Молекулярная адаптация и обнаружение отбора

Молекулярная адаптация — это эволюционные изменения в последовательностях, обусловленные положительным отбором, а ряд статистических тестов выявляет её признаки на нейтральном фоне.

Definition

Молекулярная адаптация относится к изменениям в последовательностях нуклеиновых кислот или белков, благоприятствуемым положительным естественным отбором. Обнаружение отбора включает статистические методы, используемые для идентификации таких адаптивных изменений и для их отличия от нейтральной эволюции и демографических эффектов.

Scope

Эта тема охватывает то, как естественный отбор оставляет обнаруживаемые следы в молекулярных данных, сравнение скоростей несинонимичных и синонимичных замещений, тесты, сопоставляющие полиморфизм с дивергенцией, сканирование на предмет селективных свипов и проблемы отделения отбора от демографической истории.

Core questions

• Как положительный отбор оставляет обнаруживаемый след в данных последовательностей?
• Что соотношение несинонимичных и синонимичных замещений говорит об отборе?
• Как тесты, сопоставляющие полиморфизм и дивергенцию, идентифицируют адаптацию?
• Как можно обнаружить селективные свипы и как отделить отбор от демографии?

Key theories

Тесты отбора по соотношению скоростей

Сравнение скорости замещений, изменяющих аминокислоты (несинонимичных), с молчащими (синонимичными) замещениями выявляет очищающий отбор, когда соотношение низкое, и положительный отбор, когда оно превышает единицу, используя нейтральные ожидания в качестве базовой линии.

Тесты полиморфизм-дивергенция

Подходы, сопоставляющие внутривидовой полиморфизм с межвидовой дивергенцией в отобранных и нейтральных сайтах, оценивают долю замещений, обусловленных адаптацией.

Mechanisms

Обнаружение отбора основывается на отклонениях от нейтральных ожиданий. Соотношение dN/dS сравнивает скорости замещений, изменяющих аминокислоты, с синонимичными замещениями: значения ниже единицы указывают на очищающий отбор, а выше единицы — на рекуррентный положительный отбор. Тесты, основанные на спектре частот сайтов, обнаруживают сдвиг в сторону редких вариантов, оставленный недавними свипами. Методы, сопоставляющие полиморфизм внутри видов с дивергенцией между видами, разделяют замещения на нейтральные и адаптивные классы. Поскольку рост популяции, бутылочные горлышки и структура могут имитировать отбор, надёжный вывод требует контроля демографической истории, часто путём сравнения кандидатных регионов с нейтральным фоном всего генома.

Clinical relevance

Обнаружение молекулярной адаптации позволяет выявить быстро эволюционирующие гены в конфликтах хозяин-патоген, локусы иммунной системы и мишени для лекарств, помогая идентифицировать сайты, находящиеся под отбором на устойчивость или ускользание от иммунного ответа, что актуально для разработки вакцин и терапевтических средств.

History

После нейтральной теории методы обнаружения отбора быстро развивались: кодон-основанные модели dN/dS и сопоставление полиморфизма с дивергенцией появились в конце 1980-х и 1990-х годах. Затем полногеномное секвенирование позволило проводить сканирование на предмет селективных свипов и оценивать общегеномную скорость адаптивной эволюции.

Debates

Отделение отбора от демографии

Поскольку демографические события и отбор могут создавать перекрывающиеся признаки в данных последовательностей, надёжность полногеномных сканирований на предмет отбора и оценок адаптации остаётся методологической проблемой.

Key figures

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

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

Что означает соотношение dN/dS больше единицы?

Это указывает на то, что замещения, изменяющие аминокислоты, накапливались быстрее, чем молчащие, что является признаком рекуррентного положительного отбора, благоприятствующего изменению белка в этом гене или наборе сайтов.

Почему демография является проблемой для обнаружения отбора?

Поскольку изменения размера популяции, бутылочные горлышки и структура могут создавать паттерны последовательностей, напоминающие те, что оставлены отбором, анализы должны учитывать демографическую историю, чтобы избежать ошибочного принятия её за адаптацию.