Walnut
what is a
QUASI-SPECIES
By   Ye Dan    U062281A
USC3002 Picturing the World through Mathematics
Walnut
Definition
 Quasi-: widely-used prefix to indicate“almost”, “seemingly”, “nearly” etc.
 Species: ?
 Biological: A class of individualcharacterized by a certainphenotypic behavior.
 Chemical: An ensemble of equal,identical molecules.
complicated andloosely defined
Walnut
 An ensemble of nearly” identicalmolecules?
 Preliminary understanding: a cluster ofclosely related but non-identical molecularspecies
Definition
Walnut
C:\Documents and Settings\AdminNUS\My Documents\NUS STUFF_1029\Studies\0809 Sem1\USC3002\primodial soup.gif
 1970s   Manfred Eigen and PeterSchuster  Chemical Theory for theOrigin of Life
 Assuming RNA as the first biologicalreplicator – base-pairing
 Dynamics of chemical and spontaneousreproduction of RNA molecules
Why quasi-species?
Walnut
 RNA replication
 Basis of all life
 Occur initially asspontaneous chemicalreproduction of simplemolecules at a very slowrate, subject to higherror-rates.
C:\Documents and Settings\AdminNUS\My Documents\NUS STUFF_1029\Studies\0809 Sem1\USC3002\RNA replication.gif
Why quasi-species?
Walnut
 Random event lead to mutations
 mismatching in base-pairing.
 The result: not an absolutelyhomogeneous population of RNA molecules ,but a mixture of RNA molecules withdifferent nucleotide sequences.
Why quasi-species – Errors?
ie. a QUASI-SPECIES
Walnut
 Selection
    molecules have different replication ratesdepending on their sequence (the faster, thefitter)
 Mutation
    offspring sequence differ from its parent incertain positions by ‘point mutation’
Chemical Kinetics
Walnut
 n different RNA sequences (length l) withpopulation     v1, v2, …, vn
 replication rates a1, a2, …, an
 probability of replication of results in (i,j=1,2,…,n) Qji
Chemical Kinetics
No error:
Mutation:
Walnut
Mathematical formulation (DE)
population v1, v2, …, vn
replication rates a1, a2, …, an
probability of replication of results in j  Qji
growth rate
Chemical Kinetics
Walnut
 Rate of growth of one variant dependent on notonly itself, but also all other  variants
 In long run, no fixation of the fastest growingsequence. The population will reach an equilibriumwhich will contain a whole ensemble of mutants withdifferent replication rates – quasi-species.
Walnut
 Quasi-species: the equilibrium distributionof sequences that is formed by thismutation and selection
 Quasi-species, not any individual mutantsequence, is the target of selection
 Guided mutation
(A more precise) Definition
Walnut
Sequence Space & Fitness Landscape
 Given a length, all possible variants
 Distance between two sequences isHamming distance
 No. of dimension = length of the sequence
 4 possibilities in each dimension: A, T, C, G
 One more dimension:reproduction rate ie. Fitness
 Selection pressure determinesFitness landscape
C:\Documents and Settings\AdminNUS\My Documents\NUS STUFF_1029\Studies\0809 Sem1\USC3002\FitnessLandscape.jpg
Walnut
 Quasi-species: a small cloud in sequence space,wanders over the fitness landscape and search forpeaks
 Evolution: distablization of the existing quasi-species upon change of fitness landscape – newpeaks
 Hill-climbing under guidance of naturalselection
Mutations along the way is guided
Quasi-species and Evolution
Walnut
 Error-free replication: evolution stops
 Error rate toooo high: population unable tomaintain any genetic information,evolution impossible
 Error rate must be below a critical thresholdvalue
Error Threshold
Walnut
 Error rate (p): per base probability to make amistake
 Mutation term
    Hij  is the Hamming distance between variant i andj (no. of bases in which the two strains differ)
 Error-free replication:
Error Threshold
Walnut
 Assume a population of length l consists of
a fast replicating variant v1, the wild type, withreplication rate a1
its mutant distribution v2 with a lower averagereplication rate a2.
 q: the per base accuracy of replication ( q=1- p).
 Prob(the whole sequence is replicatedwithout error) =
Error Threshold (Math again…)
Walnut
 (Neglecting the small probability that erroneousreplication of a mutant gives rise to a wild-typesequence)
Error Threshold (Math again…)
 the ratio     converges to
     (consider             )
Walnut
                                           in order tomaintain the wild type in the population
  Recall            , there must be a critical qvalue where
Error Threshold (Math again…)
Walnut
Error Threshold (Math again…)
A condition limitingthe maximum lengthof the RNA sequence!
ie.
Walnut
 An approximation for the upper genomelength l that can be maintained by a givenerror rate
 Facts:
Viral RNA replication (little proof-readingmechanism involved): p ≈ 10-4; l ≈ 104
Human genomep ≈ 10-9; l ≈ 3x109
Error Threshold (Math again…)
Walnut
 Consider viral dynamics and basicreproductive ratio in a quasi-species concept
 Eliminate the fittest virus mutants byincreasing the mutation rate with a drug
 Drive the whole virus population to extinctionby further increase of mutation rate
App. On Viral Quasi-species
Walnut
 Consider the standard equation for a dynamic(bacteria/viral) population
Vector                           represents the population sizes of eachindividual sequences;
Matrix                                   contains the replication rate andmutation probabilities
       (unspecific degradation or dilution flow )is any function ofthat keeps the total population  in a constant size. It can be
Some fancier Mathematics
Walnut
 Equilibrium of                      ,
 Largest Eigenvalue         : max. average replication rate
 Eigenvector     (corresponding to        ): the quasi-species
 Normalize           ,    describes the exact populationstructure of the quasi-species - each mutant  has afrequency
         can be understood as the fitness of the quasi-species
Some fancier Mathematics
Walnut
A Brief Review
 Quasi-species – produced by errors in the self-replicationof molecules; a well-defined (eqm) distribution ofmutants generated by mutation-selection process; targetof selection
 Chemical kineticsMathematical framework
 The fitness landscape, and the implication on evolution
Error threshold and application
 Fitness and exact structure of the quasi-species aseigenvalue and eigenvector of the selection-mutationmatrix
Walnut
The End
Questions?