การปรับตัวระดับโมเลกุลและการตรวจจับการคัดเลือก

การปรับตัวระดับโมเลกุลคือการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการในลำดับที่ขับเคลื่อนโดยการคัดเลือกเชิงบวก และชุดของการทดสอบทางสถิติจะตรวจจับร่องรอยของการคัดเลือกนี้จากพื้นหลังที่เป็นกลาง

Definition

การปรับตัวระดับโมเลกุลหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในลำดับกรดนิวคลีอิกหรือโปรตีนที่ได้รับการสนับสนุนจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติเชิงบวก การตรวจจับการคัดเลือกประกอบด้วยวิธีการทางสถิติที่ใช้ในการระบุการเปลี่ยนแปลงที่ปรับตัวได้ดังกล่าว และเพื่อแยกแยะจากการวิวัฒนาการที่เป็นกลางและผลกระทบทางประชากร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่การคัดเลือกโดยธรรมชาติทิ้งร่องรอยที่ตรวจจับได้ในข้อมูลระดับโมเลกุล การเปรียบเทียบอัตราการแทนที่แบบไม่พ้องและแบบพ้อง การทดสอบที่เปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมกับการแยกสายพันธุ์ การสแกนหา selective sweeps และความท้าทายในการแยกแยะการคัดเลือกออกจากประวัติทางประชากร

Core questions

• การคัดเลือกเชิงบวกทิ้งร่องรอยที่ตรวจจับได้อย่างไรในข้อมูลลำดับ?
• อัตราส่วนของการแทนที่แบบไม่พ้องต่อแบบพ้องเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับการคัดเลือก?
• การทดสอบที่เปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมและการแยกสายพันธุ์ระบุการปรับตัวได้อย่างไร?
• จะตรวจจับ selective sweeps ได้อย่างไร และจะแยกการคัดเลือกออกจากประชากรได้อย่างไร?

Key theories

การทดสอบอัตราส่วนอัตราของการคัดเลือก

การเปรียบเทียบอัตราการแทนที่ที่เปลี่ยนกรดอะมิโน (ไม่พ้อง) กับการแทนที่แบบเงียบ (พ้อง) เผยให้เห็นการคัดเลือกแบบบริสุทธิ์เมื่ออัตราส่วนต่ำ และการคัดเลือกเชิงบวกเมื่ออัตราส่วนเกินหนึ่ง โดยใช้ความคาดหวังที่เป็นกลางเป็นพื้นฐาน

การทดสอบความหลากหลายทางพันธุกรรม-การแยกสายพันธุ์

กรอบการทำงานที่เปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมภายในสปีชีส์กับการแยกสายพันธุ์ระหว่างสปีชีส์ที่ตำแหน่งที่ถูกคัดเลือกเทียบกับตำแหน่งที่เป็นกลาง จะประมาณสัดส่วนของการแทนที่ที่ขับเคลื่อนโดยการปรับตัว

Mechanisms

การตรวจจับการคัดเลือกขึ้นอยู่กับการเบี่ยงเบนจากความคาดหวังที่เป็นกลาง อัตราส่วน dN/dS เปรียบเทียบอัตราการแทนที่ที่เปลี่ยนกรดอะมิโนกับอัตราการแทนที่แบบพ้อง: ค่าที่ต่ำกว่าหนึ่งบ่งชี้ถึงการคัดเลือกแบบบริสุทธิ์ และค่าที่สูงกว่าหนึ่งบ่งชี้ถึงการคัดเลือกเชิงบวกที่เกิดขึ้นซ้ำๆ การทดสอบที่อิงตามสเปกตรัมความถี่ของตำแหน่งจะตรวจจับความเบ้ไปทางตัวแปรที่หายากที่เหลืออยู่จากการกวาดล้างล่าสุด วิธีการที่เปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมภายในสปีชีส์กับการแยกสายพันธุ์ระหว่างสปีชีส์จะแบ่งการแทนที่ออกเป็นประเภทที่เป็นกลางและประเภทที่ปรับตัวได้ เนื่องจากการเติบโตของประชากร คอขวด และโครงสร้างสามารถเลียนแบบการคัดเลือกได้ การอนุมานที่แข็งแกร่งจึงต้องควบคุมประวัติทางประชากร ซึ่งมักจะทำโดยการเปรียบเทียบภูมิภาคที่น่าสงสัยกับพื้นหลังที่เป็นกลางทั่วทั้งจีโนม

Clinical relevance

การตรวจจับการปรับตัวระดับโมเลกุลช่วยระบุยีนที่วิวัฒนาการอย่างรวดเร็วในการต่อสู้ระหว่างโฮสต์กับเชื้อโรค ตำแหน่งของระบบภูมิคุ้มกัน และเป้าหมายของยา ซึ่งช่วยในการระบุตำแหน่งภายใต้การคัดเลือกเพื่อความต้านทานหรือการหลบหนีภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบวัคซีนและการรักษา

History

หลังทฤษฎีที่เป็นกลาง วิธีการตรวจจับการคัดเลือกได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว: แบบจำลอง dN/dS ที่อิงตามโคดอนและการเปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมกับการแยกสายพันธุ์ปรากฏขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และ 1990 จากนั้นการจัดลำดับจีโนมทั้งหมดทำให้สามารถสแกนหา selective sweeps และประมาณอัตราการวิวัฒนาการแบบปรับตัวได้ทั่วทั้งจีโนม

Debates

การแยกการคัดเลือกออกจากประชากร

เนื่องจากเหตุการณ์ทางประชากรและการคัดเลือกสามารถสร้างร่องรอยที่ทับซ้อนกันในข้อมูลลำดับ ความน่าเชื่อถือของการสแกนการคัดเลือกทั่วทั้งจีโนมและการประมาณค่าการปรับตัวยังคงเป็นข้อกังวลทางระเบียบวิธี

Key figures

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

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

อัตราส่วน dN/dS ที่มากกว่าหนึ่งบ่งชี้ถึงอะไร?

บ่งชี้ว่าการแทนที่ที่เปลี่ยนกรดอะมิโนมีการสะสมเร็วกว่าการแทนที่แบบเงียบ ซึ่งเป็นร่องรอยของการคัดเลือกเชิงบวกที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ซึ่งสนับสนุนการเปลี่ยนแปลงโปรตีนที่ยีนหรือชุดของตำแหน่งนั้น

ทำไมประชากรจึงเป็นปัญหาในการตรวจจับการคัดเลือก?

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดประชากร คอขวด และโครงสร้างสามารถสร้างรูปแบบลำดับที่คล้ายกับที่เหลืออยู่จากการคัดเลือก การวิเคราะห์จึงต้องคำนึงถึงประวัติทางประชากรเพื่อหลีกเลี่ยงการเข้าใจผิดว่าเป็นเพียงการปรับตัว