Fixation probabilities in graph-structured populations under weak selection

固定(群体遗传学) 自然选择 人口 组合数学 数学 选择(遗传算法) 计算机科学 生物 遗传学 人工智能 基因 人口学 社会学
作者
Benjamin Allen,Christine Sample,Patricia Steinhagen,Julia Shapiro,Matthew C. King,Timothy Hedspeth,Megan Goncalves
出处
期刊:PLOS Computational Biology [Public Library of Science]
卷期号:17 (2): e1008695-e1008695 被引量:35
标识
DOI:10.1371/journal.pcbi.1008695
摘要

A population’s spatial structure affects the rate of genetic change and the outcome of natural selection. These effects can be modeled mathematically using the Birth-death process on graphs. Individuals occupy the vertices of a weighted graph, and reproduce into neighboring vertices based on fitness. A key quantity is the probability that a mutant type will sweep to fixation, as a function of the mutant’s fitness. Graphs that increase the fixation probability of beneficial mutations, and decrease that of deleterious mutations, are said to amplify selection. However, fixation probabilities are difficult to compute for an arbitrary graph. Here we derive an expression for the fixation probability, of a weakly-selected mutation, in terms of the time for two lineages to coalesce. This expression enables weak-selection fixation probabilities to be computed, for an arbitrary weighted graph, in polynomial time. Applying this method, we explore the range of possible effects of graph structure on natural selection, genetic drift, and the balance between the two. Using exhaustive analysis of small graphs and a genetic search algorithm, we identify families of graphs with striking effects on fixation probability, and we analyze these families mathematically. Our work reveals the nuanced effects of graph structure on natural selection and neutral drift. In particular, we show how these notions depend critically on the process by which mutations arise.
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