thomas bataillon - présentation mee 2013

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Fitness Landscapes & Dynamics of Adapta4on & … what can we infer from pa9erns of phenotypic and molecular evolu4on? Thomas Bataillon Bioinforma4cs Research Center (BiRC), Aarhus University, Denmark. ISEM, Universite de Montpellier ( Un4l July 2013)

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Page 1: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

 Fitness  Landscapes  &  Dynamics  of  Adapta4on  &  …    what  can  we  infer  from  pa9erns  of  phenotypic  and  molecular  evolu4on?    Thomas  Bataillon  Bioinforma4cs  Research  Center  (BiRC),  Aarhus  University,  Denmark.  ISEM,  Universite  de  Montpellier  (  Un4l  July  2013)  

Page 2: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Muta4on  &  Fitness  landscapes  &  Evolu4on  Why  do  I  care  ?  

 Open  ended  vs.  Close  evolu6on      Evolu6onary  Poten6al      Proper6es  of  beneficial  muta6ons?  •  BIG  or  small  effects  ?    à  Distribu6on  of  fitness  effects  (DFE)  •  DOMINANT  or  recessive,  etc?  •  Ecologically  specialized  or  broadly  beneficial  ?  

Page 3: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Which  model  can  account  for  the  proper4es  of    muta4ons  that  ma9er  for  adapta4on?  à  What  data  do  we  have  to  challenge  models?    

Mutation fitness effect, s

Page 4: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Predic4ng  DFE  

Heuristics “In a well adapted population, virtually (almost) all mutations with a measurable fitness effect will suck”

à Extreme Value Theory • Gillespie’s seminal work (1984, …) • Orr (2002,…)

Explicit fitness landscape models “Current level of adaptation matters as well as the genetic architecture underlying fitness”

Fisher’s “geometric” landscape

Other landscapes e.g. stick breaking

Page 5: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Distribu4ons  of  fitness  effects  and  extreme  value  theory:  “look  on  the  right  …”  

A.  H.  Orr,  The  Distribu,on  of  Fitness  Effects  Among  Beneficial  Muta,on,  Gene6cs  2003.      

J.  H.  Gillespie,  Molecular  evolu,on  over  the  muta,onal  landscape,  Evolu6on,1984  

Extreme  value  theory  

Fitness  

Page 6: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

 EVT  limi4ng  distribu4on:  Generalized  Pareto  distribu4on

κ<  -­‐1  

κ=-­‐1  

Beisel  et  al  Gene4cs  2007…  

Page 7: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Explicit  fitness  landscape  

Genotypes  à  Fitness  Genotypesà  Phenotype(s)àFitness      DFE  Expected  dynamics  of  fitness  over  4me  Expected  level  of  molecular  //ism  etc.  

Martin & Lenormand Evolution 2006 Chevin et al Evolution 2010 Lourenço et al Evolution 2011

Page 8: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

DFEs  &    Experimental  Evolu4on  data    

• What  kind  of  data?  – Fitness  of  strains  differing  by  single  step  from  an  ancestral  strain  – Fitness  trajectory  over  4me    – Snapshot  of  genomic  diversity  over  4me    

Page 9: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Assaying  collec4on  of  genotypes  “one  step”  away  from  a  wild  type  

Selective

Count

0

20

40

60

80

100

120

140

Permissive

Absolute fitness0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

0

20

40

60

80

100

120

140

Kassen  &  Bataillon  Nat  Gen  2006,  Bataillon  et  al  Gene4cs  2011  

Page 10: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

 EVT  limi4ng  distribu4on:  Generalized  Pareto  distribu4on

κ<  -­‐1  

κ=-­‐1  

Beisel  et  al  Gene4cs  2007…  

Page 11: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Inferring  the  distribu4on  of  beneficial  muta4ons  fixed  /  on  their  way  to  fixa4on    

Schoustra  et  al  PLOS  Biol  2009  

Page 12: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Inferring  parameters  of  Fisher’s  phenotypic  landscape    with  Exp  Evolu4on  data  

with  L.  Perfeito  A.  Sousa  &  I  Gordo  (IGC,  Portugal)  

• DATA (E. coli) • Patterns of fitness decline in a mutation accumulation experiment • 50 lines ca 230 gens

• Patterns of fitness recovery over 240 generations

• MODEL: Fisher’s geometric fitness landscape • PARAMETERS

– Genome wide mutation rate U – Number of indep traits underlying fitness n – Mean effect of a mutation – Distance to opimum (here ZERO)

Page 13: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Temporal  dynamics  of  fitness  b  

d  f  

Trindade  et  al  Phil  Trans  Roy  Soc  2010  

Page 14: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

ABC  in  a  nutshell  

• Principle  :approximate  the  likelihood  or  posterior  distribu4on  of  the  parameters  • Replace  the  whole  data  D  by  a  joint  set  of  summary  sta4s4cs  • Simulate  data  under  your  (pet)  model  

• Prac4ce  • Choose  summary  sta4s4cs  that  have  worked  in  known  contexts  • Use  (crude)  rejec4on  sampling  to  approximate  P(S)  • Validate  with  simulated  data  

Page 15: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Proper4es  of  Fisher’s  fitness  landscape  as  inferred  by  experimental  data  

Page 16: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013
Page 17: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013
Page 18: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013
Page 19: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Fitness  decline  depends  on  star4ng  fitness  Δ  fitness  o

ver  1

0  bo

9len

ecks  

Page 20: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Fitness  recovery  also  depends  on  ini4al  fitness  

Page 21: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

DFEs  predicted  by  the  data  under  Fisher’s  model  

Page 22: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Sta4s4cal  performance  of  the  approx.  Bayesian  framework  

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5e−04 2e−03 5e−03 2e−02 5e−02 2e−01

5e−0

42e−0

35e−0

32e−0

25e−0

22e−0

1

Estimating U

True U

ABC

est

imat

e of

Uunbiasedactual bias (lowess)

Es4mated  U  

True  genome-­‐wide  muta4on  rate  (U)  

Page 23: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

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5 10 15 20

510

15

Estimating Number of dimension (ndim)

True ndim

ABC

est

imat

e of

ndi

m

unbiasedactual bias (lowess)

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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Estimating Rmax

True Rmax

ABC

est

imat

e of

Rm

ax

unbiasedactual bias (lowess)

Page 24: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013
Page 25: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Inferring  DFE  from  polymorphism  and  divergence  (1)  

Assump4ons:  1.  Synonymous  muta4ons  are  

to  first  approxima4on  neutral  

2.  Non-­‐synonymous  muta4ons  might  be  neutral  deleterious  or  beneficialà  DFE  

 Bad  muta4ons  are  ojen    pre9y  rare  à  examine  site  frequency  spectrum  (SFS)  

Hvilsom  et  al.  PNAS    2012  

Page 26: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Inferring  DFE  from  polymorphism  and  divergence  (2)  

•  SFS  based  methods  assume:    –  Stable  popula4on  or  some  

explicit  model  –  Neutral  synonymous  –  Non-­‐Synonymous  

polymorphism  is  always  deleterious    

–  a  frac4on  α  of  non-­‐syn  divergence  are  beneficial.  

   (but  see  RSS  models)    Keightley  &  Eyre-­‐Walker  MBE  2009    

|Ns|<1  1<|Ns|<10   10<|Ns|<100  

|Ns|>100  

Hvilsom  et  al.  PNAS    2012  

Page 27: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Puong  it  all  together…  can  we  steer  way  from  dangerous  assump4ons?  

−15 −10 −5 0

020

4060

8010

012

0

S=4Nes

EPn

or E

Dn

φ(S) rescaledEPnEDn

−15 −10 −5 0 5

020

4060

8010

0

S=4Nes

EPn(

S) a

nd E

Dn(

S)

EPsEPnESnEDn

Page 28: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Single  stat  summaries  of  polymorphism  &  divergence  alone  are  not  good  enough    

à  SFS  or  MK  counts  

 Expecta6on  for  the  direc6on  Of  Selec6on  

−100 −80 −60 −40 −20 0

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1

0.0

0.1

S

Dire

ctio

n O

f Sel

ectio

n (d

os)

dos ≡Dn

Dn +Ds−

PnPn +Ps

Mean DOS

var(DOS)

Expecta6on  for  MK  counts  

−15 −10 −5 0 5

020

4060

8010

0

S=4Nes

EPn(

S) a

nd E

Dn(

S)

EPsEPnESnEDn

Page 29: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Structure  of  an  extended  MK  model  

Data  

Pol Syn

Freq

uenc

y

0 5 10 15 20 25

02

46

810

Singleton Syn

Freq

uenc

y

2 4 6 8 10 12

05

1015

Diverg. Syn

Freq

uenc

y

0 5 10 15 20 25 30

02

46

8

Pol Non Syn

dataS$PNobs

Freq

uenc

y

0 5 10 15 20 25

02

46

810

12

Singleton Non Syn

dataS$SNobs

Freq

uenc

y

0 5 10 15

05

1015

Diverg. Non Syn

dataS$DNobs

Freq

uenc

y

0 5 10 20 30

02

46

8

Hierarchical  model  for  counts  of  polymorphism  &  divergence  

ξ η Δ are indepPoisson with means functions of Ne, r, Φµ Φs

Φs�smax,smean,Β�

s

ΦΜ�Α,Β�

Μ

Θ

Ne

Η1, Η2,..., Ηn�1

Sr

Ξ1, Ξ2,..., Ξn�1 �syn �ns

Page 30: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

“Chimps  in  a  nutshell”  Gonder M K et al. PNAS 2011;108:4766-4771

12  wild-­‐born  unrelated  chimpanzees  (CENTRAL)  Aboume Amelie Ayrton Bakoumba Benefice Chiquita Cindy Lalala Makokou Masuku Noemie Susi

Pääbo,  Nature  421,  409-­‐412(23  January  2003)  doi:10.1038/nature01400  

6  Western  

11  Eastern  

Page 31: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

(Chimp)Polymorphism  &    (Chimp)  divergence  

Chimpanzee  Human  (hg  19)  

Human  –  Chimp  ancestor  Divergence  

Orangutan  

Page 32: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Numbers  of  coding  SNPs  and  fixed  differences  with  humans  

Autosome   X chromosome  Number of synonymous sites called   3287414   172476  Number of non-synonymous sites called   11380785   600624  

Number of synonymous SNPs   32942   808  Number of non-synonymous SNPs   26462   617  

Synonymous divergence with humans   32548   1223  Non-synonymous divergence with humans   20632   1054  

Page 33: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

DFEs  inferred  from  exome  polymorphism  &  divergence  

−60 −40 −20 0

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

DFE inferred from exome Pol & divergence

S= 4Nes

φ(S)

Deleterious Beneficial

chromosome Xchromosome 4, 7, 9, 10

•  n=87-­‐90  windows  comprising  10kb  of  called  exon  material  

•  Varia4on  in  muta4on  rate  •  Poor  fit  with  7  parameters  

rela4ve  to  a  saturated  model  

Page 34: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

fitness  effects  of  deleterious  muta4ons  on  autosomes  Vs.  X  chromosome  

Purifying  selec4on  at  least  as  efficient  on  the  X  chromosome      

!"

!#$"

!#%"

!#&"

!#'"

!#("

!#)"

!#*"

+,-./"01,23-" 4/5657"6151213/8,."

9151213/8,." :137"6151213/8,."

;<3/=-" >,38?1"Distribu4on  of  fitness  effects  in  human  popula4ons  show  weaker  selec4on    (values  from  Eyre-­‐Walker  and  Keightley  2009)  

|Ns|<1  1<|Ns|<10   10<|Ns|<100  

|Ns|>100  

Page 35: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

0.005 0.010 0.015 0.020

050

100

150

!

Den

sity

priorMC approx Posterior

−1 0 1 2 3 4 5 6

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

density.default(x = margPost, bw = 0.35)

Smax

Density

Page 36: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Many  thanks  to    •  Experimental  Evolu4on  

–  Rees  Kassen,  Sijmen  Schoustra  &  Gordo  group  – Guillaume  Mar4n,  Thomas  Lenormand  and  Paul  Joyce  for  numerous  discussions  

•  Pa9erns  of  molecular  polymorphism  &  divergence  – Mikkel  Schierup,  Thomas  Mailund,  C.  Hvilsom,  Yu  Qian  (chimp  exomes)  

– Nicolas  Gal4er  &  Sylvain  Glemin  (MK-­‐DFE).  •  Money  UM2,  FNU,  French  Embassy  in  O9awa,  ERC.  

Page 37: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Cleaning  of  the  exome  data  •  Minimize  rela4onship  between  

coverage  and  human-­‐chimpanzee  divergence  

•  Restrict  analyses  to  exons  with  >  20X  and  <  100X  coverage  in  all  12  individuals  

•  Exclude  exons  in  duplicated  regions  

è   48%  of  all  exons  included.  For  these,  genotypes  of  SNPs  could  be  called  in  all  individuals  (12  Central  Chimpanzees)  

Page 38: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

log10(length in bp)4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

050

100

150

200

250

300

350

A  non  sophis4cated  survey  for  Sweeps  

•  Bin  exome  data  in  con4guous  windows  comprising  10kb  of  exon  (n=2069)  

•  Use  polymorphism  and  divergence  to  compute  –  Synonymous  divergence  (Ds)  to  

control  for  varia4on  in  muta4on  rate  

–  Standardized  measure  of  polymorphism  per  window  

–  Index  for  direc4on  of  selec4on  DoS  =    Dn/(Dn+Ds)  -­‐  Pn/(Pn+Ps)  

Page 39: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

!!!

MODEL  

Φs�smax,smean,Β�

s

ΦΜ�Α,Β�

Μ

Θ

Ne

Η1, Η2,..., Ηn�1

Sr

Ξ1, Ξ2,..., Ξn�1 �syn �ns

DATA  

Page 40: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

40/37

Assaying 18 mutants in 96 new environments

How specialized are beneficial mutations?

Page 41: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

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Assaying Top 18 mutants in 96 new environments How specialized are mutants?

→ They are NOT

Page 42: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

A  non  sophis4cated  survey  for  Sweeps  reveals  a  major  Sweep  on  Chr  3  

●● ●

●●

●●

●●

● ●

●●●

●●

● ●

●●

●●

● ●

●●

● ●

●●

●●

−0.4

0.0

ch3$start

DO

S

−2.0

−0.5

1.0

ch3$start

Std

. Pol

C

−2.0

−0.5

ch3$start

Std

. Pol

E

0 20 40 60 80 100 120

−3.0

−1.0

coordinate CHR3

Std

. Pol

W

Page 43: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

THE  DATA  :  Experimental  set  up  (P.  fluorescens)  

•  Use  a  single  strain  (SBW25)  •  Use  an4bio4c  resistance  to  ‘trap’  

new  single  step  resistance  muta4ons  –  2016  popula4ons  assayed  –  n  =  673  mutants  collected  

•  Replicated  assays  to  characterize  pleiotropic    fitness  effects  of  muta4ons  

•  Compare  with  the  “wild”  type    …  

LB  

500  cells  

~  108  cells  

Agar  +  nalidixic  acid  

Page 44: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

What  does  natural  selec4on  ‘see’?  

Selective

Count

0

20

40

60

80

100

120

140

Permissive

Absolute fitness0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

0

20

40

60

80

100

120

140

Wild  type  

Wild  type  has  zero  fitness  

LB  +    an6bio6c  

LB  

• 673  nalR  mutants  isolated  (from  2016  screened)  

• 28  mutants  fi9er  than  wild  type  

Kassen  &  Bataillon  Nat  Gen  2006  

Page 45: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

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BIOLOG Setting

Assaying 18 mutants in 96 new environments How specialized are beneficial mutations?

Are GxE important relative to a random set of mutation ?

Random 63 Top 18

Page 46: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

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Assaying Top 18 mutants in 96 new environments → A variety of shapes for fitness effect

Page 47: Thomas Bataillon - présentation MEE 2013

Assaying  Top  18  mutants  in  96  new  environments  H0:  muta4on  effects  are  exponen4al  

Ha:    muta4on  effects  are  GPD  

pvalues  

Freq

uency  

0.0   0.2   0.4   0.6   0.8   1.0  

0  5  

10  

15  

Combined  p-­‐values  (Fisher’s  procedure)  p=0.0002  

95  Different  carbon  source  +Water