Модель NK суровых фитнес-ландшафтов состоит из сайты, где вклад каждого сайта в пригодность зависит от его состояния и подвергается эпистатическому воздействию другие сайты. При определении модели Кауфман и Вайнбергер (1989) подчеркнули, что:
Фактическая структура [фитнес] ландшафтов, хотя и известна, в настоящее время неизвестна.
Затем они предполагают, что либо эпистатические взаимодействия осуществляются с соседними сайтами в линейном порядке, либо случайным образом, и что каждому из этих участков присваивается приспособленность. эпистатические комбинации на каждом участке равномерно случайным образом в . Хотя это определенно возможно оправдать это случайное поколение, оно имеет тенденцию создавать очень структурированные фитнес-ландшафты, которые, хотя и суровые (для высоких ), имеет очень регулярное распределение локальных оптимумов пригодности. Как ученый-компьютерщик, это предположение о произвольном случайном распределении по возможным ландшафтам НК кажется очень ошибочным. Я был бы более удобен с анализом наихудшего случая на «разумном» (надеюсь, как определено экспериментом) подмножестве возможных ландшафтов NK.
Что известно о типичной структуре ландшафтов НК в биологических доменах? Кроме того, есть ли примеры биологических работ, которые проводят наихудший случай вместо произвольного случайного анализа некоторого нетривиального подмножества ландшафтов? Единственный пример, с которым я знаком, — это устройства, используемые Вайнбергером (1996), чтобы показать, что неограниченная модель является NP-трудной , но это тривиальное подмножество (все возможные ландшафты), не представляющее интереса с биологической точки зрения.
Кауфман, С. и Вайнбергер, Э. (1989) Модель NK суровых фитнес-ландшафтов и ее применение для созревания иммунного ответа. Журнал теоретической биологии , 141(2): 211-245.
Вайнбергер, Э. (1996). NP-полнота модели Nk Кауфмана, Tuneable Rugged Fitness Landscape. Рабочий документ Института Санта-Фе , 96-02-003.
О структуре фитнес-ландшафтов известно очень мало .
HA Orr (2005; также Whitlock et al., 1995; Кряжимский et al., 2009) объясняет, что большинство экспериментальных результатов на самом деле не пытаются измерить ландшафт приспособленности , а вместо этого сообщают только среднюю приспособленность в зависимости от времени и среднее количество приобретенных адаптаций. против времени. Его нельзя использовать для различения эпистатических взаимодействий или какой-либо комбинаторной структуры ландшафта. В целом, теория адаптивных прогулок разрабатывалась без привязки к реальным данным, и даже самые совершенные теории могут соответствовать только смутным качественным образом (лучший пример, который я знаю, см. Кряжимский и др., 2009).
Сендро и др. (2013) провели обзор нескольких недавних экспериментов, в которых проводилось методическое изучение всех мутаций в подмножестве локусов модельных организмов, но в большинстве исследований (6 из 12) удалось эмпирически реализовать лишь небольшие ландшафты приспособленности всего из 4–5 локусов ( от 16 до 32 вершин) , при этом самый большой ландшафт полной пригодности имеет длину 6 со всеми 64 исследованными вершинами (Hall et al., 2010), а наибольшее количество вершин в одном исследовании составляет 418 из возможных 512 в длину. 9 пейзаж (O'Maille et al., 2008). Это чрезвычайно маленькие ландшафты, и поэтому они не имеют большой силы для различения предлагаемых теоретических моделей.
После долгих поисков мне не удалось найти примеры того, как теоретики проводили анализ фитнес-ландшафтов в наихудшем случае. Наиболее близка к анализу наихудшего случая теория Орра-Гиллеспи (Гиллеспи, 1991; Орр, 2002; 2006; Кряжимский и др., 2009), которая предполагает, что дикий тип все еще очень пригоден после изменения окружающей среды и, следовательно, полезных мутаций. очень скорость. Это позволяет авторам ввести теорию экстремальных значений и рассматривать только асимптотические свойства хвостов распределения, что позволяет проводить более общую обработку с меньшим количеством параметров; в ряде случаев приводит к полной классификации адаптивных траекторий (Кряжимский и др., 2009). Этот подход легче связать с экспериментом, но, к сожалению,полностью игнорирует комбинаторную структуру (за пределами первого порядка) ландшафта пригодности и всегда просто выбирает следующий потенциальный мутант из хвоста распределения, не принимая во внимание, как он прогрессирует в ландшафте. Хотя Orr (2006) представил основы структуры фитнес-ландшафта, структура была намного проще, чем модель NK; он использовал блочную модель Перельсона и Маккена (1995), в которой каждый блок был полностью неструктурирован, кроме первого порядка.
Гиллеспи, Дж. Х. (1991). Причины молекулярной эволюции . Издательство Оксфордского университета.
Холл Д.В., Аган М. и Поуп С.К. (2010). Фитнес-эпистаз среди 6 биосинтетических локусов у почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Журнал наследственности , 101: S75-S84.
Кряжимский С., Ткачик Г. и Плоткин Дж. Б. (2009). Динамика адаптации на коррелированных фитнес-ландшафтах. проц. Натл. акад. науч. США 106(44): 18638-18643.
О'Мэйл, П.Э., Мэлоун, А., Деллас, Н., Хесс, Б.А., Сментек, Л., Шихан, И., Гринхаген, Б.Т., Чаппелл, Дж., Мэннинг, Г., и Ноэль, Дж.П. (2008 г. ). Количественное исследование каталитического ландшафта, разделяющего расходящиеся сесквитерпенсинтазы растений. Nature Chemical Biology , 4(10): 617-623.
Орр, HA (2002). Популяционная генетика адаптации: адаптация последовательностей ДНК. Эволюция 56: 1317-1330.
Орр, HA (2005). Генетическая теория адаптации: краткая история. Nature Reviews Genetics 6(2): 119-127.
Орр, HA (2006). Популяционная генетика адаптации на коррелированных фитнес-ландшафтах: блочная модель. Эволюция 60(6): 1113-1124.
Перельсон, А.С., и Макен, Калифорния (1995). Белковая эволюция частично коррелированных ландшафтов. проц. Натл. акад. науч. США 92:9657-9661.
Сендро, И.Г., Шенк, М.Ф., Франке, Дж., Круг, Дж., и де Виссер, JAG (2013). Количественный анализ эмпирических фитнес-ландшафтов. Журнал статистической механики: теория и эксперимент 2013 (01): P01005.
Уитлок, М.С., Филлипс, ПК, Мур, Ф.Б.-Г., и Тонсор, С.Дж. (1995). Множественные фитнес-пики и эпистазы. Анну. Преподобный Экол. Сист. 26: 601-629.
WYSIWYG
Артем Казначчеев