遺伝的浮動

遺伝的浮動^{[ a ]}とは、偶然によって集団内の既存の対立遺伝子の頻度が変化することである。 ^{[ 2 ]}

遺伝的浮動は、対立遺伝子を完全に消失させ、それによって遺伝的多様性を減少させる可能性がある。^{[ 3 ]}また、当初は稀であった対立遺伝子の頻度を大幅に増加させ、当初は稀であった対立遺伝子が他のすべての対立遺伝子を置き換える固定につながる可能性もある。^{[ 4 ]}

20世紀半ば、自然選択と遺伝的浮動を含む中立過程の相対的な重要性について活発な議論が交わされた。メンデル遺伝学を用いて自然選択を説明したロナルド・フィッシャー^{[ 5 ]}は、遺伝的浮動は進化においてせいぜい小さな役割しか果たさないという見解を持ち、この見解は数十年にわたって支配的であった。1968年、集団遺伝学者の木村元夫は、集団全体に遺伝的変化が広がるほとんどの事例（必ずしも表現型の変化ではない）は中立突然変異に作用する遺伝的浮動によって引き起こされると主張する中立分子進化理論で、この議論を再燃させた^{[ 6 ] [ 7 ]}。

遺伝的浮動の過程は、瓶の中の 20 個のビー玉で集団内の 20 個の生物を表すことで説明できます。^{[ 8 ]}この瓶の中のビー玉を初期集団とします。瓶の中のビー玉の半分は赤、半分は青で、それぞれの色は集団内の 1 つの遺伝子の異なる対立遺伝子に対応しています。各世代で、生物はランダムに繁殖します。この繁殖を表すには、元の瓶からビー玉をランダムに選択し、同じ色の新しいビー玉を新しい瓶に入れます。これが元のビー玉の「子孫」であり、元のビー玉は元の瓶に残ります。このプロセスを 20 個の新しいビー玉が 2 番目の瓶に入るまで繰り返します。2 番目の瓶には、さまざまな色の 20 個の「子孫」、つまりビー玉が入っています。2 番目の瓶にちょうど 10 個の赤いビー玉と 10 個の青いビー玉が入っていない限り、対立遺伝子頻度にランダムな変化が生じています。

このプロセスを何度も繰り返すと、各世代で選ばれる赤と青のビー玉の数は変動します。ある瓶には、親の瓶よりも赤いビー玉が多く入っている場合もあれば、青いビー玉が多い場合もあります。この変動は遺伝的浮動に似ています 。遺伝的浮動とは、世代間で対立遺伝子の分布がランダムに変化することによって、集団の対立遺伝子頻度が変化する現象です。

どの世代においても、特定の色のビー玉が選ばれることはなく、つまり子孫は生まれません。この例では、赤いビー玉が選ばれなければ、新しい世代を表す瓶には青いビー玉だけが残ります。こうなると、赤い対立遺伝子は集団から永久に失われ、残った青い対立遺伝子が固定されます。つまり、将来の世代はすべて青色になります。小さな集団では、わずか数世代で固定化が起こる可能性があります。

遺伝的浮動のメカニズムは、簡単な例で説明できます。溶液の滴の中に隔離された非常に大きな細菌のコロニーを考えてみましょう。細菌は、 AとBという2つの対立遺伝子を持つ単一の遺伝子を除いて遺伝的に同一です。これらの対立遺伝子は中立対立遺伝子であり、細菌の生存と繁殖能力に影響を与えません。このコロニーのすべての細菌は、生存と繁殖する可能性が等しくなります。細菌の半分が対立遺伝子Aを持ち、残りの半分が対立遺伝子Bを持っているとします。したがって、AとBの対立遺伝子頻度はそれぞれ1/2です。

その後、溶液の液滴は、4 つの細菌を維持するのに十分な餌だけになるまで縮小します。他のすべての細菌は再生せずに死滅します。生き残った 4 つのうち、AおよびB対立遺伝子の可能な組み合わせは16 通りあります: (AAAA)、(BAAA)、(ABAA)、(BBAA)、(AABA)、(BABA)、(ABBA)、(BBBA)、(AAAB)、(BAAB)、(ABAB)、(BBAB) 、(AABB)、(BABB)、(ABBB)、(BBBB)。

元の溶液中のすべての細菌は、溶液が縮小したときに生存する確率が等しいので、4つの生存者は元のコロニーからのランダムサンプルです。4つの生存者それぞれが特定の対立遺伝子を持つ確率は1/2なので、溶液が縮小したときに特定の対立遺伝子の組み合わせが発生する確率は

$\displaystyle {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}={\frac {1}{16}}.}$

（元の個体群のサイズが非常に大きいため、サンプリングは実質的に復元抽出で行われます。）言い換えれば、16種類の対立遺伝子の組み合わせはそれぞれ1/16の確率で発生する可能性があります。

AとBの数が等しい組み合わせを数えると、次の表が得られます。

表に示すように、 Aアレル数とBアレル数が等しい組み合わせの総数は6であり、この組み合わせの確率は6/16です。その他の組み合わせの総数は10であるため、Aアレル数とBアレル数が異なる確率は10/16です。したがって、元のコロニーはAアレル数とBアレル数が等しかったとしても、残った4個体の集団ではアレル数が等しくない可能性が十分にあります。実際には、アレル数が等しい状況は、アレル数が等しくない状況よりも起こりにくいです。後者の場合、ランダムサンプリングによって集団のアレル頻度が変化するため、遺伝的浮動が発生しています。この例では、集団はわずか4個体のランダムな生存者に縮小しており、これは集団ボトルネックとして知られる現象です。

（上記の表の最後の列に示されている）生存する対立遺伝子A（またはB ）のコピー数の確率は、二項分布から直接計算できます。ここで、「成功」確率（特定の対立遺伝子が存在する確率）は1/2（つまり、組み合わせにk個のA（またはB）対立遺伝子が存在する確率）であり、次の式で与えられます。

${\displaystyle {n \choose k}\left({\frac {1}{2}}\right)^{k}\left(1-{\frac {1}{2}}\right)^{nk}={n \choose k}\left({\frac {1}{2}}\right)^{n}\!}$

ここで、n=4は生存している細菌の数である。

遺伝的浮動の数理モデルは、分岐過程または理想化された集団における対立遺伝子頻度の変化を記述する拡散方程式のいずれかを使用して設計することができる。^{[ 9 ]}

ハーディ・ワインベルグの法則によれば、二倍体集団における2つの対立遺伝子の分布は二項分布に近似する。この二項分布における対立遺伝子の全体的な頻度は、進化によって乱されない限り、世代から世代へと一定に保たれる。遺伝的浮動は対立遺伝子頻度に影響を与える進化のメカニズムの一つであり、その他には移住、遺伝子突然変異、自然選択がある。^{[ 19 ]}

次世代に受け継がれる対立遺伝子のランダムなサンプリング（遺伝的浮動）によって、既存の対立遺伝子が消失することがあります。ランダムなサンプリングは対立遺伝子を除去することはできますが、置き換えることはできません。また、対立遺伝子頻度のランダムな減少または増加は、次世代の対立遺伝子分布の予測に影響を与えるため、遺伝的浮動は時間の経過とともに集団を遺伝的に均一化へと導きます。対立遺伝子の頻度が1（100%）に達すると、集団内で「固定」されたと言われ、対立遺伝子の頻度が0（0%）に達すると、その対立遺伝子は消失します。集団が小さいほど固定化は早く達成されますが、無限の集団の極限では固定化は達成されません。対立遺伝子が固定されると、遺伝的浮動は停止し、突然変異または遺伝子流動によって集団に新しい対立遺伝子が導入されない限り、対立遺伝子頻度は変化しません。したがって、遺伝的浮動はランダムで方向性のないプロセスであるにもかかわらず、時間の経過とともに遺伝的変異を排除する働きをします。^{[ 20 ]}

遺伝的浮動による対立遺伝子頻度の変化率

遺伝的浮動が対立遺伝子に作用する唯一の進化力であると仮定すると、対立遺伝子頻度がpとqから始まる多数の複製集団でt世代経過した後、それらの集団における対立遺伝子頻度の分散は次のようになる。

${\displaystyle V_{t}\approx pq\left(1-\exp \left(-{\frac {t}{2N_{e}}}\right)\right)}$^{[ 21 ]}

自然集団においては、遺伝的浮動と自然選択は単独で作用するのではなく、突然変異や移住とともに常に作用している。中立進化は、突然変異と遺伝的浮動の両方の産物であり、遺伝的浮動のみの産物ではない。同様に、選択が遺伝的浮動を圧倒する場合でも、選択は突然変異によってもたらされる変異にのみ作用する。

自然選択には方向性があり、進化を現在の環境への遺伝可能な適応へと導くのに対し、遺伝的浮動には方向性がなく、偶然の数学的法則のみによって導かれる。^{[ 29 ]}その結果、浮動は表現型効果に関係なく、集団内の遺伝子型頻度に作用する。対照的に、選択は表現型効果によって保有者の生存や繁殖を増加させる対立遺伝子の拡散を促進し、好ましくない形質を引き起こす対立遺伝子の頻度を低下させ、中立的な対立遺伝子は無視する。^{[ 30 ]}

大数の法則によれば、対立遺伝子の絶対コピ​​ー数が少ない場合（例えば、小さな集団の場合）、世代あたりの対立遺伝子頻度のドリフトの大きさは大きくなります。選択係数が1を有効集団サイズで割った値より小さい場合、ドリフトの大きさはどの対立遺伝子頻度でも選択を圧倒するほど大きくなります。したがって、突然変異と遺伝的ドリフトの産物から生じる非適応的進化は、主に小さく孤立した集団内での進化変化の重要なメカニズムであると考えられています。^{[ 31 ]}遺伝的ドリフトの数学は有効集団サイズに依存しますが、これが集団内の実際の個体数とどのように関連しているかは明らかではありません。^{[ 17 ]}選択を受けている他の遺伝子との遺伝的連鎖は、中立対立遺伝子が経験する有効集団サイズを減少させる可能性があります。組換え率が高いと連鎖は減少し、それに伴って有効集団サイズへのこの局所的な影響も減少します。^{[ 32 ] [ 33 ]}この効果は、分子データでは局所的な組換え率と遺伝的多様性の相関関係として現れ、^{[ 34 ]}非コードDNA領域では遺伝子密度と多様性の間に負の相関関係が見られます。^{[ 35 ]}選択を受けている他の遺伝子との連鎖に関連する確率性は、サンプリング誤差とは異なり、遺伝的浮動と区別するために遺伝的ドラフトと呼ばれることもあります。 ^{[ 17 ]}

対立遺伝子頻度が低いと、対立遺伝子は自然選択の影響を凌駕するほど、偶然によって排除されやすくなります。例えば、不利な突然変異は通常集団内で速やかに排除されますが、新たな有利な突然変異は中立の突然変異とほぼ同じくらい遺伝的浮動によって失われやすくなります。有利な突然変異の対立遺伝子頻度が一定の閾値に達するまでは、遺伝的浮動の影響はなくなります。^{[ 30 ]}

個体群のボトルネックとは、何らかの偶発的な環境事象により、個体群が短期間のうちに著しく縮小する現象のことである。真の個体群ボトルネックでは、個体群のどの個体の生存確率も完全にランダムであり、特定の遺伝的優位性によって向上することはない。ボトルネックは、選択とは全く無関係に、対立遺伝子頻度の劇的な変化をもたらす可能性がある。^{[ 36 ]}

個体群のボトルネックの影響は、自然災害などの一度限りの出来事によってボトルネックが引き起こされた場合でも持続する可能性があります。ボトルネックが異常な遺伝子分布を引き起こした興味深い例として、ミクロネシアのピンゲラップ環礁における桿体細胞色覚異常（無色覚症）の個体の割合が比較的高いことが挙げられます。^{[ 37 ]}ボトルネックの後、近親交配が増加します。これにより、近親交配弱勢と呼ばれるプロセスで、劣性有害突然変異によるダメージが増加します。これらの突然変異のうち最悪のものは選択され、遺伝的に関連している他の対立遺伝子の喪失につながり、背景選択のプロセスとなります。^{[ 2 ]}劣性有害突然変異の場合、この選択は遺伝的浄化によりボトルネックの結果として強化される可能性があります。これにより、遺伝的多様性がさらに失われます。さらに、個体群サイズの持続的な減少は、将来の世代で浮動による対立遺伝子の変動の可能性を高めます。

ボトルネックによって集団の遺伝的多様性が大幅に減少する可能性があり、有益な適応でさえ永久に失われる可能性がある。^{[ 38 ]}多様性の喪失により、生き残った集団は、病気、気候変動、利用可能な食料源の変化などの新たな選択圧に対して脆弱になる。なぜなら、環境の変化に対応して適応するには、自然選択が起こるのに十分な遺伝的多様性が集団内に存在する必要があるからである。^{[ 39 ] [ 40 ]}

近年、個体数のボトルネック現象が数多く報告されている。ヨーロッパ人が到来する以前、北米の草原は数百万羽のオオライチョウの生息地であった。イリノイ州だけでも、その数は1900年の約1億羽から1990年代には約50羽にまで激減した。個体数の減少は狩猟と生息地の破壊によるものだが、その結果として、この種の遺伝的多様性の大部分が失われてしまった。20世紀半ばの鳥と1990年代の鳥を比較したDNA分析では、ここ数十年で遺伝的変異が急激に減少したことが記録されている。現在、オオライチョウは繁殖成功率が低い。^{[ 41 ]}

しかし、ボトルネックや遺伝的浮動によって引き起こされる遺伝的損失は、エーリキアのように適応度を高める可能性がある。^{[ 42 ]}

19世紀には乱獲によってキタゾウアザラシの個体数が深刻なボトルネック状態に陥った。その結果生じた遺伝的多様性の低下は、それほど激しく狩猟されなかったミナミゾウアザラシのそれと比較することで推測できる。^{[ 43 ]}

創始者効果

創始者効果は、集団のボトルネックの特殊なケースであり、集団内の小さなグループが元の集団から分裂して新しい集団を形成するときに発生します。新たに形成されたコロニーのランダムな対立遺伝子サンプルは、少なくともいくつかの点で元の集団を大きく誤って表現すると予想されます。^{[ 44 ]}元の集団の一部の遺伝子の対立遺伝子の数が創始者の遺伝子コピーの数よりも多い場合もあり、完全な表現は不可能です。新しく形成されたコロニーが小さい場合、その創始者は、はるか将来にわたって集団の遺伝的構成に強く影響を与える可能性があります。

よく記録された例として、1744年のアーミッシュのペンシルベニアへの移住が挙げられる。新植民地の2人のメンバーは、エリス・ヴァン・クレフェルト症候群の劣性対立遺伝子を共有していた。植民地のメンバーとその子孫は宗教的に孤立しており、比較的閉鎖的なままである傾向がある。何世代にもわたる近親交配の結果、エリス・ヴァン・クレフェルト症候群は現在、一般人口よりもアーミッシュの間でずっと蔓延している。^{[ 30 ] [ 45 ]}

元の集団とコロニーの遺伝子頻度の違いは、多くの世代にわたって2つのグループが大きく分岐するきっかけにもなり得る。この違い、つまり遺伝的距離が大きくなるにつれて、2つの分離した集団は遺伝的にも表現的にも区別されるようになるが、この分岐には遺伝的浮動だけでなく、自然選択、遺伝子流動、突然変異も寄与している。コロニーの遺伝子頻度が比較的急速に変化するこの可能性から、ほとんどの科学者は創始者効果（ひいては遺伝的浮動）を新種の進化における重要な原動力と考えるようになった。シーウォール・ライトは、種分化の平衡移動理論において、ランダムな浮動と新たに隔離された小さな集団にこの重要性を初めて関連付けた。^{[ 46 ]}ライトに続いて、エルンスト・マイヤーは、創始者効果後の遺伝的変異の減少と小さな集団サイズが新種の発生に極めて重要であることを示す説得力のあるモデルを数多く作成した。^{[ 47 ]}しかし、この仮説は実験研究によって繰り返し検証されてきたが、結果はせいぜい曖昧なものであったため、今日ではこの見解を支持する声ははるかに少ない。^{[ 48 ]}

進化における偶然の役割は、1921 年に Arend L. Hagedoorn と Anna Cornelia Hagedoorn-Vorstheuvel La Brand によって初めて概説されました。^{[ 49 ]}彼らは、ランダムな生存が、集団からの変異の喪失において重要な役割を果たすことを強調しました。Fisher (1922) は、これに対して、わずかに不正確ではあるものの、「Hagedoorn 効果」の最初の数学的処理を行いました。^{[ 50 ]}特に、彼は多くの自然集団が大きすぎる (N ≈ 10,000) ため、ドリフトの影響は実質的ではなく、ドリフトは進化の過程にほとんど影響を与えないと考えていました。修正された数学的処理と「遺伝的ドリフト」という用語は、後に集団遺伝学の創始者であるSewall Wrightによって造語されました。彼が「ドリフト」という用語を初めて使用したのは 1929 年ですが、^{[ 51 ]}当時は方向性のある変化の過程、つまり自然選択という意味で使用していました。サンプリング誤差によるランダムな遺伝的浮動は「シーウォール・ライト効果」として知られるようになったが、ライト自身は自分の名前がそれに付けられることに完全には納得していなかった。ライトは、対立遺伝子頻度のすべての変化を「定常的浮動」（選択など）または「ランダムな浮動」（サンプリング誤差など）のいずれかと呼んだ。^{[ 52 ]} 「ドリフト」は、確率論的な意味でのみ専門用語として採用されるようになった。^{[ 53 ]}今日では、サンプリング誤差の観点からさらに狭く定義されることが多いが、^{[ 54 ]}この狭義の定義は普遍的ではない。^{[ 55 ] [ 56 ]}ライトは、「「ランダムな浮動」あるいは「ドリフト」をサンプリングの偶発的な影響という1つの要素だけに限定すると、混乱を招く傾向がある」と書いている。^{[ 52 ]}シーウォール・ライトは、サンプリング誤差によるランダムな遺伝的浮動の過程を近親交配によるものと同等と考えたが、後の研究でそれらは異なることが示された。^{[ 57 ]}

現代進化総合説の初期には、科学者たちは集団遺伝学という新しい科学とチャールズ・ダーウィンの自然選択説を融合させ始めていた。この枠組みの中で、ライトは比較的孤立した小さな集団における近親交配の影響に注目した。彼は適応地形の概念を導入し、小さな集団における交配や遺伝的浮動などの現象が適応のピークから遠ざけ、それによって自然選択が新たな適応のピークへと押し進めることを可能にするとした。^{[ 58 ]}ライトは、小さな集団の方が自然選択に適していると考えたのは、「近親交配はランダムな浮動によって新しい相互作用システムを生み出すのに十分な強度があるが、遺伝子のランダムな非適応的固定を引き起こすほど強度が高くない」からである。^{[ 59 ]}

進化論における遺伝的浮動の役割に関するライトの見解は、ほぼ最初から物議を醸していた。最も声高で影響力のある批判者の一人は、同僚のロナルド・フィッシャーだった。フィッシャーは、遺伝的浮動が進化において何らかの役割を果たしていることは認めたものの、それは取るに足らないものだと主張した。フィッシャーは、ライトの見解を誤解していると非難されている。なぜなら、フィッシャーの批判は、ライトが選択をほぼ完全に否定していると主張しているように見えたからである。フィッシャーにとって、進化の過程を長く着実な適応的進歩と見なすことが、より単純な形態からますます複雑化していくことを説明する唯一の方法だった。しかし、「漸進主義者」と、選択と浮動が共に重要な役割を果たすライトの進化モデルに傾倒する人々との間で、議論は続いている。^{[ 60 ]}

1968年、木村元雄は中立分子進化説でこの議論を再燃させた。この説は、遺伝的変化のほとんどは中立突然変異に作用する遺伝的浮動によって引き起こされると主張している。^{[ 6 ] [ 7 ]}

進化におけるサンプリング誤差による遺伝的浮動の役割は、ジョン・H・ギレスピー^{[ 61 ]}とウィリアム・B・プロバインによって批判されており、彼らは連鎖した部位での選択の方がより重要な確率的力であると主張している^{[ 62 ] [ 63 ] 。}

1990年代に登場した構成的中立進化論は、遺伝的浮動を用いて、中立的な遷移を通して複雑なシステムがどのように出現するかを理論化した。^{[ 64 ] [ 65 ]}

• 周縁的種分化
• 抗原ドリフト
• 合体理論
• 建設的中立進化
• 遺伝子プール
• 減数分裂駆動

• シーヒー、ボブ。「集団遺伝学シミュレーションプログラム」。バージニア州ラドフォード：ラドフォード大学。 2015年12月21日取得。
• グライムズ、ビル。「遺伝的ドリフトシミュレーション」。アリゾナ州ツーソン：アリゾナ大学。2016年8月25日取得。