建設的中立進化

概念的には、互いに相互作用する2つの構成要素AとB（例えば2つのタンパク質）が存在する。システムのために機能を果たすAは、その機能のためにBとの相互作用に依存しておらず、相互作用自体は、Aの適応度に影響を与えることなく消失する能力を持つ個体でランダムに発生した可能性がある。したがって、現在存在するが不要なこの相互作用は、システムの「過剰能力」と呼ばれる。その後、Aが独立して機能を果たす能力を損なう突然変異が発生する可能性がある。しかし、既に発生しているA:B相互作用は、Aが当初の機能を果たす能力を維持する。したがって、A:B相互作用の発生は、突然変異の有害な性質を「事前に抑制」し、ランダムな遺伝的浮動によって集団全体に広がることができるゲノムの中立的な変化にする。したがって、AはBとの相互作用に依存するようになった。^{[ 13 ]}この場合、BまたはA:B相互作用の喪失は適応度に負の影響を与えるため、浄化選択によって、このようなことが起こる個体は排除される。これらの各ステップは個別に可逆的であるが（例えば、Aが独立して機能する能力を取り戻したり、A:Bの相互作用が失われたりする可能性もある）、ランダムな突然変異のシーケンスはAが独立して機能する能力をさらに低下させる傾向があり、依存空間をランダムにウォークすると、Aが機能的に独立に戻る可能性が極めて低い構成になる可能性が非常に高く、CNEは一方向または「ラチェットのような」プロセスとなる。^{[ 14 ]}

体系的複雑化の CNE モデルは、変動の生成における何らかの体系的バイアスに決定的に依存する可能性がある。これは、元の CNE モデルのセットに関して次のように説明される。^{[ 1 ]}

遺伝子スクランブリングやRNAパン編集、イントロン断片化の場合、システムの初期状態（スクランブルされていない、編集されていない、断片化されていない）は、突然変異や（おそらく中立的な）固定によって到達しうる広範な組み合わせの可能性（スクランブルされている、編集されている、断片化されている）に関して、一意またはまれである。結果として生じるシステムバイアスは、ありそうもない初期状態から多くの代替状態のいずれかへの逸脱を促す。編集モデルでは、欠失：挿入突然変異バイアスが補助的な役割を果たす。遺伝子重複モデル、自己スプライシングの喪失の説明、およびスプライシングにおけるタンパク質依存性の起源の説明では、活性、親和性、または安定性を低下させる突然変異は、反対の効果を持つ突然変異よりもはるかに一般的であると想定されている。結果として生じる方向性は、重複遺伝子の活性が低下し、イントロンが自己スプライシング能力を失い、利用可能なタンパク質やトランス作用するイントロン断片に依存するようになることである。

つまり、モデルの中には、変異の偏りを反映する長期的な方向性の要素を持つものがある。導入過程における偏りの集団遺伝学的影響は、当初のCNE提案^{[ 1 ]}で口頭理論として現れたが、後に正式に明確化され実証された^{[ 15 ]}（変異導入における偏りを参照）。この種の影響は中立進化を必要としないため、CNEモデルの構成要素は、中立性とは特に結びついていない複雑化の一般理論で考慮できるという提案^{[ 1 ]}に信憑性がある。

CNE の一例として、サブファンクショナリゼーションが挙げられます。サブファンクショナリゼーションの概念は、1 つの元の (祖先) 遺伝子から、その遺伝子の 2 つのパラログコピーが生じ、それぞれのコピーが元の遺伝子の機能 (またはサブファンクショナリ) の一部のみを実行できるというものです。まず、遺伝子は遺伝子重複イベントを受けます。このイベントにより、パラログと呼ばれる同じ遺伝子の新しいコピーが生成されます。重複後、遺伝子の両方のコピーに有害な突然変異が蓄積されます。これらの突然変異は、目的の機能を完了できる産物を生成する遺伝子の能力を損なう場合もあれば、産物がその機能の 1 つを完全に失う場合もあります。最初のシナリオでは、遺伝子の 2 つのコピー (1 つしかない場合と比較して) が一緒に十分な産物を生成できるため、目的の機能は依然として実行される可能性があります。生物は、祖先よりもわずかに退化したバージョンの 2 つのコピーを持つこの遺伝子に依存することになります。2 番目のシナリオでは、遺伝子は相補的な機能を失うような突然変異を受ける可能性があります。つまり、一方のタンパク質は2つの機能のうち1つだけを失い、もう一方のタンパク質は残りの1つだけを失う可能性がある。この場合、2つの遺伝子は元の遺伝子の個々のサブ機能のみを実行するようになり、生物はそれぞれの遺伝子が個々のサブ機能を実行することに依存している。^{[ 1 ] [ 16 ]}

祖先機能を維持するために機能的に相互作用するパラログは、「パラログヘテロマー」と呼ばれることがある。^{[ 17 ]}あるハイスループット研究では、パラログタンパク質間のこのような相互作用の出現が、パラログの長期的な運命の 1 つとして酵母で頻繁に起こることが確認され、同じ研究ではさらに、パラログヘテロマーが真核生物のタンパク質間相互作用 (PPI) ネットワークを構成していることがわかった。パラログヘテロマーの進化の 1 つの特定のメカニズムは、祖先タンパク質の重複が、それ自身の他のコピー (ホモマー) と相互作用することである。パラログヘテロマーの起源におけるこのプロセスの役割を調べるために、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeでパラログヘテロマーを形成するオノログ (全ゲノム重複から生じるパラログ) は、分裂酵母Schizosaccharomyces pombeのオノログよりもホモマーオルソログを持つ可能性が高いことがわかった。ヒトとモデル植物シロイヌナズナのPPIネットワークでも同様のパターンが見られた。^{[ 17 ]}

CNE を通じて進化した特徴を積極的に特定するには、いくつかの方法があります。CNE の基本的な概念は、CNE を通じて進化した特徴は複雑であるものの、より単純な祖先よりも適応度において有利にならないということです。つまり、不必要な複雑化が起こったということです。場合によっては、系統発生学を用いてシステムの祖先バージョンを調べ、それらの祖先バージョンがより単純であったかどうか、そしてもしそうであれば、複雑化の増大が適応度において有利になったかどうか（つまり、適応として作用したかどうか）を確認できます。複雑な特徴の出現がどれほど適応的であったかを特定するのは容易ではありませんが、いくつかの方法が利用可能です。より複雑なシステムが、祖先であるより単純なシステムと同じ生化学的経路の下流効果を持つ場合、これは複雑化が適応度の向上を伴わなかったことを示唆しています。このアプローチは、より最近進化し、分類学的に少数の系統に限定されている複雑な形質を分析する場合に、より簡単になります。なぜなら、「派生形質は、姉妹や推定される祖先とより容易に比較できる」からです。^{[ 18 ]} CNE の事例を特定するための「ゴールド スタンダード」アプローチは、遺伝子やシステムの祖先バージョンを再構築し、その特性を直接特定する直接実験を伴う。^{[ 2 ]}この最初の例は、真菌系統における V-ATPase プロトン ポンプの構成要素の分析であった。^{[ 18 ]}

RNA編集システムは系統発生的に不均一な分布を示しており、派生形質であることを示唆している。RNA編集は、ゲノム（多くの場合ミトコンドリア）が翻訳前に様々な置換、欠失、挿入によってmRNAを編集する必要がある場合に必要となる。別々の半環状DNA鎖から誘導されるガイドRNA分子は、RNA編集複合体が対応する編集を行うための正しい配列を提供する。キネトプラスト類のRNA編集複合体は、分類学的に限定された系統では70以上のタンパク質から構成され、数千の編集を媒介する。分類学的に限定された別の形態のRNA編集システムは陸上植物にも見られる。キネトプラスト類では、RNA編集は数千のヌクレオチドの付加と数百のヌクレオチドの欠失を伴う。しかし、この非常に複雑なシステムの必要性は疑問視されている。大多数の生物はRNA編集システムに依存しておらず、たとえ依存している生物であっても、その必要性は不明瞭である。なぜなら、最適な解決策は、そもそも数千箇所に誤った（あるいは欠落した）ヌクレオチドがDNA配列に含まれていないことだからである。さらに、RNA編集システムが、これほどまでに欠陥のあるゲノムへの対応と修正のためだけに生じたと主張するのは難しい。なぜなら、そのようなゲノムは宿主にとって非常に有害であり、そもそも浄化選択（負の選択）によって排除されていたはずだからである。しかし、ゲノムにエラーが導入される前に、原始的なRNA編集システムが偶然に生じたというシナリオの方が、より簡潔である。RNA編集システムが生じたことで、元のミトコンドリアゲノムは、以前は有害であった置換、欠失、および付加を、適応度に影響を与えることなく許容できるようになったと考えられる。これらの有害な突然変異が十分な数発生すると、生物はこの時点で、不正確な配列を忠実に修正するためにRNA編集システムに依存するようになるだろう。^{[ 4 ] [ 5 ]}

進化生物学者の中で、ゲノム全体、そして様々な遺伝子の間にイントロンが最初に広がったことが、当該生物にとって進化上の利点となったと考える者はほとんどいない。むしろ、スプライソソームを持たない生物において、遺伝子にイントロンが広がることは有害であり、自然淘汰によってそのような個体は淘汰されるだろう。しかし、原始的なスプライソソームが宿主ゲノムへのイントロンの拡散以前に出現していた場合、その後のイントロンの拡散は有害ではなく、スプライソソームがイントロンをスプライシング除去することで、細胞がメッセンジャーRNA転写産物を機能的なタンパク質に正確に翻訳できるようになる。^{[ 19 ]}遺伝子からイントロンをスプライシングする働きをする5 つの小型核 RNA (snRNA) はグループ II イントロンに由来すると考えられており、これらのグループ II イントロンは最初に宿主内で拡散して「5 つの簡単な断片」に断片化し、スプライシングに使用される 5 つの現代の主要な snRNA の小さなトランス作用性前駆体を形成した可能性がある。これらの前駆体は遺伝子配列内の他のイントロンをスプライシングする能力を持っており、それによってイントロンが有害な影響を与えることなく遺伝子に拡散することが可能になった。^{[ 11 ] [ 20 ]}

進化の過程で、個々の種が自給自足できず、重要な栄養素を生成するために他の微生物との共生関係を必要とする多くの微生物群集が出現しました。これらの依存的な微生物は、直接合成する代わりに環境から特定の複雑な栄養素を得ることができるようになったため、「適応的遺伝子喪失」を経験しました。このため、多くの微生物は、実験室条件下での培養を妨げる複雑な栄養要求を発達させました。多くの微生物が他の生物に高度に依存しているこの状態は、寄生生物が宿主から多様な栄養要求を得られる場合に大幅な単純化を受けるのと似ています。J. Jeffrey Morris と共著者は、「黒の女王仮説」を通じてこれを説明しました。^{[ 21 ]}これとは対照的に、W. Ford Doolittle と TDP Brunet は、CNE を伴うこれらの群集の出現を説明するために「灰色の女王仮説」を提唱しました。当初、重要な栄養素の合成に必要な遺伝子の喪失は生物にとって有害で​​あるため、排除される。しかし、これらの栄養素が自由に利用できる他の種が存在する場合、重要な栄養素の合成を担う遺伝子を退化させる突然変異は、これらの栄養素を環境から簡単に取り込むことができるため、もはや有害ではない。したがって、これらの突然変異の有害性は「事前抑制」される。これらの突然変異はもはや有害ではないため、これらの遺伝子の有害な突然変異は自由に蓄積され、これらの生物は栄養ニーズを満たすために補完的な微生物の存在に依存するようになる。コミュニティ内の個々の微生物種のこの単純化は、より高いコミュニティレベルの複雑性と相互依存性を生み出す。^{[ 9 ]}