Thích nghi phân tử và phát hiện chọn lọc

Thích nghi phân tử là sự thay đổi tiến hóa trong các trình tự được thúc đẩy bởi chọn lọc dương tính, và một loạt các phép thử thống kê phát hiện các dấu hiệu của nó so với nền trung tính.

Definition

Thích nghi phân tử đề cập đến những thay đổi trong trình tự axit nucleic hoặc protein được ưu tiên bởi chọn lọc tự nhiên dương tính. Phát hiện chọn lọc bao gồm các phương pháp thống kê được sử dụng để xác định sự thay đổi thích nghi như vậy và để phân biệt nó với tiến hóa trung tính và các hiệu ứng dân số.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách chọn lọc tự nhiên để lại các dấu vết có thể phát hiện được trong dữ liệu phân tử, sự so sánh giữa tốc độ thay thế không đồng nghĩa và đồng nghĩa, các phép thử đối chiếu tính đa hình với sự phân kỳ, các quét tìm chọn lọc quét sạch, và những thách thức trong việc phân biệt chọn lọc với lịch sử dân số.

Core questions

• Chọn lọc dương tính để lại dấu hiệu có thể phát hiện được trong dữ liệu trình tự như thế nào?
• Tỷ lệ thay thế không đồng nghĩa so với đồng nghĩa tiết lộ điều gì về chọn lọc?
• Các phép thử đối chiếu tính đa hình và sự phân kỳ xác định sự thích nghi như thế nào?
• Làm thế nào có thể phát hiện các quét chọn lọc, và làm thế nào để tách chọn lọc khỏi nhân khẩu học?

Key theories

Các phép thử tỷ lệ tốc độ của chọn lọc

So sánh tốc độ thay thế axit amin thay đổi (không đồng nghĩa) với thay thế im lặng (đồng nghĩa) cho thấy chọn lọc thanh lọc khi tỷ lệ thấp và chọn lọc dương tính khi nó vượt quá một, sử dụng các kỳ vọng trung tính làm đường cơ sở.

Các phép thử đa hình-phân kỳ

Các khuôn khổ đối chiếu tính đa hình trong loài với sự phân kỳ giữa các loài tại các vị trí được chọn lọc so với các vị trí trung tính ước tính tỷ lệ các thay thế được thúc đẩy bởi sự thích nghi.

Mechanisms

Phát hiện chọn lọc dựa trên sự sai lệch so với các kỳ vọng trung tính. Tỷ lệ dN/dS so sánh tốc độ thay thế axit amin thay đổi với tốc độ thay thế đồng nghĩa: các giá trị dưới một cho thấy chọn lọc thanh lọc và trên một cho thấy chọn lọc dương tính tái diễn. Các phép thử dựa trên phổ tần số vị trí phát hiện sự lệch về phía các biến thể hiếm do các quét sạch gần đây để lại. Các phương pháp đối chiếu tính đa hình trong loài với sự phân kỳ giữa các loài phân chia các thay thế thành các lớp trung tính và thích nghi. Bởi vì sự tăng trưởng dân số, tắc nghẽn và cấu trúc có thể bắt chước chọn lọc, suy luận mạnh mẽ đòi hỏi phải kiểm soát lịch sử dân số, thường bằng cách so sánh các vùng ứng cử viên với các nền trung tính trên toàn bộ bộ gen.

Clinical relevance

Phát hiện sự thích nghi phân tử chỉ ra các gen tiến hóa nhanh chóng trong các xung đột vật chủ-mầm bệnh, các locus hệ miễn dịch và các mục tiêu thuốc, giúp xác định các vị trí chịu chọn lọc để kháng thuốc hoặc thoát khỏi miễn dịch có liên quan đến thiết kế vắc-xin và liệu pháp.

History

Theo lý thuyết trung tính, các phương pháp phát hiện chọn lọc phát triển nhanh chóng: các mô hình dN/dS dựa trên codon và sự đối chiếu tính đa hình với sự phân kỳ xuất hiện vào cuối những năm 1980 và 1990. Giải trình tự toàn bộ bộ gen sau đó cho phép quét tìm chọn lọc quét sạch và ước tính tốc độ tiến hóa thích nghi trên toàn bộ bộ gen.

Debates

Tách chọn lọc khỏi nhân khẩu học

Bởi vì các sự kiện nhân khẩu học và chọn lọc có thể tạo ra các dấu hiệu chồng chéo trong dữ liệu trình tự, độ tin cậy của các quét chọn lọc trên toàn bộ bộ gen và các ước tính thích nghi vẫn là một mối quan tâm về phương pháp luận.

Key figures

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

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

Tỷ lệ dN/dS lớn hơn một cho thấy điều gì?

Nó cho thấy các thay thế axit amin thay đổi đã tích lũy nhanh hơn các thay thế im lặng, một dấu hiệu của chọn lọc dương tính tái diễn ủng hộ sự thay đổi protein tại gen đó hoặc tập hợp các vị trí đó.

Tại sao nhân khẩu học là một vấn đề đối với việc phát hiện chọn lọc?

Bởi vì những thay đổi về kích thước quần thể, tắc nghẽn và cấu trúc có thể tạo ra các mẫu trình tự giống với những mẫu do chọn lọc để lại, các phân tích phải tính đến lịch sử nhân khẩu học để tránh nhầm lẫn nó với sự thích nghi.