系統ゲノム学

系統ゲノミクスは、進化とゲノミクスの分野の交わりです。^{[ 1 ]}この用語は、ゲノムデータと進化再構築を含む分析を指すために、さまざまな方法で使用されてきました。 ^{[ 2 ]}これは、系統発生学とゲノミクスというより大きな分野に含まれる一連の技術です。系統ゲノミクスは、ゲノム全体、または少なくともゲノムの大部分を比較することによって情報を取得します。^{[ 3 ]}系統発生学は、単一の遺伝子または少数の遺伝子の配列、およびその他の多くの種類のデータを比較および分析します。系統ゲノミクスには、4つの主要な領域があります。

• 遺伝子機能の予測
• 進化上の関係性の確立と明確化
• 遺伝子ファミリーの進化
• 水平遺伝子伝達の予測と追跡。

系統ゲノム学の究極の目標は、ゲノムを通して種の進化の歴史を再構築することです。この歴史は通常、ゲノム進化モデルと標準的な統計的推論方法（例えば、ベイズ推論や最尤推定）を使用して、一連のゲノムから推測されます。^{[ 4 ]}

ジョナサン・アイゼンが最初に系統ゲノミクスという言葉を造語したとき、それは遺伝子機能の予測に適用されました。系統ゲノミクス技術が使用される前は、遺伝子機能の予測は主に、遺伝子配列を既知の機能を持つ遺伝子の配列と比較することによって行われていました。類似した配列を持つが機能が異なる複数の遺伝子が関与する場合、この方法だけでは機能の決定には効果的ではありません。具体的な例は、「美食の喜び：移動可能な祝祭日」という論文で示されています。^{[ 5 ]}配列類似性のみに基づく遺伝子予測は、ヘリコバクター・ピロリがミスマッチDNAを修復できると予測するために使用されていました。^{[ 6 ]}この予測は、この生物が、ミスマッチ修復に関与することが知られている多くの遺伝子を含む「MutS」遺伝子ファミリーの他の種の遺伝子と配列が非常に類似している遺伝子を持っているという事実に基づいています。しかし、アイゼンは、H.ピロリにはこの機能に不可欠と考えられている他の遺伝子（特にMutLファミリーのメンバー）が欠けていることを指摘しました。アイゼンはこの明らかな矛盾に対する解決策を提案した。MutSファミリーの遺伝子の系統樹から、H. pyloriで見つかった遺伝子はミスマッチ修復に関与することが知られているサブファミリーとは異なることが明らかになった。^{[ 5 ]} さらに、彼はこの「系統ゲノム」アプローチが遺伝子の機能を予測するための一般的な方法として使用できることを提案した。このアプローチは1998年に正式に記述された。^{[ 7 ]}系統ゲノム学のこの側面に関するレビューについては、Brown D、Sjölander K.「系統ゲノム推論を用いた機能分類」を参照のこと。^{[ 8 ] [ 9 ]}

従来の系統発生学的手法では、水平遺伝子伝達によって類似した遺伝子と、生物が共通の祖先を共有しているために類似した遺伝子との違いを確立することが困難です。多数の種間で多数の遺伝子または全ゲノムを比較することで、これらの配列が生物の分類に基づいて予想されるものとは異なる挙動を示すため、伝達された遺伝子を特定することが可能になります。これらの方法を使用して、研究者は、水平遺伝子伝達によってさまざまな真核生物寄生虫が獲得した2,000を超える代謝酵素を特定することができました。^{[ 10 ]}

生物群の完全な遺伝子セットを比較することで、遺伝子重複や遺伝子欠失といった遺伝子進化における事象を特定することができる。多くの場合、こうした事象は進化的に重要な意味を持つ。例えば、特定のファミリーに属する分解酵素をコードする遺伝子の多重重複は、微生物が新たな栄養源に適応する際の一般的な現象である。一方、遺伝子の喪失は、細胞内寄生生物や共生生物などにおける退化進化において重要である。ゲノム全体の遺伝子を一度に複製する可能性のある全ゲノム重複事象は、多くの系統群の進化において非常に重要な、劇的な進化事象であり、その痕跡は系統ゲノム解析法によって追跡することができる。

従来の単一遺伝子研究は、近縁生物間の系統樹を確立するのに効果的ですが、より遠縁の生物や微生物を比較する際には欠点があります。これは、水平遺伝子伝達、収斂、および異なる遺伝子の進化速度の変動によるものです。これらの比較に全ゲノムを使用することで、これらの要因から生じる異常は、データの大部分によって示される進化のパターンによって圧倒されます。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}この方法を使用すると、理論的には完全に解決された系統樹を作成することが可能であり、タイミング制約をより正確に回復できます。^{[ 14 ] [ 15 ]}しかし、実際には必ずしもそうではありません。データが不十分なため、異なる方法で分析すると、同じデータから複数の系統樹が支持されることがあります。^{[ 16 ]}

系統ゲノミクス（大規模な多遺伝子系統樹という意味で）の注目すべき成果：

• 65種の異なる光合成生物から135個の遺伝子を用いて、ほとんどの光合成真核生物が連鎖しており、おそらく単一の祖先を共有していることが発見された。これには植物、アルベオラータ、リザリア、ハプト藻、クリプト藻が含まれる。これは植物+HC+SARメガグループと呼ばれている。この研究では、これらの遺伝子を「スーパーマトリックス」アプローチと呼ばれる方法で連結している。^{[ 17 ]}
• 細菌の生命の系統樹の根元と水平遺伝子伝達の範囲は、11,272の遺伝子ファミリーの進化を追跡することによって決定されました。これは「スーパーツリー」アプローチです。^{[ 18 ]}
• 古細菌の生命の系統樹の根は、45タンパク質のスーパーマトリックス解析と3242タンパク質のスーパーツリー解析を用いて決定された。次に、古細菌の31,236の遺伝子ファミリーを系統樹上に配置して、祖先古細菌が何を持っていたかを決定する。^{[ 19 ]}
• ゲノム分類データベースは、細菌由来の120個のタンパク質または古細菌由来の53個のタンパク質（スーパーマトリックス）を使用して、高品質の配列ゲノムを持つすべての細菌と古細菌の分類を生成します。^{[ 20 ]}

大規模なマルチジーン系統樹を用いて生物を分類する場合、必ずしも全ゲノムを使用する必要はありません。2023年の研究では、ターゲットエンリッチメントを使用して選択された114個のマーカー遺伝子を選択的にシーケンスし、無関係な配列をスキップすることで作業コストを削減しています。^{[ 21 ]}

1. PhylomeDB

• 始祖鳥（系統ゲノム解析ソフトウェア）
• 微生物の系統発生学
• 系統発生学
• 配列アライメント
• スーパーツリー