分子進化のほぼ中立的な理論

分子進化のほぼ中立理論は、分子進化の中立理論^[1]の修正版であり、すべての突然変異が無視できるほど有害であるわけではなく、そうでなければ中立であるわけでもないという事実を説明しています。わずかに有害な突然変異は、その選択係数が実効集団サイズで割った1より大きい場合にのみ確実に排除されます。より大きな集団では、遺伝的浮動が選択に勝てないこの閾値を超える突然変異の割合が高くなり、固定イベントが少なくなり、分子進化が遅くなります。

ほぼ中立理論は1973年に太田智子によって提唱された。 ^[2]突然変異を排除するための集団サイズ依存の閾値はマイケル・リンチによって「ドリフト障壁」と呼ばれ、種間のゲノム構造の違いを説明するために使用されている。

分子進化の中立理論によれば、種間で分子変化が蓄積する速度は中立突然変異の速度と等しく、したがって種間で比較的一定であるはずです。しかし、これは世代ごとの速度です。大型生物は世代時間が長いため、中立理論では分子進化の速度は遅くなると予測されます。しかし、分子進化論者は、タンパク質の進化の速度は世代時間とほとんど関係ないことを発見しました。

集団サイズは一般に世代時間と反比例することに注目し、大田智子は、ほとんどのアミノ酸置換がわずかに有害であれば、小さな集団では実質的に中立的な突然変異率が増加し、長い世代時間の影響を相殺できると提案した。しかし、非コードDNA置換は集団サイズに依存せず、より中立的である傾向があるため、その進化率は非同義変化の速度とは異なり、集団サイズ/世代時間に依存すると正しく予測されている。^[3]

この場合、小さな集団ではタンパク質の中立進化の速度が速くなると予想されますが（有害な突然変異を排除するための閾値が緩いため）、世代時間が長くなることで相殺されます（逆もまた同様です）。しかし、世代時間が短い大きな集団では、非コードDNAの進化が速くなり、タンパク質の進化は選択によって遅くなります（大きな集団ではドリフトよりも重要です）^{[3] 1973年、Ohtaは}Nature誌に短い手紙^[2]を発表し 、分子レベルでのほとんどの突然変異イベントは厳密に中立ではなくわずかに有害であるという理論をさまざまな分子的証拠が支持していることを示唆しました。

1990 年代初頭まで、分子進化の多くの研究では「シフト モデル」が使用されていました。これは、有害な突然変異による集団の適応度への悪影響が、突然変異が固定に達すると元の値に戻るというものです。1990 年代初頭、オオタは有益な突然変異と有害な突然変異の両方を含む「固定モデル」を開発し、集団全体の適応度の人為的な「シフト」が不要になりました。^[3] しかし、オオタによると、1980 年代後半には、数学的に単純な中立理論が、高速DNA シーケンシングの出現後に盛んになった広範な分子系統学研究に採用されたため、ほぼ中立理論は大きく支持されなくなりました。1990 年代に、より詳細な系統学研究が、強い選択と弱い選択を受けるゲノム領域の進化を比較し始めたため、ほぼ中立理論と選択とドリフトの相互作用が再び重要な研究の焦点になりました。^[4]

置換率は 、 ${\displaystyle \rho}$

${\displaystyle \rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}}$、

ここで、は突然変異率、は世代時間、 は有効な集団サイズです。最後の項は、新しい突然変異が固定される確率です。初期のモデルでは、は種間で一定であり、とともに増加すると想定されていました。半数体集団における固定の確率に関する Kimura の式は、次のようになります。 ${\displaystyle u}$${\displaystyle g}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle u}$${\displaystyle g}$${\displaystyle N_{e}}$

${\displaystyle P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}}}}}$、

ここで は突然変異の選択係数である。 （完全に中立）のとき、、（極めて有害）のとき、は とともにほぼ指数関数的に減少する。 を伴う突然変異は、ほぼ中立突然変異と呼ばれる。これらの突然変異は、遺伝的浮動によって小規模集団に定着する可能性がある。大規模集団では、これらの突然変異は選択によって排除される。ほぼ中立突然変異が一般的である場合、 の比率はに依存する。${\displaystyle s}$${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$${\displaystyle P_{fix}}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$${\displaystyle N_{e}}$

ほぼ中立的な突然変異の影響は、の変動に依存する可能性がある。初期の研究では、世代間で変化する可能性があるが、集団の平均適応度は固定後にゼロにリセットされる「シフトモデル」が使用された。これは基本的に、の分布が一定であると仮定している（この意味で、前の段落の議論は「シフトモデル」に基づいていると見なすことができます）。この仮定は、タンパク質機能の無期限の改善または劣化につながる可能性があります。一方、後の「固定モデル」^[5]は、タンパク質機能に対する突然変異の影響の分布を固定しますが、集団の平均適応度は進化させます。これにより、の分布は集団の平均適応度とともに変化します。 ${\displaystyle s}$${\displaystyle s}$${\displaystyle s}$${\displaystyle s}$

「固定モデル」は、タンパク質の進化速度について、若干異なる説明を提供します。大規模な集団では、有利な突然変異が選択によってすぐに選択され、集団の平均適応度が増加します。それに応じて、ほぼ中立的な突然変異の突然変異率は低下します。これは、これらの突然変異が選択係数の分布の末尾に限定されるためです。 ${\displaystyle N_{e}}$

「固定モデル」はほぼ中立理論を拡張したものである。立田^[6]は、の積と分布の分散に基づいて進化を「固定モデル」に分類した。積が大きい場合は適応進化、積が中程度の場合はほぼ中立進化、積が小さい場合はほぼ中立進化に相当する。この分類によれば、わずかに有利な突然変異がほぼ中立進化に寄与する可能性がある。 ${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle s}$

マイケル・リンチは、わずかに有害な突然変異を除去する能力のばらつき（すなわち、 のばらつき）が、種間のゲノム構造、例えばゲノムのサイズや突然変異率のばらつきを説明できると提唱している。^[7]具体的には、集団が大きいほど突然変異率は低く、ゲノム構造はより合理的で、一般的に適応はより細かく調整されている。しかし、転写や翻訳などのプロセスにおけるそれぞれの起こり得るエラーの結果に対する堅牢性が、そのようなエラーを起こすコストを大幅に削減するのであれば、集団が大きいほどグローバル校正の率が低くなり、エラー率が上がる可能性がある。^{[8]これは、}大腸菌の転写エラー率がサッカロミセス・セレビシエよりも高い理由を説明できるかもしれない。^{[9] [10]}これは、大腸菌の転写エラー率がタンパク質の存在量（遺伝子座特異的な選択の強さを調整する役割を担う）に依存するが、サッカロミセス・セレビシエの高エラー率のCからUへの脱アミノ化エラーについてのみそうなるという事実によって裏付けられている。^[11]${\displaystyle N_{e}}$

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