分子進化

分子進化は、遺伝した DNAやRNA が進化の過程でどのように変化するか、また、これが細胞や生物のタンパク質やその他の構成要素にどのような影響を与えるかを説明します。分子進化は、系統発生的アプローチによって生命の樹を記述する基礎となります。分子進化は、特により短い時間スケールでは、集団遺伝学と重なります。分子進化のトピックには、新しい遺伝子の起源、複雑な形質の遺伝的性質、適応と種分化の遺伝的基礎、発生の進化、進化の過程で生じるゲノム変化の根底にあるパターンとプロセスが含まれます。

分子進化の歴史は、20世紀初頭の比較生化学と、1950年代の相同タンパク質の探索のための免疫アッセイ、ゲル電気泳動、ペーパークロマトグラフィーなどの「フィンガープリンティング」法の使用から始まります。^{[1] [2]}タンパク質配列決定の出現により、分子生物学者は配列比較に基づいて系統樹を作成し、相同配列間の違いを分子時計として使用して、最も最近の共通祖先からの時間を推定できるようになりました。^{[3] [1]}種内および種間の驚くほど大きな分子の相違は、1960年代後半に分子進化の中立理論に影響を与えました。 ^{[4] [5] [6]中立理論は}分子時計の理論的根拠も提供しましたが、これは時計の妥当性に必要ではありません。 1970年代以降、核酸配列の解析により、分子進化はタンパク質を超えて、高度に保存されたリボソームRNA配列にまで及ぶようになり、生命の初期の歴史を再概念化する基礎が築かれました。^[1]分子生物学進化学会は1982年に設立されました。

分子系統学では、 DNA、RNA、またはタンパク質の配列を使用して、系統学における疑問、つまり進化の歴史の観点から見た正しい科学的分類に関する疑問を解決します。分子系統解析の結果は、系統樹で表されます。系統推論は、 DNA配列データを使用して行われます。これは、どの部位が相同であるかを識別するために整列されます。置換モデルは、どのパターンが一般的またはまれであると予想されるかを説明します。次に、洗練された計算推論を使用して、1つまたは複数の妥当なツリーを生成します。

いくつかの系統学的手法では、場所や樹木の枝の間の変異を説明できます。異なる遺伝子、たとえばヘモグロビンとシトクロム c は、一般的に進化速度が異なります。^[7]これらの速度は時間の経過とともに比較的一定ですが (たとえば、ヘモグロビンはシトクロム c と同じ速度で進化しませんが、ヒトやマウスなどのヘモグロビンは同程度の進化速度を示しています)、1 つの枝に沿った急速な進化は、その枝での方向性選択の増加を示している可能性があります。^[8] 純化選択により、機能的に重要な領域の進化が遅くなり、類似のアミノ酸を含むアミノ酸置換が、異なるアミノ酸の置換よりも頻繁に発生します。^[7]

遺伝子重複により、同じ種内で複数の相同タンパク質（パラログ）が生成されることがあります。タンパク質の系統発生解析により、タンパク質が時間の経過とともにどのように進化し、構造と機能を変化させるかが明らかになりました。^{[9] [10]}

例えば、リボヌクレオチド還元酵素（RNR）は、多数の構造的および機能的変異体を進化させてきました。クラス I RNR はフェリチンサブユニットを使用し、補因子として使用する金属が異なります。クラス II RNR では、チイルラジカルはアデノシルコバラミン補因子を使用して生成され、これらの酵素は追加のサブユニットを必要としません（クラス I とは異なります）。クラス III RNR では、チイルラジカルは[ 4Fe-4S ] クラスターに結合したS-アデノシルメチオニンを使用して生成されます。つまり、単一のタンパク質ファミリー内で、多数の構造的および機能的メカニズムが進化する可能性があります。^[11]

概念実証研究において、バッタチャリヤ氏らは、わずか3つの変異を用いて、非酵素的酸素貯蔵タンパク質であるミオグロビンを高効率のケンプエリミナーゼに変換した。これは、タンパク質の機能を根本的に変えるには、ほんの少しの変異しか必要ないことを示している。^[12]指向性進化は、分子進化にヒントを得た方法を用いてタンパク質を設計する試みである。

ある遺伝子座の変化は新たな突然変異から始まり、自然選択、遺伝的浮動、遺伝子変換の組み合わせによって固定される可能性があります。

突然変異は、細胞やウイルスの遺伝物質（DNAまたはRNA）に生じる恒久的で伝達可能な変化です。突然変異は、細胞分裂中のDNA複製エラーや、放射線、化学物質、その他の環境ストレス因子、ウイルス、または転移因子への曝露によって生じます。DNAの1塩基対のみの点突然変異がタンパク質をコードする領域内にある場合、同義（アミノ酸配列は変化しない）か非同義かによって特徴付けられます。他の種類の突然変異は、DNAのより大きなセグメントを変更し、重複、挿入、欠失、逆位、転座を引き起こす可能性があります。^[13]

多様な突然変異の発生率の分布は「突然変異スペクトル」と呼ばれる（^[14]の付録 B を参照）。異なるタイプの突然変異は、大きく異なる発生率で発生する。ほとんどの生物の点突然変異率は、 1 世代あたり 1 サイトあたりおよそ 10 ⁻⁹～ 10 ⁻⁸と非常に低いが^{[15] 、一部のウイルスでは 1 世代あたり 1 サイトあたり 10 −6}という高い突然変異率を示す。^[16] トランジション（A ↔ G または C ↔ T）は、トランスバージョン（プリン（アデニンまたはグアニン）↔ピリミジン（シトシンまたはチミン、または RNA ではウラシル））よりも一般的である。^{[17]おそらく、ヒトで最も一般的なタイプの突然変異は、}短いタンデムリピートの長さの変化である（たとえば、さまざまな疾患関連突然変異の根底にある CAG リピート）。このような STR 突然変異は、1 世代あたり 10 ⁻³というオーダーの速度で発生する可能性がある。^[18]

異なるタイプの突然変異の異なる頻度は、変異の導入におけるバイアス（到着バイアス）を介して進化において重要な役割を果たし、適応地形の平行性、傾向、およびナビゲート可能性の違いに寄与する。^{[19] [20]突然変異バイアスは、}平行進化に体系的または予測可能な寄与をする。^[14] 1960年代以降、ゲノムGC含有量は突然変異の傾向を反映すると考えられてきた。^{[21] [22]突然変異バイアスは}コドン使用バイアスにも寄与する。^{[23]このような仮説は中立性と関連付けられることが多いが、最近の理論的および実証的結果から、突然変異の傾向は、}変異の導入におけるバイアス（到着バイアス）を介して中立進化と適応進化の両方に影響を及ぼす可能性があることが確立されている。

選択は、対立遺伝子が平均的な個体に、それを保持する個体よりも高い適応度、すなわち生存または繁殖能力を与える場合に発生する。選択主義的アプローチでは、例えば、コドン使用の偏りは、弱い選択であっても分子進化を形作る能力に少なくとも部分的に起因していることを強調する。 ^[24]

選択は遺伝子レベルでも行われ、生物の適応度を犠牲にしてゲノム内衝突を引き起こすこともあります。これは、宿主のコストにもかかわらず、利己的な遺伝要素に選択上の利点がある可能性があるためです。このような利己的な要素の例には、転移要素、減数分裂ドライバー、利己的なミトコンドリアなどがあります。

選択はKa/Ks 比、マクドナルド・クライトマン検定を使用して検出できます。急速な適応進化は、ゲノム内衝突、性的敵対的共進化、免疫系に関与する遺伝子でよく見られます。

遺伝的浮動とは、有限の集団におけるランダムサンプリングの確率的効果により、ある世代から次の世代にかけての対立遺伝子頻度の変化のことである。これらの効果は、突然変異が集団 内で固定されるまで蓄積される可能性がある。中立突然変異の場合、世代ごとの固定率は複製ごとの突然変異率に等しい。したがって、比較的一定の突然変異率は、世代ごとの変化率（分子時計）を一定にする。

選択係数が閾値の1/有効集団サイズ未満のわずかに有害な突然変異も固定される可能性がある。多くのゲノム特性は、有効集団サイズが小さいことの結果として、ほぼ中立的な有害な突然変異が蓄積したことに起因すると考えられている。^[25]有効集団サイズが小さいと、選択の非効率性により、より多くの種類の突然変異が中立であるかのように振る舞う。

遺伝子変換は組み換えの際に、相同ゲノム領域をテンプレートとしてヌクレオチド損傷が修復されるときに起こります。これは偏ったプロセスになる可能性があり、つまり、遺伝子変換イベントでは、一方の対立遺伝子がもう一方の対立遺伝子よりもドナーになる可能性が高くなる可能性があります。特に、GC偏向遺伝子変換はゲノムのGC含有量を増加させる傾向があり、特に組み換え率の高い領域で顕著です。 ^[26]ミスマッチ修復プロセスにおけるGC偏向の証拠もあります。^[27]これは、C→T遷移につながる可能性があるメチルシトシン脱アミノ化の高速度への適応である可能性があると考えられています。

偏った遺伝子変換のダイナミクスは、好ましい対立遺伝子が希少な場合、その頻度が指数関数的に増加する傾向があるという点で、自然選択のダイナミクスに似ています。

ゲノムのサイズは、生物内の遺伝子の数だけでなく、反復 DNA の量によっても左右されます。ほとんどの細菌、ショウジョウバエ、シロイヌナズナなどの生物は、反復コンテンツや非コード DNA がほとんどない、特にコンパクトなゲノムを持っています。哺乳類やトウモロコシなどの他の生物は、大量の反復 DNA、長いイントロン、および遺伝子間の大きな間隔を持っています。C値のパラドックス とは、生物の「複雑さ」とゲノムのサイズとの間に相関関係がないことを意味します。このいわゆるパラドックスには 2 つの説明があります。第 1 に、反復遺伝要素は多くの生物のゲノムの大部分を占める可能性があり、それによって半数体ゲノムの DNA 含有量が膨らみます。反復遺伝要素は、多くの場合、転移要素の子孫です。

第二に、遺伝子の数は必ずしも生物の発達段階や組織タイプの数を示すものではありません。発達段階や組織タイプの数が少ない生物は、非発達表現型に影響を与える遺伝子を多数持つ可能性があり、発達遺伝子ファミリーに比べて遺伝子含有量が膨らみます。

ゲノムサイズに関する中立的な説明は、集団サイズが小さい場合、多くの突然変異がほぼ中立になることを示唆しています。したがって、小さな集団では、反復コンテンツやその他の「ジャンク」DNAが蓄積されても、生物が競争上の不利な状況に陥ることはありません。多細胞真核生物においてゲノムサイズが強力な広範な選択を受けていることを示す証拠はほとんどありません。遺伝子コンテンツとは無関係のゲノムサイズは、ほとんどの生理学的特性とあまり相関しておらず、哺乳類を含む多くの真核生物は非常に大量の反復DNAを抱えています。

しかし、鳥類は、飛行に必要なエネルギーの変化に応じて、ゲノムサイズを縮小する強い選択を経験した可能性が高い。鳥類は人間とは異なり、有核赤血球を作り、核が大きいほど酸素輸送レベルが低下する。鳥類の代謝は哺乳類よりもはるかに高く、これは主に飛行によるもので、酸素の必要量が高い。したがって、ほとんどの鳥類は反復要素の少ない小さくコンパクトなゲノムを持っている。間接的な証拠は、現代の鳥類の非鳥類獣脚類恐竜の祖先^[28]もゲノムサイズが縮小していたことを示唆しており、これは内温性と走行速度に必要なエネルギーの高さと一致している。多くの細菌もまた、複製時間とエネルギー消費が適応度と非常に密接に相関しているため、小さなゲノムサイズの選択を経験してきた。

アリのMyrmecia pilosulaは染色体を1対しか持たない^[29]のに対し、アダーズタンシダの Ophioglossum reticulatumは最大1260本の染色体を持つ^{[30] 。生物のゲノム内の}染色体の数は、必ずしも そのゲノム内のDNAの量と相関しているわけではない。ゲノム全体の組み換えの量は染色体の数によって直接制御され、種に応じて染色体あたりまたは染色体腕あたり1回の交差が発生する。 ^[31]

染色体数の変化は種分化において重要な役割を果たす。異なる染色体数は雑種における生殖の障壁となる可能性があるからである。ヒトの2番染色体は2つのチンパンジー染色体の融合から作られ、中心テロメアと痕跡的な第2セントロメアを含んでいる。 倍数性、特に植物によく見られる異質倍数性も、親種との生殖不適合を引き起こす可能性がある。 アグロディアトゥス属の青い蝶は、n=10からn=134まで多様な染色体数を持ち、さらにこれまでに確認された種分化率が最も高い蝶の1つである。^[32]

繊毛虫のゲノムには、個々の染色体に各遺伝子が格納されています。

核ゲノムに加えて、共生細胞小器官には独自の遺伝物質が含まれています。ミトコンドリアと葉緑体のDNA は分類群によって異なりますが、膜結合タンパク質、特に電子伝達系の構成物質は、細胞小器官にコード化されていることが最も多いです。細胞小器官は卵子を通過する必要があるため、ほとんどの種では葉緑体とミトコンドリアは母系で受け継がれます。まれに、ムール貝のいくつかの種は、父親から息子にミトコンドリアを受け継ぐことが知られています。

新しい遺伝子は、遺伝子複製、遺伝子の新規誕生、レトロ転座、キメラ遺伝子形成、既存の遺伝子への非コード配列のリクルートメント、遺伝子切断 など、いくつかの異なる遺伝子メカニズムから生じます。

遺伝子の重複は、最初は冗長性をもたらします。しかし、重複した遺伝子配列は、突然変異して新しい機能を開発したり、新しい遺伝子が元の祖先機能のサブセットを実行するように特化したりすることができます。レトロ転位は、mRNA をDNA にコピーしてゲノムに挿入することで遺伝子を重複させます。レトロ遺伝子は、通常、新しいゲノム位置に挿入され、イントロンを欠いています。また、新しい発現パターンや機能を開発することもあります。

キメラ遺伝子は、重複、欠失、または不完全なレトロトランスポジションによって 2 つの異なるコード配列の一部が結合され、新しい遺伝子配列が生成されるときに形成されます。キメラは多くの場合、制御の変化を引き起こし、タンパク質ドメインをシャッフルして新しい適応機能を生み出すことができます。

遺伝子の新規誕生により、以前は機能していなかったDNAからタンパク質コード遺伝子と非コード遺伝子が生まれる可能性がある。 ^[33] 例えば、Levineらは、 D. melanogasterゲノムに5つの新しい遺伝子の起源があると報告した。 ^{[34] [35]同様の遺伝子の新規起源は、酵母、 [36]}イネ^{[37] ヒト[38]}などの他の生物でも示されている。新規遺伝子は、すでに低レベルで発現している偽の転写産物から進化する可能性がある。 ^{[39 ]}

構成的中立進化（CNE）は、過剰容量、前抑制、ラチェットの原理を用いた中立遷移を通じて複雑なシステムが出現し、集団に広がることを説明するものであり、^{[40] [41] [42]スプ}ライソソームの起源から微生物群集の複雑な相互依存に至るまでのさまざまな分野に応用されている。^{[43] [44] [45]}

分子生物学進化学会は、「分子生物学と進化」と「ゲノム生物学と進化」という雑誌を発行しており、毎年国際会議を開催しています。分子進化を専門とする他の雑誌には、「分子進化ジャーナル」や「分子系統学と進化」などがあります。分子進化に関する研究は、遺伝学、分子生物学、ゲノミクス、系統学、進化生物学の雑誌にも掲載されています。

カテゴリー: 分子進化 (木村 1968)