導管形成（遺伝学）

カナリゼーションは、環境や遺伝子型の変動性に関係なく、集団が同じ表現型を生み出す能力の尺度です。これは進化的堅牢性の一種です。この用語は、1942 年にCH Waddingtonによって造られ、 「自然淘汰を受けた生物で発生する発達反応は、反応の過程で条件がわずかに変化しても、1 つの明確な最終結果をもたらすように調整される」という事実を捉えるものでした。^[1]彼は、生物学的システムが、たとえば人工システムとはまったく同じように堅牢ではないと考えるために、堅牢性ではなくこの言葉を使用しました。

生物学的な頑健性または運河化は、発達経路が進化によって形作られるときに生じる。ワディントンは、生物の状態が発達中に「下り坂」に転がるというエピジェネティック ランドスケープの概念を導入した。この比喩では、運河化された形質は、高い尾根に囲まれた谷 (彼はこれをクレオデと呼んだ)として示され、表現型を安全に「運命」へと導く。ワディントンは、進化の過程でエピジェネティック ランドスケープに運河が形成され、このヒューリスティックが生物学的頑健性の独自の性質を理解するのに役立つと主張した。^[2]

ワディントンは、遺伝的同化に関する実験を説明するために、運河化の概念を使用しました。^[3]これらの実験では、彼はショウジョウバエの 蛹を熱ショックにさらしました。この環境撹乱により、一部のハエは交差脈のない表現型を発達させました。次に、彼は交差脈のないものを選択した。最終的に、交差脈のない表現型は熱ショックがなくても現れました。この遺伝的同化のプロセスを通じて、環境によって誘発された表現型が継承されるようになりました。ワディントンはこれを、エピジェネティックなランドスケープにおける新しい運河の形成として説明しました。

しかし、遺伝的同化は、量的遺伝学と閾値モデルのみを使用して、カナリゼーションの概念を参照せずに説明することができます。^{[4] [5] [6] [7]しかし、複雑な}遺伝子型-表現型マップを組み込んだ理論モデルでは、選択が特定の表現型ではなく発達の安定性のためだけに行われ、量的遺伝学モデルが適用されない場合でも、表現型の堅牢性の進化が遺伝的同化に寄与しているという証拠が見つかりました[ ^{8] 。}これらの研究は、カナリゼーションヒューリスティックが、より単純な堅牢性の概念を超えて、依然として有用である可能性があることを示唆しています。

導管化も堅牢性も、定量化が簡単な量ではありません。どの形質がどの摂動に対して導管化される（堅牢である）かを常に特定する必要があります。たとえば、摂動は環境から来る場合もあれば、突然変異から来る場合もあります。異なる摂動は、エピジェネティックな地形で起こる発達に一致する影響を及ぼすことが示唆されています。 ^{[10] [11] [12] [13] [14]}ただし、これは堅牢性の原因となる分子メカニズムに依存し、ケースごとに異なる可能性があります。^[15]

管路化の比喩は、いくつかの表現型特性が小さな変動に対して非常に堅牢であり、発達が管路から出ることなく急速に下方に戻り、発達の最終結果にほとんど影響を与えないことを示唆している。しかし、変動の大きさが一定の閾値を超えると管路から抜け出し、発達過程を未知の領域へと移行させる。例えば、頭蓋顔面発達に重要な遺伝子であるFgf8の対立遺伝子シリーズの遺伝子発現レベルが低下する研究では、発現レベルが野生型の発現の 40% を超える限り、表現型は管路化されたままであることが実証された。^[16]

限界までは強い堅牢性があり、それを超えると堅牢性がほとんどないというパターンは、変動する環境において進化の可能性を高めることができる。 ^[17]限られた表現型空間への多数の遺伝子型の導管化は、そうでなければ有害となり得る突然変異を中立的な方法で蓄積するメカニズムであると示唆されている。^{[18]遺伝子の導管化により、}進化的容量が可能になり、遺伝的多様性が時間の経過とともに集団内に蓄積され、通常は表現型に影響を与えないため自然選択から保護される。この隠れた多様性は、環境の極端な変化や分子スイッチによって解き放たれ、以前は隠されていた遺伝的変異が解放され、急速な進化の爆発に寄与する可能性がある。^[18]この現象は脱導管化と呼ばれる。化石記録では、疎水化と脱疎水化のサイクルによって、形態変化なしに遺伝子型の多様性が蓄積する静止期と、それに続く急速な形態変化（脱疎水化により表現型の多様性が解放され、自然選択の対象となる）が交互に繰り返される現象を説明でき、断続平衡の潜在的な発達的説明となる可能性がある。^[17]

1998年、スーザン・リンドクイストは、ショウジョウバエの hsp83ヘテロ接合性変異体が、頭部の性的な櫛から、小柄な羽や切れ込みのある羽の表現型まで、非常に多様な表現型を示すことを発見した。彼女は、これらの表現型が次世代に受け継がれることを示し、それらの表現型の遺伝的根拠を示唆した。[ ^19]著者らは、シャペロンタンパク質としてのHsp90 （ hsp83で変異した遺伝子）が、発達シグナル伝達経路に関与する多くのタンパク質の折り畳みと活性化において極めて重要な役割を果たし、それらの経路の遺伝的変異を緩衝するという仮説を立てた。^{[20]したがって、} hsp83変異体は隠れた遺伝的変異を解放し、表現型の多様性をもたらすと考えられる。

2002年にリンドキストは、シロイヌナズナにおけるHSP90の薬理学的阻害が広範囲の表現型をもたらし、そのうちのいくつかは適応的であると考えられることを示しており、HSP90の導管的役割をさらに裏付けている。^[21]

最後に、洞窟魚のAstyanax mexicanusで同じタイプの実験を行ったところ、同様の結果が得られました。この種には、水面下で生活する目のある個体群と、洞窟で生活する目がなく盲目の個体群の 2 つの個体群が含まれます。洞窟個体群は目がないだけでなく、眼窩のサイズも大幅に縮小しています。HSP90 阻害は眼窩のサイズの変動の増加につながり、この特徴がわずか数世代でどのように進化したかを説明できます。さらに分析すると、洞窟水の導電率が低いと、 HSP90阻害を模倣したストレス反応が誘発され、脱管のメカニズムが提供されることがわかりました。^[22]

オリジナルのショウジョウバエ論文^[19]の解釈は現在論争の的となっている。hsp83変異体の分子解析により、HSP90はpiRNA生合成に必要であることが示された。piRNA生合成は、生殖細胞系列のトランスポゾンを抑制する小さなRNAのセットである。 ^[23]大量のトランスポゾン^[24]挿入変異を引き起こし、表現型の多様化を説明できる可能性がある。^[25]

変異性を理解することは、自然選択と突然変異を理解する上で重要な側面です。変異性は、表現型の変異を調整するものと、生成される表現型を調整するものの2つのカテゴリに分類できます。^[26]遺伝的変異性におけるこのいわゆるバイアスの存在により、実際の形態、生化学的構成、または行動の点で、特定の表現型がどのようにより成功しているかについて、さらなる洞察を得ることができます。^[27]生物が特定の生態系で繁栄するためには、体系的に統合されたシステムを開発する必要があることは科学的に知られています。これは形態にも当てはまり、変異は体系的な順序で発生する必要があります。そうでなければ、自然選択の発生により表現型の突然変異は持続しません。変異は、表現型の変異の選択と調整を通じて、進化の変化の速度と速度に影響を与えます。^[28]最終的には、形態、生化学的構成、または物理的な動きや外見が劣っているために、表現型の大部分が数世代を超えて持続しないため、進化を通じて観察される多様性の量が少なくなるという結果になります。

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