Title (eng)
Adaptive and nonadaptive sequence evolution in short introns of fruit flies of the genus Drosophila
Author
Burçin Yıldırım
Degree supervisor
Claus Vogl
Degree supervisor
Ovidiu Paun
Degree supervisor
Joachim Hermisson
Description (eng)
PhD thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2023 The full text is only available to university members. Please log in!
Abstract (eng)
A major objective in evolutionary biology is to understand the evolutionary processes driving molecular evolution. Earlier, population genetics sought to understand these processes by theoretical insights, leading to heated debates over competing hypotheses. Central to these discussions was the relative importance of the effects of evolutionary processes. Following the neutral theory of molecular evolution and its corollary, the nearly neutral theory, neutralists supported the major effect of nonadaptive forces—mutation and drift— and purifying selection in shaping DNA sequence variation. On the other hand, selectionists assumed the prevalence of beneficial mutations and suggested positive selection as an explanation for DNA polymorphism and divergence. The resolution of this longstanding controversy was hindered by a paucity of data during that era. Despite this, the neutral theory became widely accepted as a guiding framework for studying population genetic forces, serving as the null hypothesis of molecular evolution. With the advent of newly available genome-wide data, studies began reporting the frequent and widespread occurrence of positive selection, coupled with its impact on linked sites. Eventually, this prompted an assessment that neutral theory is fundamentally incompatible with the data and a new theory of molecular evolution by natural selection is needed. However, many of these studies suffer from an inappropriate analysis approach and lack careful exploration of evolutionary processes, particularly a comprehensive characterization of nonadaptive forces. It is therefore necessary to re-examine the arguments regarding the widespread direct and indirect effects of selection, as well as the assessment of the invalidity of neutral theory. For this, the neutral models should be refined to accommodate the new complexities observed in the data and the analysis approach should be appropriately defined for the study. This thesis seeks to contribute to this endeavor with two studies. The first study addresses the lack of a neutral model incorporating all nonadaptive forces across the genome. It identifies and describes the relative contribution of nonadaptive population genetic forces in the neutral sequence evolution patterns by using the presumably neutral short intronic regions in Drosophila. The results uncover the presence and dynamics of a nonadaptive force, GC-biased gene conversion (gBGC), and show that linked selection in this species was misinterpreted as previous studies did not account for the effect of gBGC. This work illustrates how arguments about the widespread effects of selection are proposed without considering the impact of other nonadaptive forces, combined in a biologically relevant null model. The second study addresses the questions regarding the explanatory power of the neutral model. It uses a neutrally evolving region to reveal the effect and magnitude of selection on base composition evolution of an essential cis-regulatory element involved in splicing. By contrasting DNA-asymmetry patterns expected under neutral and selective scenarios, the study demonstrates that purifying selection to avoid a premature splicing shapes the base composition of this cis-regulatory element. This result challenges the previous understanding of evolution of this region, which was thought to have evolved due to the selective preference of trans-splicing factors for pyrimidines. This work rejects the assessment of the invalidity of neutral theory, instead attests its ongoing utility to explain the directionality and impact of selection, with an appropriately chosen analysis approach. Altogether, this thesis underscore the importance of refined neutral models in the genomic era. While doing so, it does not reject the important role of selection nor does it suggest that there is no connection between selection and genome evolution. Instead it recognizes selection as one of the population genetic forces along with the all other nonadaptive forces shaping the evolutionary patterns. I hope this work provides a perspective that can moderate the current debates around the effect of neutral and selective forces.
Description (deu)
PhD Arbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2023 Aus rechtlichen Gründen sind nicht alle Teile dieser Arbeit frei zugänglich. Der Zugriff auf den elektronischen Volltext ist auf Angehörige der Veterinärmedizinischen Universität Wien beschränkt. Bitte einloggen!
Abstract (deu)
Ein wichtiges Ziel in der Populationsgenetik ist die evolutionären Prozesse zu verstehen, die die molekulare Evolution verursachen. Anfänglich versuchten Populationsgenetiker diese Prozesse durch theoretische U¨ Überlegungen zu verstehen, was zu hitzigen Debatten über unterschiedliche Hypothesen führte. Zentral war bei diesen Debatten die relative Gewichtung der unterschiedlichen evolutionären Kräfte. Im Gefolge der ”Neutralen Theorie” und der von ihr abgeleiteten ”Nahezu Neutralen Theorie” (engl: nearly neutral theory) betonten die ”Neutralisten” die hauptsächlichen Effekte der nicht-adaptiven Kräfte—Mutation und Drift—sowie purifizierender (also Schadallele ausmerzender) Selektion auf die Evolution von DNA Sequenzen. Im Gegensatz dazu nahmen ”Selektionisten” an, dass positive Mutationen vorherrschten und deshalb positive Selektion Polymorphismus und Divergenz von DNA Sequenzen vornehmlich erklären wurden. Eine Losung dieser Debatte war mit den wenigen damals zur Verfügung stehenden Daten unmöglich. Nichtsdestotrotz wurde die Neutrale Theorie allgemein als Gerüst zur Erforschung populationsgenetischer Kräfte akzeptiert und fungierte als Null-Hypothese der molekularen Evolution. Als dann genomweite Sequenzdaten zur Verfügung standen, berichteten viele Studien über die weite Verbreitung von positiver Selektion und den Einfluss dieser auf benachbarte gekoppelte Regionen. Schließlich führte das zur Einschätzung, dass die neutrale Theorie fundamental inkompatibel mit den Daten sei, und dass eine neue Theorie der Evolution von DNA Sequenzen unter dem Einfluss von Selektion von Nöten wäre. Bei vielen dieser Studien sind aber entweder die Analysen mangelhaft und die Einflüsse der unterschiedlichen Kräfte wurden ungenau studiert, speziell wurde die Gesamtheit der nicht-adaptiven Kräfte nicht genau charakterisiert. Zu diesem Zweck sollten neutrale Modelle nachgeschärft werden und neue Komplexität in den Daten berücksichtig werden sowie die Analysemethoden angepasst werden. Diese Doktorarbeit will mit zwei Arbeiten zu diesem Ziel beitragen. Die erste Studie versucht den Mangel an einem neutralen Modell zu beheben, in dem alle bekannten nicht-adaptiven Kräfte des Genoms berücksichtigt werden. Sie identifiziert und beschreibt den relativen Beitrag von nicht-adaptiven populationsgenetischen Kräften zu den Mustern der neutralen Sequenzevolution anhand wahrscheinlich neutral evolvierender Regionen in kurzen Introns in Drosophila. Im Zuge der Untersuchungen wird die Existenz und Dynamik einer nicht-adaptiven Kraft beschrieben, nämlich des GC-Überhangs bei der Genkonversion (gU¨ GK), und gezeigt, dass der Effekt von gekoppelter Selektion (engl: linked selection) in früheren Studien missinterpretiert wurde, weil gU¨ GK nicht berücksichtigt wurde. Diese Arbeit zeigt, dass der weitreichende Einfluss von Selektion postuliert wurde, ohne dass der Einfluss von bekannten nicht-adaptiven Kräften in einem biologisch relevanten Null-Modell berücksichtigt wurde. Die zweite Studie zeigt die Erklärungsmöglichkeiten eines neutralen Modells. Eine neutrale Region wird verwendet um die Präsenz und die Größe des Effekts der Selektion auf die Zusammensetzung der Basensequenzen einer essenziellen cis-regulatorischen Region zu zeigen, die für das Spleißen wichtig ist. Im Kontrast zur Asymmetrie der DNA-Muster in einem neutral evolvierenden Szenario, wird der Effekt purifizierender Selektion, die zu frühes Spleißen verhindert, auf die DNA-Muster in dem cis-regulatorischen Element gezeigt. Diese Arbeit weist die Einschätzung der Unzulänglichkeit der neutralen Theorie zurück und zeigt, anstatt dessen, wie nützlich diese ist, um die Richtung und die Auswirkungen der Selektion mit einem richtig gewählten Ansatz zu zeigen. Zusammengenommen unterstreicht diese Doktorarbeit die Wichtigkeit von verfeinerten neutralen Modellen im Zeitalter der Genomik ohne die wichtige Rolle der Selektion zurückzuweisen oder zu suggerieren, dass es keinen Zusammenhang zwischen Selektion und Genomevolution gibt. Anstattdessen wird die Selektion als eine der populationsgenetischen Kräfte der Sequenzevolution zusammen mit den anderen nicht-adaptiven Kräften erkannt. Ich hoffe, diese Doktorarbeit zeigt einen Ansatz der zwischen den Standpunkten der momentanen Debatten um den Einfluss von neutralen und selektiven Kräften vermittelt.
Type (eng)
Dissertation
Language
[eng]
Persistent identifier
https://phaidra.vetmeduni.ac.at/o:4623
AC number
AC17640559
DOI
10.34876/ns6y-r694
Number of pages
123
Date issued
2023
License
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