Balancing selection and trans-specific polymorphisms

Guo és munkatársai összehasonlították a két faj teljes genom variációját a TSP-k azonosítása érdekében. Az összehasonlított gének nagy száma miatt egy sor szigorú szűrési lépést alkalmaztak a hamis pozitív eredmények csökkentése érdekében. (Az ilyen hamis pozitív eredmények, amelyekben a TSP-ket nem a kiegyensúlyozó szelekció, hanem más evolúciós folyamatok hozták létre, félrevezetnék a kiegyensúlyozó szelekció mértékének és fontosságának megértését a genom evolúciójában). Annak elkerülése érdekében, hogy a génmásolatok (paralógok) közötti eltéréseket tévesen egyetlen lókuszon lévő polimorfizmusokként értelmezzék, 16 014 konzervált, ortológ, egyetlen másolatot tartalmazó génpárra összpontosítottak, amelyek 1,1, illetve 0,45 millió kétpárhuzamos SNP-t tartalmaztak A. thaliana-ban és C. rubellában. E polimorf helyek közül 8535 SNP-nél mutattak ki fajok között megosztott SNP-párokat (shSNP). Mivel a kódoló régiókban az összehangolások megbízhatóbbak, mint a nem kódoló szekvenciákban, a szerzők a kódoló régiókban talált jó minőségű shSNP-knek csak mintegy egyharmadát tartották meg, ami 433 gént érintett.

Ezek a shSNP-k semleges evolúciós folyamatokat tükrözhetnek, például az ősi polimorfizmusok nem teljes vonalválogatását, vagy kiegyensúlyozó szelekció helyett visszatérő mutációt. Annak megértése érdekében, hogy a semleges tényezők milyen potenciális szerepet játszhatnak a közös polimorfizmusok fenntartásában, Guo és munkatársai koaleszcens szimulációk segítségével következtettek az A. thaliana és a C. rubella demográfiai történetére. A közös őstől való eltérést követően mindkét fajnál kimutatták a populáció méretének történelmi csökkenését (szűk keresztmetszetet). Ezen túlmenően ezek az elemzések arra utalnak, hogy a két faj ősei között ősi génáramlás zajlott. A semleges koaleszcenciaelmélet és a becsült demográfiai paraméterek alapján a nem teljes vonalválogatás valószínűsége (azaz, hogy két A. thaliana és C. rubella allél nem olvadt össze a fajképződés óta eltelt időszakban) 10-9-es nagyságrendű. Ez azt jelenti, hogy < 1 shSNP maradna meg az összehangolt genomi régiókban pusztán genetikai sodródás hatására. Ez a becsült valószínűség még mindig érvényes a fajon belüli szelfizés és populációszerkezet mellett, és nem valószínű, hogy az ősi génáramlás befolyásolná. Ezért a shSNP-k létezése nem magyarázható pusztán genetikai sodródással, és valószínűleg kiegyensúlyozó szelekció tartja fenn őket.

Semlegesség esetén az ősi polimorfizmust hordozó haplotípusok a rekombináció eredményeként felbomolhatnak, és a régen szétvált fajok esetében nehéz azonosítani a nem rekombináns allélokat. Ezzel szemben a kiegyenlítő szelekció elnyomhatja a rekombinációt a kiválasztott helyek körül, és a rövid ősi szegmensek, amelyek több összekapcsolt változatot hordoznak, fennmaradhatnak, amíg az összes ősvonal össze nem olvad a közös ősükhöz. Ebben az összefüggésben az ősi kiegyensúlyozott polimorfizmusok inkább alléltípusok, mint fajok szerint csoportosulhatnak (1a. és b. ábra), ami a kiegyensúlyozó szelekcióra utal. Az A. thaliana és a C. rubella esetében 3,6 cM/Mb rekombinációs ráta alapján Guo és munkatársai úgy becsülik, hogy a régi, semlegesen fejlődő szegmensek csak néhány bázispár hosszúságúak lehetnek. Ezért 100 bp-os csúszóablakokat pásztáztak végig a 433 azonosított jelölt génen, hogy olyan szekvencia-régiókat találjanak, amelyek inkább allélok, mint fajok szerint csoportosulnak (1b. ábra). A hamis pozitív eredmények esélyének csökkentése érdekében számos szűrési lépést alkalmaztak.

A transzspecifikus polimorfizmusok eredete és azonosítása egy egykopiás lókuszon. a Az idő fentről lefelé halad, és a fajon belüli variációt a flankáló fekete vonalak zárják körül. A fajképződés kezdete előtt az ősfajon belül két allél szegregálódik (lila vonalak), és mindegyik másolat egy-egy leszármazott allélpárt hoz létre (két kék vagy két piros). A fajfejlődés előrehaladtával ezek az utódallélek öröklődnek a leányfajokban, és végül az egyedek között modern allél-polimorfizmus alakul ki. (A koaleszcencia-elemzésekre jellemző módon csak a modern mintánkban reprezentált vonalak vannak feltüntetve.) b Egy allél-filogenia, amely a modern, szekvenált allélok kapcsolatait mutatja egy egykopiás génnél. A kék kládban az Arabidopsis thaliana alléljai közelebbi rokonságban állnak a Capsella rubella kék alléljaival, mint az A. thaliana vörös alléljaival a transzspecifikus polimorfizmus miatt. Ábra adaptálva Wu et al.

Guo és munkatársai ezután öt génből származó haplotípusokat azonosítottak TSP-jelöltként a hosszú távú kiegyensúlyozó szelekció során. Ez az öt gén mindkét fajban egy példányban van jelen, és a szimulációs vizsgálatok megerősítették, hogy ez a mintázat semleges evolúció esetén nagyon valószínűtlen lenne, ami arra utal, hogy ezt az öt TSP-t kiegyensúlyozó szelekció tartja fenn. A kiegyensúlyozó szelekciót a nagy nukleotiddiverzitás és a középfrekvenciás polimorfizmus is alátámasztotta ezekben a régiókban, ahogy az ősi kiegyensúlyozott polimorfizmusok esetében várható. Az öt jelölt gén különböző biológiai és biokémiai folyamatokhoz kapcsolódik, beleértve a biotikus és abiotikus stresszre adott választ is.

Végezetül Guo és munkatársai megvizsgálták az öt jelölt gén szerepét az eltérő élőhelyekhez való alkalmazkodásban. Az A. thaliana fajra összpontosítottak, mivel e faj genetikai, földrajzi és ökológiai változatosságáról kiterjedt információ áll rendelkezésükre. A történelmi genetikai divergenciával való zavaró hatások elkerülése érdekében négy olyan gént vettek figyelembe, amelyek függetlenek voltak a populációtörténettől, és amelyek korreláltak az ökológiai divergenciával, ami helyi adaptációra utal. A környezeti fülke modellezése megerősítette, hogy a négy gén két allélcsoportja szignifikánsan eltérő fülkéket foglalt el, az expressziós elemzések pedig a négy gén egyikében a haplotípuscsoportok között eltérő expressziós szinteket mutattak ki. Ezek az eredmények együttesen azt jelzik, hogy a kiegyensúlyozó szelekció alatt álló gének hozzájárulhattak az A. thaliana adaptációjához.