进化的转移基因的连接和不可缺少:简单假设

背景

可转让的基因之间的相互作用的数量或其蛋白质产品和基因或基因产物本土微生物宿主被称为连接。这样的交互影响的趋势被保留的基因进化水平基因转移后(HGT)微生物种群。复杂性假说指出,较低的转移基因的蛋白质产物连接更有可能功能,有利于一个新的微生物宿主转移基因的蛋白质产物相比更高的连通性。较低的基因连接是因此更容易固定在任何微生物种群进入高度。最近提出的简单假设认为转移基因的连接可能会增加随着时间在任何单一的微生物种群由于gene-host共同进化,但微分的殖民的微生物种群高度依照不同的连接可能会采取行动对抗这甚至减少连接,组成一个进化的权衡。

结果

我们提出一个理论模型,可用于预测gene-host共同进化的条件可能会增加或减少转移基因的连接。我们表明,机会进入新的微生物种群的高度会导致连接转移基因进化向较低的值,特别是在一个环境不稳定对基因的功能的蛋白质产品。我们还表明,一个缺乏这样的机会在一个稳定的环境中会导致连接转移基因进化向更高的值。

结论

我们的理论模型表明,转移基因的连接可以随时间变化对高值对应于一个更固着状态较低的可转移性或较低的值对应于一个更多的流动状态,更高的可转让性,根据生态环境的基因存在。然而,我们注意到,更好的理解gene-host共同进化的动力自然微生物系统之前需要任何进一步的结论可以得出简单假设的真实性。

水平基因转移(HGT)发挥了重要作用的进化古生菌,细菌,甚至单细胞真核生物(6]。分散程度的基因被高度变化和部分取决于功能转移的材料(10,18,42]。实证研究表明,信息产品参与基因代码模块化的超分子复合物的形成不太可能被转移到新的血统相比操作基因进行更多的基本功能(20.,21]。这导致了“复杂性假说”的配方,在它最初的形式提出,一个信息基因不太可能固定HGT相比,后一个操作基因,因为任何新的微生物家族进入不太可能含有的蛋白质伙伴配置它需要适当的复杂地层(20.]。

可转让的基因之间的相互作用的数量或其蛋白质产品和宿主基因或基因产物被称为它的连接(10]。有人建议,这不仅是蛋白质相互作用形成复杂的但所有形式的交互影响可转移性或基因被成功转移的趋势和保留的进化10,28,42]。复杂性假设,更一般的解释,因此状态的蛋白质产品转移基因连接更可能较低的功能,有利于新宿主细胞蛋白质转移基因的产物相比较高的连接(1]。较低的转移基因连接是因此更容易被选择固定或漂移在任何新的微生物种群进入高度。

在最近的一篇论文。诺维克和杜利特尔(32)认为,转移基因的连接可能在任何单一的微生物种群随时间增加gene-host共同进化。同时,基因可能会变得不那么容易缺失的环境中并没有健身的优势,越来越不可缺少的当前微生物宿主的可行性。他们进一步提出,转移基因的连接可能降低随着时间的推移,或至少改变,计数器gene-host共同进化造成的连通性增加,如果有机会在天真的微生物种群(即。,那些没有暴露在可转让的基因)。这样,“简单假说”(同前)设想发展向更加“固着”状态下转移基因的多耐药基因损失也少可转让,或更多的“流动”的状态下基因不太耐药基因损失更可转让的,每个结果根据流行的生态环境。

在本文中,我们提出一个简单的模型用来测试简单的“理论真实性”假说。大多数模型的高度考虑过程发生在单一微生物种群和没有引用连接(例如,30.,33,40])。在这里我们新颖的方法基于三个假设。首先,我们假设共同进化过程可以改变连接和独立,转移基因的不可缺少宏观进化论。第二,我们想象一个集体的空间隔离的微生物种群,不一定所有的相同的应变或物种,其中一些主机转移基因和有些天真。第三,我们承认有两种状态的环境中,一个可转让的基因提供了一个健身优势微生物宿主(选择性状态)和一个不(中性)。使用模拟,我们探索的条件转移基因可能演变成为更无柄或流动的宏观进化论时间尺度。

模型概述

基因的新奇是否固定或取消在微生物种群取决于几个因素。这些包括细胞与新奇的选择系数相比,细胞没有有效的微生物种群的大小。新奇的情况是可转移的基因,也有天真的细胞获得其他细胞的基因在同一高度的人口。木村的扩散近似的变种22),占这些因素提出了(40]。我们仍然选择把这些因素的背景。我们关注过程,发生在metapopulation转移基因的水平。这些包括转移基因的新种群的形成通过高度和消除人口转移基因的基因损失而环境处于中立状态。同样,尽管一个细胞的机制可以获得外国遗传物质高度复杂和多样的(例如,转换、转导和接合,看到阿诺德et al。2全面审查),这些都不是考虑之间的差异的影响。

让T代表转移基因和P蛋白产品。的不可缺少T的定义是微生物宿主的可行性的程度取决于人口的存在T时,环境是处于中立状态。这是由\ ({y} _{我}\ \ {\ mathrm{0,1}, 2点\ \}\)房地产的微生物宿主人口对应依赖T主机的数量积累通过gene-host共同进化(见表1模型参数列表)。的连接T的定义是P (T)的程度需要当前提供的特定的细胞环境微生物主机功能,提供了一个健身优势宿主细胞选择性环境时的状态。这是由\ ({z} _{我}\ \ {\ mathrm{0,1}, 2点\ \}\),T的财产本身。

转移基因的拷贝驻留在任何给定的微生物宿主人口将被视为人口转移基因,可以接受出生和死亡的过程。出生时的副本T来自一个人口转移基因成功地进入并成为固定在一个天真的微生物种群。这个过程是影响连接的T (T)内在属性以及机会殖民天真的微生物种群水平高度(生态环境)的一个属性。死亡发生在T是删除从微生物宿主细胞和细胞的后代随后固定微生物种群。死于基因T的损失是不可缺少的影响当前微生物宿主(属性固有微生物主机)和环境的状态是否选择性或中性(生态环境)的一个属性。因此,T是假定的进化轨迹取决于gene-host共同进化和生态条件下宿主细胞存在。

我们做出以下额外的假设的过程和影响gene-host共同进化。首先,不可缺少\ ({y} _{我}\)的\({我}^ {th} \)微生物宿主人口和连通性我z \ ({} _ {} \)相应的人口转移基因被认为改变随着时间的推移,每个独立于其他通过gene-host共同进化。不可缺少的增加(T)被认为是伴随着减少的人口转移基因的概率将从微生物宿主人口基因消除损失而环境处于中立状态。T的连通性的增加被认为是伴随着下降的人口转移基因的概率将成功征服下一个天真的微生物种群进入高度。积累的依赖T虽然驻留在当前主机人口对应基因序列本身的变化。因此T的连通性是假定为携带当它进入一个天真的微生物种群。相比之下,依赖于微生物宿主T积累的人口被认为不在微生物种群没有暴露在可转移的基因。T的必要因此设置为零后HGT天真的微生物种群。

我们使用方程(价格16,17,35)构建一个理论表达的变化意味着角色的状态\(\左(\眉题{y} \眉题{z} \) \)T的祖先种群的集合的映射提出数十亿微生物代到T的后代的数量(即的集合。,在一个“ancestor-descendant”映射)。映射(方程式。1,2,3方法)提供了概念上的清晰的分离进化过程发生在水平转移基因的metapopulation基于预期的人口的出生率和死亡率(T)从单个微生物宿主共同进化的过程发生在人口位于预期变化的不可缺少的数量和连接T .价格方程是确定的,因为它不占的随机特性建模过程。因此,我们使用随机电脑模拟来研究随机过程的轨迹的影响意味着角色的状态\(\左(\眉题{y} \眉题{z} \) \)。

确定性模型下Gene-host共同进化

什么我们的模型在本质上揭示了简单假设的可能性?的命运让我们先检查一个齐次metapopulation转移基因在缺乏突变不可缺少或连接T .假设,例如,T的字符的所有人群\(左(y, z \右)= \ \左(10、10 \)\)的概率,微生物宿主人口将受到中性环境状态(用“△”表示“死亡”,左\ (\ updelta \ \ [\ mathrm{0,1} \右]\))只\ \ updelta = 0.01 (\)每ancestor-descendant映射,这意味着环境主要是选择性的。使用所有模型参数假设值(见方法),每个人口预计将持续约\ (740 \)ancestor-descendant映射痛苦死亡的基因损失之前,和一组初始的一千人口约后预计将被淘汰\ (5100 \)映射。转移基因的metapopulation因此可以避免灭绝只有产生新的种群高度的T。然而,人口\ \(左(y, z \右)=左(0,10 \)\ \)由高度预计将持续\ (99 \)在死前的映射。因此灭绝是不可避免的,除非速率\ \(左(y, z \右)=左(0,10 \)\ \)数量乘以高度足以弥补他们的寿命很短。乘法的速度是由水平的机会在天真的微生物种群(由“测试版”为“出生”,通用电气\(β\ \ 0 \))。当这个机会更小(\ \(β= 0.06 \)),metapopulation转移基因\ \(左(y, z \右)=左(0,10 \)\ \)预计持续约\ (7120 \)映射之前灭绝(无花果。1机会是略大(时)。\ \(β= 0.08 \)),metapopulation转移基因\ \(左(y, z \右)=左(0,10 \)\ \)将长期存在的观点,(图。1b)。在这两种情况下,乘以高度降低T的不可缺少,使它容易死于基因在环境损失\ \ updelta \ ()接近一个。

现在考虑一个metapopulation字符的所有人群的T\ \离开({y} _ {1}, {z} _ {1} \) \)除了一个人口同样不可或缺,但较低的连通性\ \离开({y} _ {2}, {z} _{2} \右)= \离开({y} _ {1}, {z} _ {1} 1 \) \)。前人口中野生型的角色,后者突变的作用。^脚注1它因此可以问是否突变最终会固定(即。,remain as the only population variant in the metapopulation of transferable genes). Let us again set aside the possibility of gene-host coevolution so that no further mutant populations can arise. Since HGT is assumed to result in the loss of indispensability, the wild type and mutant populations can only generate descendants by HGT with character state\ \离开(0,{z} _ {1} \) \)和\ \离开(0,{z} _ {2} \) \),分别。由于死于基因的概率损失是正的,原始的野生型T, T的单突变人口的数量最终会被淘汰。新的人口变异的命运\ \离开(0,{z} _ {1} \) \)和\ \离开(0,{z} _ {2} \) \),很明显,最终将有更多的后者。而遭受同样的两个变异概率的死亡,都不可缺少\ (y = 0 \),变异的人口将会产生更多的后代由于其较低的连通性。这并不意味着变异最终会固定的,然而。如果固定只会发生\ \离开(0,{z} _ {2} \) \)人口变量可以避免灭绝,或者换句话说只有出生的预期高度超过预期的死亡概率。它定义了条件T的机会减少连接在一个人口可以被放大由机会殖民天真的人群提供高度大β\ (\ \)。

最后,让我们考虑一个metapopulation角色状态\ \离开({y} _ {1}, {z} _ {1} \) \)在一些人口和\ \离开({y} _ {2}, {z} _{2} \右)= \离开({y} _ {1} + 1, {z} _ {1} \) \)在别人。如果基线率T进入天真的人口由高度很低(即。,如果\(β\ \约0 \)),那么所有人群(T)最终会被淘汰,转移基因的metapopulation将灭绝。然而,\ \离开({y} _ {2}, {z} _ {2} \) \)人口变量将持续更长时间由于其更大的不可缺少。的比例\ \离开({y} _ {2}, {z} _ {2} \) \)T将因此增加的数量随着时间的推移,尽管数量减少的变体。让我们进一步假设接触中性环境状态的概率是很低的(例如,\(δ\约0 \ \))。然后T的灭绝将许多ancestor-descendant映射。发生灭绝的时间越长,越T的不可缺少的概率将增加gene-host共同进化在一些人口(即。,当突变发生变化\ (y \)和\ (z \)允许)。任何这样的增加将灭绝时间延长,增加T的不可缺少的概率将增加再次在一些人群。有趣的是,这种情况下是一致的,“选择生存”没有繁殖可能导致进化改变(7,12,14,27]。在当前模式下,T的人口不能没有天真的微生物种群的繁殖。但是任何一个人口T可以演变成为不可或缺的当前主机,使它更有可能将持续下去。

Gene-host共同进化的随机模型

现在让我们转到一个场景,在该场景中,gene-host共同进化,和所有的过程,包括高度的出生,死于基因损失,和T的不可或缺和连接发生随机变化。我们再次从T和一千人口\(左(y, z \右)= \ \左(10、10 \)\)但这一次允许gene-host共同进化的可能性与强大的突变倾向大\ (y \)和\ (z \)。下两个进化轨迹生成的随机模型图所示。2。

比较结果的无花果。1和2说明了共同进化的区别。当\ \(β= 0.06 \),转移基因灭绝在缺乏gene-host共同进化(无花果。1T)。然而,设法坚持两个种群在随机模型(无花果。2)。这是由于一个不可缺少的逐渐增加T少数微生物种群中设法坚持到最后的模拟。但请注意,这是在类似的连通性增加为代价的。因此,转移基因坚持到最后模拟的发展向更加固着状态。当\ \(β= 0.08 \)转移基因保持在大约800人口缺乏共同进化(无花果。1b)。这个数字急剧增加时接近九千人口共同进化被允许(无花果。2b)。增加是由机会减少一些数量的连接(T)允许更快速分散到天真的微生物种群。结果是一个渐进的减少意味着连接T但代价的减少意味着不可缺少。因此,转移基因利用机会在天真的微生物种群的进化向更加流动状态变得更容易死于基因的费用损失。

我们对图的分析。2表明,参数设置下的进化结果认为从固着流动之间的某个地方\ \(β= 0.06 \)和\ \(β= 0.08 \)。进行了探索,模拟不同的值在\ \(β\ \[0.06,0.08正确\]\)。图3表明,意味着不可缺少\(\眉题{y} \)大约是\ (20 \)大多数模拟当年底\ (le 0.06 \β\ \)但进化到一个值小于初始值\ (y = 10 \)当\(通用电气\β\ 0.08 \)。的意思是\(\眉题{z} \)展品类似的转变。这说明了意味着不可缺少和平均连通性的metapopulation转移基因可以在共享相关生态环境即使他们改变根据独立演化动力学。它还表明,转移基因可以发展向更加无柄或多个流动状态下假定模型根据生态条件决定殖民天真的微生物种群水平的机会。

这些简单的模拟演示gene-host联合进化相结合的生态环境可能导致不可缺少和连接的可转让的基因改变在宏观进化论时间尺度。当然,结果将取决于选择模型参数的值。可以找到参数设置下T将进化更无柄或更多的流动,以及设置在T将灭绝,才能适应当前环境环境。然而,很难确定参数值是最符合自然系统中会发生什么。考虑,例如,微生物宿主人口有效的大小\ ({N} _ {e} \)。如果\({\μ}_ {0}\)是中性突变的速度影响T或宿主基因出现每宿主细胞生成,然后,根据中性理论(23),变化的速度等结合T-plus-host基因组的突变是:

变化的速度不可缺少的转移基因由中立的流程(例如,建设性的中性进化),它驻留在目前微生物宿主人口的一小部分,说\({\μ}_ {y} <{\μ}_ {0}\)。同样,连接性,\({\μ}_ {z} <{\μ}_ {0}\)。评估转移基因是否会发展更加中性固着或流动的过程,这将是必要的,至少,估计\({\μ}_ {y} \)和z \({\μ}_ {}\)。我们所知,没有这样的估计存在。类似的声明可以为其他类型的突变,改变的状态转移基因,比如那些改变T或宿主细胞等方式提高宿主健康。

本研究的目的是测试的直觉,表达了诺维克&杜利特尔(32),如果它是可能的转移基因T和微生物宿主共同进化的方式,改变T /宏观进化论的不可或缺和连接时间,然后转移基因可能演变成为更多流动的或无柄,根据它存在的生态条件。目前的理论模型表明,机会在天真的微生物种群可以施加选择压力,减少平均连通性和平均不可缺少的metapopulation转移基因随着时间的推移,使基因更加流动。另一方面,缺乏这样的机会结合死于基因的低概率损失会导致一种“生存选择”(7,12,14,27的平均连通性和平均不可缺少的转移基因随着时间的推移,使基因更无柄。这些结果与简单的假设一致。

简单假设的真实性取决于许多因素,包括速度突变,改变不可缺少和连接可能出现。不过我们可以做出两个预测基于的假设gene-host共同进化速度发生巨大的足以改变(例如,26])。首先,转移基因可能演变成为更多的固着,当有一个低概率的基因损失由于稳定的选择性环境,但同时也很少机会在天真的微生物种群。(类似于第一个条件\(δ\约0 \ \))确保一些人口转移的基因将驻留在他们当前的微生物宿主足够固着状态演变,而第二个条件(类似于\(β\ \约0 \))限制竞争与流动变异的t .其次,转移基因可能演变成为更多的流动当机会在天真的微生物种群基因高到足以弥补损失。^脚注2

这些预测可能是可测试的。假设转移基因的蛋白质产物P1 T1被授予代谢底物的能力\ (\)。如果基因存在的环境的特点是低水平的生存限制营养素(如铁),这样高度成天真的微生物种群是罕见的(\(β\ \约0 \)),而且通过高效的槽的供应\ (\)是连续的(\δ= 0 (\ \)),那么我们的模型预测,T可能演变成为更多的固着。这些基因可能是很普遍的在贫瘠环境中存在的微生物如大海,深层土壤,或在极地冰帽。相比较而言,假设P2的T2授予抵制一种抗菌物质的能力\ \ ()。如果生产力高是由于营养丰富,这样高度成天真的微生物种群是常见的(\ \(β> 0 \)),但接触\ \ ()是断断续续的δ> 0 \ \ (\)),那么我们的模型预测,T2可能演变更加流动。这种类型的基因可能会偶然发现在各种病原体的抗菌物质。我们的理论结果可能因此被测试通过比较平均不可缺少和平均连接T1类型的基因与基因类型的T2如果这样的基因可以被识别。我们的预测也可以通过比较可转移的基因测试中发现的一些物种与物种中发现的假字有广泛的生态位宽度狭窄的生态位宽度。这些基因应该更多的流动在前的物种和固着在后者。

基因被高度可以使用参数识别方法基于测量的属性的基因组片段往往表现出低变异性在基因组和基因组之间的高可变性(例如,GC含量,核苷酸组成、寡核苷酸频率(3]),系统发育比较基因树和物种树的方法来识别不一致可能解释为高度(36),和方法基于模型的基因收益/损失(9,44]。物种的数量在这找到转移基因可能作为一个代理的基因流动。这可以连接相比,这样的基因,可以估计使用数据库的相互作用蛋白(倾斜,43])或检索的搜索工具相互作用的蛋白质(字符串,39])。会因此似乎可能比较基因型的连通性和itinerance T1和T2使用现有的数据。

不可缺少,寄主专一性的,可能需要在体外实验中估计,例如分析健身后基因在中性环境中损失。^脚注3此外,还有其他因素影响itinerance代表可转让性,就是明证基因相同的连接可以相差很大数量的微生物血统中(例如,无花果。1在[10])。其他考虑因素实证研究包括基因大小(11,基因可复制性42“友好”[],基因18),和基因表达的水平34]。可转让性还取决于细胞与基因的选择系数没有相比,有效的微生物种群的大小,高度的速度在这个人口(40,天真的微生物种群的可用性在高度。设计一个测试简单的实证研究假设可能因此可能但可能构成相当大的挑战。

我们的理论结果支持简单的假设以及一般预测转移基因中发现的微生物适应特定的环境(狭窄的生态位宽度)往往会更无柄,而那些微生物适应更广泛的环境条件(广泛的生态位宽度)会更加流动。然而,进一步评估关于简单假设必须等待一个提前的可能性在我们的理解gene-host共同进化的动力自然微生物系统。

简单假设和建设性的中性进化

让T代表转移基因编码一个蛋白质产品P提供健身优势的一种宿主细胞在特定环境条件下(例如,取决于可用的营养、温度、盐度、pH值、抗菌物质的存在,等等)。转移基因的拷贝,驻留在微生物宿主人口,为了我们的模型,被视为人口转移基因或一个“T”人口。简单的环境假设是一个“人口数量”或“metapopulation”[29日转移的基因。天真的微生物种群,T可以转移也认为存在。

简单假设需要连接到不同人群的t一个可能的来源的变异,诺维克和杜利特尔提出的(32),是建设性的中性进化(CNE)。一般来说,CNE发生在一个基因的突变(是否可转让),将有害的呈现中性或近中性由于偶然的或以前选择协会与另一个基因”pre-supresses“突变的有害影响19]。突变的固定漂移将导致两个基因之间的依赖性的增加,随后将被净化选择维护。基因重复,例如,一个拷贝中的变异,否则减少有机体的健康可以通过漂移来解决由于第二个副本的存在。的性能函数,曾经由原件可能从而来依赖的存在都通过一个过程称为假字subfunctionalization [15,38]。看到Munoz-Gomez et al。31日),在其中引用的其他例子可以解释为CNE遗传特性。

在转移基因的特定背景下,假设在T突变,减少或消除健身优势P赋予宿主细胞有时会出现。并进一步假设这种突变对P的影响有时可以中和的宿主基因或基因产物。任何此类突变的固定漂移将增加健身优势P的程度提供了依赖于特定基因或基因产物的微生物种群,目前举办的人口T .这样,CNE可以增加T的连通性和减少的概率P将函数的方式提供了一个健身优势微生物宿主细胞,T进入到下一个天真的高度。同样,假设在宿主基因突变降低宿主健康有时可以中和的T .这种突变的固定漂移将增加宿主人口的生存能力的程度取决于存在T .这将减少T将丢失的概率从宿主人口,否则将有可能在发生变化否定健身优势P提供的环境(例如,5,25])。任何此类增加主机依赖被称为增加人口T当前主机的不可或缺。

之前的演示了如何,理论上,建设性的中性进化可以逐渐增加不可缺少,独立人口转移基因的连接而驻留在当前微生物宿主人口。CNE因此可以作为复杂性棘轮生产诺维克和杜利特尔(32]叫固着转移基因,一个不太可能遭受基因损失从目前微生物宿主人口由于其高不可缺少,但也可能是固定后转移到一个天真的微生物种群由于其高连通性。这趋势更大的复杂性和固着状态可以通过机会反对殖民天真的微生物种群的高度。T的不可缺少的新殖民地的微生物种群新主机是最小的,因为它需要时间积累依赖T高殖民将因此减少T的意思是不可缺少在metapopulation转移基因的概率,增加一些数量(T)将由基因消除损失。然而,殖民的机会也倾向于传播的变异(T)较低的连通性。机会由高度分散,因此可以作为简单棘轮生产诺维克和杜利特尔(32)调用一个流动转移基因,很有可能在天真的微生物种群由于其低的连通性,但也可能存在于任何一个微生物宿主人口长期由于其低不可缺少。

连接的变化

功能模块是一组相关的基因或基因产物由基因或细胞内作用[41]。功能模块通常显示为一个图,节点代表基因或蛋白质产品和边表示节点之间的关系。在这种情况下,基因的连接(是否可转让)只是边的数量将它连接到其他节点在同一个co-expression基因或蛋白质交互网络(8]。改变基因的连接对应于这种边缘的数量的变化。这可能发生在几个方面,这取决于基因。如果基因编码的一种蛋白质,是超分子复合体的一部分,那么任何改变子单元组成的复杂的数量会改变基因的连接。四聚物的血红蛋白的进化从单体的祖先的蛋白质提供了一个示例(4]。连接也可以改变通过改变蛋白质的参与代谢,信号或监管途径。转录因子SIM1,例如,在人类扮演几个角色,从神经元的发展在胚胎发生在成人监管的功能形式。字符串(39)数据库表明SIM1八直接参与人类蛋白质相互作用但只有一个亩骶的连通性,这表明SIM1可能会改变在宏观进化论时间尺度。

在这里,我们假定一个额外的,在某些方面,更微妙的变化的过程。蛋白质产品P (T)需要折叠成特定的稳定的配置和可能需要访问一个或多个特定约束力的合作伙伴实施(即选择功能。是有益的功能,主机在一些环境条件下)。我们假设在T突变会导致P变得不稳定或无法执行其选择功能可以pre-suppressed或呈现中性的存在基因或基因产物本地主机。这种突变的固定漂移会增加转移基因的连接,这里大致解释为P的程度取决于当前的主机提供的特定的细胞内环境的功能。我们也接受其他突变的可能性在T可以补救需要抑制以前固定的突变,这些会导致减少T的连接固定,虽然这样的归复权可能很少(例如,19])。

不可缺少的变化

一个重要基因的定义是,支持一个函数,它是必要的生殖成功(例如,所需基因转录和翻译)。这些基因往往对应节点功能模块与许多边缘,所以通常不转让核心基因组的一部分而不是常见的菌株或物种广泛37]。有趣的是,有证据表明基因的本质仍然是可变的和受进化过程(如上)。这里我们定义一个转移基因的不可缺少的程度的可行性微生物宿主人口来依赖T通过gene-host共同进化的过程。根据这个定义,不可或缺的转移基因在某些方面就像一个重要基因。然而,T的不可缺少的增加并不一定使转移基因重要或必要的生殖成功。相反,我们想象一个转移基因有时暗示的蛋白质网络的主机CNE小题大作的方式,直到细胞再也离不开它19]。这可能发生,如果存在T徒pre-suppress在宿主基因突变产生的有害影响。这种突变的固定不可缺少的漂移会增加微生物宿主T,它驻留在当前人口,使宿主人口更不可能将失去T P的环境中所选函数没有提供健身优势。

占gene-host共同进化

让左(\ \ (P \三角洲{x} _{我}\右),{x} _{我}\ \左\ {{y} _ {}, {z} _{我}\右\}\)代表一个突变的概率变化不可缺少\ (({y} _{我})\)或连接\ ({(z} _{我})\)T从\ ({x} _{我}\)来\ ({x} _{我}+δ{x} _{我}\ \)出现在随后转移基因的一个副本,并固定在当前微生物宿主人口漂移。三个结果被认为是,\(δ{x} _{我}\ \ \左\ {- \ mathrm {1, 0}, + 1 \ \} \),当\ ({x} _{我}\通用电气1 \),两个\(δ{x} _{我}\ \ \左\ {0,+ 1 \ \}\),当\ ({x} _{我}= 0。\)在这两种情况下,\ \(δ{x} _{我}= 0 \)表明没有发生突变或发生但并不是固定的。假设发生变化很少,所以左(0 \ (P \ \) \ \)约1,突变是有偏见的增加不可缺少和连通性(T)左(+ 1 \ \ (P \) \ gg P \左(1 \)\)。这是符合一般认为建设性的中性进化是一种罕见的过程,随着时间的推移会增加复杂性31日]。预期的变化\ ({y} _{我}\)和我z \ ({} _ {} \)在一个ancestor-descendant映射因此:

我们的模型是不可缺少的关键假设和连通性的转移基因可以通过gene-host独立随时间增加或减少共同进化。虽然CNE提供了一个合理的机制来改变(32仅靠CNE),假设发生变化并不是至关重要的。换句话说,左(\ \ (P \三角洲{x} _{我}\)\)变化的概率可以解释为由于进化过程可能影响国家\ \离开({y} _ {}, {z} _{我}\)\)人口的转移基因,包括但不是限于CNE。

祖先的健身人口转移的基因

转移基因的损失从目前微生物宿主人口可以被视为人口的死亡t .同样,殖民天真的微生物种群的高度可以解释为t的新出生人口因此可能将人口转移基因作为个体单元,可以指定健身的形式产生后代种群的数量。健身,一旦定义,可以用于地图的祖先metapopulation转移到后代metapopulation基因。

健身优势T赋予宿主细胞是一个函数的宿主人口居住的环境。这是假定不同微生物种群和随着时间的推移。环境状况的变化是否以这样一种方式,否定健身P授予(即。,due to a shift to a neutral environmental state) is determined by a Bernoulli random variable with expected value在[\ \三角洲(\ \ mathrm {0,1}] \)。祖先的T人口是否会遭受死亡的基因损失后临时切换到中性环境被认为是伯努利随机变量与期望值\ ({p} _ {D} \离开({y} _{我}\)\)不可缺少的功能。预期的死亡概率通过基因损失因此ancestor-descendant映射产品之一D \({\δp} _{} \离开({y} _{我}\)\)。由此可见,祖先的人口转移基因的概率将持续到后代metapopulation逃避死亡\ ({w} _{我}^ {p} = 1 -{\δp} _ {D} \离开({y} _{我}\)\)(上标“持久化”“p”)。

天真的微生物种群的数量的祖先T进入高度被认为是一个泊松随机变量与期望值\({\β}_ {N} =β\ \离开(其它{/ N} _{马克斯}\)\),在那里\ (N \)是当前的祖先种群数量T和\ ({N} _{马克斯}\)是一个上界放在metapopulation转移基因的大小(即。,T的最大人口数量可能包含)。T是固定高度后是否被认为是伯努利随机变量与期望值\ ({p} _ {B} \离开({z} _{我}\)\),连接的函数。预期的转移基因的新种群数量产生的一个祖先的人口因此ancestor-descendant映射\ ({w} _{我}^ {m} ={\β}_ {N} {p} _ {B} \离开({z} _{我}\)\)(上标“m”为“乘法”)。

预期fitnessof祖先人口转移基因作为其不可缺少的一个函数和连接只是贡献之和持久性和乘法,\ ({w} _{我}= {w} _{我}^ {p} + {w} _{我}^ {m} \)。的规范健身概率的函数形式完成一次\ ({p} _ {D} \离开({y} _{我}\)\)和\ ({p} _ {B} \离开({z} _{我}\)\)已被选定。目前尚不清楚这些概率形式应该采取最好的反映可能发生在自然界中除了合理的假设都是减少功能。为了简单起见,我们假设一个共同的指数形式:

的尺度参数\ (\)控制每一个指数函数的速度接近其在零水平渐近线。这是设置为\ (\ s = 0.20)模拟方法相对较慢,e-fold在概率降低\ ({y} _{我}\)或\ ({z} _{我}= 5 \)。重申,\ (\ mathrm {exp} \离开(- {y} _{我}年代\)\)模型的概率,暂时转移到中立的环境状态后,T是失去了从一个细胞,细胞没有T的血统是随后通过漂移。这是等同于一个祖先的死亡人口的T / ancestor-descendant映射。和\ (\ mathrm {exp} \离开(- {z} _{我}年代\)\)模型的概率与T细胞的谱系原本天真的微生物种群达到固定。这是等同于后代的出生人口t .微生物的数量代分离其后代的祖先metapopulation metapopulation多被认为是满足这些群体内过程达到完成(例如,数以十亿计的微生物代)。见图。4这些出生和死亡过程的描述。

字符的后代人口转移的基因

不可缺少和连通性的后裔的人口转移基因继承产生的持久性,在某个意义上说,从它的祖先的人口受到传播偏见由于gene-host共同进化(Eq。1)。因此后代字符状态\ \(左({y} _{我}+ \δ{y} _{我},{z} _{我}+δz{} _{我}\ \)\)在哪里\ \离开({y} _ {}, {z} _{我}\)\)是祖先T和人口的状态吗\(δ{y} _{我}\ \)和\(δz{} _{我}\ \)代表任何变化可能意识到在一个ancestor-descendant映射。后裔的人口由高度,相比之下,\ \离开(0,{z} _{我}\)\)。不可缺少的设置为零,因为假设依赖祖先积累的主机人口没有天真的微生物种群。连接保存是由于额外的简化假设gene-host共同进化才会发生T是固定在任何天真的微生物种群进入。两种后代种群之间的差异见图。5。

价格方程

我们使用方程(价格16,17,35)写一个表达式的变化意味着角色的T metapopulation转移基因在一个ancestor-descendant映射。主要感兴趣的是确定条件的意思是连接T将减少。如果\ ({q} _{我}\)是祖先种群的比例\ \离开({y} _ {}, {z} _{我}\)\),那么T的变化意味着连接在一个映射(见附件):

第一笔占后代种群的数量差异,每个祖先T生成HGT人口。健身\ ({w} _{我}^ {m} \)和连通性我z \ ({} _ {} \)是负相关的,所以这个和被解释为T的选择,有利于种群的影响较低的连通性。第二个总和占T的预期变化连接由于gene-host共同进化在每个祖先的后代人口仍metapopulation(见图。5)。期望\ (\ mathrm {E} \离开(δz{} _{我}\ \右)> 0 \)是偏向更大的连接,所以这个和被解释为进化的复杂性棘轮的效果。第一笔将倾向于减少T的意思是连接在metapopulation ancestral-descendant映射提供了\ (\ mathrm {var} \离开({z} _{我}\右)> 0 \)。第二笔将增加T的意思是连接在一个映射由于假定进化的倾向更高的复杂性。变化的方向的平均连接T因此将取决于这两个资金的相对大小,或者说,在权衡乘法和持久性。

重要的是要注意,健身价格方程是一个实现价值,这在我们的模型是等同于一个期望(Eq。2)。传播偏见同样等同于一个期望值(Eq。1)。因此,情商。3是确定的。不过可以占随机变化出生,死亡,和传输通过模拟这些偏见作为随机过程,并使用模拟探索转移基因可能进化的条件变得更加流动的固着或更多。见附加文件1获取详细信息。

模拟和计算都是在MATLAB中实现版本R2021a许可证号码861043学术使用使用自定义脚本。脚本可在GitHub上,https://doi.org/10.5281/zenodo.7194737

1. 强调是很重要的,在我们的模型中,人口的转移基因可以被视为一个单元与健康。的\ \离开({y} _ {1}, {z} _ {1} \) \)因此变体是野生型和类似\ \离开({y} _ {2}, {z} _{2} \右)= \离开({y} _ {1}, {z} _ {1} 1 \) \)变体metapopulation转移基因的突变。

2. 注意,流动的生活史策略的一些基因不是问题(例如,13]。什么是利害攸关的之间的关系是itinerance和殖民天真的微生物种群的机会。

3. 另一种方法是识别和衡量不可缺少的信息代理。一种可能性是分子进化的速度,由中立的理论预测是逆相关功能约束(24]。事实上,Aris-Brosou [1)用这个原则表明基因的产品高度连接更倾向于保守和不太可能发展了达尔文的积极选择。

CNE:

建设性的中性进化

高度:

水平基因转移

字符串:

搜索工具检索的基因/蛋白质相互作用

SIM1:

一心一意的家族转录因子1

由于大肠苏斯科博士和j.p. Bielawski博士和其他进化盖亚集团持续的智力支持。同时,感谢匿名评论者的评论导致一种改进版本的手稿。

这项研究是由戈登和贝蒂基金会(GBMF9729,https://doi.org/10.37807/GBMF9729)和新的前沿研究基金(格兰特nfrfe - 2019 - 00703)。的设计研究中,收集、分析和解释数据,和写的手稿,都没有进行资助机构的输入。

作者和联系

1. 生物化学与分子生物学、NS、加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学

   c·t·琼斯

2. 数学和统计,NS,加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学

   e·苏斯科

3. 生物学系、数学系和统计,NS,加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学

   j.p. Bielawski

贡献

理论模型的版本出现在报纸上被CTJ制定。MATLAB代码也由CTJ写的。有用的纸是由CTJ输入从进化的达尔豪斯大学的盖亚小组的所有成员,包括ES和JPB。出现的概念内容和模型的手稿都深受先前的努力与ES合作和JPB在一段两年。三位作者都阅读和批准了最终版本的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相应的作者

对应到c·t·琼斯。

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

出版商的注意

施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。

附录

价格方程

见图。6

价格方程提供了一个简单的方法来计算一个角色状态的平均值的变化(表型和基因型)人口的个人在一个ancestor-descendant映射生成任意数量的后代(无花果。6)。祖先的人口由一些个体的数量\ \(米)划分为亚种群的大小\ ({m} _{我}\)相同的角色状态我z \ ({} _ {} \)。每个字符对应一个健康状态\ ({w} _{我}\)代表每个人的祖先的后代数量将产生ancestor-descendant映射。因此,\({我}{th} \)祖先的族群贡献\ ({m} _{我}\ * {w} _{我}\)个人后裔的人口。这些后代的相对频率:

相对频率的变化\ \(δ{q} _{我}= {q} _{我}^ {^ {\ '}}- {q} _{我}\)将阳性亚种群与大于亚种群的平均健身和消极小于平均健身。这是选择的影响。祖先的后代人口将超过人口时,意味着健康\(\眉题{w} \)大于一个,小的什么时候\(\眉题{w} < 1 \)。

意味着角色的所有后代产生的由一个祖先的族群\ ({z} _{我}^ {^ {\ '}}\)。的区别\ \(δz{} _{我}= {z} _{我}^ {^ {\ '}}- {z} _{我}\)反映了忠诚的一个祖先字符状态传递给后代的人。人物的平均值的变化状态是由价格方程:

第一笔RHS代表改变选择。这一项是零的时候\ (\ mathrm {var} \离开({z} _{我}\右)> 0 \)。第二总和占的变化由于组合选择和传播偏见。这一项是零的时候\(δz{} _{我}\ \ 0 ne \)。注意健身价格方程不是随机但代表意识到价值观。因此ancestor-descendant映射是确定的。然而,映射可以实现通过计算机模拟随机。

我们的情商。3的主要论文推导用传输偏见(Eq的表达式。1)和健身(Eq。2(Eq)价格方程。4):

由于乘法健身\ ({w} _{我}^ {m} \)可以从第二笔因为假设\ (\ mathrm {E} \离开(δz{} _{我}\ \右)= 0 \)对后代产生的高度。结合两项占健身由于持久性\ ({w} _{我}^ {p} \)给我们的模型方程(Eq。3)。的方程的变化意味着不可缺少像情商。3:

但是请注意,假设T的不可或缺\ ({y} _{我}= 0 \)高度后变成一个天真的微生物种群(即。,当T generates descendants by multiplication), makes the first summation zero. Hence, the change in the mean indispensability across all population of T is:

这突显了不可缺少的T是一个属性之间的关系和当前微生物宿主人口,只维护只要坚持,宿主人口。

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