遺伝子ヒッチハイク

遺伝子ヒッチハイクは、遺伝子ドラフトまたはヒッチハイク効果とも呼ばれ、^[1]対立遺伝子の頻度が、それ自体が自然選択を受けているのではなく、選択スイープを受けている同じDNA鎖上の他の遺伝子の近くにあるために変化する場合に発生します。1 つの遺伝子が選択スイープを受けると、連鎖不平衡にある他の近くの多型も、その対立遺伝子頻度が変化する傾向があります。^[2]選択スイープは、新しく出現した (したがってまだまれな) 突然変異が有利になり、頻度が増加するときに発生します。中立またはわずかに有害な対立遺伝子が染色体上でたまたま近くにあると、スイープに「ヒッチハイク」します。対照的に、新しく出現した有害な突然変異による連鎖不平衡による中立遺伝子座への影響は、背景選択と呼ばれます。遺伝子ヒッチハイクと背景選択はどちらも、遺伝的浮動のような確率的(ランダム) な進化の力です。^[3]

ヒッチハイクという用語は、 1974年にメイナード・スミスとジョン・ヘイグによって造られました。^{[1]その後、この現象は}ジョン・H・ギレスピーらによって研究されました。 ^[4]

ヒッチハイクは、多型が選択スイープを受けている2番目の遺伝子座と連鎖不平衡にあるときに発生します。適応にリンクされている対立遺伝子は頻度が増加し、場合によっては集団内で固定されます。不利なバージョンにリンクされているもう1つの対立遺伝子は頻度が減少し、場合によっては絶滅します。^{[5] [6]}全体として、ヒッチハイクは遺伝的変異の量を減らします。ヒッチハイカー変異（または癌生物学のパッセンジャー変異）自体は中立、有利、または有害である可能性があります。^[7]

組み換えは遺伝子ヒッチハイクの過程を中断し、ヒッチハイクする中立または有害な対立遺伝子が固定されるか絶滅する前に終わらせることができます。^[6]ヒッチハイク多型が選択中の遺伝子に近いほど、組み換えが起こる機会は少なくなります。これにより、選択された部位に近い選択スイープ付近の遺伝的変異が減少します。^[8]このパターンは、集団データを使用して選択スイープを検出し、したがってどの遺伝子がごく最近選択を受けたかを検出するのに役立ちます。

遺伝的浮動と遺伝的ドラフトはどちらもランダムな進化プロセスであり、つまり、確率的に作用し、問題の遺伝子の選択とは相関しない方法で作用します。ドリフトは、各世代でのランダムサンプリングにより、集団内の対立遺伝子の頻度が変化することです。^{[9]ドラフトは、他の非中立対立遺伝子が偶然に}関連して見つかることによる、対立遺伝子の頻度の変化です。

遺伝的浮動が対立遺伝子に作用する唯一の進化の力であると仮定すると、それぞれが対立遺伝子頻度pとqから始まる、サイズNの多数の複製された理想化された集団における1世代後、それらの集団間で新たに追加された対立遺伝子頻度の分散（すなわち、結果のランダム性の度合い）は である。^[3]この式は、遺伝的浮動の効果が、理想化された集団内の実際の個体数として定義される集団サイズに大きく依存することを示す。遺伝的ドラフトは、上記の式と同様の動作をもたらすが、有効な集団サイズは集団内の実際の個体数とは何の関係もない可能性がある。^[3]代わりに、有効な集団サイズは、組換え率や有益な突然変異の頻度と強度などの要因に依存する可能性がある。 複製集団間の分散の増加は、ドリフトによって独立しているのに対し、ドラフトの場合は自己相関している。すなわち、対立遺伝子頻度が遺伝的浮動によって上昇する場合、それには次の世代に関する情報は含まれないが、遺伝的ドラフトによって上昇する場合、次の世代では下がるよりも上がる可能性が高い。^[9]遺伝的ドラフトは遺伝的浮動とは異なる対立遺伝子頻度スペクトルを生成する。 ^[10]${\displaystyle {\frac {pq}{2N}}}$

Y染色体は組み換えを起こさないため、ヒッチハイクによる有害な突然変異が特に固定されやすい。これが、Y染色体上に機能遺伝子が非常に少ない理由として提案されている。^[11]

ヒッチハイクは、進化可能性に対する自然選択によって有利となる、より高い突然変異率の進化に必要である。仮想的な突然変異体Mは、その周囲の領域における一般的な突然変異率を増加させる。突然変異率の増加により、近くのA対立遺伝子が、新しい有利な対立遺伝子A*に突然変異する可能性がある。

--M------A-- -> --M------A*--

この染色体を持つ個体は、この種の他の個体よりも選択的優位性を持つため、対立遺伝子 A* は、自然選択の通常のプロセスによって集団全体に広がる。M は、A* に近いため、一般集団に引きずり込まれる。このプロセスは、M が突然変異を起こした対立遺伝子に非常に近い場合にのみ機能する。距離が長ければ、組み換えによって M が A* から分離する可能性が高くなり、M が引き起こした有害な突然変異はそのまま残る。このため、突然変異誘発因子の進化は、組み換えによって連鎖不平衡が崩れない無性種で主に起こると一般に予想される。 ^[12]

分子進化の中立理論は、新しい突然変異のほとんどが有害（そして淘汰によってすぐに排除される）か中立であり、適応的なものはごくわずかであると仮定している。また、中立対立遺伝子頻度の挙動は遺伝的浮動の数学によって説明できると仮定している。そのため、遺伝的ヒッチハイクは中立理論に対する大きな挑戦であり、マクドナルド・クライトマン検定のゲノム全体バージョンが、選択に関連する理由で突然変異が固定される割合が高いことを示しているように見えることの説明であると考えられてきた。^[13]