遺伝子の浄化

遺伝子浄化とは、近親交配 によって引き起こされる有害な対立遺伝子に対する自然選択の圧力の増加である。^[1]

除去は、有害な対立遺伝子が劣勢である傾向があるために発生します。つまり、それらの遺伝子は、個体の 2 つのコピーに存在する場合 (つまりホモ接合) にのみ、その有害な影響をすべて発現します。近親交配の際、近親個体が交配すると、ホモ接合である可能性の高い子孫が生まれ、有害な対立遺伝子がすべての有害な影響をより頻繁に発現し、個体の適応度が低下します。適応度の低い個体は、将来の世代に遺伝子のコピーをあまり渡しません。言い換えると、自然選択により、近親交配個体の劣勢の有害な対立遺伝子が除去されます。

パージにより、劣性有害対立遺伝子の総数と、近親交配によって引き起こされる平均適応度の低下（適応度の近親交配弱勢）の両方が減少します。

「パージ」という用語は、有害な対立遺伝子に対する選択を一般的に意味するために使用されることがあります。その一般的な文脈では「浄化選択」を使用し、「パージ」は上記で定義されたより厳密な意味に限定すると、曖昧さが避けられます。

二倍体生物の集団で分離する有害対立遺伝子は、少なくとも部分的に劣性であるという顕著な傾向がある。つまり、それらがホモ接合性（二重コピー）で発生すると、ヘテロ接合性（単一コピー）で発生する場合よりも適応度が 2 倍以上低下する。言い換えれば、それらの潜在的な有害影響の一部はヘテロ接合性では隠されているがホモ接合性で発現するため、それらがホモ接合性で発生すると選択がより効率的になる。近親交配によりホモ接合性になる確率が高まるため、発現し、したがって選択にさらされる潜在的な有害影響の割合が増加する。これにより、（部分的に）劣性の有害対立遺伝子に対する選択圧がいくらか増加し、これをパージと呼ぶ。もちろん、適応度もいくらか低下し、これを近親交配による弱勢と呼ぶ。

パージにより、ゲノム全体にわたる有害対立遺伝子の平均頻度を、長期間にわたって非近親交配集団で予想される値を下回るまで減らすことができます。^[2]これにより、近親交配の適応度への悪影響が軽減されます。近親交配が有限集団におけるランダムな交配のみによるものである場合、パージにより、適応度の平均は近親交配のみから予想されるよりも低下が少なく、最初の低下の後、近親交配前の値近くまで回復することさえあります。もう 1 つの結果は、いわゆる近親交配負荷の軽減です。これは、パージ後、さらなる近親交配による害が少なくなることが期待されることを意味します。パージの効率は遺伝的浮動によって低下するため、長期的には、小規模集団ではパージの効率が低下します。^[1]ランダムな交配で予想されるよりも頻繁に個体が近親者と交配すると、パージが増加する可能性があります。

進化遺伝学では、近親交配による適応度の低下が二倍体、有性生殖、その他の主要な生物学的特徴の進化を決定づける可能性があるため、近親交配による弱勢を予測する際にパージを考慮することが重要である。また、近親交配による弱勢は絶滅危惧種の絶滅リスクを決定する関連要因となる可能性があり、保全プログラムでは近親交配を制御するためにある程度の繁殖管理を許可できるため、動物の育種や、もちろん保全遺伝学でも重要である。[ ^3]

簡単に言うと、除去により、近交弱勢は、近交の標準的な尺度（ライトの近交係数F ）に依存しません。この尺度は中立対立遺伝子にのみ適用されるためです。代わりに、適応度の低下は、有害な対立遺伝子がどのように除去されているかを考慮した 「除去された近交係数」gに依存します。

パージは、2 つの方法で近親交配による弱勢を軽減します。まず、その進行を遅らせます。次に、長期的に予想される近親交配による弱勢全体を軽減します。近親交配の進行が遅いほど、パージはより効率的になります。

自然選択がない場合、近親交配が増加すると平均適応度は指数関数的に低下することが予想されます。ここで近親交配はライトの近親交配係数F ^{[4]を使用して測定されます（低下が}Fに対して線形ではなく指数関数的である理由は、適応度が通常乗法形質と見なされるためです）。Fが増加するにつれて適応度が低下する速度（近親交配抑制率δ）は、近親交配前の集団に存在する対立遺伝子の頻度と有害な影響によって異なります。

上記の係数F は、近親交配の標準的な尺度であり、任意の中立遺伝子座において、個体が共通の祖先の同じ遺伝子のコピーを 2 つ受け継いでいる確率 (つまり、「血統によって」ホモ接合である確率) を示します。単純な条件では、F は、人口規模または系図情報に基づいて簡単に計算できます。Fは、小文字 ( f ) で表記されることが多いですが、共祖係数と混同しないでください。

しかし、適応度の低下に関する上記の予測は、選択がないと仮定して導き出されたものであり、適応度はまさに自然選択の標的形質であるため、ほとんど当てはまりません。したがって、近親交配が非常に速く増加して遺伝子頻度の変化がランダムサンプリング（つまり、遺伝的浮動） によってのみ支配されない限り、中立遺伝子座のライトの近親交配係数F は有害対立遺伝子には適用されません。

したがって、モデルによれば、標準的な近親交配係数F の代わりに、（部分的に）劣性の有害な対立遺伝子がホモ接合になる確率を与える「パージされた近親交配係数」（g）を使用して、適応度の低下を予測することができる。パージによってそれらの頻度がどの程度減少するかを考慮に入れる。^[1]パージにより、適応度は選択がない場合と同じ速度δで低下するが、 Fではなくgの関数として低下する。

この排除された近親交配係数g は、個体群サイズまたは個体の系譜に関する簡単な式を使用して、かなり正確に計算することもできます (BOX 1 を参照)。ただし、これには、ヘテロ接合状態では隠れているがホモ接合状態では表れる有害な影響の大きさに関する情報が必要です。この大きさ (排除係数dで示される) が大きいほど、排除はより効率的です。

パージの興味深い特性は、近親交配中にFが増加して最終値F = 1に近づく一方で、g はそれよりはるかに小さな最終値に近づくことがあるという点です。したがって、パージは適応度の低下を遅らせるだけでなく、長期的には近親交配によって生じる全体的な適応度損失も減らします。これは、劣性致死遺伝子によって引き起こされる近親弱勢の極端なケースについて以下に示します。劣性致死遺伝子とは、ホモ接合性で発生した場合にのみ生殖前に死を引き起こす対立遺伝子です。パージは、軽度に有害な対立遺伝子に対しては致死遺伝子に対してよりも効果が低くなりますが、一般に、近親交配Fの増加が遅いほど、パージされた近親交配係数gの最終値が小さくなり、したがって最終的な適応度の低下も小さくなります。これは、近親交配が十分にゆっくり進行する場合、長期的には関連する近親弱勢は予想されないことを意味します。たとえば、長期間適度に小規模であった集団の平均適応度は、遺伝的多様性がより高い大規模集団の適応度と非常に類似している可能性があることを意味します。保全遺伝学では、このような効率的な排除を可能にする近親交配の最大増加率を突き止めることは非常に有用です。

平均適応度がWである大規模な非近親交配集団を考えてみましょう。すると、集団のサイズが新しいより小さな値Nに減少し(実際には、ここでは有効な集団サイズを使用する必要があります)、近親交配が徐々に増加します。

すると、異なる遺伝子座に低頻度で存在する（部分的に）劣性の有害対立遺伝子により、近交弱勢がδ の速度で発生します。つまり、選択がない場合、t世代の近交後の平均適応度の期待値は次のようになります。

${\displaystyle W_{t}=We^{-\delta F_{t}}}$

ここで、t世代の近親交配後のライト近親交配係数の集団平均である。^[4]${\displaystyle F_{t}}$

しかし、選択は適応度に基づいて行われるため、平均適応度は近親交配と排除の両方を考慮して予測されるべきである。

${\displaystyle W_{t}=We^{-\delta g_{t}}}$

上記の式では、 はt世代の近親交配後の「除去された近親交配係数」の平均です。 ^[1]これは、ヘテロ接合性では隠れているがホモ接合性では露出している有害な影響を表す「除去係数」dに依存します。 ${\displaystyle g_{t}}$

平均「除去近交係数」は、再帰式を使用して近似することができます。

${\displaystyle g_{t}=\left[\left(1-{\frac {1}{2N}}\right)g_{t-1}+{\frac {1}{2N}}\right]\left[1-2dF_{t-1}\right]}$

系図情報に使用できる予測方程式もあります。

遺伝子の排除の例として、多くの遺伝子座で非常に低い頻度で分離している劣性致死対立遺伝子があり、各配偶子が平均してこれらの対立遺伝子の 1 つを持っている大規模な集団を考えてみましょう。配偶子の約 63% がこれらの致死対立遺伝子の少なくとも 1 つを持っていますが、同じ致死遺伝子のコピーを 2 つ持っている個体はほとんどありません。したがって、致死遺伝子は完全に劣性である (つまり、ヘテロ接合性では無害である) と考えられるため、致死遺伝子によって死亡することはほとんどありません。ここで、集団のサイズが小さな値 (たとえばN =10) に減少し、何世代にもわたってその小さい値のままであると仮定します。近親交配が増えると、これらの致死遺伝子の 1 つ (または複数) がホモ接合性である確率も増加し、適応度が低下します。ただし、これらの致死遺伝子がホモ接合性で発生し始めると、自然選択によって排除され始めます。右の図は、近親交配Fの増加のみ（赤線）、または近親交配と除去（除去された近親交配係数gを使用して計算された青線）を考慮した、世代数に対する適応度の予想される低下を示しています。この例は、除去が近親交配弱勢の防止に非常に効果的であることを示しています。ただし、致死的でない有害な対立遺伝子の場合、除去の効率は小さくなり、遺伝的浮動を克服するためにより大きな集団が必要になる場合があります。

近親交配による弱勢と排除は、生殖システムの進化に大きな役割を果たしている。例えば、それらは、自殖が異系交配に比べて有利になる時期を決定する。^{[5] [6]}もう1つの例は、酵母のゲノム更新である。 サッカロミセス・セレビシエとサッカロミセス・パラドクサスは、二倍体として無性生殖する長い期間と、減数分裂で終わる期間を交互に繰り返すライフサイクルを持ち、その直後に自殖が起こり、異系交配はまれにしか起こらない。^[7]劣性の有害な突然変異は二倍体拡大期に蓄積し、自殖中に排除される。この排除は「ゲノム更新」と呼ばれている。^{[8] [9]}

安定していた集団が近親交配を受ける場合、他に何も変化がなければ、自然選択は主に淘汰で構成されるはずです。近親交配と淘汰が適応度に及ぼす共同の影響は、集団のこれまでの履歴、近親交配の増加率、環境や競争条件の厳しさなど、多くの要因によって異なります。淘汰の影響は、植物においてダーウィン^[10]によって最初に指摘され、実験室実験、動物園や野生で近親交配を受けている脊椎動物の集団、および人間で検出されています。^[11]淘汰の検出は多くの要因によって不明瞭になることがよくありますが、上記の予測と一致して、遅い近親交配はより効率的な淘汰をもたらし、特定の近親交配 F がよりゆっくりと生成された場合、集団の生存能力に対する脅威が少なくなるという一貫した証拠があります。^{[12] [13]}

しかし、実際の状況では、適応度の遺伝的変化は、近親交配や排除以外にも多くの要因に依存します。たとえば、変化する環境条件への適応は、近親交配中に関連する遺伝的変化を引き起こすことがよくあります。さらに、近親交配が個体数の減少によるものである場合、新たな有害な突然変異に対する選択の効率が低下する可能性があり、これが中長期的にさらなる適応度の低下を引き起こす可能性があります。

さらに、近親交配の弱勢の一部は有害な対立遺伝子によるものではなく、利用可能な対立遺伝子のホモ接合体と比較してヘテロ接合体であることの本質的な利点、つまり優性過剰によって生じている可能性がある。優性過剰によって引き起こされる近親交配の弱勢は除去できないが、その実際の重要性は依然として議論の余地があるものの、全体的な近親交配の弱勢の小さな原因であると思われる。^[14]

したがって、近親交配中の適応度の実際の進化を予測することは非常に困難です。ただし、近親交配と有害対立遺伝子の除去によって予想される適応度の低下成分は、g を使用して予測できます。

遺伝子の浄化を理解し、その結果を予測することは、進化遺伝学と保全遺伝学において非常に重要です。絶滅危惧種は個体数の減少により近親交配を起こしやすく、遺伝子の浄化は絶滅リスクと保全戦略の成功を決定する上で重要な役割を果たす可能性があります。^[15]