A neutral theory of bacterial population genomics
Final Report Abstract
Die Hypothese des verteilten Genoms wurd in den 1990er Jahren für Bakterien aufgestellt. Die grundlegende Idee ist es, dass sich Populationen gerade dann schnell an Umweltänderungenanpassen können, wenn sie Gene horizontal austauschen können. Basierend auf diesen Ideen haben wir vor Projektstart bereits das "Unendlich viele Gene Modell (Infinitely Many Genes (IMG) model)" entwickelt. Basierend auf neutraler Evolution können Individuen Gene gewinnen (mit Rate θ/2) oder vorhandene Gene verlieren (mit Rate ρ/2 pro Gen). Dieses Modell sollte nun um biologisch relevante Mechanismen erweitert werden. 1) Horizontaler Gen-Transfer: Wir haben den Anzestraler Gen-Tranfer Graf (ATGT) eingeführt, der alle Informationen enthält, um eine Populationsstichprobe unter horizontalem Gen-Transfer im Gleichgewicht zu beschreiben. Dieser kann dazu genutzt werden, Momente von Statistiken, etwa der durchschnittlichen Anzahl unterschiedlicher Gene, zu erhalten. Allerdings sind diese Rechnungen recht kompliziert. 2) Punktmutationen auf vorhandenen Genen: Betrachtet man Daten verschiedener Individuen, muss man ein Kriterium finden, welche Gene als gleich zu betrachten sind. Dabei stellt man fest, dass auch durch Punktmutationen getrennte Gene als gleich eingestuft werden. Deshalb haben wir solche Punktmutationen in das IMG Modell eingebaut und einige interessante Ergebnisse gefunden. Treten etwa Gene in nur k der n Genome einer Stichprobe auf, so kann man sich fragen, ob diese Gene eine neutrale Signatur aufweisen. Uberprüft man dies mittels klassischer statistischer Tests basierende auf einer Stichprobe der Größe k, so weist dieser einen Fehler auf. Besser geht man vor, indem man das gemeinsame Gen-Site Frequenzspektrum ansieht, dessen Verhalten wir bestimmt haben. Weiterhin haben wir das IMG Modell in einer biologischen Arbeit aufbereitet, und einen statistischen Test mittels einer χ2-Teststatistik, basierend auf genomeweiten Daten einer Populations-Stichprobe aufgestellt. Bis dato vorhandene Daten von Cyanobakterien zeigten teilweise nicht-neutrales Verhalten (Synechococcus). Bei der Annahme von Neutralität konnten wir die effektive Populationsgröße von Prochlorococcus schätzen.
Publications
- Evolution of bacterial genomes under horizontal gene transfer. ISI Bernoulli World Congress, Dublin, 2011
F. Baumdicker and P. Pfaffelhuber
- The infinitely many genes model for the distributed genome of bacteria, Genome Biology and Evolution, 4, 443–456, 2012
F. Baumdicker, P. Pfaffelhuber, W. Hess
(See online at https://doi.org/10.1093/gbe/evs016) - The infinitely many genes model with horizontal gene transfer. Elec. J. Probab., 2014
F. Baumdicker and P. Pfaffelhuber
(See online at https://doi.org/10.1214/EJP.v19-2642) - The site frequency spectrum of dispensable genes. Theoretical Population Biology, Bd. 100, S. 13-25, 2015/3/1
Franz Baumdicker
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tpb.2014.12.001)
