Distribution of Gene Tree Topologies with Duplication, Loss, and Coalescence
Dit artikel presenteert theoretische resultaten en waarschijnlijkheidsberekeningen voor het multispecies coalescent model met duplicatie en verlies (MSC-DL), waarbij wordt aangetoond dat de onbeperkte interactie van deze evolutionaire processen een groot aantal genboomtopologieën genereert en de significante implicaties voor de nauwkeurigheid van bestaande reconciliatie- en ortholoogidentificatiemethoden benadrukt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Om te begrijpen hoe het leven evolueert, kijken biologen vaak naar twee verschillende soorten stambomen. De ene is de soortboom, die de geschiedenis van volledige groepen dieren of planten in kaart brengt en laat zien wanneer één soort in tweeën splitste. De andere is de genboom, die de geschiedenis van een enkel stukje DNA binnen die organismen volgt. Meestal vertellen deze twee bomen hetzelfde verhaal, maar soms wijken ze van elkaar af. Deze discrepantie, bekend als discordantie, gebeurt omdat genen hun eigen complexe geschiedenissen hebben. Soms wordt een genkopie gedupliceerd, waardoor een extra versie ontstaat die zich apart ontwikkelt. Op andere tijden gaat een genkopie volledig verloren. Af en toe fuseren genlijnen niet op het verwachte moment, een proces dat incomplete lineage sorting wordt genoemd, wat de volgorde waarin ze op de boom verschijnen, door elkaar haalt. Decennialang hebben wetenschappers computerprogramma's gebruikt om deze verschillen te verzoenen, waarbij ze probeerden te achterhalen wanneer duplicaties en verliezen precies plaatsvonden door de genboom met de soortboom te vergelijken. Echter, de meeste van deze programma's vertrouwden op een vereenvoudigd beeld van hoe genen zich gedragen, waarbij ze de rommelige realiteit van hoe genkopieën samensmelten en zichzelf sorteren over de tijd, negeerden.
Een nieuwe studie door onderzoekers van Indiana University daagt de manier uit waarop we deze evolutionaire gebeurtenissen tellen en interpreteren. Het team onderzocht een completer model dat toestaat dat genduplicatie, genverlies en het samensmelten van genlijnen allemaal tegelijkertijd plaatsvinden, zonder kunstmatige beperkingen. Ze ontdekten dat wanneer je deze processen vrij laat interageren, het aantal mogelijke vormen van de genboom explodeert op een manier die standaardmethoden nooit hadden voorzien. In een eenvoudig scenario met slechts twee soorten en een enkele duplicatiegebeurtenis, voorspelden traditionele modellen slechts drie mogelijke uitkomsten voor de genboom. Het nieuwe model toonde aan dat er in werkelijkheid negen verschillende boomvormen mogelijk zijn. Wanneer de onderzoekers dit uitbreidden naar zes soorten, sprong het aantal mogelijke boomvormen naar meer dan 19 miljoen. Het toevoegen van zelfs maar één genverliesgebeurtenis aan de mix verdubbelde dat aantal bijna weer. Dit betekent dat de ruimte van mogelijke evolutionaire geschiedenissen veel groter is dan voorheen gedacht, en veel van de bomen die standaardsoftware als onmogelijk verwerpt, zijn onder het nieuwe model juist heel waarschijnlijk.
De onderzoekers telden niet alleen de bomen; ze berekenden ook hoe waarschijnlijk het is dat elke boom verschijnt. Ze ontdekten dat de timing van een duplicatiegebeurtenis ten opzichte van het moment waarop soorten uit elkaar splitsten, de vorm van de resulterende genboom drastisch verandert. Als een duplicatie lang voor of lang na de splitsing van een soort plaatsvindt, heeft de genboom de neiging om simpel en bekend te zijn. Maar als de duplicatie plaatsvindt rond het moment van speciatie, creëert het samensmelten van genlijnen een grote verscheidenheid aan complexe vormen. Deze bevinding heeft een directe impact op hoe wetenschappers de evolutionaire geschiedenis interpreteren. Omdat standaardmethoden deze complexiteit niet rekening houden, interpreteren ze vaak een enkele duplicatie en een beetje natuurlijke sortering onterecht als meerdere, aparte duplicatie- en verliesgebeurtenissen. Bijvoorbeeld: een genboom die het nieuwe model verklaart met één duplicatie en geen verliezen, kan door oudere methoden onjuist worden gereconstrueerd als zijnde met twee duplicaties en twee verliezen. Naarmate het aantal soorten in een studie toeneemt, worden deze fouten extremer, wat onderzoekers potentieel doet geloven dat een genoom een veel chaastischere verandering heeft ondergaan dan in werkelijkheid het geval is.
De studie keek ook naar de fysieke lengte van de takken op deze genbomen, wat de hoeveelheid tijd of genetische verandering vertegenwoordigt die is opgetreden. Ze vonden dat de verwachte lengte van deze takken verandert afhankelijk van hoe vaak duplicaties voorkomen. Als duplicaties frequent zijn, zijn de genbomen die overleven zonder enige duplicaties de neiging te hebben iets korter te zijn dan verwacht, omdat langere bomen meer tijd hebben om extra kopieën te accumuleren en te worden weggefilterd. De onderzoekers bevestigden deze theoretische voorspellingen door massale computersimulaties uit te voeren, waarbij ze lieten zien dat hun wiskundige formules bijna perfect overeenkwamen met de gesimuleerde data. Dit werk suggereert dat de instrumenten die momenteel worden gebruikt om orthologen te identificeren — genen in verschillende soorten die afstammen van een gemeenschappelijke voorouder zonder duplicatie — mogelijk delen van de boom verkeerd labelen. Als een programma een knooppunt veroorzaakt door een soortsplitsing niet kan onderscheiden van een knooppunt veroorzaakt door een genfusie, kan het onterecht aannemen dat een gen een directe ortholoog is wanneer dat niet zo is.
Uiteindelijk benadrukt dit onderzoek een kloof tussen de biologische realiteit van genevolutie en de vereenvoudigde instrumenten die worden gebruikt om het te bestuderen. De auteurs stellen dat het negeren van de interactie tussen duplicatie, verlies en het samensmelten van genlijnen leidt tot een vertekend beeld van de evolutionaire geschiedenis. Hoewel het nieuwe model een veel complexer landschap van mogelijkheden onthult, suggereert het ook dat het simpelweg kijken naar de vorm van een boom vaak niet genoeg is om precies te bepalen wat er is gebeurd. Vragen zoals of een duplicatie plaatsvond vóór of na een soortsplitsing, of of een gen verloren is gegaan, kunnen met zekerheid onmogelijk te beantwoorden zijn met alleen de vorm van de boom. De auteurs suggereren dat toekomstige methoden de lengte van de takken zullen moeten meenemen en meer geavanceerde statistische benaderingen zullen moeten gebruiken om door deze enorme ruimte van mogelijkheden te navigeren. Door de volledige complexiteit te erkennen van hoe genen dupliceren, sterven en samensmelten, kunnen wetenschappers beginnen met het bouwen van nauwkeurigere kaarten van het evolutionaire verleden, waarbij ze de valkuil vermijden om meer gebeurtenissen te zien dan er daadwerkelijk hebben plaatsgevonden.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.