کنند که شبیه الگوهای باقی‌مانده از انتخاب هستند، تحلیل‌ها باید تاریخچه جمعیتی را در نظر بگیرند تا از اشتباه گرفتن آن با سازگاری جلوگیری شود.