Balancing selection and trans-specific polymorphisms

Guo i współpracownicy porównali zmienność całego genomu dwóch gatunków, aby zidentyfikować TSP. Ze względu na dużą liczbę porównywanych genów, zastosowali oni serię rygorystycznych kroków filtrowania, aby zredukować liczbę fałszywych pozytywów. (Takie fałszywie pozytywne wyniki, w których TSP zostały wygenerowane przez inne procesy ewolucyjne, a nie przez selekcję równoważącą, wprowadziłyby nas w błąd co do zakresu i znaczenia selekcji równoważącej w ewolucji genomu). Aby uniknąć błędnej interpretacji zmienności wśród kopii genów (paralogów) jako polimorfizmu w pojedynczym locus, skupili się na 16 014 konserwatywnych, ortologicznych, jednokopijnych parach genów, które zawierały 1,1 i 0,45 miliona bi-allelicznych SNP odpowiednio u A. thaliana i C. rubella. Wśród tych polimorficznych miejsc, 8535 SNP wykazywało pary współdzielonych SNP (shSNP) pomiędzy gatunkami. Ponieważ dopasowania w regionach kodujących są bardziej wiarygodne niż te w sekwencjach niekodujących, autorzy zachowali tylko około jednej trzeciej wysokiej jakości shSNPs znalezionych w regionach kodujących, wpływających na 433 geny.

Te shSNPs mogą odzwierciedlać neutralne procesy ewolucyjne, takie jak niekompletne sortowanie linii polimorfizmów przodków lub powtarzające się mutacje zamiast równoważącej selekcji. Aby zrozumieć potencjał neutralnych czynników do utrzymania wspólnych polimorfizmów, Guo i współpracownicy wywnioskowali historię demograficzną A. thaliana i C. rubella przy użyciu symulacji koalescencyjnych. Historyczne redukcje liczebności populacji (wąskie gardła) zostały wykryte u obu gatunków po dywergencji od ich wspólnego przodka. Ponadto, analizy te wskazują, że między przodkami tych dwóch gatunków miał miejsce starożytny przepływ genów. Na podstawie neutralnej teorii koalescencji i oszacowanych parametrów demograficznych, prawdopodobieństwo niekompletnego sortowania linii (tzn. że dwa allele A. thaliana i C. rubella nie uległy koalescencji w okresie od specjacji) jest rzędu 10-9. Oznacza to, że < 1 shSNP zostałoby zachowane w wyrównanych regionach genomowych wyłącznie pod wpływem dryfu genetycznego. To szacunkowe prawdopodobieństwo nadal ma zastosowanie przy samozapłacie i strukturze populacji w obrębie gatunku, i jest mało prawdopodobne, aby wpływał na nie przepływ genów przodków. Dlatego istnienie shSNPs nie może być wyjaśnione tylko przez dryf genetyczny, a prawdopodobnie są one utrzymywane przez selekcję równoważącą.

Pod neutralnością, haplotypy niosące polimorfizm przodka mogą być rozbite w wyniku rekombinacji, a trudno jest zidentyfikować allele nierekombinujące dla gatunków, które zróżnicowały się dawno temu. Z kolei selekcja równoważąca może powstrzymać rekombinację wokół wybranych miejsc, a krótkie segmenty przodków, które są siedliskiem wielu powiązanych wariantów, mogą przetrwać do czasu, gdy wszystkie linie zejdą się do wspólnego przodka. W tym kontekście starożytne zrównoważone polimorfizmy mogą być skupione raczej według typu allelicznego niż według gatunku (ryc. 1a i b), co wskazuje na istnienie selekcji równoważącej. Na podstawie współczynnika rekombinacji 3,6 cM/Mb dla A. thaliana i C. rubella, Guo i współpracownicy szacują, że stare, neutralnie ewoluujące segmenty miałyby długość zaledwie kilku par zasad. Dlatego przeskanowali oni 100-bp okna przesuwne w poprzek 433 zidentyfikowanych genów kandydujących, aby znaleźć regiony sekwencji, które są skupione raczej według alleli niż gatunków (Rys. 1b). Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo fałszywych pozytywów, zastosowano szereg kroków filtrowania.

Pochodzenie i identyfikacja trans-swoistych polimorfizmów w locus pojedynczej kopii. a Czas biegnie z góry na dół, a zmienność w obrębie gatunku jest zamknięta czarnymi liniami. Przed rozpoczęciem specjacji dwa allele segregują się w obrębie gatunku przodka (linie fioletowe), a każda kopia daje początek parze alleli potomnych (dwa niebieskie lub dwa czerwone). W miarę postępu specjacji te allele potomne są dziedziczone w gatunkach potomnych i w końcu między osobnikami istnieje nowoczesny polimorfizm alleliczny. (Jak to jest typowe w analizach koalescencyjnych, pokazano tylko te linie, które są reprezentowane w naszej współczesnej próbce). b Filogeneza alleli ukazująca relacje współczesnych, zsekwencjonowanych alleli w jednym genie o pojedynczej kopii. W niebieskim kladzie, allele Arabidopsis thaliana są bliżej spokrewnione z niebieskimi allelami Capsella rubella niż z czerwonymi allelami A. thaliana z powodu polimorfizmu trans-swoistego. Rysunek zaadaptowany z Wu et al.

Guo i współpracownicy następnie zidentyfikowali haplotypy z pięciu genów jako kandydatów TSP pod długoterminową selekcją równoważącą. Te pięć genów jest pojedynczą kopią w obu gatunkach, a badania symulacyjne potwierdziły, że ten wzór byłby bardzo mało prawdopodobny w ramach ewolucji neutralnej, sugerując, że te pięć TSP są utrzymywane przez selekcję równoważącą. Selekcja równoważąca była również wspierana przez wysoką różnorodność nukleotydów i polimorfizm o pośredniej częstotliwości w tych regionach, jak oczekiwano dla starożytnych polimorfizmów zrównoważonych. Pięć genów kandydujących jest związanych z różnymi procesami biologicznymi i biochemicznymi, w tym odpowiedzią na stres biotyczny i abiotyczny.

Wreszcie, Guo i współpracownicy zbadali role tych pięciu genów kandydujących w adaptacji do zróżnicowanych siedlisk. Skupili się na A. thaliana ze względu na obszerne informacje na temat genetycznej, geograficznej i ekologicznej zmienności w tym gatunku. Aby uniknąć mieszania się z historyczną dywergencją genetyczną, wzięli pod uwagę cztery geny, które były niezależne od historii populacji i które korelowały z dywergencją ekologiczną, sugerując lokalną adaptację. Modelowanie nisz środowiskowych potwierdziło, że dwie grupy alleliczne czterech genów zajmowały znacząco różne nisze, a analizy ekspresji wykryły różne poziomy ekspresji pomiędzy grupami haplotypów w jednym z czterech genów. Łącznie, wyniki te wskazują, że geny podlegające selekcji równoważącej mogły przyczynić się do adaptacji u A. thaliana.