Nearly neutral theory of molecular evolution

The nearly neutral theory of molecular evolution is a modification of the neutral theory of molecular evolution^[1] that accounts for the fact that not all mutations are either so deleterious such that they can be ignored, or else neutral. Slightly deleterious mutations are reliably purged only when their selection coefficient are greater than one divided by the effective population size. In larger populations, a higher proportion of mutations exceed this threshold for which genetic drift cannot overpower selection, leading to fewer fixation events and so slower molecular evolution.

The nearly neutral theory was proposed by Tomoko Ohta in 1973.^[2] The population-size-dependent threshold for purging mutations has been called the "drift barrier" by Michael Lynch, and used to explain differences in genomic architecture among species.

According to the neutral theory of molecular evolution, the rate at which molecular changes accumulate between species should be equal to the rate of neutral mutations and hence relatively constant across species. However, this is a per-generation rate. Since larger organisms have longer generation times, the neutral theory predicts that their rate of molecular evolution should be slower. However, molecular evolutionists found that rates of protein evolution were fairly independent of generation time.

Noting that population size is generally inversely proportional to generation time, Tomoko Ohta proposed that if most amino acid substitutions are slightly deleterious, this would increase the rate of effectively neutral mutation rate in small populations, which could offset the effect of long generation times. However, because noncoding DNA substitutions tend to be more neutral, independent of population size, their rate of evolution is correctly predicted to depend on population size / generation time, unlike the rate of non-synonymous changes.^[3]

この場合、小さな集団で予想されるタンパク質のより速い中立進化速度（有害な突然変異を除去するためのより寛容な閾値による）は、より長い世代時間によって相殺されます（逆もまた同様）が、世代時間が短い大きな集団では、非コードDNAはより速く進化し、タンパク質の進化は選択によって遅延します（これは大きな集団では浮動よりも重要です）^{[ 3 ]。} 1973年、太田はNature誌に短い手紙を発表し^{[ 2 ]} 、 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、幅広い分子証拠が支持していることを示唆しました。

それから1990年代初頭までの間、分子進化の多くの研究では、有害な突然変異による集団の適応度への負の影響が、突然変異が固定に達すると元の値に戻るという「シフトモデル」が用いられた。1990年代初頭、太田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工的な「シフト」は不要とした。^{[ 3 ]} しかし太田によれば、ほぼ中立理論は、高速DNAシーケンスの出現後に盛んになった広範な分子系統学研究において、数学的に単純な中立理論が主流となったため、1980年代後半にはほとんど支持されなくなった。1990年代に、より詳細な系統学研究が、強い選択を受けるゲノム領域と弱い選択を受けるゲノム領域の進化を比較し始めると、ほぼ中立理論と選択と浮動の相互作用が再び重要な研究対象となった。^{[ 4 ]}

代替率、 ${\displaystyle \rho }$は

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

どこ${\displaystyle u}$突然変異率とは、${\displaystyle g}$は世代時間であり、${\displaystyle N_{e}}$は有効集団サイズです。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、${\displaystyle u}$種間で一定であり、${\displaystyle g}$増加する${\displaystyle N_{e}}$半数体集団における固定確率に関する木村の式は以下の通りである。

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

どこ${\displaystyle s}$は突然変異の選択係数です。${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$（完全に中立）${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$、そして${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$（極めて有害）${\displaystyle P_{fix}}$ほぼ指数関数的に減少する${\displaystyle N_{e}}$突然変異${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$これらはほぼ中立的な突然変異と呼ばれます。これらの突然変異は小さな${\displaystyle N_{e}}$遺伝的浮動による集団。大規模な集団では${\displaystyle N_{e}}$集団では、これらの突然変異は選択によって除去されます。ほぼ中立な突然変異が一般的であれば、${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$依存する${\displaystyle N_{e}}$

ほぼ中立的な突然変異の影響は、${\displaystyle s}$初期の研究では、「シフトモデル」が用いられ、${\displaystyle s}$世代間で変動する可能性があるが、固定後には集団の平均適応度はゼロにリセットされる。これは基本的に、分布が${\displaystyle s}$は一定である（この意味で、前の段落の議論は「シフトモデル」に基づいているとみなすことができる）。この仮定は、タンパク質機能の無限の改善または悪化につながる可能性がある。一方、後の「固定モデル」^{[ 5 ]}は、突然変異がタンパク質機能に及ぼす影響の分布を固定するが、集団の平均適応度が進化することを許容する。これにより、分布は${\displaystyle s}$集団の平均適応度に応じて変化する。

「固定モデル」は、タンパク質進化の速度について少し異なる説明を提供する。${\displaystyle N_{e}}$集団においては、有利な突然変異は選択によって速やかに選抜され、集団の平均適応度を高める。これに対応して、ほぼ中立的な突然変異の発生率は低下する。なぜなら、これらの突然変異は選択係数の分布の裾野部分に限定されるからである。

「固定モデル」は、ほぼ中立的な理論を拡張したものである。立田^{[ 6 ]}は、進化を「固定モデル」に分類した。${\displaystyle N_{e}}$そして分布の分散は${\displaystyle s}$大きな産物は適応進化に対応し、中間の産物はほぼ中立的な進化に対応し、小さな産物はほぼ中立的な進化に対応する。この分類によれば、わずかに有利な突然変異でもほぼ中立的な進化に寄与する可能性がある。

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変動（つまり、${\displaystyle N_{e}}$) は、ゲノムのサイズや突然変異率など、種間のゲノム構造の変動を説明できる。^{[ 7 ]}具体的には、集団が大きいほど突然変異率が低く、ゲノム構造がより合理化され、一般的に適応がより微調整される。しかし、転写や翻訳などのプロセスにおける各エラーの結果に対する頑健性が、そのようなエラーを起こすコストを大幅に削減する場合、集団が大きいほど全体的な校正率が低くなり、エラー率が高くなる可能性がある。^{[ 8 ]}これは、大腸菌がサッカロミセス・セレビシエよりも転写エラー率が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（選択の遺伝子座特異的な強さを調節する原因）に依存するが、サッカロミセス・セレビシエではエラー率の高いCからU への脱アミノ化エラーにのみ依存するという事実によって裏付けられている。^{[ 11 ]}

• 分子進化の歴史

• 分子進化のほぼ中立的な理論- 分子進化に関する展望