利己的な遺伝的要素

利己的遺伝要素（歴史的には利己的遺伝子、超利己的遺伝子、利己的DNA、寄生DNA 、ゲノムアウトローとも呼ばれる）は、生物の適応度にプラスまたはマイナスの影響を与えない場合でも、ゲノム内の他の遺伝子を犠牲にして自身の伝達を強化できる遺伝子セグメントです。^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}ゲノムは伝統的に凝集性のある単位と見なされており、遺伝子は一緒に作用して生物の適応度を向上させます。

利己的遺伝要素に関する初期の観察はほぼ1世紀前に行われましたが、このトピックが広く注目されるようになったのは数十年後のことでした。ジョージ・ウィリアムズ^[7]とリチャード・ドーキンス^[8]によって普及した遺伝子中心の進化論に触発され、1980年にレスリー・オーゲルとフランシス・クリック^[9]、およびフォード・ドゥーリトルとカルメン・サピエンツァ^[10]による2本の論文がネイチャー誌に立て続けに発表され、利己的遺伝要素（当時は「利己的DNA」と呼ばれていました）の概念が科学界に広く紹介されました。どちらの論文も、遺伝子は伝達上の利点がある限り、生物の適応度への影響に関係なく、集団内で拡散できることを強調しました。

利己的遺伝要素は、現在ではほとんどの生物群で説明されており、自身の伝達を促進する方法には驚くべき多様性があることが示されています。^[11]長い間、進化とはほとんど関係のない遺伝的好奇心として無視されてきましたが、現在ではゲノムのサイズや構造から種分化に至るまで、幅広い生物学的プロセスに影響を与えることが認識されています。^[12]

現在では利己的遺伝要素と呼ばれているものの観察は、遺伝学の歴史の初期にまで遡る。1928年にはすでに、ロシアの遺伝学者セルゲイ・ゲルシェンソンがショウジョウバエの駆動X染色体の発見を報告している。^[13]重要なのは、その結果生じる雌偏りの性比が個体群の絶滅を招く可能性があると指摘したことだ（種の絶滅を参照）。個体群内で染色体が広がるのは、個体の適応度にプラスの影響を与えるからではなく、染色体自体の「寄生」性質によるという、最も初期の明確な記述は、1945年にスウェーデンの植物学者で細胞遺伝学者のグンナー・オスターグレンが行った。^{[14]植物の}B染色体について論じた際、彼は次のように書いている。^[14]

多くの場合、これらの染色体は、それを持つ種にとって全く有用な機能を持っておらず、もっぱら寄生的な存在となることが多い... [B染色体]は植物にとって有用である必要はありません。それらは、自分自身にとって有用であるだけでよいのです。

同じ頃、利己的遺伝因子の他の例もいくつか報告された。例えば、アメリカのトウモロコシ遺伝学者マーカス・ローズは、染色体の突起がトウモロコシの雌性減数分裂ドライブにつながる仕組みを説明した。^{[15]同様に、}片親から受け継いだミトコンドリア遺伝子と両親から受け継いだ核遺伝子の間のゲノム内競合が、植物の細胞質雄性不稔につながる可能性が初めて示唆されたのもこの頃だった。 ^[16]その後、1950年代初頭、バーバラ・マクリントックは、現在では最も成功した利己的遺伝因子の1つであると認識されている転移因子の存在を説明する一連の論文を発表した。 ^{[17]転移因子の発見により、彼女は}1983年にノーベル医学・生理学賞を受賞した。

利己的遺伝要素の実証的研究は、1960年代から1970年代にかけてのいわゆる遺伝子中心の進化論の出現から大きな恩恵を受けた。^[18]ダーウィンが最初に自然淘汰による進化論を定式化した際に個々の生物に焦点を当てていたのとは対照的に、遺伝子の視点では、遺伝子が進化における選択の中心単位とみなされる。^[19]この視点では、自然淘汰による進化を、複製子（自分自身の忠実なコピーを生成する実体、通常は遺伝子）と媒介物（または相互作用子、生態学的環境と相互作用する実体、通常は生物）という2つの別個の実体を伴うプロセスとして捉えている。^{[20] [21] [22]}

生物は一時的な存在であり、ある世代に存在し、次の世代には消えてしまうため、遺伝子（複製子）は親から子へと忠実に受け継がれる唯一の存在です。進化を競合する複製子間の闘争と見なすことで、生物内のすべての遺伝子が同じ進化の運命を共有するわけではないことを認識しやすくなりました。^[18]

遺伝子の視点は、現代総合理論の集団遺伝モデル、特にRAフィッシャーの研究とWDハミルトンの社会進化モデルを統合したものである。この視点は、ジョージ・ウィリアムズの『適応と自然選択』 ^[7]とリチャード・ドーキンスのベストセラー『利己的な遺伝子』 ^[8]によって普及した 。ドーキンスは遺伝子の視点から得られる重要な利点を次のようにまとめている。

「遺伝子が意識的な目的を持っているかのように遺伝子について話すことを許し、そのいい加減な言葉を、望むなら尊敬に値する言葉に翻訳できると常に確信するならば、利己的な遺伝子は一体何をしようとしているのかという疑問が湧いてくるだろう。」— リチャード・ドーキンス『利己的な遺伝子』^{[8] : p. 88}

1980年、レスリー・オーゲルとフランシス・クリック、およびフォード・ドゥーリトルとカルメン・サピエンツァによる2本の注目論文がネイチャー誌に立て続けに掲載され、利己的遺伝要素の研究が生物学論争の中心となった。 ^{[9] [10]}これらの論文は、ゲノムサイズと種の複雑性の間に相関関係がないという、いわゆるC値パラドックスに関する当時の論争を出発点としていた。両論文は、非コードDNAと転移因子の量の差は、ドゥーリトルとサピエンツァが「表現型パラダイム」と表現した、個体の適応度の観点から最もよく説明できるという当時の一般的な見解に反論しようとした。代わりに、著者らは、真核生物のゲノム内の遺伝物質の多くが、表現型の影響ではなく、個体レベルの説明を必要とせずに遺伝子の観点から理解できると主張した。この2つの論文はネイチャー誌上での一連のやり取りにつながった。^{[23] [24] [25] [26]}

利己的 DNA の論文が利己的遺伝要素の真剣な研究の始まりであったとすれば、その後の数十年間は理論的進歩と実証的発見の爆発的な増加を目の当たりにした。レダ・コスミデスとジョン・トゥービーは、母親から受け継いだ細胞質遺伝子と両親から受け継いだ核遺伝子との間の対立についての画期的なレビューを執筆した。 ^[27]この論文はまた、ゲノム対立の論理への包括的な入門書となり、後に多くの研究の対象となる多くのテーマを予見していた。その後、1988 年にジョン・H・ウェレンと同僚がこのテーマに関する最初の主要な実証的レビューを執筆した。^[1]この論文は 3 つのことを達成した。まず、利己的遺伝要素という用語を作り出し、時には混乱を招くほど多様な用語 (利己的遺伝子、超利己的遺伝子、利己的 DNA、寄生 DNA、ゲノムの無法者) に終止符を打った。次に、利己的遺伝要素の概念を正式に定義した。最後に、これは当時知られていたあらゆる種類の利己的遺伝的要素をまとめた最初の論文であった（例えばゲノムインプリンティングは取り上げられていなかった）。 ^[1]

1980年代後半、ほとんどの分子生物学者は利己的な遺伝的要素は例外であり、ゲノムは生物の適応度に一貫した影響を与える高度に統合されたネットワークとして考えるのが最も適切であると考えていた。^{[1] [11]} 2006年にオースティン・バートとロバート・トリヴァースがこのテーマについての最初の書籍を出版したとき、潮目は変わりつつあった。^[11]進化におけるその役割は長い間議論の的となっていたが、最初の発見から1世紀後に出版されたレビューで、ウィリアム・R・ライスは「ゲノムの衝突という観点から見なければ、遺伝学において意味をなすものは何もない」と結論付けた。^[28]

利己的遺伝要素は自身の伝達を促進する方法に驚くべき多様性を示すが、その生物学的特徴についてはある程度一般化できる。2001年の古典的なレビューで、グレゴリー・DD・ハーストとジョン・H・ウェレンは利己的遺伝要素の2つの「ルール」を提唱した。^[4]

有性生殖では、2つの個体の遺伝子が混合されます。メンデルの分離の法則によれば、有性生殖を行う生物の対立遺伝子は、親から子孫に受け継がれる確率が50%です。そのため、減数分裂は「公平」と呼ばれることもあります。^[29]

自家受粉性の高いゲノムや無性ゲノムでは、有性ゲノムの異系交配よりも利己的遺伝要素と宿主ゲノムの残りの部分との間の衝突が少ないことが期待される。^{[30] [31] [32]}これにはいくつかの理由がある。第一に、性と異系交配によって利己的遺伝要素が新しい遺伝子系統に導入される。対照的に、自家受粉性の高い系統や無性系統では、利己的遺伝要素は基本的にその系統にとどまるため、個体間の適応度のばらつきが大きくなる。ばらつきが大きくなると、利己的遺伝要素のない系統は利己的遺伝要素のある系統に勝つはずなので、自家受粉者/無性生殖者ではより強い純化選択が起こるはずである。第二に、自家受粉者のホモ接合性が高まると、相同対立遺伝子間の競争の機会がなくなる。第三に、理論的研究により、異系交配ゲノムと比較して自家受粉ゲノムの連鎖不平衡が大きいため、かなり限定的ではあるものの、場合によっては転座率の低下を選択する可能性があることが示されている。^[33]全体的に、この推論から、無性生殖者/自殖者は利己的遺伝要素の負荷が低いはずだという予測が導かれる。ただし、自殖の進化は有効な集団サイズの縮小と関連しているという注意点がある。^[34]有効な集団サイズの縮小は選択の有効性を減らすはずであり、したがって逆の予測、すなわち、自殖者の方が交雑者よりも利己的遺伝要素の蓄積が高いという予測につながる。

^{性別と交配の重要性に関する経験的証拠は、転移因子[35] 、 [36]}自己促進プラスミド^[37]、B染色体^[38]など、さまざまな利己的遺伝要素から得られます。

利己的遺伝要素の存在は、自然集団では検出が難しい場合があります。その代わり、その表現型への影響は、雑種で明らかになることが多いです。その第一の理由は、一部の利己的遺伝要素は急速に定着し、そのため表現型の影響が集団内で分離されないためです。しかし、雑種化イベントにより、利己的遺伝要素を持つ子孫と持たない子孫が生成され、その存在が明らかになります。第二の理由は、宿主ゲノムが利己的遺伝要素の活動を抑制するメカニズムを進化させてきたことです。たとえば、小さなRNAを投与して転移因子をサイレンシングするなどです。^[39]利己的遺伝要素とその抑制因子の共進化は急速で、レッドクイーンダイナミクスに従う可能性があり、集団内の利己的遺伝要素の存在を隠す可能性があります。一方、雑種子孫は、特定の利己的遺伝要素を継承しますが、対応する抑制因子は継承しないため、利己的遺伝要素の表現型の影響が明らかになります。^{[40] [41]}

利己的な遺伝子要素の中には、遺伝子伝達の過程を 自らの利益のために操作し、配偶子に過剰に発現するものがあります。このような歪みはさまざまな形で発生する可能性があり、それらすべてを包括する包括的な用語は分離歪みです。減数分裂中に極体ではなく卵細胞に優先的に伝達される要素もあり、その場合、前者のみが受精して次世代に伝達されます。極体ではなく卵細胞に残る確率を操作できる遺伝子は伝達上の利点があり、集団内での頻度が増加します。^[5]

分離の歪みは、いくつかの方法で発生する可能性があります。このプロセスが減数分裂中に発生する場合、それは減数分裂ドライブと呼ばれます。多くの形式の分離の歪みは、精子の成熟または精子形成の過程で精子細胞の異なる死亡率がある雄性配偶子形成で発生します。キイロショウジョウバエの分離歪み因子（SD）は最もよく研​​究されている例であり、核膜タンパク質Ran-GAPとレスポンダー（Rsp）と呼ばれるX連鎖反復配列が関与しており、Ran-GAPのSD対立遺伝子は、相同染色体上にRsp^{感受性対立遺伝子が存在する場合にのみ、自身の伝達を促進します。 [42] [43] [44] [45] [46] SDは、減数分裂後のプロセスでRSP感受性}精子を殺すように作用します（したがって、厳密に言えば減数分裂ドライブではありません）。このようなシステムは、SD-RSP^不感性、SD+-RSP^不感性、SD+-RSP^感性ハプロタイプ間を行き来する興味深いじゃんけんダイナミクスを持つ可能性がある。SD-RSP^感性ハプロタイプは、本質的に自殺行為であるため見られない。^[43]

分離歪みが性染色体に作用すると、性比が歪む可能性がある。例えば、ショウジョウバエのSRシステムはX染色体上にあり、XSR/Y雄は娘のみを産むが、雌はメンデルの法則に従った配偶子の通常の減数分裂を起こす。 ^{[47] [48]}分離歪みシステムは、好ましい対立遺伝子を固定に追い込むが、これらのシステムが特定されているケースのほとんどでは、駆動される対立遺伝子が他の選択力によって阻害されている。1つの例は、マウスのtハプロタイプの致死性であり、^{[49]別の例は、} D. pseudoobscuraの性比システムが雄の生殖能力に与える影響である。^[47]

分離歪みと密接に関連する現象は、ホーミングエンドヌクレアーゼである。^{[50] [51] [52]}これらは、DNAを配列特異的に切断する酵素であり、それらの切断（通常は二本鎖切断）は、通常のDNA修復機構によって「修復」される。ホーミングエンドヌクレアーゼは、最初の挿入部位と相同な部位でゲノムに挿入され、その結果、ヘテロ接合体が、相同染色体の両方にホーミングエンドヌクレアーゼのコピーを持つホモ接合体に変換される。これにより、ホーミングエンドヌクレアーゼは、分離歪みシステムとかなり類似した対立遺伝子頻度ダイナミクスを持ち、通常、強力な対抗選択によって反対されない限り、集団内で固定されると予想される。CRISPR -Cas9テクノロジーにより、ホーミングエンドヌクレアーゼシステムを人工的に構築できる。これらのいわゆる「遺伝子ドライブ」システムは、生物防除に大きな期待が寄せられる一方で、潜在的なリスクも伴う。^{[53] [54]}

転移因子（TE）には、宿主のゲノム内の新しい場所に移動する能力を持つさまざまなDNA配列が含まれます。トランスポゾンは直接的なカットアンドペースト機構によってこれを行いますが、レトロトランスポゾンは移動するためにRNA中間体を生成する必要があります。TEは、1940年代にバーバラ・マクリントックによってトウモロコシで初めて発見され^[17]、ゲノム内で活性状態と静止状態の両方で発生する能力もマクリントックによって初めて解明されました。^[55] TEは、ゲノム内での自身の伝播をある程度制御できるため、利己的な遺伝因子と呼ばれています。ゲノムへのランダムな挿入のほとんどは比較的無害であるように見えますが、重要な遺伝子機能を破壊して壊滅的な結果をもたらす可能性があります。^[56]たとえば、TEは、ガンから血友病に至るまで、さまざまなヒト疾患に関連付けられています。^[57]ゲノム内の重要な機能を阻害しないTEはゲノム内に長く留まる傾向があり、そのため無害な場所で発見される可能性が高くなります。^[57]

植物宿主と動物宿主は両方とも、TEを直接サイレンシングするか、ゲノム内で転座する能力を低下させることによって、TEの適応度への影響を減らす手段を発達させてきた。多くの動物と植物のゲノムのかなりの部分（30-80%）がTEであるため、宿主は一般にゲノム内のTEに対してかなり寛容であるように思われる。^{[58] [59]}宿主がTEの動きを止めることができれば、TEはその場で単に凍結することができ、その後、突然変異で消滅するのに何百万年もかかる可能性がある。TEの適応度は、ゲノム内で数を増やす能力、宿主の防御を回避する能力、および宿主の適応度を大幅に低下させないようにする能力の組み合わせである。ゲノム内のTEの影響は完全に利己的というわけではない。ゲノムへのTEの挿入は遺伝子機能を混乱させることがあるため、これらの混乱は宿主にとって正の適応度値となることがある。例えば ショウジョウバエ^[60]やイヌ^[61]における多くの適応的変化はTE挿入と関連している。

B染色体とは、生物の生存や繁殖には必要ないが、通常の染色体（A染色体）に加えて存在する染色体を指します。^[62] B染色体はA染色体とは独立して独自の伝達を伝播する能力を持っているため、集団内で存続し蓄積します。同じ種の個体間でもコピー数が異なることがよくあります。

B染色体が初めて発見されたのは1世紀以上前です。^{[いつ? ] [63]}通常は通常の染色体よりも小さいですが、遺伝子が少なくヘテロクロマチンに富んだ構造のため、初期の細胞遺伝学的手法で検出できました。B染色体は徹底的に研究されており、すべての真核生物種の15%に存在すると推定されています。^[64]一般的に、B染色体は双子葉植物に特に多く見られ、哺乳類ではまれで、鳥類には存在しません。1945年、Gunnar Östergrenの古典的な論文「余分な断片染色体の寄生的性質」の主題となり、種間および種内のB染色体の豊富さの変動はB染色体の寄生的性質によるものだと主張しました。^[14]これは、遺伝物質が「寄生的」または「利己的」と表現された最初の例です。 B染色体数はゲノムサイズと正の相関関係にあり^{[65] 、バッタ類}Eyprepocnemis ploransの卵生産量の減少とも関連していることが分かっている^[66]。

ゲノム衝突は、すべての遺伝子が同じように継承されるわけではないためによく発生します。おそらく、この最も良い例は、片親（通常は母性ですが、常にそうとは限りません）から継承されたミトコンドリア遺伝子と両親から継承された核遺伝子の間の衝突です。実際、ゲノム衝突の可能性に関する最も初期の明確な発言の1つは、イギリスの植物学者ダン・ルイスによるもので、雌雄同体植物の性別割り当てをめぐる母性ミトコンドリア遺伝子と両親から継承された核遺伝子の間の衝突について言及したものです。^[16]

通常、1つの細胞には複数のミトコンドリアが含まれており、伝達をめぐる競争の状況が生まれます。片親による遺伝は、すべてのミトコンドリアが同じゲノムを共有することを保証し、競争の機会を排除するため、利己的なミトコンドリアが広がる機会を減らす方法であると示唆されています。^{[27] [67] [68]}この見解は広く支持されていますが、異議が唱えられています。^[69]なぜ遺伝が父性ではなく母性になったのかについても多くの議論がありますが、1つの重要な仮説は、女性の配偶子の突然変異率が男性の配偶子よりも低いというものです。^[70]

ミトコンドリア遺伝子と核遺伝子の衝突は、顕花植物では特に研究しやすい。^{[71] [72]}顕花植物は典型的には雌雄同体であり^[73]、そのため衝突は単一の個体内で起こる。ミトコンドリア遺伝子は通常、雌性配偶子を通じてのみ伝達されるため、雌性配偶子の観点からは、花粉の生産は進化の行き止まりにつながる。植物が雄性生殖機能を犠牲にして雌性生殖機能に投資する資源の量に影響を与える可能性のあるミトコンドリア変異は、自身の伝達の可能性を高める。細胞質雄性不稔は、ミトコンドリア変異の結果として生じる、機能的な花粉生産の喪失を介した雄の稔性の喪失である。^[74]細胞質雄性不稔性が起こる多くの種では、核ゲノムがいわゆる回復遺伝子を進化させ、細胞質雄性不稔性遺伝子の影響を抑制して雄性機能を回復させ、植物を再び両性具有にする。^{[75] [76]}

利己的なミトコンドリア遺伝子と核補償対立遺伝子との間の共進化的軍拡競争は、雄性不妊遺伝子と核修復遺伝子の異なる組み合わせを持つ異なる種の個体を交配させることで検出され、不一致の雑種が生じることが多い。^[77]

ミトコンドリアゲノムの母性遺伝のもう一つの結果は、いわゆる「母の呪い」である。^[78]ミトコンドリアゲノムの遺伝子は厳密に母性遺伝するため、女性に有益な突然変異は、男性には有害であっても集団内に広がる可能性がある。^[79]ショウジョウバエでの明確なスクリーニングにより、このような女性には中立だが男性に有害なmtDNA突然変異が特定された。^{[80] [81]さらに、2017年の論文では、男性に偏った眼疾患である}レーバー遺伝性視神経症を引き起こすミトコンドリア突然変異が、17世紀にカナダのケベックに到着した王の娘たちの一人によって持ち込まれ、その後多くの子孫に広がったことが示された。^[82]

ゲノムが直面する別の種類の衝突は、片方の親の対立遺伝子の完全なサイレンシングを含む、子孫の遺伝子発現の制御をめぐる母親と父親の衝突である。配偶子のメチル化状態の違いにより、母親と父親のゲノムには固有の非対称性があり、これを利用して親の起源の異なる発現を促進できる。これは伝達ではなく発現レベルでメンデルの法則に違反することになるが、遺伝子発現が適応度に影響を与える場合、同様の結果になる可能性がある。^[84]

刷り込みは不適応現象のように思われる。なぜなら、刷り込みは本質的に二倍性を放棄することを意味し、1つの欠陥対立遺伝子を持つヘテロ接合体は、活性対立遺伝子がサイレンシングされていると問題になるからである。プラダー・ウィリー症候群やアンジェルマン症候群など、いくつかのヒト疾患は刷り込み遺伝子の欠陥に関連している。母親と父親の発現の非対称性は、これら2つのゲノム間の何らかの衝突が刷り込みの進化を促している可能性を示唆している。特に、胎盤を持つ哺乳類のいくつかの遺伝子は、子孫の成長を最大化する父親の遺伝子と、その成長を抑制する傾向がある母親の遺伝子の発現を示す。ゲノム刷り込みの進化に関する衝突に基づく理論は他にも数多く提唱されている。^{[85] [86]}

同時に、ゲノムや性的葛藤だけが、刷り込みが進化する唯一のメカニズムではない。^[84]ゲノム刷り込みの分子メカニズムはいくつか説明されているが、いずれも、母系および父系由来の対立遺伝子が、特にシトシンのメチル化の程度において、異なるエピジェネティックなマークを持つように作られるという側面がある。ゲノム刷り込みに関して注目すべき重要な点は、それが非常に異質であり、異なるメカニズムと、単一の親由来の発現を持つことによる異なる結果を伴うことである。例えば、近縁種の刷り込み状態を調べると、刷り込み遺伝子の近傍に逆位によって移動した遺伝子は、刷り込みによる特定の適応度の結果がない場合でも、それ自体が刷り込み状態を獲得する可能性があることがわかる。^[84]

グリーンビアード遺伝子とは、他の個体の中に自身のコピーを認識し、その遺伝子の保有者をそのような個体に対して優先的に行動させる能力を持つ遺伝子である。この名前は、ウィリアム・ハミルトン^{[87]が最初に提示した思考実験に由来し、その後リチャード・ドーキンスが}『利己的な遺伝子』の中で発展させ、現在の名前が付けられた。この思考実験のポイントは、遺伝子の視点から見ると、重要なのはゲノム全体の血縁関係ではなく (これは通常、血縁選択の仕組みであり、つまり協力行動は親戚に向けられる)、特定の遺伝子座における血縁関係が社会行動の根底にあることを強調することであった。^{[8] [87]}

ドーキンスによれば、グリーンビアードとは、通常、3つの効果を持つ遺伝子、または密接に関連した遺伝子のセットとして定義されます。^[88]

1. この遺伝子の保因者に、緑のひげのような表現型のラベルが付けられます。
2. キャリアは同じラベルを持つ他の個人を認識することができます。
3. その後、キャリアは同じラベルを持つ個人に対して利他的な行動をとります。

グリーンビアードは長い間、面白い理​​論上のアイデアであり、実際に自然界に存在する可能性は限られていると考えられていました。しかし、その構想以来、酵母、^[89]粘菌、^[90]ヒアリ^{[91]など、いくつかの例が確認されています。}  

グリーンベアード遺伝子が利己的な遺伝的要素であるかどうかについては議論がある。^{[92] [93] [94]}グリーンベアード遺伝子座とゲノムの残りの部分との間に衝突が生じる可能性があるのは、2人の個体間の特定の社会的相互作用中に、グリーンベアード遺伝子座の血縁度がゲノム内の他の遺伝子座よりも高くなる可能性があるためである。結果として、コストのかかる社会的行為を行うことはグリーンベアード遺伝子座の利益になるかもしれないが、ゲノムの残りの部分の利益にはならない可能性がある。^[94]

利己的な遺伝的要素と相まって、緑ひげ選択は自殺の理論的説明としても使われてきた。^[95]

おそらく、自然選択のプロセスが必ずしも生物の適応度を唯一の原動力とするわけではないことを最も明確に示す方法の 1 つは、利己的な遺伝的要素が制限なくその思うがままに行動する場合です。このような場合、利己的な要素は原理的に種の絶滅をもたらします。この可能性は、1928 年にセルゲイ・ガーシェンソン^[13]によってすでに指摘されており、その後 1967 年にビル・ハミルトン^[96]は、性染色体の分離歪みが集団を絶滅に追い込むケースについて正式な集団遺伝モデルを開発しました。特に、利己的な要素が精子の生成を指示し、Y 染色体にその要素を持つ雄が Y 染色体を持つ精子を過剰に生成するとしたら、対抗する力がない場合は、最終的に Y 染色体が集団内で固定され、極端に雄に偏った性比が生み出されることになります。生態学的に困難な種では、このような偏った性比は、子孫への資源の変換が非常に非効率になり、絶滅の危険につながることを意味しています。^[97]

利己的遺伝要素は種分化において役割を果たしていることが示されている。^{[40] [41] [98]}これは、利己的遺伝要素の存在が形態や生活史の変化をもたらす可能性があるためである可能性があるが、利己的遺伝要素とその抑制因子との共進化が、いわゆるベイトソン・ドブジャンスキー・ミュラー不適合性を通じて生殖隔離を引き起こす方法が特に注目されている。

利己的遺伝要素によって引き起こされた雑種形成不全の初期の顕著な例は、ショウジョウバエのP要素でした。^{[99] [100]} P要素を持つオスを、それを持たぬメスと交配すると、生まれた子孫は適応度が低下しました。しかし、相互交配の子孫は正常でした。これは、 piRNAが母系遺伝するため当然のことです。P要素は通常、野生株にのみ存在し、ショウジョウバエの実験室株には存在しません。後者は、P要素が種に導入される前に、おそらく近縁のショウジョウバエ種から収集されたためです。P要素の話は、利己的遺伝要素とそのサイレンサーの急速な共進化が、わずか数十年という短い進化の時間スケールで不適合性につながる可能性があることを示す良い例でもあります。^[40]

それ以来、利己的な遺伝要素が生殖隔離を引き起こす他のいくつかの例が実証されている。異なる種のシロイヌナズナを交配すると、転移因子の活性が高まり^[101]、刷り込みが阻害され^[102]、どちらも結果として生じる雑種の適応度の低下と関連している。雑種形成不全は、大麦のセントロメア駆動[ ^103]や、いくつかの被子植物の種ではミトコンドリア核衝突によって引き起こされることも示されている。^[104]

ゲノムサイズ（ C値）の驚くべき変動（動物では7,000倍、陸上植物では約2,400倍変動）を理解しようとする試みは、生物学において長い歴史がある。^[105]しかし、この変動は遺伝子数や生物の複雑さの尺度とはほとんど相関がなく、CAトーマスは1971年にC値パラドックスという用語を作り出した。^[106]非コードDNAの発見によりパラドックスの一部が解決され、現在の研究者のほとんどが「C値エニグマ」という用語を使用している。^[107]

特に2種類の利己的遺伝要素、すなわちB染色体と転移因子がゲノムサイズの変異に寄与することが示されている。^{[65] [108]}転移因子のゲノムへの寄与は、特に植物においてよく研究されている。^{[58] [59] [109]顕著な例として、モデル生物である}シロイヌナズナのゲノムには、ノルウェートウヒ（ Picea abies ）と同じ数の遺伝子（約30,000個）が含まれているが、トランスポゾンの蓄積により後者のゲノムは約100倍大きいことがあげられる。転移因子の豊富さは、サンショウウオに見られる異常に大きいゲノムの原因であることも示されている。^[110]

多くの真核生物ゲノムに転移因子が豊富に存在するということは、前述の利己的DNAに関する最初の論文の中心テーマであった（概念の発展を参照）。多くの人々は、これらの論文の中心メッセージ、すなわち転移因子の存在は遺伝子レベルでの利己的選択によって説明でき、個体レベルの選択を主張する必要はない、をすぐに受け入れた。しかし、生物が「進化を加速させる」ため、あるいは他の調節機能のために遺伝子貯蔵庫として転移因子を保持するという考えは、一部の方面に根強く残っている。^[111] 2012年にENCODEプロジェクトが、ヒトゲノムの80%に機能を割り当てることができると主張する論文を発表したとき、この主張はジャンクDNAの考えの終焉であると多くの人に解釈され、この議論は再燃した。^{[112] [113]}

植物育種家にとって、望ましくない自家受粉はよくある問題です。これは、育種家が2つの異なる系統を交配して新しいハイブリッド系統を作ろうとするときに特に問題になります。これを回避する方法の1つは、手作業による除雄、つまり葯を物理的に除去して個体を雄性不稔にすることです。細胞質雄性不稔は、この面倒な作業の代替手段となります。^[114]育種家は、細胞質雄性不稔変異を持つ系統と、細胞質雄性不稔変異を持たない系統を交配し、後者を花粉供与者として作用させます。ハイブリッド子孫が種子のために収穫される場合（トウモロコシなど）、したがって雄性不稔性である必要がある場合、親系統は回復遺伝子のホモ接合性である必要があります。対照的に、タマネギのように野菜の部分を収穫する種では、これは問題になりません。この技術は、米、トウモロコシ、ヒマワリ、小麦、綿など、さまざまな作物で使用されています。^[115]

多くの転移因子は宿主に何の利益ももたらさないように見えるが、転移因子の中には分子生物学者によって「飼いならされて」科学者の意志で挿入したり切除したりできるようにしたものもある。このような因子は、さまざまな生物のゲノムに外来DNAを挿入するなど、遺伝子操作を行うのに特に有用である。^[116]

その優れた例の 1 つがPiggyBacです。これは、クローニング ベクターと染色体の間を「カット アンド ペースト」メカニズムを使用して効率的に移動できる転移因子です。 ^[117]研究者は、目的のペイロードを組み込んだ PiggyBac 因子を構築し、別のプラスミド ベクターにある 2 番目の因子 (PiggyBac トランスポザーゼ) をターゲット細胞に同時トランスフェクトでき​​ます。PiggyBac トランスポザーゼは、PiggyBac ベクターの両端にある逆方向末端反復配列を切断し、元の部位からコンテンツを効率的に移動して、配列 TTAA が見つかる染色体の位置に統合します。PiggyBac が非常に便利なのは、このカット アンド ペースト操作の驚くほど高い効率、最大 200 kb のサイズのペイロードを処理できること、およびゲノム部位から完全にシームレスな切断を残し、配列や変異を残さないという 3 つの点です。^[118]

CRISPR は人工的なホーミングエンドヌクレアーゼの構築を可能にし、その構築物は標的遺伝子を切断するガイド RNA を生成し、相同な隣接配列は Cas9 遺伝子とガイド RNA を含む同じ構築物の挿入を可能にする。このような遺伝子ドライブは集団内で急速に拡散する能力を持つはずであり (遺伝子ドライブシステムを参照)、提案されているそのようなシステムの 1 つの実用的な用途は、害虫集団に適用してその数を大幅に減らすか、絶滅させることである。^[54]これは現場ではまだ試みられていないが、遺伝子ドライブ構築物は研究室でテストされており、遺伝子ドライブのヘテロ接合体の野生型相同対立遺伝子に挿入する能力が実証されている。^[53]残念ながら、Cas9によって導入された二本鎖切断は、相同性修復によって修復され、ドライブの完全なコピーが作成されるか、非相同末端結合によって修復され、それ以上増殖できない「耐性」対立遺伝子が生成されます。Cas9が減数分裂外で発現すると、非相同末端結合が優勢になるようで、これが遺伝子ドライブの実用化に対する最大のハードルとなっています。^[119]

利己的な遺伝的要素に関する考えに関する混乱の多くは、言語の使用と、要素とその進化のダイナミクスの記述方法に集中しています。^{[120]数学モデルにより、集団内の要素の予想されるダイナミクスについて数学的な記述を確立するための仮定と規則を}事前に与えることができます。その後、ゲノムにそのような要素が存在する結果を客観的に調査できます。数学は、集団内での正確な動作によってさまざまなクラスの要素を非常に明確に定義し、貪欲な利己的な遺伝子の内なる希望や欲求に関する気を散らすような言葉遣いを回避できます。このアプローチの良い例は数多くありますが、この記事では、分離歪曲因子、遺伝子ドライブシステム、転移因子に焦点を当てています。^[120]

マウスのtアレルは、非常に詳細にモデル化された分離歪みシステムの典型的な例です。^{[49] [121]} tハプロタイプのヘテロ接合体は、90％を超える配偶子にtが付きます（分離歪みを参照）、tハプロタイプのホモ接合体は胚として死滅します。これにより、安定した多型が生じ、平衡頻度はtハプロタイプの駆動力の強さと直接的な適応度の影響に依存します。これは、分離歪みの数学における共通のテーマです。私たちが知っているほぼすべての例には、相殺する選択効果が含まれており、それがなければ、偏った伝達を持つアレルは固定され、分離歪みはもはや現れなくなります。性染色体が分離歪みを受けると、集団の性比が変化するため、これらのシステムは特に興味深いものになります。性染色体に関する分離歪みの典型的な例としては、ショウジョウバエの「性比」X染色体^[47]とショウジョウバエのY染色体駆動抑制因子^[122]が挙げられる。分離歪み因子の理論に関する重要な点は、歪み因子に対して適応度効果が作用しているからといって、安定した多型性が存在するとは限らないということである。実際、性染色体駆動因子の中には、激しい振動や周期を伴う周波数ダイナミクスを生み出すものもある。^[123]

集団制御の手段として遺伝子を集団に広めるという考え方は実はかなり古く、導入された複合染色体の動態モデルは 1970 年代にまで遡ります。^[124]その後、ホーミングエンドヌクレアーゼと CRISPR ベースの遺伝子ドライブに関する集団遺伝学の理論は、はるかに進歩しました。^{[50] [125]}自然集団でこれらのプロセスをモデル化する重要な要素は、ターゲット集団の遺伝的応答を考慮することです。第一に、どの自然集団も永続的な遺伝的変異を抱えており、その変異にはガイド RNA に相同な配列、つまり修復を指示することを目的とした相同アームの多型が含まれる可能性があります。さらに、異なる宿主と異なる構成では、非相同末端結合、つまり壊れた対立遺伝子または抵抗性対立遺伝子が広がりにくくなる修復の形態の速度がかなり異なる場合があります。宿主因子の完全な適応は、遺伝子ドライブ構造を固定化するのにかなりの課題を伴い、アンクレスとその同僚^[126]は、現在の構造は実際には自然集団で中程度の頻度を達成することさえできないことを示している。これは、ある要素が強い利己的な伝達の利点を持っているように見えるからといって、それがうまく広がるかどうかは、集団内の他のパラメータの微妙な構成に依存する可能性があることを示すもう1つの優れた例である。^[125]

ゲノム内の転移因子（TE）の動態をモデル化するには、各ゲノム内で因子が集団のように振舞い、水平伝播によって半数体ゲノムから別の半数体ゲノムにジャンプできることを認識する必要があります。数学では、これらの移動イベントの速度と依存性を記述する必要があります。多くのTEのジャンプ速度はコピー数によって変わることが早くから観察されていたため、最初のモデルでは転位速度に経験的関数が単純に使用されていました。これには、実験室での実験で測定できるという利点がありましたが、なぜ速度が因子間で異なり、コピー数によっても異なるのかという疑問が残りました。Stan SawyerとDaniel L. Hartl ^[127]は、この種のモデルをさまざまな細菌TEに当てはめ、コピー数と伝播速度、およびTEの集団全体の発生率との間に非常に良い適合性を得ました。ショウジョウバエのような高等生物のTEは性別によって大きく異なるダイナミクスを持ち、ブライアン・チャールズワース、デボラ・チャールズワース、チャールズ・ラングレー、ジョン・ブルックフィールドら^{[33] [128] [129]は}ショウジョウバエや他の種におけるTEコピー数の進化をモデル化した。これらのモデリングの取り組みで印象的なのは、宿主のハエがpiRNAという強力な防御機構を持っているという事実が発見される数十年前のことであったにもかかわらず、それらが経験的データに非常によく適合していたことである。宿主防御とTEのダイナミクスをTE制御の進化モデルに組み込むことは、まだ初期段階にある。^[130]

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この記事は、 CC BY 4.0ライセンス（2018年）（査読者レポート） の下、以下のソースから改変されました：J Arvid Ågren、Andrew G. Clark （2018年11月15日） 。「利己的な遺伝的要素」。PLOS Genetics。14 （ 11）：e1007700。doi ：10.1371 / JOURNAL.PGEN.1007700。ISSN 1553-7390。PMC  6237296。PMID 30439939。Wikidata  Q59508983  。