Abstract Positive selection can be inferred from its effect on linked neutral variation. In the restrictive case when there is no recombination, all linked variation is removed. If recombination is present but rare, both deterministic and stochastic models of positive selection show that linked variation hitchhikes to either low or high frequencies. While the frequency distribution of variation can be influenced by a number of evolutionary processes, an excess of derived variants at high frequency is a unique pattern produced by hitchhiking (derived refers to the nonancestral state as determined from an outgroup). We adopt a statistic, H, to measure an excess of high compared to intermediate frequency variants. Only a few high-frequency variants are needed to detect hitchhiking since not many are expected under neutrality. This is of particular utility in regions of low recombination where there is not much variation and in regions of normal or high recombination, where the hitchhiking effect can be limited to a small (<1 kb) region. Application of the H test to published surveys of Drosophila variation reveals an excess of high frequency variants that are likely to have been influenced by positive selection.

Abstract The unit of adaptation is usually thought to be a gene or set of interacting genes, rather than the whole genome, and this may be true of species differentiation. Defining species on the basis of reproductive isolation (RI), on the other hand, is a concept best applied to the entire genome. The biological species concept (BSC; Mayr, 1963) stresses the isolation aspect of speciation on the basis of two fundamental genetic assumptions – the number of loci underlying species differentiation is large and the whole genome behaves as a cohesive, or coadapted genetic unit. Under these tenets, the exchange of any part of the genomes between diverging groups is thought to destroy their integrity. Hence, the maintenance of each species’ genome cohesiveness by isolating mechanisms has become the central concept of species. In contrast, the Darwinian view of speciation is about differential adaptation to different natural or sexual environments. RI is viewed as an important by product of differential adaptation and complete RI across the whole genome need not be considered as the most central criterion of speciation. The emphasis on natural and sexual selection thus makes the Darwinian view compatible with the modern genic concept of evolution. Genetic and molecular analyses of speciation in the last decade have yielded surprisingly strong support for the neo-Darwinian view of extensive genetic differentiation and epistasis during speciation. However, the extent falls short of what BSC requires in order to achieve whole-genome ‘cohesiveness’. Empirical observations suggest that the gene is the unit of species differentiation. Significantly, the genetic architecture underlying RI, the patterns of species hybridization and the molecular signature of speciation genes all appear to support the view that RI is one of the manifestations of differential adaptation, as Darwin (1859, Chap. 8) suggested. The nature of this adaptation may be as much the result of sexual selection as natural selection. In the light of studies since its early days, BSC may now need a major revision by shifting the emphasis from isolation at the level of whole genome to differential adaptation at the genic level. With this revision, BSC would in fact be close to Darwin’s original concept of speciation.

When the coding regions of 11 genes from rodents (mouse or rat) and man are compared with those from another mammalian species (usually bovine), it is found that rodents evolve significantly faster than man. The ratio of the number of nucleotide substitutions in the rodent lineage to that in the human lineage since their divergence is 2.0 for synonymous substitutions and 1.3 for nonsynonymous substitutions. Rodents also evolve faster in the 5' and 3' untranslated regions of five different mRNAs; the ratios are 2.6 and 3.1, respectively. The numbers of nucleotide substitutions between members of the beta-globin gene family that were duplicated before the man-mouse split are also higher in mouse than in man. The difference is, again, greater for synonymous substitutions than for nonsynonymous substitutions. This tendency is more consistent with the neutralist view of molecular evolution than with the selectionist view. A simple explanation for the higher rates in rodents is that rodents have shorter generation times and, thus, higher mutation rates. The implication of our findings for the study of molecular phylogeny is discussed.

The genomic sequences of severe acute respiratory syndrome coronaviruses from human and palm civet of the 2003/2004 outbreak in the city of Guangzhou, China, were nearly identical. Phylogenetic analysis suggested an independent viral invasion from animal to human in this new episode. Combining all existing data but excluding singletons, we identified 202 single-nucleotide variations. Among them, 17 are polymorphic in palm civets only. The ratio of nonsynonymous/synonymous nucleotide substitution in palm civets collected 1 yr apart from different geographic locations is very high, suggesting a rapid evolving process of viral proteins in civet as well, much like their adaptation in the human host in the early 2002–2003 epidemic. Major genetic variations in some critical genes, particularly the Spike gene, seemed essential for the transition from animal-to-human transmission to human-to-human transmission, which eventually caused the first severe acute respiratory syndrome outbreak of 2002/2003.

Abstract The distinction between deleterious, neutral, and adaptive mutations is a fundamental problem in the study of molecular evolution. Two significant quantities are the fraction of DNA variation in natural populations that is deleterious and destined to be eliminated and the fraction of fixed differences between species driven by positive Darwinian selection. We estimate these quantities using the large number of human genes for which there are polymorphism and divergence data. The fraction of amino acid mutations that is neutral is estimated to be 0.20 from the ratio of common amino acid (A) to synonymous (S) single nucleotide polymorphisms (SNPs) at frequencies of ≥ 15%. Among the 80% of amino acid mutations that are deleterious at least 20% of them are only slightly deleterious and often attain frequencies of 1–10%. We estimate that these slightly deleterious mutations comprise at least 3% of amino acid SNPs in the average individual or at least 300 per diploid genome. This estimate is not sensitive to human population history. The A/S ratio of fixed differences is greater than that of common SNPs and suggests that a large fraction of protein divergence is adaptive and driven by positive Darwinian selection.

The homeodomain is a DNA binding motif that is usually conserved among diverse taxa. Rapidly evolving homeodomains are thus of interest because their divergence may be associated with speciation. The exact site of the Odysseus ( Ods ) locus of hybrid male sterility in Drosophila contains such a homeobox gene. In the past half million years, this homeodomain has experienced more amino acid substitutions than it did in the preceding 700 million years; during this period, it has also evolved faster than other parts of the protein or even the introns. Such rapid sequence divergence is driven by positive selection and may contribute to reproductive isolation.

The prevailing view that the evolution of cells in a tumor is driven by Darwinian selection has never been rigorously tested. Because selection greatly affects the level of intratumor genetic diversity, it is important to assess whether intratumor evolution follows the Darwinian or the non-Darwinian mode of evolution. To provide the statistical power, many regions in a single tumor need to be sampled and analyzed much more extensively than has been attempted in previous intratumor studies. Here, from a hepatocellular carcinoma (HCC) tumor, we evaluated multiregional samples from the tumor, using either whole-exome sequencing (WES) (n = 23 samples) or genotyping (n = 286) under both the infinite-site and infinite-allele models of population genetics. In addition to the many single-nucleotide variations (SNVs) present in all samples, there were 35 "polymorphic" SNVs among samples. High genetic diversity was evident as the 23 WES samples defined 20 unique cell clones. With all 286 samples genotyped, clonal diversity agreed well with the non-Darwinian model with no evidence of positive Darwinian selection. Under the non-Darwinian model, MALL (the number of coding region mutations in the entire tumor) was estimated to be greater than 100 million in this tumor. DNA sequences reveal local diversities in small patches of cells and validate the estimation. In contrast, the genetic diversity under a Darwinian model would generally be orders of magnitude smaller. Because the level of genetic diversity will have implications on therapeutic resistance, non-Darwinian evolution should be heeded in cancer treatments even for microscopic tumors.