分子時計

分子時計とは、生体分子の突然変異率を利用して、先史時代に2 つ以上の生命体が分岐した時期を推定する技術の比喩的な用語です。このような計算に使用される生体分子データは通常、DNAやRNAのヌクレオチド配列、またはタンパク質のアミノ酸配列です。

いわゆる「分子時計」の存在という概念は、 1962年にエミール・ズッカーカンドルとライナス・ポーリングによって初めて提唱されました。彼らは、化石証拠から推定すると、異なる系統間のヘモグロビンのアミノ酸の違いの数は、時間とともにほぼ直線的に変化することに気付きました。 ^[1]彼らはこの観察を一般化して、特定のタンパク質の進化の速度は、時間と異なる系統にわたってほぼ一定であると主張しました（分子時計仮説として知られています）。

遺伝的等距離現象は、1963年にエマニュエル・マルゴリアッシュによって初めて指摘され、次のように記している。「2つの種のシトクロムc間の残基の差異の数は、主に、これら2つの種につながる進化の系統が最初に分岐してから経過した時間によって左右されるようだ。これが正しければ、すべての哺乳類のシトクロムcは、すべての鳥類のシトクロムcと等しく異なるはずである。魚類は鳥類や哺乳類よりも早く脊椎動物の進化の主幹から分岐したため、哺乳類と鳥類の両方のシトクロムcは、魚類のシトクロムcと等しく異なるはずである。同様に、すべての脊椎動物のシトクロムcは、酵母タンパク質と等しく異なるはずである。」^[2]たとえば、コイとカエル、カメ、ニワトリ、ウサギ、ウマのシトクロムcの差は、13%から14%と非常に一定している。同様に、細菌と酵母、小麦、蛾、マグロ、ハト、馬のシトクロムcの差は64%から69%の範囲です。エミール・ズッカーカンドルとライナス・ポーリングの研究とともに、遺伝的等距離の結果は、1960年代初頭の分子時計仮説の正式な提唱に直接つながりました。^[3]

同様に、ヴィンセント・サリッチとアラン・ウィルソンは1967年に、現代の霊長類におけるアルブミンタンパク質の分子的差異から、彼らが評価したすべての系統においてほぼ一定の変化率が起こっていることが示されたことを実証した。^[4]彼らの分析の基本的な論理は、ある種の系統が共通の祖先以来、姉妹種の系統よりも急速に進化した場合、外群（より遠縁）の種と進化の速い種との間の分子的差異は、外群の種と進化の遅い種との間の分子的差異よりも大きいはずである（その系統ではより多くの分子的変化が蓄積されているため）という認識を伴う。この方法は相対速度テストとして知られている。例えば、サリッチとウィルソンの論文では、ヒト（ホモ・サピエンス）とチンパンジー（パン・トログロダイテス）のアルブミン免疫学的交差反応から、それらがセボイデア（新世界ザル）の種とほぼ同程度に異なることが示唆されたと報告されている（実験誤差の範囲内）。このパターンは、彼らがテストしたすべての霊長類の比較でも見られました。いくつかのよく文書化された化石分岐点（KT境界以前には現代的な外観の霊長類の化石が見つかっていないなど）と較正すると、サリッチとウィルソンは、ヒトとチンパンジーの分岐はおそらく約400～600万年前に起こったと主張するに至りました。^[5]

分子の変化の時計のような速度の観察は、もともと純粋に現象論的なものでした。その後、木村資生^[6]の研究により、分子時計を予測する分子進化の中立理論が開発されました。個体が N 個あり、計算を簡単にするために、個体が半数体（つまり、各遺伝子のコピーを 1 つ持つ）であるとします。新しい個体における中立突然変異（つまり、適応度に影響しない突然変異）の速度を とします。遺伝子の各コピーは他のコピーと同等であるため、この新しい突然変異が集団内で固定される確率は1/N です。世代ごとに、各個体は新しい突然変異を持つ可能性があるため、集団全体では N 個の新しい中立突然変異が発生します。つまり、世代ごとに、新しい中立突然変異が固定されます。分子進化中に見られるほとんどの変化が中立である場合、集団内の固定は、個体の 中立突然変異の速度に等しい時計速度で蓄積されます。${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu }$

分子時計を使用して分岐時間を推定するには、分子時計を「較正」する必要があります。これは、分子データだけでは絶対時間に関する情報がまったく含まれていないためです。ウイルス系統学と古代 DNA研究 (進化のタイムスケールで配列をサンプリングできる進化生物学の 2 つの分野) では、中間サンプルの日付を使用して分子時計を較正できます。ただし、ほとんどの系統学では、化石記録などの日付に関する独立した証拠を使用して分子時計を較正する必要があります。^[7]化石を使用して分子時計を較正する一般的な方法は、ノード較正とチップ較正の 2 つです。^[8]

ノード年代測定とも呼ばれるノードキャリブレーションは、系統樹内の1つ以上のノードに時間制約を指定することにより、系統樹を時間スケーリングする方法です。初期のクロックキャリブレーション方法では、単一の化石制約（非パラメトリックレートスムージングなど）のみが使用されていましたが、 ^[9]新しい方法（BEAST ^[10]およびr8s ^[11]）では、複数の化石を使用して分子時計をキャリブレーションできます。系統群の最古の化石は、系統群の最新の共通祖先を表すノードの最小年齢を制約するために使用されます。 しかし、化石の不完全な保存やその他の要因により、系統群は通常、最も古い化石よりも古くなっています。^[8]これを考慮して、ノードキャリブレーション解析では、ノードが最小制約よりも古くなることが許可されます。 ただし、ノードがどれだけ古くなることが許容されるかを決定することは困難です。系統群の年齢の上限を導き出す戦略は数多くあり、出生・死亡モデル、化石地層分布解析、化石化制御に基づくものなどがある。^[12]あるいは、最大値と最小値の代わりに、系統群の年齢に関する不確実性を表すために確率密度を使用することができる。これらの較正密度は、分岐時間の推定に関連する不確実性を表すために使用できる標準確率密度（正規分布、対数正規分布、指数分布、ガンマ分布など）の形をとることができる。 ^[10]確率分布の形状とパラメータを決定することは簡単ではないが、最古の化石だけでなく系統群の化石記録のより大きなサンプルを使用して較正密度を経験的に推定する方法がある。^[13]研究では、化石の制約の数を増やすと、分岐時間の推定の精度が向上することがわかっている。^[14]

チップ年代測定とも呼ばれるチップキャリブレーションは、化石を分類群として扱い、ツリーの先端に配置する分子時計キャリブレーションの方法です。これは、現存する分類群の分子データセットと、絶滅した分類群と現存する分類群の両方の形態データセットを含むマトリックスを作成することで実現されます。 ^[12]ノードキャリブレーションとは異なり、この方法はツリートポロジーを再構築し、化石を同時に配置します。分子モデルと形態モデルは同時に連携して機能し、形態から化石の配置を判断できます。^[8]チップキャリブレーションでは、各系統群の最古の化石だけに頼るのではなく、クロックキャリブレーション中に関連するすべての化石分類群を利用します。この方法は、否定的な証拠の解釈に頼らずに最大系統群の年齢を推測します。^[12]

集団の人口動態の変化は、合流理論を用いて、集団内の現存する遺伝的変異のサンプルから、歴史的合流有効集団サイズの変動として検出することができる。 ^{[15] [16] [17]}地質学的記録に十分に記録され、日付が付けられている古代の集団拡大は、ノードのキャリブレーションと同様の方法で分子進化の速度をキャリブレーションするために使用することができる。しかし、ノードの既知の年齢からキャリブレーションする代わりに、拡大キャリブレーションは、一定の集団サイズに続いて集団成長が続く2つのエポックモデルを使用し、エポック間の遷移の時間がキャリブレーションの対象となるパラメータである。^{[18] [19]拡大キャリブレーションは、ノードのキャリブレーションと比較して、より短い種内の時間スケールで機能する。これは、拡大は、問題の種の}最も最近の共通祖先の後にのみ検出できるためである。拡大の年代測定は、以下で説明するように、対立遺伝子の不完全な固定のために、分子時計の速度が短い時間スケール^{[18] (< 1 MY) で膨らむ可能性があることを示すために使用されてきた[20] [21]}

この先端較正のアプローチは、化石の配置、トポロジー、進化の時間スケールを同時に推定することで、さらに一歩進んでいます。この方法では、化石の年代から形態に加えて系統学的位置を知ることができます。樹木再構築のすべての側面を同時に行うことができるため、偏った結果のリスクが軽減されます。^[8]このアプローチは、さまざまなモデルと組み合わせることで改善されています。分子時計較正の現在の方法の 1 つは、化石の誕生と死 (FBD) モデルと形態進化のモデルを組み合わせた総合証拠年代測定です。^{[22] FBD モデルは、現生の分類群または}系統の直接の祖先である化石分類群である「サンプル祖先」を考慮できるという点で斬新です。これにより、化石を先端に限定せずに、現存する生物の上の枝に配置することができます。^[23]

ベイズ法は、特に系統ゲノム解析によって得られるような大規模なデータセットを用いる場合、分岐時期のより適切な推定値を提供することができる。^[24]

時には、化石から単一の分岐日しか推定できず、他のすべての日付はその日付から推測されることがあります。他の種のセットには豊富な化石があり、一定の分岐率の仮説をテストすることができます。低レベルの負の選択を経験したDNA配列は、細菌、哺乳類、無脊椎動物、および植物で100万年あたり0.7〜0.8％の分岐率を示しました 。 ^[25] 同じ研究で、非常に高い負の選択または浄化選択（rRNAをエンコード）を経験したゲノム領域は、かなり遅い（50百万年あたり1％）でした。

このようなゲノム位置による速度の変動に加え、1990年代初頭以降、分類群間の変動も研究の肥沃な土壌であることが証明されており、^[26]比較的短い進化期間であっても（マネシツグミ^[27]など）、管鼻海鳥の分子時計は平均して他の多くの鳥の半分の速度で動いており^{[28] 、これはおそらく}世代時間が長いためであり、多くのカメの分子時計は小型哺乳類の8分の1の速度、あるいはそれよりも遅い。^[29]個体数の少なさの影響も分子時計の分析を混乱させる可能性がある。Francisco J. Ayalaなどの研究者は、分子時計仮説にもっと根本的な異議を唱えている。^{[30] [31] [32]} Ayalaの1999年の研究によると、分子時計モデルの適用を制限する5つの要因が組み合わさっている。

• 世代時間の変化（新しい突然変異の速度が、少なくとも部分的には年数ではなく世代数に依存する場合）
• 集団の規模（遺伝的浮動は集団が小さいほど強くなるため、突然変異は実質的に中立的になります）
• 種固有の違い（代謝、生態、進化の歴史などの違いによる）
• 研究対象タンパク質の機能の変化（近縁種では非コードDNA配列を利用したり、サイレント変異を強調したりすることで回避できる）
• 自然選択の強度の変化。

分子時計のユーザーは、最大尤度法やその後のベイズモデリングなど、いくつかの統計的アプローチを使用して回避策を開発してきました。特に、系統間の速度変動を考慮したモデルは、分岐時期のより良い推定値を得るために提案されています。これらのモデルは、厳密な分子時計仮説とジョセフ・フェルゼンシュタインの多速度モデル^{[34]の中間的な位置を表すため、緩和分子時計[33]と呼ばれ、重み付けされた範囲のツリートポロジーを探索し、同時に選択された置換モデルのパラメータを推定する}MCMC技術によって可能になりました。分子時計を使用して推定された分岐日は、統計的推論に基づいており、直接的な証拠に基づいていないことを忘れてはなりません。

分子時計は、非常に短い時間スケールと非常に長い時間スケールで、特に困難に直面する。長い時間スケールでは、飽和が問題となる。十分な時間が経過すると、多くの場所で複数の変化が起こっているが、複数の変化を検出することは不可能である。つまり、観察される変化の数はもはや時間と直線的ではなく、平坦になる。中間の遺伝的距離でも、系統発生データがトポロジーを推定するのに十分な場合、複雑な尤度モデルではツリーの全体的なスケールのシグナルが弱くなる可能性があり、分子時計の推定値は非常に不確実になる。^[35]

非常に短い時間スケールでは、サンプル間の多くの違いは、異なる集団における異なる配列の固定を表すものではありません。代わりに、それらは共通の祖先における多型の一部として存在していた代替の対立遺伝子を表します。まだ固定されていない違いを含めると、 非常に短い時間スケールで分子時計の見かけの速度が劇的に膨張する可能性があります。^{[21] [36]}

分子時計技術は、分子系統学、大進化、系統比較法における重要なツールです。現生の分類群間の分岐など、化石に記録されていないものも含め、系統発生イベントの日付を推定することで、化石記録が限られている生物の大進化過程を研究できるようになりました。系統比較法は、較正された系統樹に大きく依存しています。

• チャールズ・ダーウィン
• 遺伝子命令
• ヒトのミトコンドリア分子時計
• ミトコンドリア・イブとY染色体アダム
• DNA進化のモデル
• 分子進化
• 分子進化の中立理論
• グロットクロノロジー

• Ho, SYW編 (2020).分子進化時計：理論と実践. Springer, Cham. doi :10.1007/978-3-030-60181-2. ISBN 978-3-030-60180-5. S2CID  231672167。
• Kumar S (2005年8 月)。「分子時計: 40 年間の進化」。Nature Reviews。遺伝学。6 (8): 654–662。doi :10.1038/nrg1659。PMID 16136655。S2CID 14261833  。
• Morgan GJ (1998)。「エミール・ズッカーカンドル、ライナス ・ポーリング、そして分子進化時計、1959-1965」。生物学史ジャーナル。31 (2): 155–178。doi : 10.1023 /A:1004394418084。PMID 11620303。S2CID  5660841。
• Zuckerkandl E、Pauling LB (1965)。「タンパク質の進化的分岐と収束」。Bryson V、Vogel HJ (編)。進化する遺伝子とタンパク質。Academic Press、ニューヨーク。pp. 97–166。

• アラン・ウィルソンと分子時計
• 分子等距離現象の分子時計による説明
• 生命の分子系統樹のための Date-a-Clade サービス