シーケンス空間（進化）

進化生物学では、配列空間は（タンパク質、遺伝子、ゲノムの）すべての可能な配列を表現する方法です。 ^{[1] [2]}配列空間は、配列内のアミノ酸またはヌクレオチドごとに1次元を持ち、高次元空間につながります。^{[3] [4]}

配列空間内のほとんどの配列には機能がなく、比較的小さな領域が自然に発生する遺伝子によって占められています。^{[5]各タンパク質配列は、単一の}突然変異によって到達できる他のすべての配列に隣接しています。^[6]機能的なタンパク質配列空間全体が地球上の生命によって探索されたと推定されています。^{[7]自然選択による進化は、配列空間内の近くの配列をサンプリングし、現在の配列よりも適応}度が向上した配列に移動するプロセスとして視覚化できます。

配列空間は通常、グリッドとしてレイアウトされます。タンパク質配列空間の場合、タンパク質内の各残基は、可能なアミノ酸に対応する軸に沿って20の位置を持つ次元で表されます。 ^{[3] [4]}したがって、 20x20の空間に配置される可能性のあるジペプチドは400個ですが、100次元の空間に配置される100個のアミノ酸の小さなタンパク質でも、その数は10 ¹³⁰にまで広がります。このような圧倒的な多次元性を視覚化したり図式的に表現したりすることはできませんが、タンパク質の範囲と1つの配列から別の配列への進化について考えるのに役立つ抽象モデルを提供します。

これらの高度に多次元化された空間は、主成分分析を使用して2次元または3次元に圧縮できます。適応度ランドスケープは、各シーケンスに適応度の垂直軸が追加されたシーケンス空間です。^[8]

タンパク質スーパーファミリーの多様性にもかかわらず、配列空間には機能性タンパク質が極めてまばらに存在します。ほとんどのランダムなタンパク質配列には折り畳みや機能がありません。^{[9]そのため、} 酵素スーパーファミリーは、機能のない配列の広大な空きスペースに活性タンパク質の小さなクラスターとして存在します。^{[10] [11]}

配列空間における機能性タンパク質の密度と、異なる機能同士の近接性は、進化可能性を理解する上で重要な決定要因である。^{[12]配列空間における異なる}活動の2つの中立ネットワークの相互浸透の程度によって、ある活動から別の活動に進化することがどれだけ容易であるかが決まる。配列空間における異なる活動間の重複が大きい​​ほど、無差別活動の不可解な変異はより多く発生する。^[13]

タンパク質配列空間は、410ページにも及ぶあらゆる書籍を収めた理論上の図書館であるバベルの図書館に例えられてきた。[ 14 ^{] [15]}バベルの図書館では、膨大な数と秩序の欠如のため、意味をなす書籍を見つけることは不可能だった。意味をなすタンパク質配列のみを選択する自然選択がなければ、同じことがタンパク質配列にも当てはまるだろう。さらに、各タンパク質配列は、少なくとも何らかの機能を持つ可能性のある一連の隣接配列（点変異体）に囲まれている。

一方、配列空間の有効な「アルファベット」は実際にはかなり小さい可能性があり、有用なアミノ酸の数は 20 からそれよりはるかに少ない数に減少します。たとえば、非常に単純化された見方では、すべてのアミノ酸は疎水性によって 2 つのクラス (疎水性/極性) に分類できますが、それでも多くの共通構造が現れます。地球上の初期の生命は、4 種類または 5 種類のアミノ酸しか使用していなかった可能性があり、^[16]研究により、同様のアルファベット削減プロセスによって野生型のアミノ酸から機能的なタンパク質を作成できることが示されています。^{[17] [18]}削減されたアルファベットは、タンパク質の類似性を分析する簡単な方法を提供するため、バイオインフォマティクスでも役立ちます。 ^{[19] [20]}

タンパク質工学の分野では、配列空間の領域をサンプリングするDNAライブラリの作成に重点が置かれており、多くの場合、野生型と比較して機能が強化されたタンパク質の変異体を見つけることが目標となっています。これらのライブラリは、野生型の配列をテンプレートとして使用し、1 つ以上の突然変異誘発技術を適用してさまざまなバリアントを作成するか、人工遺伝子合成を使用してタンパク質をゼロから作成することによって作成されます。これらのライブラリはその後、スクリーニングまたは選択され、表現型が改善されたものが次のラウンドの突然変異誘発に使用されます。

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