集団遺伝学

集団遺伝学の数学は、もともと近代総合説の始まりとして発展した。Beatty ^{[ 6 ]}などの著者は、集団遺伝学が近代総合説の中核を成すと主張している。20 世紀の最初の数十年間、ほとんどの野外博物学者は、ラマルク主義と正統進化論が、彼らが観察する生物界の複雑さに対する最良の説明を提供すると信じ続けていた。^{[ 7 ]}近代総合説の過程で、これらの考えは排除され、集団遺伝学の数学的枠組みで表現できる進化の原因のみが残された。^{[ 8 ]}どの進化要因が進化に影響を与える可能性があるかについては合意が得られたが、さまざまな要因の相対的な重要性については合意が得られなかった。^{[ 8 ]}

TH モーガンの研究室で博士研究員を務めていたテオドシウス・ドブジャンスキーは、セルゲイ・チェトヴェリコフなどのロシアの遺伝学者による遺伝的多様性に関する研究に影響を受けていた。彼は、1937年に出版した著書『遺伝学と種の起源』で、集団遺伝学者が発展させた微小進化の基礎と、野外生物学者が観察した大進化のパターンとの間の隔たりを埋めるのに貢献した。ドブジャンスキーは野生生物集団の遺伝的多様性を調査し、集団遺伝学者の想定に反して、これらの集団には大きな遺伝的多様性があり、亜集団間に顕著な違いがあることを示した。この本はまた、集団遺伝学者の高度に数学的な研究をより分かりやすい形にまとめた。ドブジャンスキーを通して集団遺伝学に影響を受けた生物学者の数は、原著の高度に数学的な研究を読めた生物学者の数よりもはるかに多かった。^{[ 9 ]}

イギリスでは、生態遺伝学の先駆者であるEBフォード^{[ 10 ]}が、1930年代から1940年代にかけて、人間の血液型などの遺伝的多型による遺伝的多様性の維持能力を含む生態学的要因による選択の力を実証し続けた。フォードの研究は、フィッシャーとの共同研究により、現代総合説において自然選択が主要な力であるという考え方に重点が移る一因となった。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]}

集団遺伝学の本来の現代的総合的見解は、突然変異が十分な原材料を提供すると仮定し、集団内の対立遺伝子の頻度の変化のみに焦点を当てています。^{[ 13 ]}対立遺伝子の頻度に影響を与える主なプロセスは、自然選択、遺伝的浮動、遺伝子流動、および反復突然変異です。フィッシャーとライトは、選択と浮動の相対的な役割についていくつかの根本的な意見の相違がありました。^{[ 14 ]} すべての遺伝的差異に関する分子データが利用可能になったことで、分子進化の中立説が生まれました。この見解では、多くの突然変異は有害であるため決して観察されず、残りのほとんどは中立、つまり選択を受けていません。各中立突然変異の運命は偶然（遺伝的浮動）に委ねられているため、進化の変化の方向はどの突然変異が発生するかによって決定され、したがって（既存の）対立遺伝子の頻度の変化のモデルだけでは捉えることができません。^{[ 13 ] [ 15 ]}

集団遺伝学の起源固定説は、このアプローチを厳密に中立な突然変異を超えて一般化し、特定の変化が起こる速度を突然変異率と固定確率の積として捉える。^{[ 13 ]}

自然選択（性選択を含む）とは、ある形質を持つ生物が生存し繁殖する可能性が高くなるという事実である。集団遺伝学では、適応度を特定の環境における生存と繁殖の傾向または確率として定義することで自然選択を説明する。適応度は通常、選択係数sをw = 1 - sという記号で表される。自然選択は表現型に作用するため、集団遺伝学モデルは、1つまたは少数の遺伝子座の対立遺伝子から表現型、ひいては適応度を予測するために比較的単純な関係を仮定する。このようにして、自然選択は、異なる表現型を持つ個体の適応度の違いを、世代を経るごとに集団内の対立遺伝子頻度の変化に変換する。

集団遺伝学の出現以前は、多くの生物学者は、適応度のわずかな違いが進化に大きな影響を与えるのに十分であるとは考えていなかった。^{[ 9 ]}集団遺伝学者は、選択と遺伝的浮動を比較することで、この懸念に部分的に対処した。選択は、 sが有効集団サイズで割った1より大きい場合に遺伝的浮動を克服できる。この基準が満たされると、新しい有利な突然変異が固定される確率はおよそ2sに等しくなる。^{[ 16 ] [ 17 ]}このような対立遺伝子が固定されるまでの時間はおよそ${\displaystyle (2log(sN)+\gamma )/s}$[ ^{18 ]​}

エピスタシス

エピスタシスとは、ある遺伝子座の対立遺伝子の表現型および／または適応度への影響が、他の遺伝子座に存在する対立遺伝子に依存することを意味する。選択は単一の遺伝子座に作用するのではなく、完全な遺伝子型から発達によって生じる表現型に作用する。^{[ 20 ]}しかし、有性生殖種の集団遺伝学モデルの多くは「単一遺伝子座」モデルであり、個体の適応度は各遺伝子座からの寄与の積として計算され、事実上エピスタシスがないと仮定されている。

実際、遺伝子型から適応度へのランドスケープはより複雑です。集団遺伝学では、この複雑さを詳細にモデル化するか、より単純な平均ルールで捉える必要があります。経験的に、有益な突然変異は、すでに高い適応度を持つ遺伝的背景に加えると、適応度上の利益が小さくなる傾向があります。これは、収穫逓減のエピスタシスとして知られています。^{[ 21 ]}有害な突然変異も、高い適応度の背景に対して適応度への影響が小さくなる場合、これは「相乗的エピスタシス」として知られています。しかし、有害な突然変異の影響は、平均的には乗法に非常に近い傾向があり、あるいは「拮抗的エピスタシス」として知られる逆のパターンを示すことさえあります。^{[ 22 ]}

相乗的エピスタシスは、突然変異負荷の除去に関するいくつかの理論^{[ 23 ]}や有性生殖の進化の中心である。

突然変異という遺伝的プロセスは個体内で起こり、遺伝物質に遺伝可能な変化をもたらします。このプロセスは、多くの場合、開始状態と終了状態の説明、またはDNAレベル（例：TからCへの突然変異、1塩基対の欠失）、遺伝子またはタンパク質レベル（例：ヌル突然変異、機能喪失突然変異）、あるいはより高次の表現型レベル（例：赤目突然変異）で起こった変化の種類によって特徴づけられます。単一ヌクレオチドの変化は最も一般的な突然変異の種類ですが、他の多くの種類の突然変異も可能であり、それらは系統的な非対称性や偏り（突然変異バイアス）を示す可能性のある、大きく異なる速度で発生します。

突然変異は、通常、遺伝子組換えによって、DNAの大きな部分が複製されることを伴う。^{[ 24 ]}これにより、集団内でコピー数変異が生じる。重複は、新しい遺伝子を進化させるための主要な原材料源である。^{[ 25 ]}他のタイプの突然変異は、以前は非コードDNAであったものから新しい遺伝子を作り出すことがある。^{[ 26 ] [ 27 ]}

新規突然変異の適応度効果分布（DFE）では、有益な突然変異は少数派にすぎない。大きな影響を及ぼす突然変異は、一般的に有害である。ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）の研究では、突然変異が遺伝子によって生成されるタンパク質を変化させる場合、おそらく有害であり、これらの突然変異の約70%が有害な影響を持ち、残りは中立またはわずかに有益であると示唆されている。^{[ 28 ]}

この生物学的突然変異プロセスは、集団遺伝学モデルでは、対立遺伝子頻度に対する反復突然変異の決定論的圧力、または変異の源のいずれかとして表現されます。決定論的理論では、進化はあらかじめ決められた対立遺伝子のセットから始まり、集団が無限であるかのように、連続的な頻度のシフトによって進行します。個体における突然変異の発生は、集団レベルの突然変異の「力」または「圧力」、つまり、頻度 f(A1) を f(A2) にシフトさせるためにスケーリングされた大きさ u を持つ無数の突然変異イベントの力によって表現されます。たとえば、古典的な突然変異-選択平衡モデル^{[ 29 ]}では、突然変異圧力の力が対立遺伝子の頻度を押し上げ、その有害な影響に対する選択が頻度を押し下げるため、平衡状態ではバランスが達成され、（最も単純な場合） f = u/s で与えられます。

この突然変異圧の概念は、突然変異負荷や突然変異率の進化への影響など、有害な突然変異の影響を考察する際に最も有用である。^{[ 30 ]}突然変異圧による集団の変容は起こりそうにない。ホールデン^{[ 31 ]} は、選択に抵抗されない高い突然変異率が必要だと主張し、木村^{[ 32 ]}はさらに悲観的に、このプロセスには時間がかかりすぎるため、それさえも起こりそうにないと結論付けた（突然変異圧による進化を参照）。

しかし、突然変異圧による進化は、ある状況下では可能であり、使われなくなった形質の喪失の可能性のある原因として長らく提唱されてきた。^{[ 33 ]} 例えば、動物が洞窟の暗闇で生活する場合、色素はもはや役に立たず、失われる傾向がある。^{[ 34 ]}実験的な例としては、枯草菌の実験集団における胞子形成の喪失が挙げられる。胞子形成は多くの遺伝子座によってコード化された複雑な形質であり、その形質の喪失の突然変異率は異常に高い値と推定された。${\displaystyle \mu =0.003}$[ ^{35 ]}この場合、胞子形成の喪失は、胞子形成能力の喪失に対する選択を必要とせずに、反復突然変異によって起こり得る。機能喪失に対する選択がない場合、喪失が進化する速度は、有効集団サイズよりも突然変異率に大きく依存し^、 [ 36 ^]遺伝的浮動よりも突然変異によってより強く駆動されることを示している。

突然変異が新規性の源泉として果たす役割は、これらの古典的な突然変異圧モデルとは異なります。集団遺伝学モデルに、中立および有益なものを含む新しい対立遺伝子を導入するプロセスである、突然変異の導入または発生の速度依存プロセスが含まれる場合、突然変異の速度が非常に低い場合でも、突然変異の特性は進化の速度と方向に、より直接的な影響を与える可能性があります。^{[ 37 ] [ 38 ]}つまり、突然変異のスペクトル、特に突然変異バイアス、つまり異なるタイプの突然変異の発生率の予測可能な違いが非常に重要になる可能性があります。なぜなら、変異の導入におけるバイアスは、進化の過程にバイアスを課す可能性があるからです。^{[ 39 ]}

突然変異は、ミュラーのラチェット、部分機能化、アイゲンのエラー破局の概念、リンチの突然変異ハザード仮説など、他の古典的および最近の理論において重要な役割を果たしている。

遺伝的浮動は、ランダムサンプリングによって引き起こされる対立遺伝子頻度の変化です。^{[ 40 ]}つまり、子孫の対立遺伝子は、親の対立遺伝子のランダムサンプルです。^{[ 41 ]}遺伝的浮動は、遺伝子変異を完全に消失させ、それによって遺伝的多様性を減少させる可能性があります。自然選択は、遺伝子変異の生殖成功に応じて、その頻度を高くしたり低くしたりしますが、^{[ 42 ]}遺伝的浮動による変化は、環境的または適応的圧力によって引き起こされるものではなく、対立遺伝子の頻度を高くしたり低くしたりする確率は同じです。

遺伝的浮動の影響は、対立遺伝子が少数コピーで存在する場合の方が、多数コピーで存在する場合よりも大きい。遺伝的浮動の集団遺伝学は、分岐過程または対立遺伝子頻度の変化を記述する拡散方程式のいずれかを使用して説明される。 ^{[ 43 ]}これらのアプローチは通常、集団遺伝学のライト・フィッシャーモデルとモランモデルに適用される。遺伝的浮動が対立遺伝子に作用する唯一の進化力であると仮定すると、対立遺伝子頻度が p と q から始まる多数の複製集団で t 世代経過した後、これらの集団間の対立遺伝子頻度の分散は次のようになる。

${\displaystyle V_{t}\approx pq\left(1-\exp \left\{-{\frac {t}{2N_{e}}}\right\}\right).}$^{[ 44 ]}

ロナルド・フィッシャーは、遺伝的浮動は進化においてせいぜい小さな役割しか果たさないという見解を持っており、この見解は数十年にわたって支配的であった。集団遺伝学のいかなる見解も、遺伝的浮動をそれ自体で中心的な役割を与えたことはなく、遺伝的浮動を他の非選択的な力と組み合わせて重要視するものもあった。シーウォール・ライトのシフトバランス理論は、集団構造と遺伝的浮動の組み合わせが重要であると主張した。木村元夫の分子進化の中立理論は、集団内および集団間の遺伝的差異のほとんどは、中立突然変異と遺伝的浮動の組み合わせによって引き起こされると主張している。^{[ 45 ]}

進化におけるサンプリング誤差による遺伝的浮動の役割は、John H Gillespie ^{[ 46 ]}とWill Provine ^{[ 47 ]}によって批判されており、彼らは連鎖した部位での選択の方がより重要な確率的力であり、従来サンプリング誤差による遺伝的浮動に帰せられていた働きをしていると主張している。遺伝的ドラフトの数学的性質は、遺伝的浮動のそれとは異なる。^{[ 48 ]}対立遺伝子頻度のランダムな変化の方向は、世代間で自己相関している。^{[ 40 ]}

移動に対する物理的な障壁に加え、個体が移動したり拡散したりする傾向（移動性）が限られていること、そして出生地にとどまるか戻ってくる傾向（出生地への帰巣性）があるため、自然集団は理論的なランダムモデルで想定されるような完全な交配（パンミクシー）をほとんど起こさない。^{[ 49 ]}通常、ある地理的範囲内では、一般集団から無作為に選ばれた個体よりも、個体同士の関連性が強い。これは、集団の遺伝的構造の程度として説明される。^{[ 50 ]}

遺伝的構造は、歴史的な気候変動、種の分布域の拡大、または現在の生息地の利用可能性による移動によって引き起こされる可能性があります。遺伝子の流れは、山脈、海洋、砂漠、あるいは万里の長城のような人工構造物によっても妨げられ、植物の遺伝子の流れを妨げてきました。^{[ 51 ]}

遺伝子流動とは、集団間または種間で遺伝子が交換され、構造が崩壊することである。種内の遺伝子流動の例としては、生物の移動とその後の繁殖、または花粉の交換などが挙げられる。種間の遺伝子伝達には、雑種生物の形成や水平遺伝子伝達が含まれる。集団遺伝学モデルは、どの集団が互いに有意な遺伝的隔離を示しているかを特定し、その歴史を再構築するために使用できる。^{[ 52 ]}

集団を隔離すると近親交配による弱勢が生じる。集団への移住は新たな遺伝子変異をもたらし、^{[ 53 ]}進化的な救済に寄与する可能性がある。個体または配偶子のかなりの割合が移住すると、対立遺伝子頻度も変化し、例えば移住負荷が生じる可能性がある。^{[ 54 ]}

遺伝子流動が存在する場合、異系交配種の2つの異なる集団が新しい種となるためには、それらの集団間の交雑を阻害する他の障壁が必要となる。

水平遺伝子伝達

水平遺伝子伝達とは、遺伝物質が、その子孫ではない別の生物に伝達されることであり、これは原核生物の間で最も一般的である。^{[ 55 ]}医学においては、これは抗生物質耐性の拡散に寄与しており、ある細菌が耐性遺伝子を獲得すると、それを他の種に急速に伝達することができる。^{[ 56 ]}細菌から酵母Saccharomyces cerevisiaeやアズキゾウムシCallosobruchus chinensisなどの真核生物への遺伝子の水平伝達も起こった可能性がある。^{[ 57 ] [ 58 ]}より大規模な伝達の例としては、細菌、真菌、植物からさまざまな遺伝子を受け取ったと思われる真核生物のヒルガタワムシが挙げられる。 ^{[ 59 ]}ウイルスも生物間でDNAを運ぶことができ、生物学的ドメインを超えて遺伝子の伝達を可能にする。^{[ 60 ]}葉緑体とミトコンドリアの獲得の際、真核細胞と原核生物の祖先の間で大規模な遺伝子伝達も起こった。^{[ 61 ]}

中立理論では、集団内のヌクレオチド多様性のレベルは、集団サイズと中立突然変異率の積に比例すると予測されています。遺伝的多様性のレベルが集団サイズほど大きく変化しないという事実は、「変異のパラドックス」として知られています。^{[ 66 ]}遺伝的多様性のレベルが高いことは、中立理論を支持する当初の議論の1つでしたが、変異のパラドックスは、中立理論に対する最も強力な反論の1つとなっています。

遺伝的多様性のレベルは、遺伝的ヒッチハイクと背景選択の両方により、局所的な組換え率に応じて種内で大きく変動することは明らかです。変異のパラドックスに対する現在の解決策のほとんどは、連鎖した部位での選択をある程度想定しています。^{[ 67 ]}例えば、ある分析では、集団が大きいほど選択的掃去が多くなり、中立的な遺伝的多様性がより多く除去されることが示唆されています。^{[ 68 ]}突然変異率と集団サイズの間の負の相関も寄与している可能性があります。^{[ 69 ]}

生活史は集団史よりも遺伝的多様性に影響を与える。例えば、r戦略生物は遺伝的多様性が高い。^{[ 67 ]}

集団遺伝学モデルは、どの遺伝子が選択を受けているかを推測するために用いられる。一般的なアプローチの一つは、染色体上の連鎖不平衡が高く遺伝的変異が低い領域を探し、最近の選択的掃去を検出することである。

2 つ目の一般的なアプローチは、マクドナルド・クレイトマン検定で、2 種類の部位で種内の変異量 (多型) と種間の分岐 (置換) を比較します。1 つは中立であると仮定されます。通常、同義部位は中立であると仮定されます。^{[ 70 ]}正の選択を受けている遺伝子は、多型部位に比べて分岐部位が多くなります。この検定は、正の選択によって固定される置換の割合 α のゲノム全体の推定値を得るためにも使用できます。^{[ 71 ] [ 72 ]}分子進化の中立説によれば、この数値はゼロに近いはずです。したがって、高い数値は中立説のゲノム全体の反証として解釈されてきました。^{[ 73 ]}

有性生殖を行う二倍体種における集団構造の最も単純なテストは、対立遺伝子頻度の関数として遺伝子型頻度がハーディ・ワインベルグの法則に従うかどうかを調べることです。たとえば、頻度がそれぞれpとqである 2 つの対立遺伝子Aとaを持つ単一の遺伝子座の最も単純なケースでは、ランダム交配では、AAホモ接合体の場合freq( AA ) = p ^{2 、} aaホモ接合体の場合freq( aa ) = q ²、ヘテロ接合体の場合freq( Aa ) = 2 pqと予測されます。集団構造がない場合、ランダム交配の 1 ～ 2 世代以内にハーディ・ワインベルグの法則に達します。より一般的には、集団構造を示すホモ接合体の過剰が見られます。この過剰の程度は、近交係数 Fとして定量化できます。      

個体はK個の亜集団にクラスター化することができる。^{[ 74 ] [ 75 ]}集団構造の程度は、集団構造によって説明できる遺伝的変異の割合の尺度であるFST_を使用して計算することができる。遺伝的集団構造は地理的構造と関連付けることができ、遺伝的混合を検出することができる。

合体理論は、サンプルの遺伝的多様性を、それが採取された集団の人口動態史と関連付けます。通常、中立性を仮定するため、このような分析には、より中立的に進化しているゲノムの部分からの配列が選択されます。この理論は、種間の関係（系統発生学）だけでなく、集団構造、人口動態史（例：集団ボトルネック、集団成長）、生物学的分散、ソース・シンク動態^{[ 76 ]}、および種内の遺伝子浸透を推測するために使用できます。

人口統計学的推論の別のアプローチは、対立遺伝子頻度スペクトルに依存している。^{[ 77 ]}

遺伝子システム自体を制御する遺伝子座が存在すると仮定することで、集団遺伝学モデルが作成され、優性やその他の形態の頑健性の進化、有性生殖と組換え率の進化、突然変異率の進化、進化キャパシタの進化、コストのかかるシグナル特性の進化、老化の進化、協力の進化を記述することができる。たとえば、ほとんどの突然変異は有害であるため、種の最適な突然変異率は、高い有害突然変異率による損傷と、 DNA修復酵素などの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との間のトレードオフである可能性がある。^{[ 78 ]}

このようなモデルの重要な側面の 1 つは、選択係数 sが有効集団サイズの逆数よりも大きい場合にのみ、選択が有害な突然変異を除去し、したがって劣化への突然変異バイアスを克服するのに十分な強さを持つということです。これはドリフト バリアとして知られており、分子進化のほぼ中立理論に関連しています。ドリフト バリア理論は、有効集団サイズが大きい種は高度に合理化された効率的な遺伝子システムを持ち、集団サイズが小さい種は、たとえばイントロンや転移因子を含む肥大化した複雑なゲノムを持つと予測しています。^{[ 79 ]}しかし、やや逆説的ですが、集団サイズが大きい種は、特定の種類のエラーの結果に対して非常に寛容であるため、たとえば転写や翻訳において、小さな集団よりも高いエラー率を進化させる可能性があります。^{[ 80 ]}