チャールズ・ダーウィンが種の起源で自然淘汰による進化論を明確にしたとき 1859 年に、彼は適応、つまり生物が新しい環境または変化する環境で生き残ることを可能にする変化に焦点を当てました。好ましい適応のための選択は、古代の祖先の形態が無数の種に徐々に多様化することを可能にした.
その概念は非常に強力だったので、進化はすべて適応であると考えるかもしれません。したがって、半世紀の間、学界ではそうではないという見方が支配的であったことを知って驚くかもしれません.
選択に疑いの余地はありませんが、多くの科学者は、ほとんどの進化的変化はゲノムのレベルで発生し、本質的にランダムでニュートラルであると主張しています。自然淘汰によって調整された適応的変化は、確かにヒレを原始的な足に彫刻するかもしれないが、それらの変化は、DNAの組成が実際の結果なしに最も頻繁に変化する進化プロセスにわずかな貢献しかしない.
しかし現在、一部の科学者は、中立説として知られるこの考えに反対し、理論が指示するよりもはるかに多くの進化した適応の証拠をゲノムが示していると述べています。この議論は、生物多様性を生み出すメカニズムの理解、自然個体群のサイズが時間の経過とともにどのように変化したかについての推論、および種の進化の歴史を再構築する能力に影響を与えるため、重要です (私たち自身のものを含む)。未来にあるのは、中立的な理論を最大限に活用しながら、経験的に裏付けられた真の淘汰の影響を認識している新しい時代かもしれません.
変動の「かなりの割合」
ダーウィンの核となる洞察は、不利な形質を持つ生物は負の (または浄化する) 選択によってゆっくりと除かれ、有利な特徴を持つ生物はより頻繁に繁殖し、それらの特徴を次の世代に引き継ぐ (正の選択) というものでした。選択は、それらの貴重な特性を広め、洗練するのに役立ちます. 20 世紀前半のほとんどの間、集団遺伝学者は、集団と種との間の遺伝的差異は正の選択による適応に大きく起因すると考えていました。
しかし 1968 年、有名な集団遺伝学者である木村基夫は、分子進化の中立的な理論で適応主義者の見方に抵抗しました。一言で言えば、彼は、種内および種間の遺伝的変異の「かなりの割合」は、自然選択ではなく、遺伝的浮動の結果、つまり、有限集団におけるランダム性の影響であると主張し、これらの違いのほとんどは生存と繁殖に機能的な影響はありません。
翌年、生物学者のジャック・レスター・キングとトーマス・ジュークスは「非ダーウィン的進化」という記事を発表し、同様に進化の過程におけるランダムな遺伝的変化の重要性を強調しました。その後、新しい中立主義者とより伝統的な順応主義者の間で二極化した議論が生じました。誰もが浄化選択が有害な突然変異を取り除くことに同意しましたが、中立主義者は遺伝的浮動が個体群または種間のほとんどの違いを説明すると確信していましたが、適応主義者は適応形質の正の選択に彼らの功績を認めました.
イェール大学公衆衛生大学院の生物統計学者で進化生物学の教授であるジェフリー・タウンゼントによれば、議論の多くは、まさに木村が遺伝的変異の「かなりの部分」によって何を意味したかにかかっている. 「それは50パーセントですか？ 5パーセントですか、0.5パーセントですか？わからない」と語った。木村の理論に関する最初の声明は定量的ではなく定性的なものであったため、「彼の理論は後のデータによって無効にすることはできませんでした」
それにもかかわらず、中立理論は多くの生物学者によって急速に採用されました。これは、当時の最も著名な理論的集団遺伝学者の 1 人としての木村の評判の結果でもありましたが、理論の数学が比較的単純で直感的であったことも助けになりました。インディアナ大学の集団遺伝学者マシュー・ハーンに寄稿した、現在オレゴン大学の集団遺伝学者であるアンドリュー・カーンは、次のように述べています。 、Molecular Biology and Evolution の特別号へ 中立理論の 50 周年を祝います。
中立的な進化モデルを個体群に適用するために、選択の強さ、個体群の規模、突然変異が優性か劣性か、突然変異が他の突然変異と相互作用するかどうかを知る必要はないとハーンは説明した。中立的な理論では、「推定するのが非常に難しいパラメータはすべてなくなる」
ニュートラル モデルに必要な唯一の重要な入力は、人口サイズと世代あたりの突然変異率の積です。この情報から、ニュートラル モデルは、集団内の突然変異の頻度が時間の経過とともにどのように変化するかを予測できます。その単純さゆえに、多くの研究者がニュートラル モデルを便利な「ヌル モデル」として採用したか、観察した遺伝的変異のパターンのデフォルトの説明として採用しました。
しかし、一部の集団遺伝学者は、木村の主張に納得できませんでした。たとえば、カリフォルニア大学デービス校の理論的集団遺伝学者であるジョン・ギレスピー (およびカーンの博士号顧問) は、1970 年代初頭に、自然淘汰に基づくモデルのいくつかは、自然界で観察されるパターンと中立モデルを説明できることを示しました。
より基本的には、中立理論の帰無仮説を反証するのに十分なデータがない場合でも、自然淘汰が起こっていないという意味ではないと、ノースカロライナ大学シャーロット校の進化遺伝学者である Rebekah Rogers は述べています。 「データが限られているときはいつでも、議論は本当に激しくなります」と彼女は言いました.
何十年もの間、それが問題の核心でした。木村は、安価な配列決定技術とポリメラーゼ連鎖反応が利用可能になる前、遺伝子配列データがまばらだった当時、中立的な理論を提案していました。論争を解決するためのゲノム変異について十分に知らなかったため、理論的根拠を除いて、その信条を広く証明または反証する簡単な方法はありませんでした.
中立性に対する強い感情
木村の記事から 50 年が経過した今日、より手頃な価格のゲノム配列決定と洗練された統計手法により、進化論者は種の違いに対する適応変異と中立進化の寄与を定量化することができるようになりました。ヒトやショウジョウバエのような種では、データは広範な選択と適応を明らかにしており、少なくとも一部の研究者は、木村の当初の考えに対する強い反発につながっています.
「種内および種間の適応変異の遍在性は、分子進化のより包括的な理論が求められなければならないことを意味します」と、Kern と Hahn は最近の記事に書いています。
大多数の研究者は、最初に定式化された厳密な中立性が誤りであることに同意していますが、多くの人は、中立理論の改良によりその弱点に対処したことも指摘しています。当初の欠点の 1 つは、中立的な理論では、個体数の異なる種間で観察されるゲノム進化のさまざまなパターンを説明できないことでした。たとえば、個体数が小さい種は、有害な突然変異を平均して多く持っています。
これに対処するために、木村の学生の 1 人で、現在は日本の国立遺伝学研究所の名誉教授である太田朋子は、1973 年に分子進化のほぼ中立的な理論を提案しました。有害。太田氏は、集団サイズが十分に大きい場合、選択を浄化することで、わずかに有害な突然変異でも一掃できると主張しました。ただし、小さな集団では、選択の浄化はあまり効果的ではなく、わずかに有害な突然変異が中立的に振る舞うことを許してしまいます.
カーン氏によると、ほぼ中立的な理論にも問題がありました。たとえば、生物の異なる系統間で観察されるように進化の速度が異なる理由を説明していませんでした。このような課題に応えて、太田と現在九州大学の生物学教授である立田英典は、1990 年にほぼ中立的なモデルのさらに別のバリエーションを開発しました。
ほぼ中立の理論の立場に関する意見は、依然として大きく異なる可能性があります。ミシガン大学でゲノムの進化を研究し、Molecular Biology and Evolution の特別号にも寄稿した Jianzhi Zhang は、「ほぼ中立的な理論の予測は非常によく確認されています」と述べています。 .
Kern と Hahn の意見は一致しない:ほぼ中立的な理論は「最初からあまり説明がなく、その後、魅力的なアイデアをデータの厳しいまぶしさから救おうとして混乱させられた」と Kern は電子メールに書いている.
ニュートラルでどのくらい進化しますか?
タウンゼントにとって、中立主義者と選択主義者の間で進行中の議論は特に実り多いものではありません。代わりに、彼は次のように述べています。これには、完全に中立的なサイトもあれば、中程度に選択されたサイトもあれば、非常に強く選択されたサイトも含まれます。そこにはディストリビューション全体があります。」
Townsend が約 10 年前に進化生物学者としての訓練を受けて初めてがんの研究を始めたとき、彼は、がん生物学者がゲノムの個々の部位での突然変異率に関する情報を明らかにできる詳細レベルで突然変異を研究し始めていることに気付きました。これは、ほとんどの集団遺伝学者が研究している野生の集団からは得られない貴重な情報です。しかし、自然淘汰を研究しているがん生物学者はほとんどいません。タウンゼントが進化生物学のバックグラウンドでがん分野にもたらしたのは、それです。
10 月下旬に Journal of the National Cancer Institute に掲載された論文で 、Townsend と彼のイェール大学の同僚は、癌における突然変異の進化的分析の結果を発表しました。 「私たちができることは、さまざまな突然変異の選択強度がどのようなものであるかを、部位ごとに実際に定量化することです」と彼は言いました.がん細胞にはさまざまな変異がみられますが、がんにとって機能的に重要なのはそれらのごく一部にすぎません。選択強度は、がんの個々のケースの成長を促進するためにさまざまな変異がどれほど重要であるかを明らかにし、したがって、どの変異が治療標的として最も有望であるかを明らかにします.
「この選択強度の定量化は、がんの治療法を導く上で絶対に不可欠だと思います」と Townsend 氏は述べた。 「私が言いたいのは、今日の医師は次のような質問に直面しているということです。この患者にどの薬を投与すべきか?そして、それらの薬が標的とする突然変異が実際にどれほど重要であるかを定量化していません。」 Townsend は、いつの日か、この進化的フレームワークが、適切な薬を選択するための遺伝的基盤を提供し、特定の腫瘍が治療に対する耐性をどのように発達させるかを予測することさえできるようになることを望んでいます.
最強の選択を受ける突然変異を特定することは明らかに有用で重要ですが、選択は、選択の標的に隣接するゲノムの領域に微妙ではあるが重要な間接的な影響を与える可能性もあります.
これらの間接的な影響の最初のヒントは、1980 年代と 1990 年代にポリメラーゼ連鎖反応の出現によってもたらされました。ポリメラーゼ連鎖反応は、研究者が遺伝子配列のヌクレオチド レベルの変動を初めて調べることを可能にした技術です。彼らが発見したことの 1 つは、遺伝的変異のレベルとゲノムの特定の領域での組換え率との間に明らかな相関関係があることでした。
組換えとは、染色体の母性コピーと父性コピーが、精子と卵細胞の生成である減数分裂中に互いに DNA のブロックを交換するプロセスです。これらの組換えは、ゲノム全体の遺伝的変異をシャッフルし、以前は一緒だったかもしれない対立遺伝子を分割します。
2005 年までに、研究者はさまざまな生物から全ゲノム データを取得できるようになり、遺伝的変異のレベルとあらゆる場所での組換え率との間に明らかな相関関係があることを発見し始めた、と Kern 氏は述べた。この相関関係は、直接的な精製選択と中立ドリフトを超えた力が、ゲノムランドスケープ全体の変動レベルに違いを生み出していることを意味していました.
Kern は、ゲノム全体での組換え率の違いが、遺伝的ヒッチハイクと呼ばれる現象を明らかにしていると主張している。有益な対立遺伝子が隣接する中立突然変異と密接に関連している場合、自然淘汰はそれらすべてに 1 つの単位として作用する傾向があります。
遺伝的ヒッチハイクは、進化論的遺伝学者が突然、連鎖選択と呼ばれるまったく新しい力を心配するようになったことを意味した、とカーンは述べた.集団内でゲノムの 10% のみが直接選択下にある場合、連鎖選択とは、はるかに大きな割合 (おそらく 30% または 40%) がその影響を示す可能性があることを意味します。
もしそれが本当なら、適応バリアントの選択は隣接するゲノム領域を間接的に形成し、「ニュートラルな対立遺伝子が遺伝的ドリフト以上のものによって決定された頻度を持ち、代わりに選択によって誘発された確率論の新しい層を持つ状況」につながります.電子メールで:リンクされた選択は、中立性の下で予想されるよりも世代間でより多くの差異を生み出すでしょう.
Zhang は、リンクされた中立突然変異は依然として中立であると指摘しています。彼らは有益な対立遺伝子とヒッチハイクしているかもしれませんが、その連鎖はランダムです - それらは有害な対立遺伝子に簡単に関連付けられ、「バックグラウンド選択」によって除去される可能性があります.そのため、ニュートラル ミューテーションの運命は依然として偶然によって決定されます。
カーンも同意見だ:ニュートラルミューテーションは依然としてニュートラルだが、ニュートラル理論が予測するような振る舞いをしていない.リンクされたサイトで選択を浄化すると、「ドリフトを超えて対立遺伝子頻度にノイズが追加されます」が、バックグラウンド選択とヒッチハイクは、中立性の下よりも遺伝的変異が少なくなります.
ニュートラル モデルと人類の進化
「ニュートラルモデルは間違いなく途方もない理論的成果をもたらしましたが、ニュートラル理論の説明力は決して例外的ではありませんでした」とカーンとハーンは論文に書いています. 「その提案から 50 年が経ち、安価なゲノム配列決定と膨大な人口ゲノム データ セットの時代において、中立理論の説明力はさらに悪化しているように見えます。」
人間では、最近の証拠は、「これまで考えられていたよりもはるかに多くの適応があることを示唆しています」とカーンは言いました.最近の人間の進化は、主に、人間が適応しなければならない新しい気候や病原体に遭遇した新しい地理的場所への移動の歴史です。 2017 年、Kern は、ほとんどの人間の適応は、人口全体に急速に広がる新しい突然変異ではなく、ゲノム内の既存の遺伝的変異から生じたことを示す論文を発表しました。
それでも、実際にタンパク質をコードしているのはヒトゲノムの約 1% にすぎないと、ワシントン州立大学の進化ゲノミストである Omar Cornejo は述べています。おそらく、ゲノムの約 20% が、これらのコード領域がいつ、どこで発現するかを制御しています。しかし、それでもまだゲノムの約 80% が未知の機能のままです。
ゲノムのこの非コード部分の一部は、ゲノム全体に自分自身をコピーして挿入する転位可能な遺伝要素またはトランスポゾンによって引き起こされる反復 DNA 配列でいっぱいです。シカゴ大学の海洋生物学研究所でトランスポゾンの役割を研究している分子進化遺伝学者の Irina Arkhipova によると、「ゲノムのこの部分は、木村の感覚では本質的に中立です」。遺伝子の発現。このため、ゲノムの非機能領域に適用されたニュートラル モデルを使用して、人間集団 (および他のさまざまな生物) の人口学的歴史を非常に正確に推測することができます、と Cornejo 氏は述べています。
カーンは同意しません。 「私たちが人間の人口統計学の歴史を正確に推定しているかどうかはわかりません」と彼は電子メールに書いています。ニュートラルに進化する人口をコンピューターでシミュレートすると、人口統計を推定する方法が機能します。リンクされた選択を導入すると、それらの方法は失敗します。
カーンは、ヒトゲノムの何パーセントが機能しているかについては知りませんが、遺伝的連鎖はゲノムの大部分（まだ未知の部分）に関係していると考えています.ヒトゲノムにおける適応の証拠が蓄積されていることから、ゲノムの大部分が連鎖選択の影響を受ける可能性が高いと思われる、と彼は示唆した. 「その割合がどれほど大きいかはわかりません。」
eLife の最近の論文 Fanny Pouyet とベルン大学の計算遺伝学者の同僚とスイス バイオインフォマティクス研究所によって、その数が突き止められました。 「ヒトゲノムの最大 80 ～ 85% は、おそらくバックグラウンド選択の影響を受けています」と著者らは書いています。
彼らはさらに、組換えがDNA修復中に導入できる遺伝子の偏った変化を説明した後、ヒトゲノムの5％未満が偶然だけで進化したと結論付けました. eLife の編集者として 「これは、私たちの遺伝物質のほとんどが機能しない配列で形成されている一方で、その大部分がある種の選択の下で間接的に進化していることを示唆しています。」
生物学者が選択のより微妙なヒントを認識することを学ぶにつれて、この推定値はさらに高くなる可能性があります。ポピュレーション ゲノミクスの新たなフロンティアは、身長、肌の色、血圧などの多遺伝子性の形質に注目しています。これは、数百または数千の遺伝子が協調して作用することから生じることを意味します。たとえば、より高い身長を選択するには、分散した多数の遺伝子で変化を積み重ねる必要があります。同様に、生産者が収穫量の多いトウモロコシの品種を選択すると、その影響は通常、多くの遺伝子に同時に現れます。
しかし、自然個体群で多遺伝子適応を検出することは「非常にトリッキーな作業」であると Kern 氏は述べています。これらの多数の遺伝子は、複雑で非線形の方法で相互作用している可能性が高いからです。これらの一連の変化を特定するための統計的手法は、開発され始めたばかりです。カーンにとっては、適応の「まったく別の味」を理解することを学ぶことになるでしょう。なぜなら、自然淘汰にとって集合的に重要な個々の突然変異頻度の多くの小さな変化を伴うからです.
言い換えれば、これはゲノム進化に影響を与えるもう 1 つの非中立的なメカニズムです。中立的な理論が過去半世紀にわたってさまざまな形で有用であったのと同じように、進化論の未来は必然的に、選択がどのように、そしてどれだけの量であるかを正確に理解するという困難な作業を行うためのより良い方法を見つけることにかかっているかもしれません。結局、容赦なく私たちのゲノムを形成しています.
11 月 9 日に追加された訂正:この記事の元のバージョンでは、ニュートラル モデルに必要なキー入力が誤って記述されていました。
