Processes determining genetic variability: mutations in sequence space and hitchhiking

Departing from the classical model of the so-called error threshold of mutating macro-molecules, I have reformulated the model in the context of diploid organisms evolving in sequence space and under conditions of a finite population size. I found - for instance - that dominance properties have a substantial impact on the details of the error threshold (Chpt. 1). I have then asked whether error thresholds can also be observed in more general fitness landscapes than the original single-peaked landscape. For smooth landscapes the answer is negative (Chpt. 2) Studying diploid organism, I also investigated the impact of recombination on the evolutionary dynamics and on the possibility for a population to reach a fitness maximum. I concluded that the recombination rate, i.e., the chromosomal distance between interacting genetic loci, has a much more important role in generating fitness-conferring allele combinations than manipulating the mutation rate (Chpt. 3). Finally, considering a two-locus model in which one locus experiences beneficial mutations and a second locus is selectively neutral, I investigated the much discussed model of genetic hitchhiking. Using diffusion theory, I predicted the impact on the level of neutral polymorphism imposed by a beneficial mutation on a neighbouring genetic locus (Chpt. 4) and compared the predictions to experimental data of observed genetic variability in the fruitfly Drosophila. This lead to an estimate on the rate and strength with which beneficial substitutions occur in natural populations (Chpt. 5).Ausgehend von dem klassischen Modell der sogenannten Fehlerschwelle mutierender Makromoleküle habe ich das Modell im Kontext von diploiden Organismen, die im Sequenzraum und unter den Bedingungen einer endlichen Populationsgröße evolvieren, neu formuliert. Ich fand zum Beispiel heraus, dass Dominanz-Eigenschaften einen wesentlichen Einfluss auf die Details der Fehlerschwelle haben (Kap. 1). Ich habe dann gefragt, ob sich Fehlerschwellen auch in allgemeineren Fitnesslandschaften, als der ursprünglichen Ein-Peak-Landschaft, zeigen. Für "weiche" Landschaften ist die Antwort negativ (Chpt. 2). An diploiden Organismen habe ich auch den Einfluss der Rekombination auf die evolutionäre Dynamik und auf die Möglichkeit einer Population, ein Fitnessmaximum zu erreichen, untersucht. Ich kam zu dem Schluss, dass die Rekombinationsrate, d.h. der chromosomale Abstand zwischen interagierenden genetischen Loci, eine viel wichtigere Rolle bei der Erzeugung von fitnessfördernden Allelkombinationen spielt, als die Manipulation der Mutationsrate (Kap. 3). Schließlich untersuchte ich in einem Zwei-Locus-Modell, in dem ein Locus vorteilhafte Mutationen erfährt und ein zweiter Locus selektiv neutral ist, das viel diskutierte Modell des "genetischen Hitchhiking". Mit Hilfe von Diffusionstheorie konnte ich die Auswirkung einer vorteilhaften Mutation auf das Niveau der neutralen Variabilität an einem benachbarten genetischen Locus vorhersagen (Kap. 4) und dann diese Ergebnisse mit experimentellen Daten beobachtbarer genetischer Variabilität bei der Fruchtfliege Drosophila vergleichen. Dies führte zu einer Abschätzung der Rate und Stärke, mit der vorteilhafte Substitutionen in natürlichen Populationen auftreten (Kap. 5)