選択スイープ

遺伝学において、選択スイープとは、集団内で頻度が増加して固定される（つまり、頻度が 1 に達する）新しい有益な突然変異によって、その突然変異に近いヌクレオチド配列間の遺伝的変異が減少または排除されるプロセスです。選択スイープでは、正の選択によって新しい突然変異が非常に速く固定されるため、連鎖した対立遺伝子が「ヒッチハイク」して固定される可能性があります。

選択スイープは、キャリアの適応度（集団の他のメンバーと比較して）を高めるまれなまたは以前は存在しなかった対立遺伝子が、自然選択により急速に頻度を増すときに発生する可能性があります。このような有益な対立遺伝子の普及が進むにつれて、有益な対立遺伝子のゲノム背景（DNA近傍）にたまたま存在する遺伝的変異もより普及するようになります。これは遺伝的ヒッチハイキングと呼ばれます。単一のゲノム背景で発生した強く選択された対立遺伝子による選択スイープは、したがって、その染色体領域で遺伝的変異が大幅に減少したゲノム領域をもたらします。強い正の選択がヒッチハイキングによる近くの遺伝的変異を減らす可能性があるという考えは、 1974年にジョン・メイナード・スミスとジョン・ヘイグによって提唱されました。^[1]

すべてのスイープが遺伝的変異を同じように減らすわけではありません。スイープは主に 3 つのカテゴリに分類できます。

1. 「古典的な選択的スイープ」または「ハード選択的スイープ」は、有益な突然変異がまれな場合に発生すると予想されますが、有益な突然変異が発生すると、その頻度が急速に増加し、それによって集団内の遺伝的変異が大幅に減少します。^[1]
2. もう一つのタイプのスイープである「定常遺伝的変異からのソフトスイープ」は、集団に存在していた以前は中立であった突然変異が環境の変化により有益になったときに発生します。このような突然変異は複数のゲノム背景に存在する可能性があるため、頻度が急速に増加しても、集団内のすべての遺伝的変異が消去されるわけではありません。^[2]
3. 最後に、「多重起源ソフトスイープ」は、突然変異が一般的である場合（たとえば、大規模な集団内）、同じまたは類似の有益な突然変異が異なるゲノム背景で発生し、単一のゲノム背景が高頻度にヒッチハイクできないときに発生します。^[3]

選択によって、それぞれが永続的な変異を持つ多くの遺伝子座で同時に対立遺伝子頻度の非常に小さな変化が生じる場合（多遺伝子適応）、 スイープは発生しません。

選択スイープが起こったかどうかは、さまざまな方法で調べることができます。1 つの方法は、連鎖不平衡、つまり特定のハプロタイプが集団内で過剰に表現されているかどうかを測定することです。中立進化では、遺伝子組み換えによりハプロタイプ内の異なる対立遺伝子が入れ替わり、単一のハプロタイプが集団を支配することはありません。ただし、選択スイープ中は、正に選択された遺伝子変異体の選択によって、隣接する対立遺伝子も選択され、組み換えの機会が少なくなります。したがって、強い連鎖不平衡の存在は、最近選択スイープがあったことを示している可能性があり、最近選択が行われた部位を特定するために使用できます。

人間や他の種における選択的スイープについては、さまざまな統計的アプローチと仮定を用いて多くの調査が行われてきました。^[4]

トウモロコシでは、黄色の胚乳の色の原因となるフィトエン合成酵素遺伝子であるY1をめぐる黄色と白色のトウモロコシの遺伝子型の最近の比較から、黄色遺伝資源の選択的スイープによってこの遺伝子座の多様性が減少し、周辺領域で連鎖不平衡が生じているという強い証拠が示されています。白色トウモロコシの系統では多様性が増加し、選択的スイープに関連する連鎖不平衡の証拠はありませんでした。^[5]

選択的掃討は迅速な適応を可能にするため、病原菌やウイルスが宿主を攻撃し、治療に用いられる薬剤に耐性を持つ重要な要因として挙げられている。[ 6 ]^{このようなシステムでは、宿主と}寄生虫 の競争は進化論的な「軍拡競争」として特徴付けられることが多く、したがって、生物が攻撃や防御の方法をより迅速に変更できるほど、有利となる。これは、レッドクイーン仮説によって別のところで説明されている。言うまでもなく、より効果的な病原体やより耐性のある宿主は、同種の生物に対して適応上の優位性を持ち、選択的掃討の原動力となる。

一例として、何百年もの間、人間と適応競争を繰り広げてきたヒトインフルエンザウイルスが挙げられます。抗原ドリフト（表面抗原の段階的な変化）は、ウイルスの遺伝子型の変化の従来のモデルと考えられていますが、最近の証拠^[7]は、選択スイープも重要な役割を果たしていることを示唆しています。いくつかのインフルエンザ集団では、姉妹株の最も最近の共通祖先（TMRCA）までの時間（関連性の指標）から、すべてがわずか数年以内に共通の祖先から進化したことがわかりました。遺伝子スイープの結果と考えられる遺伝的多様性の低い時期は、異なる株がそれぞれの場所に適応するにつれて、多様性の増加に取って代わられました。

同様の事例は、温血動物に感染する能力を持つ非常に強力な原生動物寄生虫 であるトキソプラズマ・ゴンディにも見られる。トキソプラズマ・ゴンディは最近、ヨーロッパと北米全域でわずか3つのクローン系統しか存在しないことが発見された。^[8] 言い換えれば、この寄生虫には、旧世界全域と新世界の大半で遺伝的に異なる3つの系統しかないということである。これら3つの系統は、遺伝子Chr1aの単一の単形バージョンによって特徴付けられ、3つの現代のクローンとほぼ同時期に出現した。したがって、この形のChr1aを含む新しい遺伝子型が出現し、遺伝子ヒッチハイクによって残りのゲノムを携えてヨーロッパと北米のトキソプラズマ・ゴンディ集団全体を席巻したと思われる。南米のトキソプラズマ・ゴンディの系統は、他の地域よりはるかに多く存在し、このChr1aの対立遺伝子も持っている。

遺伝的変異性とそれに対抗する力（適応を含む）が、家畜や農業種の生成ほど重要な意味を持つことはめったにありません。たとえば、栽培作物は基本的に1万年以上にわたって遺伝子組み換えが行われており、 ^[9]人工的な選択圧にさらされ、新しい環境に急速に適応することを余儀なくされています。選択的変化は、異なる品種が出現した可能性のある基準を提供します。^[10]

例えば、トウモロコシ ( Zea mays ) の遺伝子型に関する最近の研究では、おそらく栽培トウモロコシの野生種であるテオシントにまで遡る共通の遺伝子データに基づいて現代の栽培品種を統合する数十の古代の選択スイープが発見されました。言い換えれば、人工選択によってトウモロコシのゲノムが明確に適応した多数の栽培品種に形作られましたが、その発達の初期に作用する選択スイープによって、遺伝子配列の統一的な相同性がもたらされます。ある意味では、長い間埋もれていたスイープは、トウモロコシとテオシントの共通の遺伝的背景を解明することで、両者の祖先の状態の証拠となる可能性があります。

家畜化における選択スイープの役割を示す別の例は、ニワトリから得られます。スウェーデンの研究グループは最近、並列シーケンシング技術を使用して、8種類の栽培鶏とそれらの最も近い野生の祖先を調査し、選択スイープから生じる遺伝的類似性を明らかにすることを目標としました。^{[11]彼らは、いくつかの選択スイープの証拠、最も顕著なのは、生殖の代謝と}光周期関連要素を制御する甲状腺刺激ホルモン受容体（ TSHR） を担う遺伝子の証拠を発見しました。これが示唆するのは、ニワトリの家畜化のある時点で、おそらく人間の介入によって引き起こされた選択スイープが、おそらくそれを操作した人間の有利になるように、鳥の生殖機構を微妙に変えたということです。

ヒトにおける選択的スイープの例としては、ラクターゼ持続性に影響を与える変異体^{[12] [13]}や高地への適応^{[14]があげられる。}

• 国際ハップマッププロジェクト
• ヒル・ロバートソン効果
• ソフト選択スイープ