嵌合现象如何影响选择推断？揭秘普通狨猴基因组中纯化、正向和平衡选择的进化动力学

本研究针对普通狨猴(Callithrix jacchus)高频双胞胎出生和造血嵌合现象对群体遗传学分析带来的挑战，开发了整合双胞胎出生率和嵌合采样的进化基线模型。通过分布适合度效应(DFE)推断和选择扫描分析，发现相较于人类，狨猴呈现更强纯化选择效应，鉴定出34个与免疫、感官和繁殖相关的基因受到近期正向选择，MHC区域两个基因(CAJA-DPA1/DPA2)存在平衡选择证据。该研究为理解非标准生殖生物学特性对选择推断的影响提供了重要方法论框架。

　　

在灵长类生物医学研究领域，普通狨猴(Callithrix jacchus)作为重要模式生物的地位日益凸显，特别是在衰老研究、基因编辑治疗、神经科学和干细胞研究等领域。然而，这个物种展现出的两个独特生物学特性——高频率双胞胎出生和普遍存在的造血嵌合现象(hematopoietic chimerism)，给标准的群体遗传学分析方法带来了巨大挑战。当从单个狨猴采集的组织样本中包含其双胞胎兄弟姐妹的遗传物质时，传统的选择推断方法可能会产生严重偏差。

尽管首个狨猴基因组在十多年前就已发布，但迄今为止对该物种的群体基因组研究主要局限于全基因组水平的遗传多样性和分化程度表征，以及基于遗传搭车效应(genetic hitchhiking)模式的基因组扫描。近期有研究首次探讨了双胞胎和嵌合现象对中性群体历史推断的影响，表明如果忽略这些因素可能导致对种群历史的严重错误推断。然而，尚无研究尝试类似地建模或量化双胞胎和嵌合现象对选择推断的影响，尽管这些生物学特征在塑造基因组变异水平和模式中发挥着重要作用。

为了解决这一知识空白，由亚利桑那州立大学进化与医学中心的Vivak Soni、Cyril J. Versoza、Susanne P. Pfeifer和Jeffrey D. Jensen组成的研究团队开展了一项深入研究。他们开发了能够解释狨猴独特生物学特性的进化基线模型，首次实现了对该物种全基因组选择动力学的全面表征。这项开创性工作为了解普通狨猴中持续性和间歇性选择力量的景观提供了重要见解，研究成果发表在《Heredity》期刊。

研究团队采用了多种先进的技术方法：利用15只普通狨猴的全基因组测序数据(平均覆盖度35×)，通过BWA-MEM进行序列比对并使用GATK进行变异检测；更新了447种哺乳动物多物种比对中的狨猴基因组数据，精确估计外显子分化水平；采用SLiM进行前向时间模拟，整合双胞胎出生和嵌合采样框架；基于SweepFinder2和BoMAF方法进行选择性清除和平衡选择检测；使用DAVID进行基因功能富集分析，并通过SnpEff鉴定同义和非同义突变。

DFE推断结果

通过模拟分析拟合观察到的外显子分化模式以及遗传变异和位点频谱摘要统计量，研究发现狨猴新突变的DFE特征表现为大量强有害和近中性变异比例较高，弱/中度有害突变比例较小。与人类群体相比，狨猴显示出更高比例的强有害变异和更低的近中性变异比例，这与狨猴较大的长期有效群体大小(Ne)一致，导致纯化选择效力增强。

嵌合现象对选择推断的影响评估

通过模拟分析评估双胞胎和嵌合现象对基于SFS的选择性清除和平衡选择推断方法的影响，研究发现虽然双胞胎和嵌合现象对清除推断能力影响不大，但检测平衡选择的能力显著降低。双胞胎单独效应可视为群体内亲缘关系增加和有效群体大小减少，而嵌合采样已显示能够将SFS偏向中间频率等位基因，这可能干扰平衡选择的检测。

构建了包含该种群估计历史、双胞胎出生和嵌合采样、编码区DFE以及突变和重组率异质性的基线模型。检测选择性清除的能力自然取决于有益突变的选择强度、引入时间和评估窗口大小。虽然群体瓶颈可以复制与选择性清除相关的变异模式，但狨猴的这种减少并不足够严重以至于强烈降低能力或增加错误发现率。

平衡选择的检测对这些因素更为敏感，因为双胞胎与嵌合现象以及中等群体瓶颈都能够产生中间频率等位基因的过量。检测平衡选择的能力强烈取决于平衡突变引入后的时间。

普通狨猴基因组中的正向选择特征

利用进化基线模型的阈值，研究鉴定了10,599个具有统计学显著证据表明经历选择性清除效应的位点，映射到狨猴基因组中的216个基因。基因功能分析发现了几个与细胞成分、序列特征和基因调控相关的富集类别。

免疫相关基因在脊椎动物中进化最快，这是由于应对病原体暴露的进化军备竞赛。三个肿瘤相关基因被鉴定为可能性表面峰值处的近期正向选择候选基因。EPHB1基因位点具有最高的CLR值，该基因在免疫细胞发育和功能中发挥关键作用。肿瘤抑制基因RPH3AL既是近期正向选择的候选基因，又表现出异常高的固定率。调控细胞生长的BRAF基因是人类中原癌基因，其中强激活突变被认为在人类中经历选择性清除动态。

普通狨猴基因组中的平衡选择特征

相比之下，只有14个强支持候选区域满足平衡选择推断的零模型阈值，映射到普通狨猴基因组中的四个基因。研究手动策划了这个集合，鉴定出两个MHC基因：CAJA-DPA1和CAJA-DPA2。

MHC位点经常在多个物种中被发现与平衡选择相关，多态性共享是平衡选择的一个特征，已在人类群体之间和猿类中发现。DPA1基因中平衡选择的额外支持最近以非洲猿类共享的跨物种多态性形式被提出。

本研究首次推断了普通狨猴基因组中近期和长期的自然选择模式。研究估计了一个良好拟合的DFE来模拟纯化和背景选择效应，这额外解释了解释观察到的外显子分化模式。研究发现与人类相比，狨猴中新出现的强有害变异比例增加，这可能与其较大的估计长期有效群体大小有关。

为了在狨猴基因组中首次进行大规模扫描经历选择性清除和/或平衡选择的位点，研究团队利用最近估计的种群历史、推断的DFE以及关于突变和重组率异质性的现有知识，生成了一个进化基线模型，在该模型构建中考虑了普通双胞胎出生和特定于该物种的嵌合采样的生殖动态。利用这种保守方法来减少错误发现率，鉴定出了许多与生物医学和进化兴趣相关的基因，包括与免疫、感官和繁殖功能相关的基因。值得注意的是，这些基因集特别强调了MHC基因具有经历长期平衡选择的强有力证据，这与灵长类进化枝中积累的大量工作一致。

这项研究的意义不仅在于提供了对普通狨猴选择动力学的首次全基因组表征，更重要的是建立了一个能够解释非标准生殖生物学特性的进化分析框架。该框架为未来在具有类似生物学特性的物种中进行选择推断研究提供了方法论基础，特别是在那些表现出高频多胎出生或嵌合现象的生物医学重要模式生物中。研究结果还为了解免疫系统进化、感官适应和繁殖策略的分子基础提供了宝贵见解，这些发现可能对人类生物医学研究产生重要启示。