Inferring and Understanding Adaptation from Patterns of Genetic Diversity

Abstract

The central goal of population genetics is to infer the evolutionary history of a population from observed genetic variation. However, the myriad of evolutionary processes often leave ambiguous signatures, so it can be difficult to reconstruct the evolutionary past. Classical methods typically assume that sequence variation is shaped by neutral processes such as generation to generation sampling variance, i.e., genetic drift.

During the course of my doctoral work, I have undertaken several projects aimed at analyzing populations that are dominated not by neutral processes but by adaptive ones. First, the HIV population within an infected patient experiences strong selection due to immune pressure, and a low recombination rate causes beneficial mutations to sweep concurrently and interfere. To this end, I constructed a realistic model for the evolution of HIV and a method for inferring the selection coefficients of beneficial mutations thereby. Second, many tests of natural selection fail to distinguish between demographic expansion and rapid adaptation. Therefore, I developed a novel method that quantifies the collective effect of many mutations in the genome. The method does not depend on assumptions about demography and can indicate whether genetic draft (i.e., widespread hitchhiking) or genetic drift is the major factor shaping neutral variation. Finally, qualitative differences between rapidly adapting and neutrally evolving asexual populations, such as the statistics of their genealogies, are increasingly well understood, so I contributed to a project that extends coalescence in asexual populations to sexual populations. Properties of sexual populations can therefore be reduced to those of asexual populations, with suitably rescaled parameters.

With this work, I have helped to further a broad and current research program that recognizes the critical role of linked selection, interference, and genetic draft in interpreting patterns of genetic diversity.

Das Hauptziel der Populationsgenetik ist, die evolutionäre Vergangenheit einer Population aus der beobachteten genetischen Variation zu rekonstruieren. Jedoch kann die Vielfalt evolutionärer Prozesse vieldeutige Signaturen hinterlassen und diese Inferenz erschweren. Klassische Methoden setzen normalerweise als gegeben voraus, dass die genetische Variation durch neutrale Prozesse, wie zum Beispiel Sampling-Varianz von Generation zu Generation (genetische Drift), bestimmt wird.

In meiner Doktorarbeit bschreibe ich verschiedene Projekte, deren Zweck war, Populationen zu analysieren, die nicht durch neutrale sondern adaptive Prozesse dominiert werden. Zum Einen ist die Population des HI-Virus innerhalb eines Patienten stärker natürlicher Selektion durch das Immunsystem ausgesetzt. Seltene Rekombination hat zur Folge, dass mehrere adaptive Mutationen miteinander konkurrieren und sich gegenseitig beeinflussen. Ich habe ein realistisches Model für die Evolution des Virus und eine Methode für die Inferenz von Selektionskoeffizienten der adaptiven Mutationen entwickelt. Zum Andern sind viele Tests auf natürlichen Selektion wenig geeignet, zwischen demographischer Expansion und schneller Adaption zu unterscheiden. Deshalb habe ich eine neue Methode entwickelt, welche den kollektiven Effekt natürlicher Selektion auf viele Mutationen im gesamten Genom quantifiziert. Die Methode ist unabhängig von der demographischen Geschichte und erlaubt zu entscheiden ob genetische "Draft" oder genetische Drift der hauptsächliche Faktor ist, der neutrale Variation dominiert. Darüberhinaus werden qualitative Unterschiede zwischen schnell adaptierenden und neutral evolvierenden asexuellen Populationen zunehmend besser verstanden, zum Beispiel die Statistik ihrer Genealogien. Ich habe an der Entwicklung einer Theorie der Koaleszenz in schnell adaptierenden sexuellen Populationen mitgewirkt. Eigenschaften sexueller Populationen konnten durch geeignetes Reskalieren der Parameter auf das äquivalente Problem in asexuellen Populationen zurückgeführt werden.

Mit diesen Projekten habe ich zu dem breiten und aktuellen Forschungsprogramm beigetragen, das die wichtige Bedeutung von Genkopplung, Interferenz, und genetischem "Draft" bei der Interpretation der beobachteten genetischen Diversitätsmuster berücksichtigt.