進化的容量

進化的キャパシタンスは、電気コンデンサが電荷を蓄えたり放出したりするのと同じように、変異を蓄えたり放出したりするものである。生物系は突然変異に対して堅牢である。つまり、生物系は遺伝的変異を蓄積するが、その変異が表現型に影響を与えることはない。しかし、システムが乱されると（おそらくストレスによって）、堅牢性は崩れ、変異は表現型に影響を与え、自然淘汰の完全な力を受ける。進化的キャパシタンスは、遺伝的変異を隠された状態と明らかにされた状態の間で「切り替える」ことができる分子スイッチ機構である。^[1] 新たに明らかにされた変異の一部が適応的である場合、それは遺伝的同化によって固定される。その後、残りの変異（そのほとんどはおそらく有害である）をオフにすることができ、集団は新たに進化した有利な特性を持ちながら、長期的なハンディキャップを持たない。進化的キャパシタンスがこのように進化可能性を高めるためには、切り替え速度が遺伝的同化のタイムスケールよりも速くあってはならない。^[2]

このメカニズムにより、新しい環境条件への迅速な適応が可能になります。切り替え率はストレスの関数である可能性があり、遺伝的変異が適応に最も役立つ可能性が高いときに表現型に影響を与える可能性が高くなります。さらに、非常に有害な変異は部分的に隠れた状態にある間に排除される可能性があるため、残っている隠れた変異はランダムな突然変異よりも適応的である可能性が高くなります。^{[3]静電容量は、}適応度地形の「谷」を越えるのに役立ちます。この場合、それぞれが単独では有害であっても、2つの突然変異の組み合わせが有益になります。^{[2] [3] [4]}

現時点では、静電容量が自然集団の進化にどの程度寄与するかについてはコンセンサスが得られていない。進化的静電容量の可能性は、拡張進化的統合の一部であると考えられている。^[5]

遺伝的変異ではなく表現型変異に対する堅牢性のオン/オフを切り替えるスイッチは、その存在によって時間の経過とともに変異が蓄積されることがないため、静電容量のアナロジーには当てはまりません。代わりに、それらは表現型安定装置と呼ばれています。^[6]

多くの酵素は、本来の反応に加え、副反応を起こします。^[7]同様に、結合タンパク質は、ある時間の割合をオフターゲットタンパク質に結合して過ごすことがあります。これらの反応や相互作用は、現在の適応度には影響を及ぼさないかもしれませんが、変化した条件下では、適応進化の出発点となる可能性があります。^[8]たとえば、抗生物質耐性遺伝子B-ラクタマーゼのいくつかの変異は、セフォタキシム耐性をもたらしますが、アンピシリン耐性には影響しません。^{[9]アンピシリンのみに曝露された集団では、適応度コストがないため（つまり、}中立ネットワーク内にあるため）、そのような変異は少数のメンバーに存在する可能性があります。これは、集団が新たにセフォタキシムに曝露された場合、少数のメンバーが何らかの耐性を示すため、隠れた遺伝的変異を表しています。

シャペロンはタンパク質の折り畳みを補助します。タンパク質を正しく折り畳む必要性は、タンパク質配列の進化に対する大きな制約です。シャペロンの存在は、折り畳みのエラーに対するさらなる堅牢性を提供することで、より大規模な遺伝子型の探索を可能にする可能性があると提案されています。環境ストレス時にシャペロンが過剰に働くと、以前は隠れていた遺伝子変異が「オン」になる可能性があります。^[10]

シャペロンが進化のコンデンサーとして機能できるという仮説は、熱ショックタンパク質Hsp90と密接に関連している。ショウジョウバエDrosophila melanogasterでHsp90がダウンレギュレーションされると、遺伝的背景に応じて表現型の正体が異なる幅広い表現型が見られる。^[10]また、モデル昆虫である赤いコクゾウTribolium castaneumに関する最近の研究では、Hsp90の機能障害により、新たな表現型である縮小眼表現型が現れ、それがHSP90をさらに阻害することなく安定して遺伝することが示された（https://doi.org/10.1101/690727）。これは、新たな表現型が、単に明らかにされた既存の隠れた遺伝的変異に依存していることを証明すると考えられた。より最近の証拠は、これらのデータが、正式には休眠状態にあった転移因子の再活性化によって引き起こされた新たな突然変異によって説明できるかもしれないことを示唆している。^[11]しかし、転移因子に関するこの発見は、その実験で使用されたHsp90ノックダウンの強力な性質に依存している可能性がある。^[12]

大腸菌におけるGroELの過剰生産は変異に対する堅牢性を高める。^[13]これにより進化可能性が高まる可能性がある。^[14]

Sup35p は、終止コドンを認識し、タンパク質の末端で翻訳を正しく停止させる役割を持つ酵母タンパク質です。Sup35p には、通常の形態 ([psi-]) とプリオン形態 ([PSI+]) があります。[PSI+] が存在すると、利用可能な通常の Sup35p の量が枯渇します。その結果、終止コドンを超えて翻訳が継続するエラー率が約 0.3% から約 1% に増加します。^[15]

これにより、さまざまなストレス環境下では、[PSI+]株と[psi-]株を一致させた場合、異なる成長速度、時には異なる形態が生じる可能性があります。 ^[16] [PSI+]株の方が速く成長することもあり、[psi-]株の方が速く成長することもあります。これは株の遺伝的背景に依存しており、[PSI+]が既存の隠れた遺伝的変異を利用していることを示唆しています。数学モデルは、[PSI+]が進化コンデンサーとして進化し、進化可能性を促進した可能性があることを示唆しています。^{[17] [18]}

[PSI+]は環境ストレスに反応してより頻繁に出現する。^[19]酵母では、突然変異バイアスから予想されるものや[PSI+]プリオンを形成しない他の分類群で観察されるものよりも多くの終止コドン消失がフレーム内で起こり、[PSI+]の効果を模倣している。 ^[20]これらの観察結果は、[PSI+]が野生で進化コンデンサーとして機能していることと一致する。

同様の一時的なエラー率の増加は、[PSI+]のような「ウィジェット」がない場合でも、突然発生する可能性があります。^[21] [PSI+]のようなウィジェットの主な利点は、遺伝的同化が起こった後に、エラー率の低減を促進することです。^[22]

遺伝子ノックアウトは、進化コンデンサーとして機能する新しい遺伝子またはゲノム領域を識別するために使用できます。遺伝子がノックアウトされ、その除去によって以前は観察できなかった表現型の変化が明らかになった場合、その遺伝子は表現型コンデンサーとして機能しています。変化のいずれかが適応的である場合、それは進化コンデンサーとして機能しています。

少なくとも15種類の遺伝子の欠損により、ショウジョウバエの羽の形態に隠れた変異が明らかになった。これらの遺伝子ノックアウトによって明らかになった変異の中には有害なものもあるが、他の変異は空気力学に比較的軽微な影響しか与えず、個体の飛行能力を向上させる可能性もある。^[23]

酵母では、特定のクロマチン制御遺伝子のノックアウトにより、酵母種間の発現の差が増大する。タンパク質発現の変動の大部分はトランス効果に起因するため、トランス制御プロセスが運河化に深く関与していることが示唆される。クロマチン制御因子とは異なり、代謝酵素をコードする遺伝子の除去は種間の発現の差に一貫した影響を及ぼさず、異なる酵素ノックアウトは発現の差を増大、減少、または有意に影響を及ぼさない。^[24]

酵母のより広範なノックアウトサンプルにより、少なくとも 300 個の遺伝子が特定されており、これらの遺伝子が欠如すると酵母個体間の形態学的変異が増加する。これらのコンデンサー遺伝子は主に、染色体構成と DNA の完全性、RNA 伸長、タンパク質修飾、細胞周期、ストレスなどの刺激への応答など、遺伝子オントロジーのいくつかの重要なドメインを占めている。より一般的には、コンデンサー遺伝子は、細胞のインタラクトームおよび合成致死相互作用のネットワークでネットワークハブとして機能するタンパク質を発現する可能性が高い。特定の遺伝子が表現型コンデンサーとして機能するという信頼性は、その発現タンパク質で観察されるタンパク質間相互作用の数と相関している。ただし、相互作用の量が最も多いタンパク質は表現型容量が減少しており、これはおそらくゲノム内でこれらのタンパク質をコードする領域の重複が増加し、単一のノックアウトの効果が減少するためである。

コンデンサー遺伝子は、ゲノムの他の場所にパラログを持つ可能性が低い。酵母で特定されたコンデンサーのほとんどは、シングルトン遺伝子であるか、または発現の点で大幅に分岐した歴史的パラログを持っている。シングルトンコンデンサーと重複コンデンサーは、インタラクトームで主に分離した動作を示す。シングルトンコンデンサーは、ほとんどの場合、高度に相互接続された複合体（メディエーター複合体など）の一部であるのに対し、重複コンデンサーはより高度に接続されており、複数の大きな複合体と相互作用する傾向がある。シングルトンコンデンサーと重複コンデンサーの遺伝子オントロジーも著しく異なる。シングルトンコンデンサーは、DNAの維持と組織化、刺激への反応、RNAの転写と局在のカテゴリに集中しているのに対し、重複コンデンサーはタンパク質代謝とエンドサイトーシスのカテゴリに集中している。^[25]

酵母における表現型コンデンサー遺伝子のメカニズムは、ゲノムのさまざまなレベルでの機能的冗長性の様相と密接に関係しているようです。ゲノムの他の場所にパラログを持たない重要なタンパク質の合成に必要なコーディング領域は、除去すると致死的になります。逆に、多くのパラログまたは強く発現するパラログを持つコーディング領域は、除去しても全体的な発現（特にトランス調節発現）への影響は最小限です。シングルトン コンデンサーと重複コンデンサーはどちらも、主に不完全な機能的冗長性の事例を表しています。重複コンデンサーの差次的に発現するパラログは、元の遺伝子の一部の機能を継続し、シングルトン コンデンサーが存在するタンパク質間相互作用複合体は、主に重複した機能を示します。一般に、酵母のノックアウトによって特定される表現型コンデンサーは、いくつかの重要な調節領域で発現する遺伝子であり、除去しても致死的ではありませんが、完全な機能を維持するのに十分な冗長性がありません。機能的冗長性の概念は、コンデンサー遺伝子が関与する多数の合成致死的相互作用にも関係している可能性があります。遺伝子の機能がパラログまたは機能的類似体によって回復される場合、その遺伝子の除去は本質的に致死的ではありませんが、遺伝子とその冗長性が除去されると、結果は致死的になります。

複雑な遺伝子相互作用ネットワークにおけるノックアウトの計算シミュレーションでは、発現した遺伝子の多く、おそらくすべては、除去されると何らかの表現型の変化を示す可能性があること、そして、以前に特定されたコンデンサー遺伝子は単に特に強力な例であることが実証されています。つまり、静電容量は、単に複雑な遺伝子ネットワークの特徴であり、導管化と連動して発生します。^[26]

劣性変異は、ホモ接合体よりもヘテロ接合体に圧倒的に多く存在する場合、潜在的であると考えられる。自殖の形をとる通性性交配は、主に無性生殖の集団においてホモ接合体を作り出すことで進化コンデンサーとして機能する。^[27]異系交配の形をとる通性性交配は、通常は相殺される表現型効果を持つ対立遺伝子の組み合わせを分解することで進化コンデンサーとして機能する。^[28]

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