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分子系統学（ / məˈlɛkjʊlərˌfaɪloʊdʒəˈnɛtɪks , mɒ- , m oʊ- / [ 1 ] [ 2 ] ）は、生物の進化上の関係についての情報を得るために、主にDNA配列における遺伝的、遺伝的な分子の違いを分析する系統学の一分野です。これらの分析から、種間の多様性が達成されたプロセスを決定することが可能です。分子系統分析の結果は、系統樹で表されます。分子系統学は、分類学や生物地理学における分子データの使用も含む、より広い用語である分子系統学の一側面です。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
分子系統学と分子進化は相関関係にある。分子進化とは、生命の樹（進化）の様々な枝全体にわたって分子レベル（遺伝子、タンパク質など）での選択的変化（突然変異）が起こる過程である。分子系統学は、分子進化によって生じる進化的関係を推論し、系統樹の構築につながる。[ 6 ]
分子系統学の理論的枠組みは、1960年代にエミール・ツッカーカンドル、エマニュエル・マルゴリアシュ、ライナス・ポーリング、ウォルター・M・フィッチらの研究によって確立された。[ 7 ]分子系統学の応用は、チャールズ・G・シブリー（鳥類）、ハーバート・C・デッサウアー（爬虫両棲類）、モリス・グッドマン（霊長類）らが先駆的に行い、その後、アラン・C・ウィルソン、ロバート・K・セランダー、ジョン・C・アヴィーズ（様々なグループを研究）らが続いた。タンパク質電気泳動を用いた研究は1956年頃に始まった。結果は定量的ではなく、当初は形態学的分類を改善するものではなかったが、例えば鳥類の分類に関する長年の考え方には大幅な見直しが必要であることを示唆する興味深いヒントを与えた。1974年から1986年の期間には、DNA-DNAハイブリダイゼーションが遺伝的差異を測定するために用いられる主要な技術であった。[ 8 ]
分子系統学の初期の試みは化学分類学とも呼ばれ、クロマトグラフィーなどの技術を用いて分離・特性評価されたタンパク質、酵素、炭水化物、その他の分子が利用されました。近年では、これらは主にDNAシーケンシングに取って代わられ、さまざまな技術を用いて抽出されたDNAまたはRNAセグメントのヌクレオチドまたは塩基の正確な配列が生成されます。一般的に、進化の作用は最終的に遺伝子配列に反映されるため、これらは進化研究において優れていると考えられています。現在でも、生物のDNA全体（ゲノム）の配列を決定するには、依然として時間と費用がかかります。しかし、特定の染色体の特定の領域の配列を決定することは十分に可能です。典型的な分子系統解析では、約1000塩基対の配列決定が必要です。このような配列内の任意の場所では、特定の位置にある塩基は生物によって異なる場合があります。特定の生物に見られる特定の配列は、その生物のハプロタイプと呼ばれます。原理的には、塩基の種類は4種類あり、塩基対は1000個あるため、4× 1000種類の異なるハプロタイプが存在する可能性がある。しかし、特定の種内または近縁種のグループ内の生物については、経験的に、変異を示す部位はごく少数であり、見つかった変異のほとんどは相関しているため、見つかる異なるハプロタイプの数は比較的少ないことがわかっている。[ 9 ]
分子系統解析では、特定の遺伝物質領域についてハプロタイプが決定されます。対象種または他の分類群の個体の相当数のサンプルが使用されますが、現在の多くの研究は単一の個体に基づいています。近縁ではあるものの異なる分類群の個体のハプロタイプも決定されます。最後に、明らかに異なる分類群の少数の個体からハプロタイプが決定されます。これらはアウトグループと呼ばれます。次に、ハプロタイプの塩基配列が比較されます。最も単純なケースでは、2つのハプロタイプ間の違いは、異なる塩基を持つ場所の数を数えることによって評価されます。これは置換数と呼ばれます（ハプロタイプ間には、他の種類の差異も発生する可能性があります。たとえば、一方のハプロタイプには存在するが他方のハプロタイプには存在しない核酸の断片が挿入されている場合など）。生物間の違いは通常、置換数を解析対象の塩基対数で割ることによって、パーセンテージの差異として再表現される。この指標は、配列決定されたDNA領域の位置や長さに依存しないことが期待されている。
かつて用いられていた、そして現在では廃れた手法は、DNA-DNAハイブリダイゼーションによって個体間の遺伝子型の違いを判定するというものだった。ハイブリダイゼーションを用いる利点は、DNAの特定部分ではなく、遺伝子型全体に基づいて判定できる点にあるとされていた。現代の配列比較技術は、複数の配列を用いることでこの欠点を克服している。
すべてのサンプルペア間の差異が決定されたら、結果として得られる差異の三角行列を何らかの統計的クラスター分析にかけ、結果として得られるデンドログラムを調べて、サンプルがグループの分類に関する現在の考え方から予想される方法でクラスター化しているかどうかを確認します。互いに類似しているハプロタイプのグループはすべて、他のどのハプロタイプよりも類似しているハプロタイプで構成され、右図に示すように視覚的に表現できます。ブートストラップ法やジャックナイフ法などの統計的手法は、進化系統樹内のハプロタイプの位置の信頼性推定値を提供するのに役立ちます。
すべての生物は、デオキシリボ核酸（DNA）、リボ核酸（RNA）、およびタンパク質を含んでいます。一般的に、近縁の生物はこれらの物質の分子構造に高い類似性を示しますが、遠縁の生物の分子はしばしば不類似性のパターンを示します。ミトコンドリアDNAなどの保存配列は、時間の経過とともに突然変異が蓄積すると予想され、一定の突然変異率を仮定すると、分岐年代を推定するための分子時計となります。分子系統学は、このようなデータを使用して、さまざまな生物の推定される進化を示す「関係ツリー」を構築します。1977年にサンガーシーケンスが発明されたことにより、これらの分子構造を分離して識別することが可能になりました。[ 10 ] [ 11 ]ハイスループットシーケンスは、生物のトランスクリプトームを取得するためにも使用でき、トランスクリプトームデータを使用して系統関係を推論することができます。
最も一般的なアプローチは、配列アライメント技術を使用して遺伝子の相同配列を比較し、類似性を特定することです。分子系統学のもう1つの応用例は、 DNAバーコーディングです。これは、ミトコンドリアDNAまたは葉緑体DNAの小さな断片を使用して、個々の生物の種を特定するものです。これを可能にする技術のもう1つの応用例は、非常に限られたヒト遺伝学の分野に見られます。例えば、子供の父親を特定するための遺伝子検査の利用がますます普及していることや、遺伝子指紋と呼ばれる証拠に焦点を当てた犯罪鑑識の新しい分野が出現していることなどが挙げられます。
分子系統解析を行うための方法はいくつかあります。DNA/アミノ酸連続配列アセンブリ、多重配列アライメント、モデルテスト（最適な置換モデルのテスト）、最尤法とベイズ推論を用いた系統樹再構築を含む、系統樹構築のための包括的なステップバイステップのプロトコルを含む方法がNature Protocolで公開されています。[ 12 ]
分子系統解析の別の手法はペブスナーによって記述されており、以下に要約する（ペブスナー、2015）。系統解析は通常、5つの主要なステップで構成される。最初の段階は配列の取得である。次のステップは、系統樹の構築の基礎となる多重配列アライメントを実行することである。3番目の段階には、DNAおよびアミノ酸置換のさまざまなモデルが含まれる。置換モデルはいくつか存在する。いくつかの例としては、ハミング距離、ジュークスとカントールの1パラメータモデル、および木村の2パラメータモデルがある（DNA進化のモデルを参照）。4番目の段階は、距離ベースの方法と文字ベースの方法を含む、さまざまな系統樹構築方法で構成される。正規化ハミング距離とジュークス-カントール補正式は、それぞれ分岐の度合いとヌクレオチドが別のヌクレオチドに変化する確率を提供する。一般的な系統樹構築法には、距離ベースの方法である非加重ペアグループ法（UPGMA）と近隣結合法、文字ベースの方法である最大節約法、および文字ベース/モデルベースの方法である最尤推定法とベイズ推論法があります。UPGMAは単純な方法ですが、近隣結合法よりも精度が低くなります。最後に、最後のステップは系統樹の評価です。この精度の評価は、一貫性、効率性、堅牢性で構成されます。[ 13 ]
MEGA（分子進化遺伝学解析）は、使いやすく無料でダウンロードして使用できる解析ソフトウェアです。このソフトウェアは、距離ベースと形質ベースの両方の系統樹解析手法に対応しています。MEGAには、ヒューリスティックアプローチやブートストラップなど、利用できるオプションもいくつか含まれています。ブートストラップは、系統樹のトポロジーの堅牢性を測定するためによく使用される手法で、多数の反復後に各クレードが支持される割合を示します。一般的に、70%を超える値は有意であると考えられます。右側に表示されているフローチャートは、説明されているペブスナーの分子系統解析手法の5つの段階の順序を視覚的に示しています。[ 13 ]
分子系統解析は、ゲノミクス、進化生物学、疫学、生物多様性研究など、複数の生物学分野にわたって幅広く応用されています。研究者は、DNA、RNA、またはタンパク質の配列を比較することで、進化上の関係を再構築し、適応と多様化のパターンを調査し、遺伝子と種の歴史を推測することができます。これらのアプローチは、基礎的および応用的な生物学的疑問の両方に取り組むために使用されています。[ 14 ]
分子系統解析は、形態学的特徴のみに基づくのではなく、遺伝的関係に基づいて生物を分類するための客観的な枠組みを提供することで、生物分類学を変革しました。相同なDNAまたはタンパク質配列を比較することで、研究者は進化上の関係を再構築し、共通祖先をよりよく反映するように分類学的分類を改良することができます。系統学的証拠は、多数の分類群の再分類、これまで曖昧だった関係の明確化、形態的には似ているが遺伝的に異なる隠蔽種の特定につながりました。分子データは、形態のみを使用して推測することが困難だった深い進化上の関係を解明するのにも役立っています。[ 15 ]
例えば、形態に基づく従来の分類では、かつてはすべての昼行性の猛禽類をハヤブサ目（Falconiformes）に分類していました。ハヤブサ目は、他の猛禽類や大型のカモ目（Anseriformes）と外見上はよく似ています。しかし、分子系統学的研究により、ハヤブサ（ハヤブサ科）は、これまで考えられていたようにタカやワシ（タカ目）に最も近縁ではないことが明らかになりました。代わりに、ゲノムワイド解析では、ハヤブサはオーストラリア亜目（Australaves）に分類され、タカやワシよりもスズメ目（鳴禽類）やオウムに近縁であることが示されています。この事例は、分子データがいかにして長年信じられてきた形態学的分類を覆し、進化上の関係をより正確に描き出すことができるかを示しています。[ 16 ]
その結果、分子系統学は現代の系統生物学と進化分類学において中心的な役割を果たし、分類の精緻化、隠蔽種の特定、形態だけでは解決できない深い分岐の解明に役立っている。[ 17 ]
ゲノミクスと分子生物学では、分子系統学的研究は遺伝子と遺伝子ファミリーの進化の歴史を調査するために広く使用されています。これらの分析は、オルソロガスとパラロガスの関係を特定し、種分化と遺伝子重複イベントを区別し、遺伝子ファミリーの進化の起源を明らかにするのに役立ちます。系統学的アプローチは、独立した喪失イベントを追跡し、重複や他の進化プロセスと区別することもでき、特定の遺伝子が異なる系統でどのように失われたり変更されたりするのか、そしてこれらの変化が機能的多様化にどのように寄与するのかを明らかにします。たとえば、MDA5遺伝子は、哺乳類やニワトリ（キジ目）を含むいくつかの無関係な脊椎動物系統で独立して失われ、コウノトリ（コウノトリ目）とクイナ科（ツル目）で破壊されています。[ 18 ]
分子系統解析は、進化生物学の分野で、形質が種間でどのように進化するかなど、さまざまな進化上の疑問に取り組むために広く使用されています。重要な応用例の1つは収斂進化の研究です。収斂進化とは、類似した機能的形質が、同等の選択圧の結果として、遠縁の系統で独立して出現する現象です。[ 19 ]種間の収斂のパターンを調査するために、タングルグラムがよく使用されます。これは、通常は種系統樹と遺伝子系統樹という2つの系統樹を比較するための視覚的なツールです。系統樹間の一致と不一致を調べることで、研究者は、類似した形質やアミノ酸の変化が遠縁の系統で独立して進化した事例を検出できます。遺伝子またはタンパク質配列の比較分析は、さらに種間の特定の収斂変化を明らかにします。たとえば、系統学的研究により、TLRなどの免疫に関与する遺伝子における収斂アミノ酸置換が特定されており、自然選択が遠縁の種間でタンパク質の進化をどのように形作っているかが強調されています。[ 20 ]
分子系統解析は、病原体とその宿主間の進化関係を再構築することで、感染症研究において重要な役割を果たしています。たとえば、系統学的研究により、水鳥、特にカモ類（Anas spp.）が、流行しているインフルエンザAウイルス株の主要な宿主であり、哺乳類のインフルエンザウイルスと最近の共通ウイルス祖先を共有していることが示されています。[ 21 ] 系統樹と比較解析は、異なる宿主種間でウイルスゲノム配列を比較するのに役立ち、研究者が伝播経路を推測したり、祖先ウイルス系統やウイルスの進化、新しい宿主への適応を特定したりすることを可能にします。系統解析では、Toll様受容体、RIG-I様受容体、NOD様受容体などの自然免疫系の主要構成要素が、脊椎動物の進化の大きな分岐にもかかわらず、脊椎動物全体で保存されていることも示されています。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]系統解析によって明らかになった、遠縁の系統間でこれらの免疫遺伝子が保存されていることは、それらの共通の進化起源を強調している。
分子系統学は、種の同定、隠蔽種の検出、進化関係の再構築、保全計画への情報提供を可能にすることで、生物多様性研究において重要な役割を果たしています。これらの分析は、進化的に異なる系統を特定し、保護対象集団の優先順位付けに役立つだけでなく、遺伝的完全性を脅かす可能性のあるプロセスも明らかにします。たとえば、交雑による種間の遺伝物質の移動である遺伝子浸透は、特に外来種が人間によって導入された場合、在来集団を混乱させる可能性があります。系統学的およびゲノムワイド分析は、在来種のアカアシイワシャコ（Alectoris rufa）と導入されたイワシャコ（Alectoris chukar）の場合にこれを実証しており、交雑によって在来集団の遺伝的構造が変化しました。このような発見は、分子マーカーが生物多様性を理解するだけでなく、管理された野生生物集団の遺伝的完全性を監視および回復するためにも使用できることを示しています。[ 25 ]
分子系統学は本質的に分岐分類学的なアプローチであり、分類は系統発生的な系統関係に対応し、すべての有効な分類群は単系統群でなければならないという前提に基づいています。これは、系統樹の一部を二分割して再接続することが多い最適な系統樹を決定しようとする際に制約となります。
生物間での広範な水平遺伝子伝達の最近の発見は、分子系統学に大きな複雑さをもたらし、同じ生物内の異なる遺伝子が異なる系統樹を持つ可能性があることを示している。水平遺伝子伝達は、多くの系統解析法を用いて検出および除外することができる（「水平遺伝子伝達の推定」§ 「明示的な系統解析法」を参照）。
さらに、分子系統樹は、その作成に使用される仮定やモデルに影響を受けやすい。まず、配列を整列させる必要がある。次に、長枝誘引、飽和、分類群サンプリングの問題などの問題に対処する必要がある。これは、同じデータセットに異なるモデルを適用すると、著しく異なる結果が得られる可能性があることを意味する。[ 26 ] [ 27 ]系統樹構築法には、系統樹のトポロジー、進化速度、サンプリングに関する特定の仮定も伴う。単純なUPGMAは、根付き系統樹と均一な分子時計を仮定しているが、どちらも間違っている可能性がある。[ 13 ]
単一遺伝子の解像度の低さは、多遺伝子系統樹を用いることで克服されてきたが、水平遺伝子伝達の問題は依然として慎重なアルゴリズム設計を必要とする。[ 28 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2026年2月現在非アクティブです（リンク）