遺伝子浄化
近親交配による有害対立遺伝子の頻度の減少

遺伝子浄化とは、近親交配 によって引き起こされる有害な対立遺伝子に対する自然選択の圧力の増加である。[1]

パージは、有害アレルが劣性である傾向があるため発生します。つまり、有害アレルは個体の2つのコピーに存在する場合（すなわちホモ接合状態）にのみ、その有害な影響をすべて発現します。近親交配において、近縁個体同士が交配すると、ホモ接合状態になる可能性の高い子孫が生まれ、有害アレルはより頻繁にその有害な影響を発現し、個体の適応度を低下させます。

パージにより、劣性有害対立遺伝子の総数と近親交配によって引き起こされる平均適応度の低下（適応度の近親交配弱勢）の両方が減少します。

「パージ」という用語は、有害アレルに対する淘汰という一般的な意味で用いられることがあります。そのような一般的な文脈では「浄化選択」を使用し、「パージ」は上記で定義したより厳密な意味に留めておく方が曖昧さを避けることができます。

メカニズム

二倍体生物の個体群で分離している有害対立遺伝子は、少なくとも部分的に劣性になるという顕著な傾向がある。つまり、これらの遺伝子がホモ接合性（二重コピー）で発生した場合、ヘテロ接合性（単一コピー）で発生した場合よりも適応度が2 倍以上低下する。言い換えると、これらの遺伝子の潜在的有害影響の一部はヘテロ接合性では隠されているが、ホモ接合性で発現するため、ホモ接合性で発生した場合の方が選択が効率的になる。近親交配によりホモ接合性になる確率が高まるため、発現し、選択にさらされる潜在的有害影響の割合が増加する。これにより、（部分的に）劣性の有害対立遺伝子に対する選択圧がいくらか増加し、パージと呼ばれる。もちろん、適応度もいくらか低下し、近親交配弱勢と呼ばれる。

パージにより、ゲノム全体の有害対立遺伝子の平均頻度を、長期間にわたって非近親交配集団で予想される値を下回るまで減らすことができます。[2]これにより、近親交配の適応度への悪影響が軽減されます。有限集団内でのランダム交配のみが近親交配の原因である場合、パージによる適応度の平均低下は近親交配のみから予想されるよりも少なく、最初の低下の後、近親交配前の値近くまで回復することさえあります。もう 1 つの結果は、いわゆる近親交配負荷の軽減です。これは、パージ後、さらなる近親交配がそれほど有害ではないと予想されることを意味します。パージの効率は遺伝的浮動によって低下するため、長期的には、小規模集団ではパージの効率が低下します。[1]ランダム交配で予想されるよりも頻繁に個体が近親者と交配すると、パージが増加する可能性があります。

近親交配と淘汰の適応度に対する共同効果

近交弱勢を予測する際にパージを考慮することは、進化遺伝学において重要です。なぜなら、近交によって引き起こされる適応度の低下は、二倍体、有性生殖、その他の主要な生物学的特徴の進化において決定的な要因となり得るからです。また、動物育種学、そしてもちろん保全遺伝学においても、近交弱勢は絶滅危惧種の絶滅リスクを決定する重要な要因となる可能性があり、保全プログラムでは近交を抑制するためにある程度の繁殖管理を許容することができるため、パージを考慮することは重要です。[3]

要約すると、パージにより、近交弱勢は近交の標準的な指標（ライトの近交係数F）には依存しない。この指標は中立対立遺伝子にのみ適用されるためである。代わりに、適応度低下は「パージされた近交係数」gに依存する。これは、有害対立遺伝子がどの程度パージされているかを考慮した指標である。

パージは、近交弱勢を2つの方法で軽減します。第一に、その進行を遅らせます。第二に、長期的に予想される近交弱勢全体を軽減します。近交の進行が遅いほど、パージの効率は高くなります。

より詳細な説明

自然選択がない場合、近親交配が増加するにつれて平均適応度は指数関数的に低下すると予想される。ここで近親交配はライトの近親交配係数F [4]を用いて測定される（ Fに対する低下が線形ではなく指数関数的である理由は、適応度が通常、乗法的な形質とみなされるためである）。Fの増加に伴う適応度の低下率（近親交配抑制率δ）は、近親交配前の集団に存在する対立遺伝子の頻度と有害作用に依存する。

上記の係数Fは近親交配の標準的な指標であり、任意の中立遺伝子座において、個体が共通祖先の同一遺伝子を2つ受け継いでいる確率（すなわち、「血統による」ホモ接合性である確率）を示します。単純な条件であれば、Fは集団規模または系図情報を用いて簡単に計算できます。Fはしばしば小文字（f）で表記されますが、共祖係数と混同しないでください。

しかし、上記の適応度低下の予測は、選択が行われないという前提で導かれたものであり、適応度こそが自然選択の標的形質であるため、ほとんど当てはまらない。したがって、近親交配が急速に増加し、遺伝子頻度の変化がランダムサンプリング（すなわち遺伝的浮動） によってのみ支配される場合を除き、中立遺伝子座におけるライトの近親交配係数Fは有害対立遺伝子には適用されない。

したがって、モデルによれば、標準的な近親交配係数Fの代わりに、（部分的に）劣性の有害対立遺伝子について、その頻度が除去によってどの程度減少するかを考慮して、系統的にホモ接合になる確率を与える「除去近親交配係数」（ g ）を使用して、適応度の低下を予測することができる。 [1]除去により、適応度は選択がない場合と同じ速度δで低下するが、 Fではなくgの関数として低下する。

このパージされた近交係数gは、後述するように集団サイズ、あるいは個体の系譜を用いた簡単な式を用いて、かなり近似的に計算することもできます。しかし、これには、ヘテロ接合状態では顕在化しないがホモ接合状態では顕在化する有害な影響の大きさに関する情報が必要です。この大きさ（パージ係数dと表記）が大きいほど、パージの効率は高くなります。

パージの興味深い特性は、近親交配の際、F が最終値F = 1に近づいて増加する一方で、g ははるかに小さな最終値に近づくことがあるという点です。したがって、パージによって適応度の低下が遅くなるだけでなく、長期的には近親交配によって生じる全体的な適応度損失も軽減されます。これは、劣性致死遺伝子によって引き起こされる近親弱勢の極端なケースについて以下に示されています。劣性致死遺伝子とは、ホモ接合性で発生した場合にのみ生殖前に死を引き起こす対立遺伝子です。パージは、致死対立遺伝子に対する場合よりも、軽度に有害な対立遺伝子に対しては効果が低くなりますが、一般に、近親交配Fの増加が遅いほど、パージされた近親交配係数gの最終値が小さくなり、したがって、適応度の最終的な低下も小さくなります。これは、近親交配が十分にゆっくりと進行する場合、長期的には関連する近親弱勢は予想されないことを意味します。例えば、長期間適度に小規模であった集団の平均適応度は、遺伝的多様性に富んだ大規模集団の適応度と非常に類似している可能性があることを意味します。保全遺伝学においては、このような効率的な淘汰を可能にする近親交配の最大増加率を明らかにすることは非常に有用です。

個体数の減少による近親交配と淘汰の共同影響の予測モデル

平均適応度がWである大規模な非近親交配集団を考えてみましょう。すると、集団のサイズは新たな小さな値N（実際には、ここでは有効集団サイズを用いるべき）に減少し、近親交配が徐々に増加していきます。

すると、異なる遺伝子座に低頻度で存在する（部分的に）劣性の有害対立遺伝子により、近交弱勢がδの速度で発生する。これは、選択がない場合、 t世代の近交後の平均適応度の期待値は以下のようになることを意味する。

W t ＝ W e − δ F t {\displaystyle W_{t}=We^{-\delta F_{t}}}

ここで、 t世代の近親交配後のライト近親交配係数の母集団平均である。[4] F t {\displaystyle F_{t}}

しかし、選択は適応度に基づいて行われるため、平均適応度は近親交配と淘汰の両方を考慮して予測されるべきである。

W t ＝ W e − δ グラム t {\displaystyle W_{t}=We^{-\delta g_{t}}}

上記の式において、はt世代の近親交配後の「除去近親交配係数」の平均です。[1]これは「除去係数」dに依存しており、これはヘテロ接合性では隠れているがホモ接合性では顕在化する有害な影響を表しています。 グラム t {\displaystyle g_{t}}

平均「除去近交係数」は、再帰式を使って近似できる。

グラム t ＝ [ （ 1 − 1 2 北 ） グラム t − 1 + 1 2 北 ] [ 1 − 2 d F t − 1 ] {\displaystyle g_{t}=\left[\left(1-{\frac {1}{2N}}\right)g_{t-1}+{\frac {1}{2N}}\right]\left[1-2dF_{t-1}\right]}

系図情報に使用できる予測式もあります。

劣性致死による近交弱勢の例

個体群サイズN=10における、維持世代数（t ）に対する平均個体群適応度（W ）の関係。元の個体群では、各配偶子が平均1つの稀な劣性致死遺伝子を持っていた。Wの進化は、近親交配のみ（赤線）、または近親交配と淘汰（青線）によって予測される。

遺伝子の排除の例として、多くの遺伝子座で非常に低い頻度で分離している劣性致死対立遺伝子があり、各配偶子が平均してこれらの対立遺伝子の 1 つを持っている大規模な集団を考えてみましょう。配偶子の約 63% がこれらの致死対立遺伝子の少なくとも 1 つを持っていますが、同じ致死対立遺伝子を 2 つ持っている個体はほとんどありません。したがって、致死対立遺伝子は完全に劣性である (つまり、ヘテロ接合性では無害である) と考えられるため、ほとんど死亡を引き起こしません。ここで、集団のサイズが小さな値 (たとえばN =10) にまで減少し、何世代にもわたってその小さい値のままであると仮定します。近親交配が増加すると、これらの致死対立遺伝子の 1 つ (または複数) がホモ接合性である確率も増加し、適応度が低下します。しかし、これらの致死対立遺伝子がホモ接合性で発生し始めると、自然選択によってそれらが排除され始めます。右の図は、近交Fの増加のみ（赤線）、または近交と除去（青線、除去された近交係数gを用いて計算）を考慮した、世代数に対する適応度の予想される低下を示しています。この例は、除去が近交弱勢の予防に非常に効果的であることを示しています。しかし、致死性ではない有害対立遺伝子の場合、除去の効率は小さくなり、遺伝的浮動を克服するためにはより大きな集団が必要になる可能性があります。

生殖システムの進化との関連性

近交弱勢と浄化は、生殖システムの進化において重要な役割を果たしている。例えば、これらは自殖が他殖に比べて有利になる時期を決定する。[5] [6]もう一つの例は、酵母におけるゲノム更新である。 サッカロミセス・セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）とサッカロミセス・パラドクサス（Saccharomyces paradoxus）は、二倍体として長期間無性生殖を行い、その後減数分裂で終了するライフサイクルを持つ。減数分裂は通常、その後すぐに自殖に続き、他殖はまれにしか起こらない。 [7]二倍体増殖期に蓄積された有害な劣性変異は、自殖中に浄化される。この浄化は「ゲノム更新」と呼ばれている。[8] [9]

証拠と問題点

安定していた集団が近親交配を受ける場合、他に何も変化がなければ、自然選択は主に淘汰によって構成されるはずである。近親交配と淘汰が適応度に及ぼす相乗効果は、集団の過去の履歴、近親交配の増加率、環境や競争条件の厳しさなど、多くの要因によって変化する。淘汰の影響は、ダーウィン[10]によって植物において初めて指摘され、その後、実験室内実験、動物園や野生で近親交配を受けている脊椎動物集団、そしてヒト[11]においても検出されている。淘汰の検出は多くの要因によって不明瞭になることが多いが、上記の予測と一致するように、遅い近親交配はより効率的な淘汰をもたらし、したがって、ある近親交配Fがゆっくりと生成された場合、集団の生存能力への脅威はより少なくなるという一貫した証拠がある。[12] [13]

しかしながら、実際の状況では、適応度の遺伝的変化は近親交配や淘汰以外にも多くの要因に左右されます。例えば、変化する環境条件への適応は、近親交配中にしばしば関連する遺伝的変化を引き起こします。さらに、近親交配が個体群規模の減少に起因する場合、新たな有害変異に対する選択の効率が低下し、中長期的にはさらなる適応度の低下を引き起こす可能性があります。

さらに、近交弱勢の一部は有害対立遺伝子によるものではなく、利用可能な対立遺伝子のホモ接合体と比較してヘテロ接合体であることの本質的な利点、すなわち過剰優性（overdominance）によるものである可能性もある。過剰優性によって引き起こされる近交弱勢は完全に除去することはできないが、その実際の重要性については依然として議論の余地があるものの、近交弱勢全体の軽微な原因であると考えられる。[14]

したがって、近親交配中の適応度の実際の進化を予測することは非常に困難です。しかし、近親交配と有害対立遺伝子の除去によって予想される適応度低下の要素は、gを用いて予測できます。

遺伝子の浄化を理解し、その結果を予測することは、進化遺伝学および保全遺伝学において非常に重要です。絶滅危惧種は個体数の減少により近親交配を繰り返しており、浄化は絶滅リスクや保全戦略の成功を左右する重要な役割を果たす可能性があります。[15]

参考文献

  1. ^ abcd García-Dorado, A (2012). 「縮小した集団の適応度低下の理解と予測：近親交配、排除、突然変異、そして標準選択」.遺伝学. 190 (4): 1461– 1476. doi :10.1534/genetics.111.135541. PMC 3316656.  PMID 22298709  .
  2. ^ Kleinman-Ruiz, D.、Lucena-Perez, M.、Villanueva, B.、Fernandez, J.、Saveljev, AP、Ratkiewicz, M., ... & Godoy, JA (2022).絶滅危惧種のイベリアオオヤマネコの有害な負担を取り除く。米国科学アカデミー紀要、119(11)、e2110614119。
  3. ^ Frankham, R. (2005). 「遺伝学と絶滅」.生物保全. 126 (2): 131– 140. Bibcode :2005BCons.126..131F. doi :10.1016/j.biocon.2005.05.002.
  4. ^ ab Crow, JF; Kimura, M. (1970).集団遺伝学理論入門. NY: Harper & Row.
  5. ^ Porcher, E., & Lande, R. (2013). 自殖弱勢と近交弱勢の共進化モデルにおける単純近似の評価. Evolution, 67(12), 3628-3635.
  6. ^ ガルシア＝ドラド、オーロラ. 自殖の進化解析における近交負荷の明示的モデル. Evolution, 2017, vol. 71, no. 5, p. 1381-1389.
  7. ^ Tsai, IJ; Bensasson, D.; Burt, A.; Koufopanou, V. (2008年3月14日). 「野生酵母Saccharomyces paradoxusの集団ゲノミクス：ライフサイクルの定量化」. Proceedings of the National Academy of Sciences . 105 (12): 4957– 4962. Bibcode :2008PNAS..105.4957T. doi : 10.1073/pnas.0707314105 . PMC 2290798. PMID  18344325 . 
  8. ^ Mortimer, Robert K.; Romano, Patrizia; Suzzi, Giovanna; Polsinelli, Mario (1994年12月). 「ゲノム更新：ブドウ果汁の自然発酵由来のSaccharomyces cerevisiae 43株の遺伝学的研究から明らかになった新たな現象」. Yeast . 10 (12): 1543– 1552. doi :10.1002/yea.320101203. PMID  7725789. S2CID  11989104.
  9. ^ Masel, Joanna ; Lyttle, David N. (2011年12月). 「クローン的に繁殖する種における自殖による稀な有性生殖の結果」.理論個体群生物学. 80 (4): 317– 322. Bibcode :2011TPBio..80..317M. doi :10.1016/j.tpb.2011.08.004. PMC 3218209. PMID  21888925 . 
  10. ^ ダーウィン, CR (1876).植物界における交雑と自殖の影響. ロンドン: ジョン・マレー.
  11. ^ Crnokrak, P.; Barrett, SCH (2002). 「遺伝的負荷の除去：実験的証拠のレビュー」. Evolution . 56 (12): 2347– 2358. doi : 10.1111/j.0014-3820.2002.tb00160.x . PMID  12583575. S2CID  20689054.
  12. ^ Leberg, PL; Firmin, BD (2008). 「飼育下繁殖および回復プログラムにおける近親交配弱勢と浄化の役割」. Molecular Ecology . 17 (1): 334– 343. Bibcode :2008MolEc..17..334L. doi : 10.1111/j.1365-294x.2007.03433.x . PMID  18173505. S2CID  28421723.
  13. ^ García-Dorado, A. (2015). パージを無視した場合の遺伝学的推奨事項に基づく最小生存集団ルールへの影響について. 遺伝学, 115(3), 185.
  14. ^ Crow, JF (2008). 「20世紀半ばの集団遺伝学における論争」. Annual Review of Genetics . 42 : 1–16 . doi :10.1146/annurev.genet.42.110807.091612. PMID  18652542.
  15. ^ Hedrick, PW, & Garcia-Dorado, A. (2016). 近親弱勢、パージ、そして遺伝的救済の理解. Trends in ecology & evolution, 31(12), 940-952.
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=遺伝子浄化&oldid=1291141100」より取得