A study of the evolutionary forces acting on putatively neutrally evolving DNA sequences in Drosophila.

Selektiv uneingeschränkt evolvierende DNS Sequenzen sind von großer Wichtigkeit, um populationsgenetische Parameter zu schätzen, wie z.B. die Demographie einer Population oder die Selektionsstärke auf selektierten Regionen in demselben Genom. In dieser Studie betrachten wir Polymorphismus-Daten des gesamten Genoms von D. melanogaster [1] und erweitern diese um einzelne Sequenzen der nahe verwandeten Arten D. simulans, D. sechellia, D. erecta und D. yakuba [2, 3]. Aus diesen Daten extrahierten wir als neutral evolvierend angenommene Sequenz-Klassen, d.h. Positionen 8-30 von kurzen Introns (Introns < 66 bp) und vierfach degenerierte Positionen. In vorhergehenden Arbeiten wurde gezeigt, dass kurze Introns, im Vergleich zu langen Introns oder vierfach degenerierten Positionen, den wenigsten selektiven evolutionären Einschränkungen unterliegen [4]. Vierfach degenerierte Positionen hingegen, scheinen von einem “codon usage bias” (CUB) beeinflusst zu sein. In D. melanogaster, versteht man unter CUB die Präferenz von Codons, die auf G oder C enden, gegenüber Codons, die mit A oder T enden [5, 6, 7]. Um diese Sequenz-Klassen besser zu verstehen, leiteten wir bekannte, sowie neue theoretische Erwartungen her. Diese beruhen auf dem Moran Modell mit entkoppeltem Mutations-, Selektions-, und Drift-Prozess [8, 9]. Mit diesem Modell, konnten wir die erwarteten Allelfrequenzen unter der Annahme von einem ungleichen Verhältnis von reziproken Mutationen mit oder ohne Selektion im Gleichgewicht ausarbeiten. Durch die Unterscheidung von ursprünglichem und mutiertem Zustand der Nukleotide, konnten wir die Gleichgewichtsannahme entschärfen und stattdessen quasi-Gleichgewicht annehmen. Dadurch ist es mit den geringen Mutationsraten in Drosophila und der großen Datenmenge möglich, relativ leistungsstarke Neutralitätstests durchzuführen, ohne Mutations-Selektions-Drift Gleichgewicht annehmen zu müssen. Unseren Ergebnissen zufolge, entspricht das Polymorphismus- und Divergenzmuster in kurzen Introns fast den Erwartungen im neutralen Gleichgewicht, weicht aber dennoch signifikant davon ab. Das Mutationsmuster offenbart eine schwache, kürzliche Verschiebung des Verhältnisses von reziproken Mutationen zu einer erhöhten Anzahl an GC zu AT Mutationen. Demzufoge ist die anzestrale Basenkomposition nicht im Gleichgewicht, sondern wird AT-reicher. Darüber hinaus fanden wir Polymorphismus, Divergenz, sowie AT-Gehalt ungleichmäßig unter den Introns verteilt, was auf kontextabhängige Mutationsraten hindeutet. Unsere Resultate zeigen, dass die höchsten Mutationsraten an Positionen mit GC in AT-reichen Introns auftreten, während im Allgemeinen GC-reiche Introns wenig mutieren. Anzeichen für direktionale Selektion oder Ungleichgewicht bei der Genkonversion konnten wir in kurzen Introns nicht finden. Deshalb ist ihr genomweites Muster womöglich ohne die Annahme von selektiven Kräften erklärbar. Trotzdem scheinen die auf kurze Introns wirkenden populationsgenetischen Kräfte kompliziert zu sein, was man an der Verschiebung des Mutationsverhältnisses und der Kontextabhängigkeit von Mutationen erkennen kann.