突然変異率

遺伝学において、突然変異率とは、単一の遺伝子、ヌクレオチド配列、または生物における、時間経過に伴う新たな突然変異の頻度のことである。 ^{[ 2 ]}突然変異率は一定ではなく、単一の種類の突然変異に限定されるものでもない。突然変異には多くの異なる種類がある。突然変異率は、特定の種類の突然変異に対して示される。点突然変異は、単一の塩基の変化である突然変異の一種である。ミスセンス突然変異、ナンセンス突然変異、同義突然変異は、点突然変異の3つのサブタイプである。これらの種類の置換の速度は、さらに突然変異スペクトルに細分化することができ、これは遺伝的コンテキストが突然変異率に及ぼす影響を説明するものである。^{[ 3 ]}

これらの速度それぞれにいくつかの自然な時間単位があり、速度は細胞分裂あたりの塩基対あたりの突然変異、世代あたりの遺伝子あたりの突然変異、または世代あたりのゲノムあたりの突然変異として特徴付けられます。生物の突然変異率は進化によって獲得された特性であり、環境からの強い影響に加えて、各生物の遺伝的要因に強く影響されます。突然変異率が進化できる上限と下限は、現在も研究が続けられています。ただし、突然変異率はゲノム全体で変化します。^{[ 4 ]}

ヒトの突然変異率が上昇すると、がんやその他の遺伝性疾患など、特定の健康リスクが発生する可能性があります。突然変異率に関する知識は、がんや多くの遺伝性疾患の将来を理解する上で不可欠です。^{[ 5 ]}

種内の異なる遺伝子変異は対立遺伝子と呼ばれ、したがって、新しい突然変異によって新しい対立遺伝子が生成されることがあります。集団遺伝学では、各対立遺伝子は選択係数によって特徴付けられ、これは時間の経過に伴う対立遺伝子の頻度の予想される変化を測定します。選択係数は、予想される減少に対応する負の値、予想される増加に対応する正の値、または予想される変化がないことを示すゼロのいずれかになります。新しい突然変異の適応度への影響の分布は、集団遺伝学における重要なパラメータであり、広範な調査の対象となってきました。^{[ 6 ]}過去にはこの分布の測定は一貫していませんでしたが、現在では、突然変異の大部分は軽度の有害であり、多くは生物の適応度にほとんど影響を与えず、少数は有利になる可能性があると一般的に考えられています。

自然選択により、通常、不利な突然変異は集団から排除され、有利な変化は一般的に次の世代に保持され、中立的な変化は突然変異によって生じる速度で蓄積されます。このプロセスは生殖によって起こります。特定の世代では、「最も適した」個体がより高い確率で生き残り、その遺伝子を子孫に伝えます。この確率の変化の符号によって、突然変異が生物にとって有益、中立、または有害であるかが定義されます。^{[ 7 ]}

生物の突然変異率は、様々な手法で測定することができる。

突然変異率を測定する方法の1つは、ルリア・デルブリュック実験としても知られる変動テストです。この実験は、細菌の突然変異は選択が存在する場合よりも選択がない場合に起こることを実証しました。^{[ 8 ]}

これは突然変異率にとって非常に重要であり、選択が関与しなくても突然変異が起こり得ることを実験的に証明している。実際、突然変異と選択は完全に異なる進化の力である。異なるDNA配列は異なる突然変異傾向を持つ可能性があり（下記参照）、ランダムに起こるとは限らない。^{[ 9 ]}

最も一般的に測定される変異の種類は置換変異です。これは、DNA配列データの標準的な解析で比較的簡単に測定できるためです。しかし、置換変異の突然変異率は、他の種類の突然変異（ほとんどの細胞生物では1世代あたり10⁻⁸ ^～ 10⁻⁹ ^）とは大きく異なり、他の種類の突然変異は、しばしばはるかに高い（サテライトDNAの拡張/収縮では1世代あたり約^{10⁻³ [ 10 ]}）です。

突然変異率は種によって異なり、同一種のゲノムの異なる領域間でも異なります。突然変異率は、同一種の遺伝子型間でも異なる場合があります。たとえば、細菌は新しい選択条件に適応するにつれて、超突然変異性を進化させることが観察されています。^{[ 13 ]}これらの異なるヌクレオチド置換率は、世代あたりの塩基対あたりの置換数（固定突然変異数）で測定されます。たとえば、遺伝子間領域または非コード領域のDNAの突然変異は、生物内で活発に使用されているDNA（遺伝子発現）の突然変異よりも速い速度で蓄積する傾向があります。これは必ずしも突然変異率が高いためではなく、浄化選択のレベルが低いためです。予測可能な速度で突然変異する領域は、分子時計として使用する候補となります。

配列中のニュートラル突然変異率が一定（分子時計のような）であると仮定し、種間の違いのほとんどが適応的ではなくニュートラルである場合、2つの異なる種間の違いの数を使用して、2つの種が分岐した時期を推定できます（分子時計を参照）。生物の突然変異率は、環境ストレスに応じて変化する可能性があります。たとえば、紫外線はDNAを損傷し、その結果、細胞がDNA修復を行おうとしてエラーを起こしやすくなります。

ヒトの突然変異率は、女性（卵細胞）よりも男性の生殖細胞系列（精子）の方が高いが、正確な突然変異率の推定値は1桁以上も異なっている。これは、各世代で配偶子を生成するために多数の細胞分裂が行われるため、ヒトゲノムには1世代あたり約64個の新しい突然変異が蓄積されることを^{意味する。 [ 14 ]}ヒトミトコンドリアDNAの突然変異率は、推定方法によって異なるが、20年世代あたり塩基あたり約3倍または約2.7×10⁻⁵と推定されている^{。[ 15 ]}これらの突然変異率は、 1世代あたり塩基あたり約2.5×10⁻⁸であるヒトゲノムの突然変異率よりもかなり高いと考えられている。^[ 16 ^{]全ゲノム}シーケンスから得られるデータを使用すると、ヒトゲノムの突然変異率は同様に、1世代あたりサイトあたり約1.1×10⁻⁸と^推定される^{。[ 17 ]}

他の形態の突然変異の速度も点突然変異とは大きく異なります。個々のマイクロサテライト遺伝子座^{の突然変異率は10⁻⁴程度}ですが、長さによって大きく異なる場合があります。^{[ 18 ]}

DNAの配列によっては、突然変異を起こしやすいものがある。例えば、ヒトの精子中のメチル化されていないDNAの領域は、突然変異を起こしやすい。^{[ 19 ]}

一般的に、単細胞真核生物（および細菌）の突然変異率は、細胞世代あたりゲノムあたり約0.003回の突然変異である。 ^{[ 14 ]}しかし、一部の種、特にゾウリムシ属の繊毛虫は、異常に低い突然変異率を示す。例えば、Paramecium tetraureliaの塩基置換突然変異率は、細胞分裂あたりサイトあたり約2×10⁻¹¹である^。これは、これまでに自然界で観察された中で最も低い突然変異率であり、同様のゲノムサイズを持つ他の真核生物の約75分の1、ほとんどの原核生物の10分の1にも満たない。ゾウリムシの低い突然変異率は、転写的に不活性な生殖細胞核によって説明されており、遺伝子発現レベルが低いほど複製忠実度が高くなるという仮説と一致する。^{[ 20 ]}

塩基対あたりの世代ごとの変異率が最も高いのはウイルスで、ウイルスはRNAゲノムまたはDNAゲノムのいずれかを持つ。DNAウイルスの変異率は塩基あたり世代ごとに^10⁻⁶から^{10⁻⁸の変異であり、RNAウイルスの}変異率は塩基あたり世代ごとに^10⁻³から^10⁻⁵の変異である。 ^{[ 14 ]}

突然変異スペクトルは、発生率がすべて同じではないという認識に基づき、ある状況に関連する突然変異の発生率または頻度の分布です。どのような状況においても、突然変異スペクトルは突然変異誘発の詳細を反映し、化学的突然変異誘発物質の存在や、突然変異誘発アレルまたは損傷したDNA修復システムを持つ遺伝的背景などの条件によって影響を受けます。突然変異スペクトルの最も基本的で広範な概念は、ゲノム内で発生する可能性のあるすべての個々の突然変異の発生率の分布です。^{[ 21 ]}この完全なde novoスペクトルから、たとえば、コーディング領域と非コーディング領域における相対的な突然変異率を計算できます。通常、突然変異率のスペクトルの概念は、遷移と転換などの広範なクラスをカバーするように単純化されます（図）。つまり、ゲノム全体にわたるさまざまな突然変異変換がクラスに集約され、各クラスに集約率があります。

多くの文脈において、突然変異スペクトルは、何らかの選択基準によって特定された突然変異の観察頻度として定義されます。例えば、特定の種類の癌と臨床的に関連する突然変異の分布^{[ 22 ]}、または抗生物質耐性などの特定の状況における適応変化の分布^{[ 23 ]}などです。de novo突然変異率 のスペクトルは突然変異のみを反映していますが、この種のスペクトルは選択および確認バイアスの影響も反映する可能性があります（例えば、両方の種類のスペクトルが^{[ 24 ]}で使用されています）。

突然変異率の進化に関する理論では、主に3つの力が関与しているとされています。それは、突然変異率が高いほど有害な突然変異が多く発生すること、突然変異率が高いほど有利な突然変異が多く発生すること、そして突然変異を防ぐために必要な代謝コストと複製率の低下です。それぞれの力に与えられる相対的な重要性に基づいて、異なる結論が導き出されます。生物の最適な突然変異率は、有害な突然変異などの高い突然変異率のコスト^{[ 25 ]}と、突然変異率を低下させるシステムを維持するための代謝コスト（DNA修復酵素の発現増加^{[ 26 ]}、またはBernsteinら^{[ 27 ]}がレビューしたように、修復のためのエネルギー使用量の増加、追加の遺伝子産物のコーディング、および/または複製の速度低下など）との間のトレードオフによって決定される可能性があります。第二に、突然変異率が高いほど有益な突然変異の速度が上昇し、進化は最適な適応率を維持するために突然変異率の低下を防ぐ可能性があります。^{[ 28 ] [ 29 ]}このように、超突然変異は、一部の細胞が変化する環境に迅速に適応し、集団全体が絶滅するのを回避することを可能にする。^{[ 30 ]}最後に、突然変異率を下げることによる利点が比較的小さいため、自然選択は突然変異率を最適化できない可能性があり、したがって、観察される突然変異率は中立的なプロセスの産物である。^{[ 31 ] [ 32 ]}

研究によると、ポリオウイルスなどのRNAウイルスをリバビリンで治療すると、ウイルスがゲノム内の情報の完全性を維持するには変異が頻繁すぎるという考えと一致する結果が得られることが示されています。^{[ 33 ]}これはエラーカタストロフィーと呼ばれています。

HIV（ヒト免疫不全ウイルス）は、塩基および世代あたり3×10⁻⁵という^特徴的な高い変異率と短い複製サイクルにより、高い抗原多様性を持ち、免疫系を回避することができる。^{[ 34 ]}

• 突然変異
• 臨界突然変異率
• 突然変異頻度
• 劣性遺伝学
• 対立遺伝子頻度
• 進化の速度
• 遺伝学
• 癌

• ウィキメディア・コモンズにある突然変異率に関連するメディア