Effect of drift, selection and recombination on the equilibrium frequency of deleterious mutations
我们研究了在随机遗传漂变、选择和重组的作用下种群进化的稳态，在这种作用下有害突变和反向有益突变都可能发生。我们发现，有害突变的平衡分数随着人口规模的增加而减少。我们精确地计算了在nonrecombining人口时，人口规模是无限的和一个中立的有限人口的稳态频率，并获得有害突变的分数上的界限。我们还发现，对于小的和非常大的人口，有害突变的数量依赖于重组弱，但对于中等规模的人口，重组的有害突变的影响。分析论证表明，重组减少不利的突变明显时，有益的突变是罕见的，是在适应微生物种群的情况下，而它有一个温和的影响密码子偏好之间的突变率的首选和非首选密码子是可比的。
2015-02-24 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
A tug-of-war between driver and passenger mutations in cancer and other adaptive processes
癌症进展是快速适应过程的一个例子，其中进化新的性状对于生存是必不可少的，并且需要高突变率。癌前细胞获得了一些关键突变，这些突变驱动了快速的人口增长和癌变。癌症基因组学表明，这些少数的“驱动”突变与数千个随机的“乘客”突变一起发生，这是癌症突变率升高的自然结果。有些乘客可能对癌细胞有害，但在癌症研究中却被大大忽视了。然而，在群体遗传学中，轻度有害突变的积累已被证明会导致群体崩溃。在这里，我们开发了一个随机的人口模型，有益的司机从事拔河与频繁的轻度有害乘客。这些乘客构成了癌症进展的障碍，这一障碍由临界人口规模和临界突变率来描述，在临界人口规模以下，大多数病变无法进展，而在临界突变率以上，癌症就会融化。我们在癌症年龄发病率和癌症基因组学数据中找到了对该模型的支持，这些数据也使我们能够估计司机的健身优势和乘客的健身成本。我们确定了两个制度的自适应演化动力学，并使用这些制度来合理化不同的治疗策略的成功和失败。我们发现，肿瘤的有害乘客的负荷可以解释以前矛盾的治疗结果，并建议它可能作为一个生物标志物的诱变治疗的反应。乘客的集体有害效应是目前尚未开发的治疗目标。我们讨论了当前和未来的治疗方法如何加剧它们的影响。
2014-02-25 q-bio.PE
Deleterious synonymous mutations hitchhike to high frequency in HIV-1 env evolution
在与适应性免疫系统的军备竞赛中，患者体内HIV-1的进化受蛋白质水平上的选择支配。当细胞毒性CD 8 + T细胞或中和抗体靶向一个新的表位时，病毒通常通过损害识别的非同义突变逃逸。同义突变不影响这种相互作用，通常被认为是中性的。我们分析了纵向患者内数据从C2-V5部分的包膜基因（env），并观察到，同义衍生的等位基因很少固定，即使他们经常达到高频率的病毒群体。我们发现，破坏gp 120可变环侧翼RNA茎中碱基对的同义突变比其他同义突变更容易丢失，暗示了HIV-1 RNA中这些茎环结构的直接适应性效应。计算模型表明，这些同义突变具有-0.002量级的（马尔萨斯）选择系数，并且它们通过搭便车邻近的有益非同义等位基因而被带到高频率。从纵向数据和与计算机模型的比较中估计的非同义突变的固定模式表明，C2-V5中的逃逸突变只是暂时有益的，因为免疫系统正在追赶或因为等效逃逸之间的竞争。
2013-03-04 q-bio.PE
Rare beneficial mutations can halt Muller's ratchet
绝大多数突变是有害的，并通过净化选择消除。然而，在有限的无性种群中，净化选择不能完全防止由于穆勒棘轮而积累的有害突变：一旦被随机漂移所丢失，最适合的基因型就永远丢失了。如果有害的突变被弱选择，穆勒的棘轮变成一个突变的“崩溃”，导致人口的适应性迅速下降。显然，无性种群的长期稳定需要有益突变的流入，以持续补偿弱有害突变的积累。在这里，我们提出，在一个静态的环境中，一个群体的稳定的进化状态是一个动态的突变选择平衡，有害突变的积累是平均抵消流入的有益突变。我们认为，这种状态存在于任何人口规模N和突变率$U$。假设有益突变和有害突变具有相同的适应度效应s，我们计算维持平衡状态的有益突变的比例ε。我们发现一个令人惊讶的低ε足以维持稳定性，即使在小群体中，面对高突变率和弱选择。这可能解释了线粒体和其他无性基因组的维持，并对这些种群中遗传多样性〈动〉性<动>的预期统计数据产生影响。
2011-10-13 physics.bio-ph q-bio.PE
The impact of deleterious passenger mutations on cancer progression
癌症进展是由肿瘤中积累的少量遗传改变驱动的。这几个驱动改变存在于癌症基因组中，与成千上万的其他突变一起存在，这些突变被广泛认为在癌症中没有作用，并被称为乘客。然而，许多乘客属于蛋白质编码基因和其他功能元件，可能对癌细胞产生有害影响。在这里，我们调查了潜在的轻度有害乘客积累和改变过程中的肿瘤进展。我们的方法将癌症进展的进化模拟与癌症测序数据的分析相结合。在我们的模拟中，单个细胞随机分裂，获得有利的驱动突变和有害的乘客突变，或者死亡。令人惊讶的是，尽管选择对他们不利，乘客积累，并在很大程度上逃避选择过程中的进展。虽然个别弱，乘客的集体负担改变了进展的过程，导致肿瘤学中观察到的几种现象，不能用传统的以司机为中心的观点来解释。我们使用癌症基因组数据测试了模型的预测。我们发现，许多乘客突变可能是有害的，并且与模型一致，它们在很大程度上逃避了净化选择。最后，我们使用我们的模型来探索癌症治疗，通过1）增加突变率或2）加剧其有害影响来利用乘客的负载。虽然这两种方法都导致癌症消退，但后者导致复发频率较低。我们的研究结果为理解癌症进展提供了一个新的框架，即驾驶员和乘客突变的平衡。
2012-08-30 q-bio.GN q-bio.PE
The inevitability of unconditionally deleterious substitutions during adaptation
对适应性遗传学的研究通常忽略了有害突变可能修复的可能性。尽管如此，在这里，我们表明，在许多制度，第一个替代往往是有害的，即使健身预计将在长期增加。特别地，我们证明了这种现象发生在弱突变的任何房子的卡模型的平衡分布。我们发现，同样的定性结果下费舍尔的几何模型。我们还提供了一个简单的直觉，在早期适应过程中的无条件有害的替代令人惊讶的普遍性。重要的是，我们描述的现象发生在适应度景观上，没有任何局部最大值，因此不同于“山谷穿越”。我们的研究结果意味着，忽略有害的替代品的常见做法导致定性不正确的预测在许多制度。我们的研究结果也有影响的替代过程中的平衡和人口规模突然减少的反应。
2013-11-17 q-bio.PE
Can deleterious mutations surf deterministic population waves?
University of Oxford（牛津大学）；University of Bath（巴斯大学）
研究空间结构化种群中有害突变能否像中性突变那样借助确定性波动扩散。通过研究空间穆勒棘轮的确定性版本，分析有害突变分布、种群扩散速度，最终表明有害突变不能借助确定性波动扩散。
2026-07-15 math.AP math.PR q-bio.PE
Rare beneficial mutations cannot halt Muller's ratchet in spatial populations
穆勒棘轮描述了无性种群中有害突变的不可逆积累。在混合良好的种群中，适应度下降的速度在种群规模中呈指数级小，任何有益突变的阳性率都足以逆转大种群中的棘轮效应。这种行为在具有空间结构的种群中是根本不同的，因为当有害的突变率超过临界值时，棘轮的速度在无限大的极限中保持非零。基于空间棘轮和定向渗流之间的关系，我们发展了一个包含有害突变和有益突变的标度理论。通过一维和二维的大量模拟验证了该理论。
2018-06-22 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
In-vivo mutation rates and fitness landscape of HIV-1
突变率和有害突变的适应性成本很难在体内测量，但对于定量理解进化至关重要。使用未经治疗的HIV-1感染期间纵向样本的全基因组深度测序数据，我们从遗传变异的时间动态中估计了HIV-1的突变率和适应性成本。在近似中性的位点，突变以每天每个位点1.2 x 10^-5的速率累积，这与细胞培养中测得的速率一致。从G到A的转化率最高，其次是C到T、T到C和A到G的转化，而颠换则更少见。在非中性位点，大多数突变减少病毒复制;使用突变选择平衡模型，我们估计了HIV-1基因组中每个位点突变的适应度成本。大约一半的非同义突变具有较大的适应性成本（大于10%），而大多数同义突变的成本低于1%。同义突变的成本在大多数gag和pol中特别低，而在重要的RNA结构和调控区中观察到高得多的成本。患者内健身成本估计在多个患者中是一致的，这表明适应度景观的有害部分是普遍的，并解释了全球HIV-1 M组多样性的很大一部分。
2016-07-01 q-bio.PE
Vital rates from the action of mutation accumulation
突变积累的进化过程的新模型允许关于突变效应的年龄特异性的假设被翻译成异质群体风险函数的预测。我们将这些模型应用于长寿的生物人口学问题，包括Gompertz危险和死亡率高原的解释，并利用它们来探索融合衰老的进化和功能模型的可能性。
2009-08-27 q-bio.PE
How often does the ratchet click? Facts, heuristics, asymptotics
在无性繁殖的种群中，重组的进化力量是缺乏的。因此，种群可能遭受有害突变的不可逆转的积累，这种现象被称为穆勒棘轮。我们制定离散和连续时间版本的穆勒棘轮。受Haigh（1978）对大种群极限下出现的动力系统的分析的启发，我们确定参数γ = N*lambda/（Ns*log（N*lambda））对于有害突变的积累速度是最重要的。这里N是总体规模，s是选择系数，λ是有害突变率。对于参数范围的大部分，以大小N为单位测量时间，如果γ>0.5，则有害突变根据N* λ中的幂律累积，其中指数为γ。对于γ <0.5，突变不能累积。我们得到三个不同的参数制度的扩散近似，根据棘轮的速度。我们的近似值为Stephan et al.（1993）和Gordo & Charlesworth（2000）的分析提供了新的思路。模拟结果支持了导致近似的数学模型。
2007-09-18 math.PR q-bio.PE
Life at the front of an expanding population
最近的微生物实验表明，增强遗传漂变在一个二维的范围扩展的前沿，可以导致具有分形域边界的遗传分区模式。在这里，我们提出并分析了一个简单的模型，无性生物进化在不断扩大的边界，以解释这些中性模式，并预测自然选择的效果。我们的模型将观察到的前沿扇区数量的逐渐减少归因于扇区边界的无偏随机游走。自然选择在域边界的漂移中引入了确定性偏差，使得有益的突变更有可能逃脱遗传漂变，并在一个扇区中建立起来。我们发现，这些部门的开放角度和速度，他们成为建立敏感地依赖于突变体的选择优势。另一方面，有害的突变不能永久地建立一个扇区。然而，它们可以暂时在种群前沿“冲浪”，从而达到不寻常的高频率。因此，扩展的边界容易受到有害突变的影响，如突变选择平衡时突变体的高比例所揭示的。从数值上讲，我们还确定了野生型在生长前沿丧失而有利于有害突变体（遗传崩溃）的条件。我们的预测这个错误的阈值不同的定性从现有的混合理论，并设置严格的限制可持续的突变率的人口，经历频繁的范围扩大。
2008-12-12 q-bio.PE
Fluctuations of fitness distributions and the rate of Muller's ratchet
有害突变的积累是由罕见的波动驱动的，这种波动导致所有无突变个体的损失，这一过程被称为穆勒棘轮。尽管米勒棘轮是群体遗传学的一个典型过程，但对其速率的定量理解仍然缺乏。困难在于非平凡的性质波动的健身分布控制灭绝的最适合的基因型的速度。我们使用简单但经典的突变选择平衡模型来解决这个问题，其中有害突变对适应度具有相同的影响。我们分析了最适合的个体之间的波动如何传播到较低的适应度的个体，并在稍后的时间对大部分人口产生显着放大的影响。如果最适者类的大小的减少仅在延迟之后才减少平均适应度，则反对这种减少的选择也被延迟。这种延迟的恢复力加速了穆勒的棘轮。我们展示了如何延迟响应可以占使用路径积分制定的随机动力学，并提供了一个表达式的棘轮的速率是准确的在广泛的参数范围。
2012-06-28 q-bio.PE
Fixation of a Deleterious Allele under Mutation Pressure and Finite Selection Intensity
在扩散近似下研究了有害突变等位基因的平均固定时间。正如木村的经典作品[M。Kimura，Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.Vol.77，522（1980）]，其动机是在存在无定形或超形态突变的情况下的固定问题，我们考虑了在单个基因座的双等位基因模型，其包含野生型A和以小的均匀速率从A不可逆地产生的突变等位基因A'。突变纯合子A' A '的相对适合度，突变杂合子A ′ A和野生型纯合子AA分别为1-s、1-h和1，其中假定v在这里，我们采用了一种方法的基础上的直接治疗的基本马尔可夫链（出生-死亡过程）服从的等位基因频率（其动态是由莫兰模型规定），这使得能够准确地占大波动的影响。在对该理论进行了一般性描述之后，我们重点讨论了有害突变等位基因（即s>0）的情况，并讨论了三种情况：当突变体是（i）完全显性（s=h）时;（ii）完全隐性（h=0）时;（iii）半显性（h=s/2）时。我们的理论预测的平均固定时间和准稳态分布的突变体人口的共存状态，被证明是在良好的协议与数值模拟。进一步，当s是有限的时，我们证明了我们的结果优于扩散理论的结果，后者仅在Nes^2 << 1时才是精确的近似，其中Ne是有效种群大小.
2011-01-19 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.PE
Accumulation of driver and passenger mutations during tumor progression
目前，全世界都在进行癌症基因组测序的重大努力。虽然这些研究的新数据很有启发性，但它们与流行病学和临床观察的一致性构成了一个重大挑战。在目前的研究中，我们提供了一个新的数学模型，开始解决这一挑战。我们将肿瘤建模为离散时间分支过程，该过程从单个驱动突变开始，并且随着每个新的驱动突变导致克隆扩增速率略微增加而继续进行。使用该模型，我们观察到肿瘤发展速度的巨大变化-提供了流行病学家和临床医生观察到的肿瘤大小和发展时间的异质性的理解。此外，该模型提供了一个简单的公式，用于驱动突变的数量作为肿瘤中突变总数的函数。最后，当应用到最近的实验数据，该模型使我们能够计算，为第一次，在人类肿瘤原位典型的体细胞突变提供的实际选择性优势。这种选择性优势非常小，仅为0.005 ± 0.0005，这对实验性癌症研究具有重要意义。
2009-12-08 q-bio.PE
Entropy and diffusion characterize mutation accumulation and biological information loss
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；University of Georgia（佐治亚大学）；Max Planck Institute for Astronomy（马克斯·普朗克天文学研究所）
本文通过熵和扩散模型研究生物信息变化，揭示突变积累与寿命的关系，提出熵管理是进化延长寿命的机制。
2026-04-10 q-bio.PE
Genomic mutation rates that neutralize adaptive evolution and natural selection
当突变率较低时，自然选择仍然有效，增加突变率可以提高适应率。然而，当突变率开始时很高时，增加突变率可能具有不利影响，因为有害突变的压倒性存在。事实上，如果突变率足够高：1）尽管适应性和/或补偿性突变持续存在，适应率可能变为负值，或者2）自然选择可能被禁用，因为适应性和/或补偿性突变-无论是建立的还是新出现的-都被过度突变和频率下降所侵蚀。我们将这两个标准应用于无性适应性进化的标准模型，并推导出数学表达式--有些是新的，有些是旧的，以新的形式--描述了适应性进化或自然选择被中和的突变率。这些表达式很简单，不需要\emph{a priori}了解生物体和/或环境特异性参数。我们的讨论将这些结果相互联系并与以前的理论联系起来，表明在大多数情况下不同结果的收敛性或等效性。
2012-11-05 q-bio.PE
Accumulation of beneficial mutations in one dimension
当有益突变相对普遍时，多个未固定突变之间的竞争可以降低混合良好的无性群体的固定率。我们引入了一个一维模型，具有稳定的有益突变积累。我们发现周期性选择和多突变制度之间的过渡。在多突变制度中，沿晶格的适应性的增加承担着惊人的相似的表面生长现象，与幂律增长和饱和的界面宽度。我们还发现了显着的差异相比，良好的混合模型。在我们的晶格模型中，由于一维固定时间较慢，制度之间的过渡发生在低得多的突变率。同时，由于竞争的加剧，固定率随着突变率的增加而降低，并随着种群规模的增大而饱和。
2013-02-15 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Strategies for the evolution of sex
我们发现Jan，Stauffer和Moseley [Theory in Biosc.，119，166（2000）]对于性的进化，即设计出逃避由于太多有害突变而导致的灭绝的策略，对于在有限种群内成功进化有性个体的稳态种群是足够的，但不是必需的。只要允许每一代中有一个有限的转化为有性生殖的概率，就可以产生一个稳定的有性生殖群体，因为每个个体的有害突变数量有一个上限。对于这个概率的大值，我们发现一个相变到一个间歇性的，多稳定的制度。另一方面，在极慢驱动的限制下，另一个过渡发生到不同的稳态分布，在无性群体中具有较少的有害突变。
2001-01-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The look-ahead effect of phenotypic mutations
复杂的分子特征如二硫键的进化通常需要多次突变。这种进化轨迹的中间步骤很可能是选择性的中性或有害的。因此，可能需要大量的种群和长时间来进化这些性状。我们建议，转录和翻译中的错误可能允许选择中间突变，如果最终性状提供了足够大的选择优势。我们使用基于群体的蛋白质进化模型来验证这一假设。如果一个个体获得了一个新性状所需的两个突变之一，第二个突变可能会由于转录和翻译错误而引入表型。如果新性状足够有利，那么只有一个突变的等位基因将在整个群体中传播，即使基因序列还没有编码完整的性状。然后，第一突变具有比预期更高的频率，而没有表型突变，使第二突变具有更高的固定概率。因此，错误允许蛋白质序列“向前看”，寻找更直接的途径来获得复杂的性状。
2007-10-15 q-bio.PE
Effects of resource competition on evolution and adaptive radiation
该研究改进资源竞争模型并纳入突变、生殖隔离与资源争夺规则，揭示近缘分化类群竞争可抑制有害突变积累，并再现快速特化现象。
2023-09-30 q-bio.PE
Child mortality in Penna ageing model
假设Penna老化模型中的有害突变主要影响年轻人，我们得到非常年轻时的死亡率增加，然后是死亡率的最小值，然后是通常的死亡率随年龄的指数增加。
2007-08-26 q-bio.PE
Fixation probability of rare nonmutator and evolution of mutation rates
虽然突变驱动进化过程，但突变发生的速率本身也受进化力的影响。我们的目的是了解选择和随机遗传漂变在突变率进化中的作用，我们在突变选择平衡的无性群体中解决这个问题，忽略选择性扫描。使用一个多类型的分支过程，我们计算的固定概率的一个罕见的nonmutator在一个大的无性群体的mutator，并发现一个nonmutator是更有可能固定时，有害的突变率的mutator人口是高的。当选择系数较大时，增变基因群体中的补偿性突变会降低非增变基因的固定概率。但是，令人惊讶的是，当选择是温和的时，固定概率随着补偿突变率的增加而非单调地变化。利用这些结果的固定概率和漂移障碍的论点，我们发现一个新的突变率和人口规模之间的关系。我们还讨论了时间来固定nonmutator在适应人口的无性突变，并比较我们的结果与实验。
2015-12-11 q-bio.PE
Extreme antagonism arising from gene-environment interactions
生物系统中的拮抗性相互作用，当一种干扰减弱另一种干扰的作用时发生，通常被解释为两种干扰影响相同细胞途径或功能的证据。然而，这种解释忽略了极端的对抗性相互作用，其中有害的扰动补偿了由于先前扰动而损失的功能。在这里，我们报告了基因与环境的相互作用，涉及基因突变，这些基因突变在允许的环境中是有害的，但在限制生长的特定环境中是有益的。这些极端的拮抗相互作用构成了基因-环境类似物的合成救援先前观察到的基因-基因相互作用。我们的方法使用两个独立的自适应进化步骤来解决缺乏实验方法来系统地识别这种极端的相互作用。我们将该方法应用于大肠杆菌，通过连续地将其适应于不含和含抗生素利福平的确定的葡萄糖培养基。该方法确定了多个突变，这些突变在利福平存在的情况下是有益的，而在利福平不存在的情况下是有害的。转录分析表明，拮抗适应性突变抑制一个严格的响应样转录程序，而非拮抗突变具有相反的转录谱。我们的方法代表了系统表征极端拮抗基因-药物相互作用的一步，可用于确定针对抗生素耐药性选择的靶点。
2020-11-10 physics.bio-ph q-bio.GN q-bio.PE
Extreme value statistics of mutation accumulation in renewing cell populations
细胞群体中主要表型的出现通常是由单个细胞中罕见的DNA突变积累引发的。例如，肿瘤可以由单个细胞引发，其中多个突变合作绕过细胞的防御机制。因此，这种事件的风险取决于组织细胞突变的极端累积。为了解决这一风险，我们研究了一个通用的，但经过测试的，更新的细胞群体模型的最大突变数的统计。通过绘制细胞群体的系谱和分支随机游走理论之间的类比，我们获得了超过突变阈值数量的概率的分析估计，并确定最大突变数量的统计分布如何随年龄和细胞群体大小而变化。
2017-10-11 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.PE
Phenotypic switching can speed up biological evolution of microbes
随机表型转换已被认为在微生物种群中发挥有益作用，通过导致细胞之间的劳动分工，或确保至少一些种群在环境条件的意外变化中存活下来。在这里，我们使用一个计算模型来研究随机表型转换的另一种可能的功能-作为一种即使在静态环境中也能更快适应的方法。我们表明，当基因突变导致群体变得不太适合时，切换到具有更高适应性（增长率）的替代表型可能会给群体足够的时间来发展补偿突变，再次增加适应性。如果有害突变引起的“适应谷”足够深，表型转换的可能性可以减少适应时间的数量级。我们的工作对耐药性细菌的出现具有重要意义。根据最近的实验结果，我们假设，切换到生长较慢但敏感性较低的表型有助于细菌通过探索更大的有益突变集而产生耐药性，同时避免有害突变。
2016-02-01 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Epistasis can lead to fragmented neutral spaces and contingency in evolution
在进化过程中，一次有害突变的影响有时可以通过第二次突变来补偿，第二次突变恢复了原始的表型。这种上位性相互作用对基因组空间的结构有影响，即编码相同表型的基因组网络可能不是由单一突变移动连接起来的。我们使用RNA序列折叠成二级结构作为模型基因型-表型图，并探索具有相同表型的基因型网络对应的中性空间。在大多数这些网络中，我们发现不可能通过单点突变将所有基因型相互连接起来。相反，具有$n$的表型结构的网络通常断裂成至少$2^n$中性组分，通常具有相似的大小。虽然相同网络的组成部分产生相同的表型，但它们在性质上表现出重要的变化，最引人注目的是它们的进化性和突变鲁棒性。这种异质性意味着进化过程中的偶然性。
2011-12-06 q-bio.PE
Cancer initiation with epistatic interactions between driver and passenger mutations
我们在一个含有一个驱动突变和几个乘客突变的数学模型中研究了癌症发生的动力学。我们的分析是基于一个多类型的分支过程：我们对可以分裂或进行凋亡的单个细胞进行建模。在细胞分裂的情况下，两个子细胞可以突变，这潜在地赋予细胞适应性的变化。与以前的模型相比，驱动突变引起的适应度变化取决于细胞的遗传背景，在我们的情况下，取决于乘客突变的数量。乘客突变本身对细胞的适应性没有或只有很小的影响。虽然我们的模型不是设计为特定癌症的特定模型，但其基本思想是由伯基特淋巴瘤的临床和实验观察所激发的。在这种肿瘤中，标志性突变导致MYC癌基因的失调，这增加了细胞凋亡的速率，但也增加了细胞的增殖速率。因此，细胞凋亡速率的增加需要通过影响细胞凋亡途径的突变来克服，自然导致上位性适应度景观。这个模型显示了一个非常有趣的动力学行为，这是不同的癌症启动的动力学在没有上位性。由于驱动突变对只有少数乘客突变的细胞是有害的，因此细胞数量会有一段停滞期，直到出现具有足够乘客突变的细胞克隆。只有当其中一个细胞发生驱动突变时，细胞群才开始快速增长。
2015-04-13 q-bio.PE
The Accumulation of Beneficial Mutations and Convergence to a Poisson Process
本文研究固定规模种群在有利突变下的演化模型，证明了在特定参数条件下，有利突变的固定时间经尺度变换后收敛于泊松过程，即使存在多起源突变相互竞争。
2024-12-26 math.PR q-bio.PE
Evolution of female choice and age-dependent male traits with paternal germ-line mutation
一些研究质疑女性偏好年长男性的适应价值。理论和证据表明，年长的男性比年轻的男性携带更多的有害突变。这些突变对选择配偶的雌性来说是不可见的。生殖系突变可能会反对对“好基因”的偏好。“挑剔的雌性面临的风险是，年长雄性的后代不会比年轻雄性的后代更有吸引力或更健康。当雌性只能判断雄性性状的大小，而不能直接评估年龄时，生殖系突变可能会带来一个特殊的问题。我问女性是否会喜欢极端的特征，尽管由于年龄依赖性突变导致后代存活率降低。我使用定量遗传模型来研究女性偏好的演变，这是一种依赖于年龄的男性特征，以及整体健康状况（“状况”）。我的动力学方程包含了依赖于种群世代时间的突变偏差。我专注于女性对年长男性的偏好，因为男性特征的大小取决于男性的年龄。我的发现与好基因理论相吻合。处于平衡状态的雌性总是选择高于平均水平的雄性。女性偏好的特征大小与偏好的直接成本直接相关。直接成本比突变参数更能强化均衡偏好。雌性总是可以通过与年长、更聪明的雄性交配来抵消直接成本。条件中的依赖性突变维持条件中的遗传变异，从而维持女性偏好的选择价值。生殖系突变并没有消除女性的偏好，而是在性选择中提供了一个必不可少的成分。
2013-12-11 q-bio.PE
Transient amplifiers of selection and reducers of fixation for death-Birth updating on graphs
进化群体的空间结构影响哪些突变被固定。一些结构放大了选择，增加了有益突变被固定而有害突变不被固定的可能性。其他结构抑制选择，减少适应性差异的影响，增加随机机会的作用。这种现象可以通过将空间结构表示为图来建模，其中个体占据顶点。根据指定的更新规则，出生和死亡随机发生。我们研究死亡-出生更新：一个个体被选择死亡，然后它的邻居竞争繁殖到空位。以前的数值实验表明，这个过程的选择放大器要么是罕见的，要么是不存在的。我们引入了一个微扰的方法，这个问题的弱选择制度，这意味着突变有小的适应度的影响。我们证明了在弱选择下的固定概率可以用随机游动的聚并时间来计算。这一结果自然导致了有效种群大小的新定义。使用这种方法和其他方法，我们发现了第一个已知的例子，瞬态放大器的选择（图，放大选择特定范围的健身值）的死亡-出生过程。我们还展示了新的家庭的“减少固定”，减少固定的概率，所有的突变，无论是有益的还是有害的。
2019-06-03 math.PR q-bio.PE
Geometry-Induced Competitive Release in a Meta-Population Model of Range Expansions in Disordered Environments
本研究针对无序异质环境中稀有有害突变的进化问题，构建含随机资源热点的元种群模型，推导突变气泡的几何光学描述，揭示环境噪声在渗流转变附近对突变存活率的调控规律。
2024-10-08 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The rate of beneficial mutations surfing on the wave of a range expansion
许多理论和实验研究表明，范围扩张可能会对不断扩大的人口的基因库产生严重后果。由于在前进的前沿强烈增强的遗传漂变，中性和弱有害突变可以在新殖民区域达到很高的频率，就好像它们在范围扩展的前沿冲浪一样。这些发现提出了一个问题，即有益的突变如何频繁地在变化的范围边缘成功冲浪，从而促进对范围扩展表型的适应。在这里，我们使用个人为基础的模拟研究冲浪统计经常性的有益突变波浪状的范围扩大线性栖息地。我们发现，冲浪的速度取决于两个强烈的拮抗因素，冲浪的概率给定的空间位置的一个新的突变和突变的发生率在该位置。冲浪的可能性强烈地增加朝向波浪的尖端。新的突变不太可能冲浪，除非它们与大部分人口相比享有空间领先优势。所需的头开始被证明是成正比的突变型的逆适应性，只有弱依赖于承载能力。第二个因素是突变的发生，它朝着波的尖端强烈减少。因此，大多数成功的突变发生在波前端的中间位置。我们提出了一个分析理论，这些因素之间的权衡，可以预测如何频繁的有益突变发生在入侵前线的替代。我们发现，少量的遗传漂变增加了有益突变在前进前沿的固定率，因此可能是重要的物种入侵过程中的适应。
2012-02-14 q-bio.PE
Robustness and epistasis in mutation-selection models
我们调查的健身优势与表型对有害突变的鲁棒性使用确定性突变选择模型的准种类型配备了一个台面形的适应度景观。我们得到的鲁棒性效果，成为精确的无限序列长度的限制，解析结果。因此，我们能够澄清最近严格的工作和早期的启发式处理的基础上映射到薛定谔方程之间的矛盾。我们利用量子力学类比计算有限序列长度的校正项，并通过数值研究验证我们的分析结果。此外，我们调查的错误阈值的一般类上位景观的发生，并表明，减少上位性是一个必要的，但不是充分条件的错误阈值的行为。
2009-01-06 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Interaction between directional epistasis and average mutational effects
我们调查的平均健身衰减之间的关系，由于单突变和遗传序列中的上位相互作用的强度。我们观察到突变之间的上位相互作用与平均适应度衰减相关，无论是在RNA二级结构预测中还是在数字生物中复制。这种相关性意味着在适应过程中，上位性和平均突变效应不能独立地优化。在中性网络上进化的RNA序列的实验中，减少突变负荷的选择压力导致群体中有害突变之间具有强烈拮抗相互作用的序列的数量减少。
2001-06-28 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Hierarchical tissue organization as a general mechanism to limit the accumulation of somatic mutations
组织如何产生大量的细胞，同时保持分裂负荷（沿着细胞谱系的分裂次数）较低，以减少体细胞突变的积累并降低患癌症的风险？为了回答这个问题，我们考虑一个一般模型的分层组织的自我更新组织，并表明，这样的组织的寿命划分负荷是独立的细节的细胞分化过程，并只取决于两个结构和两个动力学参数。我们的研究结果表明，一个严格的分析关系存在于两个看似不同的自我更新组织的特点：分区负荷和组织的组织。最值得注意的是，我们发现足够数量的逐渐缓慢分裂的细胞类型在最小化分裂负荷方面几乎与非更新组织一样有效。我们认为，组织特异性干细胞和分化层次的主要功能之一是预防癌症。
2017-01-04 q-bio.PE q-bio.QM q-bio.TO
Quasispecies theory for finite populations
我们提出了随机的，有限的人口配方的Crow-Kimura和特征模型的准种理论，健身功能，依赖于在一个任意的方式从野生型的突变数量。我们在描述中包括回复突变。结果表明，在这些物理演化模型中，种群数关于平均值的涨落是非常大的。我们进一步表明，水平基因转移减少了数量级的波动，在人口数量和减少有害突变的积累在有限的人口由于穆勒的棘轮。事实上，收敛到无限种群极限所需的种群规模往往大于在没有水平基因转移的情况下自然界中发现的平滑适应度函数。这些分析结果来自稳态的场论表示。数值结果表明，水平基因转移的进化动力学以及加快。
2010-02-19 q-bio.PE
Clonal interference and Muller's ratchet in spatial habitats
由于克隆的线性而不是指数增长，独立产生的有益突变之间的竞争在空间种群中得到增强。最近的理论研究指出，由此产生的健身动力学类似于表面生长过程，其中新的层成核和扩散随机，导致建立尺度不变的粗糙度。这种情况下，从适应的标准观点在质量上的不同，适应的速度变得独立于人口规模，而适应度方差不。在这里，我们利用最近的进展，了解表面生长过程，以获得精确的预测普遍的，非高斯形状的健身分布的一维栖息地，这是通过模拟验证。当突变是有害的而不是有益的时候，问题就变成了穆勒棘轮的空间版本。与混合种群的情况相反，即使在无限生境的限制下，只要有害突变率和（负）选择系数的平方之间的比率$U_d/s^2$足够大，则适合度下降的速率仍然是有限的。再次使用一个类比的表面生长模型，我们表明，之间的过渡的固定和移动状态的棘轮是由定向渗透。
2014-07-23 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The impact of macroscopic epistasis on long-term evolutionary dynamics
遗传相互作用可以强烈地影响个体突变的适应性效应，然而这些上位性相互作用对演化动力学的影响仍然知之甚少。在这里，我们调查了进化作用的上位性超过50,000代在一个充分研究的实验室进化实验中，在E。杆菌这项实验的持续时间很长，为研究在长期适应恒定环境的过程中上位性的影响提供了一个独特的窗口。在弱突变极限的分析结果的指导下，我们开发了一个计算框架来评估给定上位模型与随时间推移观察到的适应度增益和突变累积模式的兼容性。我们发现，一个减速健身轨迹单独提供的权力，以区分竞争模型，包括那些缺乏任何直接上位突变之间的相互作用。然而，当与突变轨迹相结合时，这些可观测量对上位性的可能模型集施加了强约束，排除了许多现有的数据解释。相反，我们发现，数据是一致的“两个时代”的适应模型，其中一个初始的突发递减收益上位性，其次是一个稳定的积累下的健身效果的突变分布不变。我们的研究结果强调了对这些人群进行额外DNA测序的必要性，以及与所有实验数据兼容的更复杂的上位性模型。
2014-11-13 q-bio.PE
An Intrinsic Advantage of Sexual Reproduction
真核生物中普遍存在的有性生殖（“性”）是进化生物学的一个谜。性别增加遗传变异只是告诉它的长期优越性的本质。有害突变的积累对生物体造成了直接和普遍的压力。与常识相反，我们的理论模型表明，繁殖率可以主动影响有害突变的积累。繁殖率与突变综合危害的交互作用导致临界繁殖率R*。当一个种群的繁殖率降低到R* 以下时，该种群将不可逆转地灭绝。有性群体的R* 小于1，无性群体的R* 大于1。达到承载力的种群的平均繁殖率必须降低到1。这解释了广泛的性别以及兼性和无性生物的持久性。计算机模拟支持我们的结论显着。
2013-07-31 q-bio.PE
The Age-Specific Force of Natural Selection and Walls of Death
W. D.汉密尔顿著名的年龄特异性自然选择力公式，以依赖线性近似为代价，否定了由于突变积累而导致的衰老死亡率预测。将Evans et al.（2007）的突变累积的完全非线性人口统计模型应用于Hamilton的设置，我们发现了令人惊讶的差异。非线性相互作用在最常研究的情况下导致汉密尔顿式预测的崩溃，在其他情况下改进预测，并允许在繁殖结束之前的年龄出现死亡之墙。遗传负荷的哈勒原理有一个精确但不熟悉的概括。
2008-07-03 q-bio.PE
Lower Bound on the Rate of Adaptation in an Asexual Population
我们考虑一个具有随机突变和选择的无性繁殖个体模型。突变率与总体规模$N$成正比。突变可能是有益的或有害的。在Yu，Etheridge和Cuthbertson（2009）的一篇论文中，证明了该模型中平均适应度增加的平均速率为$O(\log N/(\log\log N)^2)$。在本文中，我们表明，对于任何时间$t > 0$存在值$ε_N \rightarrow 0$和一个固定的$c > 0$，使人口的最大适应度大于$cs\log N/(\log\log N)^2$的所有时间$s \in [ε_N,t]$的概率趋于1，因为$N$趋于无穷大。
2015-08-18 math.PR q-bio.PE
Catastrophic senescence and semelparity in the Penna aging model
太平洋鲑鱼的灾难性衰老是用于验证Penna老化模型的初始测试之一。根据突变累积理论，繁殖后适应度的突然下降可能完全归因于物种的单胎性。在这项工作中，我们报告突变积累的其他后果。与早期的发现相反，这种戏剧性的衰老表现不仅取决于育种策略的选择，还取决于生殖年龄R和突变阈值T的值。当$T \leq R$ .随着生物体对有害基因突变的耐受性增加，衰老过程变得更加渐进。当T>R时，我们观察到阈值依赖性衰老。也就是说，存活率的突然下降发生在等于突变阈值的年龄。
2010-11-28 physics.bio-ph q-bio.PE
Muller's ratchet with overlapping generations
米勒棘轮是一个在有限规模的人口中有害突变积累的典范模型。当所有具有最少数量有害突变的个体由于随机波动而不可逆转地丢失时，棘轮的点击就会发生。尽管该模型简单，但对该过程的定量理解仍然是一个公开的挑战。与以往的工作相比，我们在这里研究的莫兰模型的棘轮与重叠的世代。采用近似描述最适合的个人作为一个类，其余的作为第二类，我们得到封闭的分析表达式的棘轮率在罕见的点击制度。由于点击在这个制度是由一个罕见的大波动从亚稳态，我们不诉诸于扩散近似，但适用于近似方案，这是特别适合于描述灭绝事件从亚稳态。该方法还允许导出最适合类的准平稳分布的表达式。此外，我们证实了数值计算与重叠世代的配方导致相同的结果，扩散近似和相应的Wright-Fisher模型与非重叠世代。
2013-03-25 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
A biophysical protein folding model accounts for most mutational fitness effects in viruses
突变的适应性效应是一个连续体，从致命到有害到有益。适应度效应（DFE）在随机突变中的分布是每个进化模型的重要组成部分，也是鲁棒性的数学描述。最近对五种病毒的实验都显示了特征性的双峰形DFE，其特征在于中性和致死性。然而，观察到的适应性效应的表型原因仍然是未知的，大概认为从一个突变到另一个突变是不可预测的。通过将群体遗传学模拟与一个简单的生物物理蛋白质折叠模型相结合，我们发现，蛋白质的热力学稳定性占很大一部分观察到的突变效应。我们假设中度失稳突变会造成与折叠蛋白质减少成比例的适应性惩罚，这连续依赖于折叠自由能（ΔG）。在我们的模型中，大多数突变通过改变ΔG来影响适应性，而基于简单的估计，\approx 10%会消除活性，并且是无条件致死的。推动ΔG>0的突变也被认为是致命的。与神经网络理论相反，我们发现，在突变/选择/漂移稳态，高突变率（m）导致不太稳定的蛋白质和更分散的DFE，即较低的突变鲁棒性。小的群体大小（N）也降低了稳定性和鲁棒性。在我们的模型中，连续的非致命突变平均使适应度降低了\approx 2%，而\approx 10-35%的突变是致命的，这取决于N和m。补偿性突变常见于突变率高的小群体中。更广泛地说，我们的结论是生物物理和人口遗传力之间的相互作用形状的DFE。
2011-05-02 q-bio.BM q-bio.PE
Stochastic drift in discrete waves of non-locally interacting-particles
本文研究了$N$粒子在晶格上经历二阶非局域相互作用的广义模型。我们的研究结果在许多研究领域都有应用，包括移民建模，信息动力学和穆勒棘轮-在不断发展的人口中有害突变的不可逆转的积累。引人注目的是，该模型的数值模拟观察到显着偏离其平均场近似，即使是大的人口规模。我们发现，确定性和随机解之间的分歧源于有限尺寸的影响，改变传播速度，并导致波的位置波动。这些效应分别以$(\log N)^{-2}$和$(\log N)^{-3}$的形式有害地衰减--比通常的$N^{-1/2}$因子慢得多。我们的研究结果表明，有害突变的积累在穆勒的棘轮和意识的丧失在人口中可能会发生得更快，比预测相应的确定性模型。我们的模型的普遍适用性表明，这种意想不到的缩放在广泛的现实应用中可能是重要的。
2023-01-19 physics.soc-ph q-bio.PE q-bio.QM
The traveling wave approach to asexual evolution: Muller's ratchet and speed of adaptation
我们使用行波理论推导出表达式的累积率的有害突变下穆勒的棘轮和适应的速度下，在无性群体的积极选择。行波理论是一个半确定性的描述一个不断发展的人口，其中大部分人口建模使用确定性方程，但类的最高适应度基因型，其随时间的演变决定的损失或增益的适应度在人口中，给予适当的随机处理。我们推导出改进的方法来模拟最高的健身类（随机边缘）的穆勒棘轮和适应性进化，并计算分析校正项，补偿不准确时出现的离散健身类作为一个连续体。我们表明，行波理论的突变累积率的情况下，穆勒的棘轮作出了很好的预测，并在一个非常广泛的参数范围内的适应速度作出了很好的预测。我们预测适应率随种群规模的增长而增长，直到种群规模非常大。
2007-10-10 q-bio.PE
Historical contingency and entrenchment in protein evolution under purifying selection
一个基因位点上的等位基因的适合度贡献可能取决于其他位点上的等位基因，这种现象称为上位性。上位性可以深刻地影响选择下种群的进化过程，并可以塑造不同物种之间的蛋白质进化过程。而上位性之间的适应性取代已被广泛研究的主题，相对较少的是知道在净化选择上位性。在这里，我们使用热力学稳定性的配体结合蛋白质的机械模型，探讨在纯化选择下固定在蛋白质序列中的取代之间的上位相互作用的结构。我们发现，选择系数的突变是近中性的，当他们固定是高度偶然的存在之前的突变。相反，当它们固定时几乎是中性的突变随后由于上位性与后来的取代而被巩固。我们的进化模型包括插入和缺失，以及点突变，因此它使我们能够量化每类突变中的上位性，并研究蛋白质长度的进化。我们发现蛋白质长度随着时间的推移基本保持不变，因为插入缺失比点突变更有害。我们的研究结果表明，即使在纯化选择，蛋白质序列的演变是高度偶然的历史，所以它不能预测的野生型序列中测定的突变的表型效应。
2014-07-15 q-bio.BM q-bio.PE
Propagation of weakly advantageous mutations in cancer cell population
本文构建确定性与随机两类癌症演化模型，研究乘客突变对肿瘤生长的弱有利效应，并通过Gillespie算法验证及观测数据比对揭示弱有利突变在癌细胞群体中的传播规律。
2024-02-23 cs.NA math.NA q-bio.PE
Altruism and Antagonistic Pleiotropy in Penna Ageing Model
Penna老化模型基于突变累积理论。我们发现，它也允许自组织的拮抗性多效性，这有助于在年轻时在老年的代价。这可以解释为利他主义的出现。
2004-06-14 q-bio.PE
Nuclear compensatory evolution driven by mito-nuclear incompatibilities
本文研究了线粒体-细胞核不相容性对核基因与线粒体基因替换的影响，发现选择会促进不相容核基因的补偿性演化，且该过程受突变率等因素影响并加速物种辐射。
2024-03-15 q-bio.PE
Radial Domany-Kinzel Models with Mutation and Selection
我们研究了空间结构，遗传漂变，突变和选择压力的进化动力学在一个简化的模型无性生物殖民一个新的领土。在一个适当的粗粒化，进化动力学有关的定向渗流过程中出现的选民模型，Domany-Kinzel（DK）模型，接触过程等，我们探讨线性（平坦的前面）的扩张和不太熟悉的径向（弯曲的前面）范围扩张之间的差异。对于径向膨胀，我们开发了一个广义的，非晶格DK模型，以尽量减少其他持久的晶格文物。通过模拟和分析技术，我们研究了有利突变体的生存概率，中性菌株结构域之间的空间相关性，以及有害突变群体的动态。边界上的“暴胀”导致了径向扩张和线性扩张之间的显著差异。对于初始半径为$R_0$、以速度$v$扩张的菌落，由局部遗传漂变引起的显著遗传分层仅在有限时间$t^* = R_0/v$内发生，在此之后，由于扩张前沿的膨胀周长，菌落的部分变得因果地断开。因此，相对于遗传漂变，选择优势的影响被放大，增加了有利突变体的存活概率。通货膨胀也修改了潜在的定向渗流过渡，引入新的标度函数和修改类似的有限尺寸效应。最后，我们考虑径向范围扩张与紧缩周长，可能会出现从殖民开始沿海岸的岛屿。
2013-01-14 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Simple sign epistasis and evolutionary detours in fitness landscapes
UK Health Security Agency（英国卫生安全局）；Biomathematics and Statistics Scotland, The James Hutton Institute（苏格兰生物数学与统计学，詹姆斯·赫顿研究所）；Group of Complex Systems and Statistical Mechanics, Physics Faculty, University of Havana（哈瓦那大学物理学院复杂系统与统计力学小组）；System Modeling Group, Institute for Veterinary Epidemiology and Biostatistics, Freie Universitaet Berlin（柏林自由大学兽医流行病学和生物统计学研究所系统建模小组）；Accenture（埃森哲）；National University of General Sarmiento（圣萨尔米恩托国立大学）；Department of Biology, University of Oxford（牛津大学生物学系）；Institute for Biological Physics, University of Cologne（科隆大学生物物理学研究所）；Pandemic Sciences Institute and Big Data Institute, Nuffield Department of Medicine, University of Oxford（牛津大学纳菲尔德医学系大流行病科学与大数据研究所）
研究探讨了简单表型上位性在适应度景观中的作用，发现其与进化绕行有关，即通过间接路径达到适应度高峰。研究显示简单表型上位性在弱上位性景观中更常见，与理论预测一致。
2026-04-24 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
The molecular clock of neutral evolution can be accelerated or slowed by asymmetric spatial structure
随着时间的推移，一个种群由于随机漂移而获得中性的基因替换。群体遗传学中一个著名的结果是，这些取代在群体中积累的速率$K$与它们在个体中出现的突变率$u$一致：$K=u$。这种同一性使基因序列数据能够被用作“分子钟”来估计进化事件的时间。虽然已知分子钟会受到选择的干扰，但人们认为$K=u$在中性进化中非常普遍。在这里，我们表明，不对称的空间种群结构可以改变中性突变的分子时钟速率，导致$K<u$或$K>u$。与$K=u$的偏离是因为突变在不同位点出现的不均匀性，并且根据它们出现的位置具有不同的固定概率。如果各研究中心的出生率相同，则为$K \leq u$。通常，$K$可以取0和$Nu$之间的任何值。我们的模型可以应用于各种人口结构。在一个例子中，我们研究了小肠〈动〉<动>中基因突变的积累。在另一个应用中，我们分析了900多个Twitter网络，以研究网络拓扑结构对社会进化中中性创新固定的影响。
2014-09-18 q-bio.PE
