ミュラーのラチェット

進化 遺伝学において、ミュラーのラチェット（ラチェット効果との類推からヘルマン・ヨーゼフ・ミュラーにちなんで名付けられた）は、組み換えがない場合（特に無性集団の場合）に不可逆的な有害突然変異の蓄積をもたらすプロセスである。^{[1] [2]}これは、組み換えがない場合、逆突然変異がまれであると仮定すると、子孫が少なくとも親と同じだけの突然変異負荷を負うために起こる。^{[2]ミュラーは、}有性生殖が無性生殖よりも好まれる理由の1つとしてこのメ​​カニズムを提唱し、有性生物は組み換えとそれに伴う有害突然変異の排除の恩恵を受ける。不可逆的な有害突然変異の蓄積による悪影響は、無性生殖しながらも他の形式の組み換えも受ける生物では顕著ではない可能性がある。この影響は、組み換えを受けない有性生物のゲノムの領域でも観察されている。

ミュラーは1932年の講演で有性生殖の利点について論じたが、そこには「ラチェット」という言葉は含まれていない。ミュラーが「ラチェット」という用語を初めて導入したのは1964年の論文^{[2]であり、「ミュラーのラチェット」というフレーズは}ジョー・フェルゼンシュタインが1974年の論文「組み換えの進化的利点」で作ったものである^{[3] 。}

無性生殖では、ゲノムは分割できないブロックとして継承されるため、無性集団の中で最も変異の少ないゲノムが少なくとも 1 つの有害な変異を持ち始めると、将来の世代でそのような変異が少ないゲノムが見つかることは期待できません (復帰突然変異の結果を除く)。これにより、最終的に遺伝的負荷と呼ばれる変異が蓄積されます。理論上、無性集団が持つ遺伝的負荷は最終的に非常に大きくなり、集団は絶滅します。^[4]また、実験室実験では、RNA ウイルス、細菌、真核生物など、多くの生物 (激しい浮動下および組み換えが許可されていない場合) でラチェットの存在と、それに伴う集団の絶滅が確認されています。^{[5] [6] [7]有性集団では、遺伝子組み換えのプロセスにより、}子孫のゲノムが親のゲノムと異なる可能性があります。特に、親の染色体の変異のない部分を組み合わせることで、変異の少ない子孫ゲノムを、より変異の多い親ゲノムから生成することができます。また、組換えによって異なる変異の組み合わせが生じた場合、浄化選択によって、ある程度、負担の大きい集団の負担が軽減されます。^[2]

原生生物と原核生物の中には、無性生殖と考えられている生物が多数存在する。さまざまなメカニズムを通じて遺伝情報を交換していることがますます多く示されている。対照的に、ミトコンドリアと葉緑体のゲノムは組み換えがなく、それほど小さくなければミュラーのラチェットを受けるだろう（Birdsell and Wills [pp. 93–95]を参照）。^[8]実際、無性生殖集団で最も変異の少ないゲノムが少なくとも1つの（追加の）変異を持つ確率は、ゲノム変異率に大きく依存し、これはゲノムのサイズ（より正確には、活性遺伝子に存在する塩基対の数）とともに多かれ少なかれ直線的に増加する。しかし、特に寄生虫や共生生物におけるゲノムサイズの縮小は、不要になった遺伝子を取り除くための直接的な選択によって引き起こされることもある。したがって、ゲノムが小さいということは、ミュラーのラチェットの作用を確実に示すものではない。^[9]

有性生殖を行う生物では、哺乳類のY染色体などの非組換え染色体または染色体領域（染色体内組換えおよび遺伝子変換を行う多コピー配列を除く^[4]）も、ミュラーのラチェットの影響を受けるはずです。このような非組換え配列は、急速に縮小して進化する傾向があります。ただし、この急速な進化は、これらの配列がテンプレート支援修復を介してDNA損傷を修復できないためである可能性があり、これはこれらの配列の突然変異率の増加に相当します。ゲノムの縮小や急速な進化のケースをミュラーのラチェットのみに帰することは容易ではありません。

ミュラーのラチェットは遺伝的浮動に依存しており、小さな集団では有害な突然変異が固定される可能性が高いため、より速く回転する。したがって、無性ゲノムの最大サイズと無性系統の長期的な進化的連続性に限界を設定する。^[4]しかし、一部の無性系統は非常に古いと考えられており、たとえば、 Bdelloid rotifersはほぼ4000万年間無性であったと思われる。^{[10]しかし、rotifersは、おそらく}水平遺伝子伝達イベントから、かなりの数の外来遺伝子を持っていることが判明した。 ^[11]さらに、脊椎魚のPoecilia formosaは、50万世代存在しており、ラチェット効果に反しているようだ。これは、親の遺伝子移入によるゲノム多様性の維持と、この種の雑種起源に起因する高いレベルのヘテロ接合性によって説明されている。 ^[12]

1978年、ジョン・ヘイグはライト・フィッシャーモデルを用いて、無性生殖集団におけるミュラーのラチェットの効果を分析した。^[13]ラチェットが機能している場合、最も適応したクラス（最も負荷の少ない個体）は小さく、遺伝的浮動の影響で絶滅しやすくなる。ヘイグは論文の中で、定常分布を持つ集団における突然変異を 持つ個体の頻度を計算する式を導出している。${\displaystyle k}$

${\displaystyle n_{k}\ =\ {\frac {Ne^{-\theta }\theta ^{k}}{k!}}}$

${\displaystyle \theta =\ {\frac {\lambda }{s}}}$

ここで、は突然変異を持つ個体の数、は集団のサイズ、は突然変異率、は選択係数です。 ${\displaystyle n_{k}\ }$${\displaystyle k}$${\displaystyle N}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle s}$

したがって、最も適応したクラス（ ） の個体の頻度は次のようになります。${\displaystyle k=0}$

${\displaystyle {n_{0}}\ =N\ \ e^{-\ \theta }}$

ラチェット現象に苦しむ無性生殖個体群では、最も適応した個体の出現頻度は低く、数世代後には絶滅してしまう。^[13]これはラチェットのクリックと呼ばれる。クリックが起こるたびに、有害な突然変異の蓄積率が上昇し、最終的には個体群の絶滅につながる。

組み換えは地球上の生命と同じくらい古い進化の過程だったと主張されてきた。 ^[14]組み換えが可能な 初期のRNA複製子は、無性生殖系統が定期的に出現する祖先の有性生殖の源であった可能性がある。^[14] 初期の有性生殖系統における組み換えは、ゲノム損傷に対処する手段を提供した可能性がある。^[15] このような古代の条件下でのミュラーのラチェットは、組み換えを受けることができない無性生殖系統の進化的存続を妨げた可能性が高い。^[14]

有害な突然変異は定義上有害であるため、それが蓄積すると個体数の減少と個体群の縮小につながる。個体群が小さいほどラチェット効果の影響を受けやすく、遺伝的浮動の結果、より有害な突然変異が固定される。これにより、小さな無性生殖個体群の絶滅を加速させる正のフィードバックループが形成される。この現象は突然変異メルトダウンと呼ばれている。^[16]ミュラーのラチェット による突然変異メルトダウンは、一般的な無融合生殖無性生殖顕花植物であるラナンキュラス・アウリコムスのように、少しの交配によって回避できるようである。^[17]

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