Selektiver Sweep - Selective sweep
In der Genetik ist ein selektiver Sweep der Prozess, durch den eine neue nützliche Mutation , die ihre Häufigkeit erhöht und in der Population fixiert wird (dh eine Häufigkeit von 1 erreicht), zur Verringerung oder Eliminierung genetischer Variation zwischen Nukleotidsequenzen , die sich in der Nähe der Mutation . In selective sweep, positive Selektion bewirkt , dass die neue Mutation zu erreichen Fixierung so schnell , dass verknüpfte Allele „trampen“ und auch fixiert werden.
Überblick
Ein selektiver Sweep kann auftreten, wenn ein seltenes oder zuvor nicht vorhandenes Allel , das die Fitness des Trägers (im Vergleich zu anderen Mitgliedern der Bevölkerung ) erhöht, aufgrund der natürlichen Selektion schnell an Häufigkeit zunimmt . Wenn die Prävalenz eines solchen nützlichen Allels zunimmt, werden auch genetische Varianten, die zufällig auf dem genomischen Hintergrund (der DNA-Nachbarschaft) des nützlichen Allels vorhanden sind, häufiger vorkommen. Dies wird als genetisches Trampen bezeichnet . Ein selektiver Sweep aufgrund eines stark selektierten Allels, das auf einem einzigen genomischen Hintergrund entstand, führt daher zu einer Region des Genoms mit einer starken Reduktion der genetischen Variation in dieser Chromosomenregion . Die Idee, dass eine starke positive Selektion die genetische Variation in der Nähe aufgrund von Trampen reduzieren könnte, wurde 1974 von John Maynard-Smith und John Haigh vorgeschlagen .
Nicht alle Sweeps reduzieren die genetische Variation auf die gleiche Weise. Sweeps können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:
- Es wird erwartet, dass der "klassische selektive Sweep" oder "harte selektive Sweep" auftritt, wenn nützliche Mutationen selten sind, aber sobald eine nützliche Mutation aufgetreten ist, nimmt ihre Häufigkeit schnell zu, wodurch die genetische Variation in der Population drastisch reduziert wird.
- Eine andere Art von Sweep, ein "sanfter Sweep von ständiger genetischer Variation", tritt auf, wenn eine zuvor neutrale Mutation, die in einer Population vorhanden war, aufgrund einer Umweltveränderung vorteilhaft wird. Eine solche Mutation kann auf mehreren genomischen Hintergründen vorhanden sein, so dass, wenn sie schnell an Häufigkeit zunimmt, sie nicht alle genetischen Variationen in der Population auslöscht.
- Schließlich tritt ein "Soft-Sweep mit mehreren Ursprüngen" auf, wenn Mutationen häufig sind (zum Beispiel in einer großen Population), so dass die gleichen oder ähnliche vorteilhafte Mutationen auf verschiedenen genomischen Hintergründen auftreten, so dass kein einzelner genomischer Hintergrund zu einer hohen Frequenz per Anhalter gelangen kann.
Sweeps treten nicht auf, wenn die Selektion gleichzeitig sehr kleine Verschiebungen der Allelfrequenzen an vielen Loci mit jeweils stehender Variation verursacht ( polygene Adaptation ).
Erkennung
Ob ein selektiver Sweep aufgetreten ist oder nicht, kann auf verschiedene Weise untersucht werden. Eine Methode besteht darin, das Kopplungsungleichgewicht zu messen , dh ob ein bestimmter Haplotyp in der Population überrepräsentiert ist. Unter neutraler Evolution führt die genetische Rekombination zu einer Neuordnung der verschiedenen Allele innerhalb eines Haplotyps, und kein einzelner Haplotyp wird die Population dominieren. Während eines selektiven Sweeps führt die Selektion auf eine positiv selektierte Genvariante jedoch auch zur Selektion benachbarter Allele und zu einer geringeren Rekombinationsmöglichkeit . Daher könnte das Vorhandensein eines starken Kopplungsungleichgewichts darauf hinweisen, dass kürzlich ein selektiver Sweep stattgefunden hat, und kann verwendet werden, um kürzlich selektierte Stellen zu identifizieren.
Es gab viele Scans für selektive Sweeps bei Menschen und anderen Spezies, wobei eine Vielzahl statistischer Ansätze und Annahmen verwendet wurden.
Bei Mais zeigt ein kürzlich durchgeführter Vergleich der Genotypen von gelbem und weißem Mais, die Y1 umgeben – das Phytoen-Synthetase-Gen, das für die gelbe Endospermfarbe verantwortlich ist, starke Hinweise auf einen selektiven Schwung im gelben Keimplasma, der die Diversität an diesem Locus und das Kopplungsungleichgewicht in den umliegenden Regionen reduziert. Weiße Maislinien wiesen eine erhöhte Diversität auf und es gab keine Hinweise auf ein Kopplungsungleichgewicht, das mit einem selektiven Sweep verbunden war.
Relevanz für Krankheiten
Da selektive Sweeps eine schnelle Anpassung ermöglichen, wurden sie als Schlüsselfaktor für die Fähigkeit pathogener Bakterien und Viren genannt, ihre Wirte anzugreifen und die Medikamente zu überleben, die wir zu ihrer Behandlung verwenden. In solchen Systemen wird die Konkurrenz zwischen Wirt und Parasit oft als evolutionäres „Wettrüsten“ charakterisiert. Je schneller ein Organismus seine Angriffs- oder Verteidigungsmethode ändern kann, desto besser. Dies wurde an anderer Stelle durch die Red-Queen-Hypothese beschrieben . Unnötig zu erwähnen, dass ein wirksameres Pathogen oder ein resistenterer Wirt einen Anpassungsvorteil gegenüber seinen Artgenossen haben und den Treibstoff für einen selektiven Sweep liefern.
Ein Beispiel dafür ist das humane Influenzavirus , das seit Hunderten von Jahren in einen Anpassungswettbewerb mit dem Menschen verwickelt ist. Während Antigendrift (die allmähliche Veränderung von Oberflächenantigenen) als traditionelles Modell für Veränderungen des viralen Genotyps angesehen wird, deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass auch selektive Sweeps eine wichtige Rolle spielen. In mehreren Grippepopulationen deutete die Zeit bis zum jüngsten gemeinsamen Vorfahren (TMRCA) von „Schwester“-Stämmen, ein Hinweis auf Verwandtschaft, darauf hin, dass sie sich alle innerhalb weniger Jahre aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt hatten. Perioden geringer genetischer Vielfalt, die vermutlich auf genetische Veränderungen zurückzuführen waren, wichen einer zunehmenden Vielfalt, da sich verschiedene Stämme an ihre eigenen Standorte anpassten.
Ein ähnlicher Fall kann bei Toxoplasma gondii gefunden werden , einem bemerkenswert potenten Protozoen-Parasiten, der warmblütige Tiere infizieren kann. Kürzlich wurde entdeckt, dass T. gondii nur in drei klonalen Linien in ganz Europa und Nordamerika existiert. Mit anderen Worten, es gibt nur drei genetisch unterschiedliche Stämme dieses Parasiten in der gesamten Alten Welt und einem Großteil der Neuen Welt. Diese drei Stämme zeichnen sich durch eine einzige monomorphe Version des Gens Chr1a aus, die ungefähr zur gleichen Zeit wie die drei modernen Klone auftauchte. Es scheint dann, dass ein neuartiger Genotyp entstanden ist, der diese Form von Chr1a enthält und die gesamte europäische und nordamerikanische Population von Toxoplasma gondii fegte und den Rest seines Genoms durch genetisches Trampen mit sich brachte . Auch die südamerikanischen Stämme von T. gondii, von denen es weit mehr als anderswo gibt, tragen dieses Allel von Chr1a.
Engagement in Landwirtschaft und Domestikation
Selten sind genetische Variabilität und ihre gegensätzlichen Kräfte, einschließlich der Anpassung, relevanter als bei der Erzeugung von einheimischen und landwirtschaftlichen Arten. Kulturpflanzen zum Beispiel werden seit mehr als zehntausend Jahren im Wesentlichen gentechnisch verändert, einem künstlichen Selektionsdruck ausgesetzt und gezwungen, sich schnell an neue Umgebungen anzupassen. Selektive Sweeps liefern eine Basislinie, aus der verschiedene Sorten hervorgegangen sein könnten.
Zum Beispiel deckte eine neuere Studie des Mais- Genotyps ( Zea mays ) Dutzende von alten selektiven Durchläufen auf, die moderne Sorten auf der Grundlage gemeinsamer genetischer Daten vereinen, die möglicherweise bis zum wilden Gegenstück des heimischen Maises, Teosinte, zurückreichen. Mit anderen Worten, obwohl die künstliche Selektion das Genom von Mais zu einer Reihe von deutlich angepassten Sorten geformt hat, liefern selektive Sweeps, die früh in der Entwicklung eingesetzt werden, eine vereinheitlichende Homoplasie der genetischen Sequenz. In gewisser Weise können die lange vergrabenen Sweeps den Vorfahrenzustand von Mais und Teosinte belegen, indem sie einen gemeinsamen genetischen Hintergrund zwischen den beiden aufklären.
Ein weiteres Beispiel für die Rolle des selektiven Sweeps bei der Domestikation ist das Huhn. Eine schwedische Forschungsgruppe hat kürzlich mit parallelen Sequenzierungstechniken acht kultivierte Hühnerarten und ihre nächsten wilden Vorfahren untersucht, mit dem Ziel, genetische Ähnlichkeiten durch selektive Sweeps aufzudecken. Es gelang ihnen, Beweise für mehrere selektive Sweeps zu finden, vor allem in dem Gen, das für den Thyreoidea-stimulierenden Hormonrezeptor ( TSHR ) verantwortlich ist, der die metabolischen und photoperiodischen Elemente der Fortpflanzung reguliert . Dies deutet darauf hin, dass irgendwann während der Domestikation des Huhns ein selektiver Schwung, wahrscheinlich durch menschliches Eingreifen, die Fortpflanzungsmaschinerie des Vogels subtil veränderte, vermutlich zum Vorteil seiner menschlichen Manipulatoren.
In Menschen
Beispiele für selektive Sweeps beim Menschen sind Varianten, die die Laktase-Persistenz und die Anpassung an große Höhen beeinflussen.