分子系統学

分子系統学（/ m ə ˈ l ɛ k j ʊ l ər ˌ f aɪ l oʊ dʒ ə ˈ n ɛ t ɪ k s , m ɒ -, m oʊ -/ ^{[1] [2]}）は、主にDNA配列における遺伝的、遺伝的分子差異を分析し、生物の進化関係に関する情報を得る系統発生学の一分野である。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ある。分子系統分析の結果は、系統樹で表現される。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ある。^{[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）のさまざまな枝を通して分子レベル（遺伝子、タンパク質など）での選択的変化（突然変異）のプロセスである。分子系統学は、分子進化によって生じる進化関係を推論し、系統樹を構築する。^[6]

分子系統学の理論的枠組みは、1960年代にエミール・ズッカーカンドル、エマニュエル・マルゴリアッシュ、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築かれた。^[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（爬虫類学）、モリス・グッドマン（霊長類）らによって開拓され、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（さまざまなグループを研究）が続いた。タンパク質電気泳動の研究は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しなかったが、例えば鳥類の分類に関する長年の概念には大幅な修正が必要であるという興味深いヒントを提供した。1974年から1986年にかけては、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使用された主要な技術であった。^[8]

分子系統学の初期の試みはケモタキソノミーとも呼ばれ、クロマトグラフィーなどの技術を使用して分離され特徴付けられたタンパク質、酵素、炭水化物、およびその他の分子が使用されていました。これらは、最近では主にDNA シーケンシングに置き換えられており、さまざまな技術を使用して抽出された 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、進化の行動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優れていると考えられています。現在のところ、生物の DNA (ゲノム)全体を配列決定するのは、依然として長くて費用のかかるプロセスです。ただし、特定の染色体の特定の領域の配列を決定することはかなり実行可能です。一般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どの場所でも、特定の位置にある塩基は生物間で異なる場合があります。特定の生物で見つかった特定の配列は、そのハプロタイプと呼ばれます。原理的には、4種類の塩基対があり、1000塩基対あるため、4 ^×1000の異なるハプロタイプが存在する可能性がある。しかし、特定の種または関連種のグループ内の生物の場合、経験的に、変異が見られる部位はごくわずかであり、見つかった変異のほとんどは相関関係にあるため、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、遺伝物質の特定の領域についてハプロタイプが決定されます。つまり、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、現在の研究の多くは単一の個体に基づいています。近縁ではあるが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のハプロタイプが決定されます。これらは外群と呼ばれます。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(ハプロタイプ間の他の種類の違いも発生する可能性があります。たとえば、あるハプロタイプに別のハプロタイプにはない核酸セクションが挿入される場合などです)。生物間の差異は通常、置換数を分析した塩基対の数で割ることによって、パーセンテージの相違として再表現されます。この測定値は、配列決定された DNA セクションの位置と長さに依存しないことが期待されています。

古くて廃れたアプローチは、DNA-DNAハイブリダイゼーションによって個体の遺伝子型の相違を決定することでした。遺伝子配列決定ではなくハイブリダイゼーションを使用する利点は、DNAの特定の部分ではなく、遺伝子型全体に基づいていることです。現代の配列比較技術は、複数の配列を使用することでこの反対意見を克服しています。

すべてのサンプルのペア間の相違が判定されると、結果として得られる差異の三角マトリックスが何らかの統計的クラスター分析にかけられ、結果として得られる樹状図が検査され、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されるかどうかが確認されます。ハプロタイプのグループが、他のハプロタイプとの類似性よりも互いに類似している場合、そのグループはクレードを構成すると言えます。これは、右の図に示すように視覚的に表現できます。ブートストラップやジャックナイフ法などの統計的手法は、進化樹内のハプロタイプの位置に関する信頼性のある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。一般に、近縁の生物はこれらの物質の分子構造に高度な類似性を示しますが、遠縁の生物の分子はしばしば非類似性のパターンを示します。ミトコンドリアDNAなどの保存された配列は、時間の経過とともに変異を蓄積すると予想され、変異率が一定であると仮定すると、分岐の日付を付ける分子時計を提供します。分子系統学では、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「関係樹」を構築します。1977年のサンガーシーケンシングの発明により、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シングは、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測できます。

最も一般的なアプローチは、類似性を識別するために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することです。分子系統学のもう1つの応用は、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の小さな部分を使用して個々の生物の種を識別するものです。これを可能にする技術のもう1つの応用は、子供の父親を決定するための遺伝子検査のますます一般的な使用や、遺伝子指紋と呼ばれる証拠に重点を置いた犯罪科学捜査の新しい分野の出現など、非常に限られたヒト遺伝学の分野で見ることができます。

分子系統解析を行うにはいくつかの方法があります。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（最も適合する置換モデルのテスト）、最大尤度とベイズ推論を使用した系統樹再構築など、系統樹を構築する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1つの方法は、Nature Protocolで公開されています。^[12]

別の分子系統解析手法は Pevsner によって説明されており、次の文章で要約されます (Pevsner、2015)。系統解析は通常、5 つの主要なステップで構成されます。最初の段階は、配列の取得です。次のステップは、系統樹を構築するための基本的な基礎となる多重配列アライメントの実行です。第 3 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ます。置換モデルはいくつか存在します。いくつかの例として、ハミング距離、Jukes および Cantor の 1 パラメータ モデル、Kimura の 2 パラメータ モデルがあります ( 「DNA 進化のモデル」を参照)。第 4 段階は、距離ベースおよび特性ベースの方法を含む、さまざまなツリー構築方法で構成されます。正規化されたハミング距離と Jukes-Cantor 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示します。一般的なツリー構築法には、距離ベースの方法である加重平均法（UPGMA）と近傍結合、文字ベースの方法である最大節約法、文字ベース/モデルベースの方法である最大尤度推定法とベイズ推論などがあります。UPGMAは簡単な方法ですが、近傍結合法よりも精度は劣ります。最後に、最後のステップはツリーを評価することです。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 (分子進化遺伝学分析)は、ユーザーフレンドリーで、無料でダウンロードして使用できる分析ソフトウェアです。このソフトウェアは、距離ベースと特性ベースの両方のツリー手法を分析できます。また、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ピングなど、利用できるオプションもいくつか含まれています。ブートストラッピングは、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アプローチで、多数の反復後に各系統がサポートされている割合を示します。一般に、70% を超える値は有意であると見なされます。右側のフローチャートは、説明されている Pevsner の分子系統分析手法の 5 つの段階の順序を視覚的に示しています。^[13]

分子系統学は本質的に分岐論的アプローチです。分類は系統発生の系統に対応し、すべての有効な分類群は単系統でなければならないと仮定します。これは、最適な樹木を決定しようとするときに制限となり、多くの場合、系統樹の一部を二分して再接続する必要があります。

生物間での広範な水平遺伝子伝播の最近の発見は、分子系統学に重大な複雑性をもたらし、同じ生物内の異なる遺伝子が異なる系統発生を持つ可能性があることを示唆しています。HGT は、いくつかの系統発生手法を使用して検出および除外できます (「水平遺伝子伝播の推定」§「明示的な系統発生手法」を参照)。

さらに、分子系統樹は、それを作成する際の仮定やモデルに敏感です。まず、配列を整列させる必要があります。次に、長い枝の吸引、飽和、分類群のサンプリングの問題などの問題に対処する必要があります。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します。^{[14] [15]}ツリー構築法には、ツリーのトポロジー、進化速度、およびサンプリングに関する特定の仮定も伴います。単純なUPGMAは、根付きツリーと均一な分子時計を仮定していますが、どちらも間違っている可能性があります。^[13]

• 計算系統学
• 微生物の系統学
• 分子時計
• 分子進化
• フィロコード
• 系統分類学上の命名

• San Mauro, D.; Agorreta, A. (2010). 「分子系統学: 一般的な方法と知識の状態の統合」. Cellular & Molecular Biology Letters . 15 (2): 311–341. doi : 10.2478/s11658-010-0010-8 . PMC  6275913. PMID  20213503 .
• Blaxter, ML (2004)。「DNA 分類法の将来性」。ロンドン王立協会哲学論文集。シリーズ B、生物科学。359 (  1444 ): 669–679。doi : 10.1098 /rstb.2003.1447。PMC 1693355。PMID  15253352。

• NCBI – 系統分類学と分子系統学
• メガソフトウェア
• ブリタニカ百科事典からの分子系統学。