중성 분자 진화 이론

분자 진화의 중립 이론은 대부분의 진화적 변화가 분자 수준에서 일어나고, 종 내와 종 간의 변동의 대부분은 선택적으로 중립인 돌연변이 대립 유전자의 무작위 유전자 이동에 기인한다고 주장합니다.이 이론은 분자 수준에서 진화에만 적용되며 찰스 다윈이 가정한 자연 도태에 의해 형성되는 표현형 진화와 양립할 수 있다.중성 이론은 대부분의 돌연변이가 유해할 가능성을 허용하지만, 자연 선택에 의해 빠르게 제거되기 때문에, 그것들은 분자 수준에서 종 내 또는 종 간의 변화에 큰 기여를 하지 않는다고 주장한다.중성 돌연변이는 생물의 생존과 번식 능력에 영향을 미치지 않는 돌연변이이다.중성 이론은 유해하지 않은 대부분의 돌연변이가 유익하기보다는 중립적이라고 가정합니다.생식체의 일부만이 종의 각 세대에서 표본 추출되기 때문에, 중립 이론은 돌연변이 대립 유전자가 집단 내에서 생겨날 수 있고 선택적 ^[1]이점보다는 우연에 의해 고정될 수 있다는 것을 시사한다.

이 이론은 1968년 일본의 생물학자 기무라 모토에 의해, 1969년 미국의 생물학자 잭 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스에 의해 독립적으로 도입되었고, 1983년 기무라 교수가 쓴 '분자진화 중립론'에서 자세히 기술되었다.중립이론의 제안은 1970년대와 1980년대에 정점을 찍은 분자발산과 유전자 다형성 패턴의 해석에 대한 광범위한 "중립주의자 선택론" 논란이 뒤따랐다.

오리진스

프리즈(1962년)^[2]와 프리즈와 요시다(^[3]1965년)와 같은 몇몇 과학자들은 중성 돌연변이가 아마도 널리 퍼졌을 것이라고 제안했고, 그 이론의 원래 수학적 기원은 R.A.에 의해 발표되었습니다. 1930년 ^[4]피셔는 1968년 ^[5]기무라 모토에 의해, 1969년 ^[6]킹과 주크스에 의해 독립적으로 중립 진화론을 처음 제안했다.키무라 교수는 처음에는 킹과 쥬크스의 종 간 차이에 초점을 맞췄다.

많은 분자생물학자들과 집단유전학자들 또한 중성 ^[1][7][8]이론의 발전에 기여했다.J.B.S. Haldane, R.A. Fisher, Sewall Wright에 의해 확립된 집단 유전학의 원리는 키무라 이론의 발전에 기여한 유전자 빈도를 분석하는 수학적 접근법을 만들었다.

선택 비용에 관한 홀데인의 딜레마가 키무라씨의 동기로 이용되었다.홀데인은 유익한 돌연변이가 포유류의 혈통에 고정되기까지 약 300세대가 걸린다고 추정했는데, 이는 인간과 침팬지 사이의 진화에 있어 유익한 돌연변이로 설명하기에는 치환 횟수(연간 1.5회)가 너무 많았다는 것을 의미한다.

기능상의 제약

중성 이론은 기능적 제약이 감소함에 따라 돌연변이가 중성일 확률이 상승하고 시퀀스 발산 속도도 상승해야 한다고 주장한다.

다양한 단백질을 비교할 때, 활성 분자에 비해 기능이 거의 없거나 전혀 없는 피브리노펩타이드와 프로인슐린 분자의 C 사슬과 같은 단백질에서 극도로 높은 진화율이 관찰되었다.키무라 씨와 오타 씨는 헤모글로빈 단백질 표면의 알파와 베타 사슬이 안쪽 주머니보다 거의 10배 빠른 속도로 진화하는 것으로 추정했는데, 이는 헤모글로빈의 전반적인 분자 구조가 철 함유 ^[9]헴 그룹이 있는 안쪽보다 덜 중요하다는 것을 의미할 것이다.

기능적 ^[10]제약이 거의 없는 코돈의 세 번째 위치에서 뉴클레오티드 치환 속도가 특히 높다는 증거가 있다.이러한 관점은 3개의 뉴클레오티드(코돈)의 배열이 다를 수 있지만 동일한 아미노산(예를 들어 GCC와 GCA 모두 알라닌을 인코딩)을 인코딩하는 퇴화 유전자 코드에 부분적으로 기초한다.결과적으로, 많은 잠재적 단일 핵염기 변화는 사실상 "침묵" 또는 "표현되지 않은" 상태이다.이러한 변화는 생물학적 ^[11]영향이 거의 없거나 전혀 없는 것으로 추정된다.

양적 이론

기무라는 또한 돌연변이 대립 유전자의 진화 속도에 대한 통찰력을 제공하기 위해 무한 부위 모델(ISM)을 개발했다.v$${\$displaystyle$ v$}$가 각각 두 세트의 염색체를 가진$$N {\$displaystyle$ N$}$ $개인$의 세대당 생식체 돌연변이 비율을 $나타낸다면{\displaystyle }$, 각 세대의 새로운 돌연변이 수는 ${\displaystyle \mathrm{2N}}$ v$${\$displaystyle 2Nv$이다. 이제 k$${\$displaystyle$ k$}$가 돌연변이 단위로 진화율을 나타내도록 $하자{\displaystyle }$.$집단$에 ^[12]고정되는 대립 $유전자{\displaystyle }$μ$(\{디스플레이$ 스타일\muyle$$ \mu$.$

${\displaystyle k=2Nv\mu}$

ISM에 따르면 $선택적$인 $중성$ 돌연변이는 유전자의 ${\displaystyle \mathrm{2N}}$카피 각각에서$$μ$(\displaystyle$ $2N$${\displaystyle )}$의 속도로 $나타나며{\displaystyle \mathrm{}}$ 확률${\displaystyle }$1 ($2N$로 고정된다. 왜냐하면$$(\$displaystyle$ 2N$$$)$의 유전자는 모두 ${\displaystyle \mathrm{모집단}}$1$/$${\displaystyle N}$에 고정될 수 있기 $때문$이다.${\displaystyle$1/$2N}$은(는)$μ {\$displaystyle\$mu$와 같으므로 진화 속도 방정식이 생성됩니다.

${\displaystyle k=v}$

즉, 모든 돌연변이가 중성일 경우, 서로 다른 모집단 간에 고정된 차이가 축적되는 속도는 모집단 크기와 무관하게 개인별 돌연변이율과 같을 것으로 예측된다.중립적인 돌연변이의 비율이 일정하면 모집단 간의 발산 속도도 일정해진다.이것은 중성 ^[13]이론보다 앞선 분자 시계에 대한 근거를 제공한다.ISM은 또한 분자 계통에서 관찰되는 항상성을 보여줍니다.

이 확률적 과정은 예를 들어 비중립적 대립 유전자와 유전적 연계에 의한 중립적 대립 유전자의 유전적 히치하이킹이 아니라 표본 추출의 사고에 의한 무작위 유전적 표류를 설명하는 방정식을 따르는 것으로 가정한다.돌연변이에 의해 나타난 후, 중성 대립 유전자는 유전적 표류를 통해 집단 내에서 더 흔해질 수 있다.보통, 그것은 사라지거나 드물게 고정될 수 있는데, 이것은 새로운 대립 유전자가 모집단에서 표준이 된다는 것을 의미합니다.

분자 진화의 중립 이론에 따르면, 한 종 내에서 유전적 변이의 양은 유효 개체 수에 비례해야 한다.

'중립주의자-선택주의자' 토론

키무라의 이론이 발표되었을 때, "중립" 대 "중립"인 다형 및 고정 대립 유전자의 상대적 비율을 중심으로 열띤 논쟁이 벌어졌다.

유전적 다형성은 다른 형태의 특정 유전자와 그들이 생산하는 단백질이 한 종 안에 공존한다는 것을 의미한다.선택론자들은 그러한 다형성은 선택을 균형 있게 함으로써 유지된다고 주장하는 반면, 중립론자들은 단백질의 변화를 분자 ^[1]진화의 일시적인 단계로 본다.리처드 K에 의한 연구.Koehn과 W. F. Eanes는 그들의 분자 서브유닛의 ^[14]다형성과 분자량 사이의 상관관계를 증명했다.이는 서브유닛이 클수록 중성변이의 비율이 높아야 한다는 중성 이론의 가정과 일치한다.반면에, 선택론자들은 구조적이고 기능적인 ^[12]요인보다는 다형성의 주요 결정 요인이 되는 환경 조건을 기여한다.

분자 진화의 중립 이론에 따르면, 한 종 내에서 유전적 변이의 양은 유효 개체 수에 비례해야 한다.유전자 다양성의 수준은 인구 조사보다 훨씬 덜 달라서 "변화의 패러독스"^[15]를 야기했다. 높은 수준의 유전자 다양성이 중립 이론을 지지하는 최초의 주장 중 하나였지만, 변화의 역설은 중립 이론에 반대하는 가장 강력한 주장 중 하나였다.

중립 이론이 진화를 잘 설명하는지를 테스트하기 위한 통계적 방법(예: 맥도날드-크라이트만 테스트^[16])이 많이 있으며, 많은 저자들은 선택 검출을 주장했다(Fay 등 2002,^[17] Begin^[22] 등 2007, Shapiro 등 2007,^[18] Han 2008, Akey 2009,^[19] Kern 2018).^[20][21]그럼에도 불구하고 일부 연구자들은 중립 이론이 여전히 유효하다고 주장하면서 중립 이론의 정의를 연계된 ^[23]사이트에서 배경 선택을 포함하도록 확장했습니다.

근중립 이론

오타 토모코는 또한 거의 중성적인 돌연변이,^[24] 특히 약간 유해한 돌연변이의 중요성을 강조했다.거의 중립에 가까운 돌연변이의 모집단 역학은 선택 계수의 절대 크기가 1/N보다 크지 않는 한 중립 돌연변이의 모집단 역학과는 약간만 다르다. 여기서 ^[1][7][8]N은 선택과 관련된 유효 모집단 크기이다.따라서 N의 값은 얼마나 많은 돌연변이를 중립으로 취급할 수 있고 얼마나 많은 돌연변이를 유해하게 ^{[citation needed]}취급할 수 있는지에 영향을 미칠 수 있다.

건설적 중립의 진화

건설적 중립 진화 이론(CNE)의 토대는 1990년대에 ^[25][26][27]두 개의 논문에 의해 마련되었다.건설적 중립적 진화는 복잡한 구조와 과정이 중립적 전환을 통해 나타날 수 있음을 시사하는 이론이다.비록 완전히 별개의 이론이지만, 중립 대립 유전자가 유전자 표류에 의해 무작위로 고정되는 과정으로서의 중립성에 대한 강조는 ^[27]진화에서 그것의 중요성을 발동하려는 중립 이론의 초기 시도에서 영감을 얻습니다.개념적으로, 서로 상호작용하는 두 가지 성분 A와 B가 있다.시스템의 기능을 수행하는 A는 기능성을 B와의 상호작용에 의존하지 않으며, 상호작용 자체는 A의 적합성에 영향을 주지 않고 사라질 수 있는 능력을 가진 개인에게 랜덤하게 발생했을 수 있다.따라서 현재 불필요한 이 상호작용을 시스템의 "초과용량"이라고 합니다.그러나 A가 독립적으로 기능을 수행하는 능력이 저하되는 돌연변이가 발생할 수 있습니다.그러나 이미 나타난 A:B 상호작용은 A가 초기 기능을 수행할 수 있는 능력을 유지한다.따라서, A:B 상호작용의 출현은 돌연변이의 해로운 성질을 "전제"하고, 돌연변이를 무작위 유전적 표류를 통해 모집단을 통해 확산될 수 있는 게놈의 중립적인 변화를 만든다.따라서 A는 ^[28]B와의 상호작용에 의존하게 되었다.이 경우, B 또는 A:B 상호작용의 상실은 적합성에 부정적인 영향을 미치므로 선택을 정화하면 이러한 현상이 발생하는 개인을 제거할 수 있다.이러한 각 단계는 개별적으로 되돌릴 수 있는 반면(예를 들어, A가 독립적으로 기능하는 능력을 회복하거나 A:B 상호작용이 상실될 수 있음), 돌연변이의 무작위 시퀀스는 독립적으로 기능하는 A의 능력을 더욱 감소시키는 경향이 있으며 의존성 공간을 통해 무작위로 걷는 것은 WHI의 구성을 매우 잘 초래할 수 있다.ch A의 기능적 독립성으로의 복귀는 일어날 가능성이 매우 낮기 때문에 CNE는 단방향 또는 "래칫과 같은"^[29] 프로세스가 됩니다.더 복잡한 시스템의 기원을 위해 적응주의 메커니즘을 호출하지 않는 CNE는 스플라이소좀 진핵생물 복합체의 진화적 기원의 이해, RNA 편집, 핵심을 넘어선 추가적인 리보솜 단백질의 출현,정크 DNA에서 추출한 긴 비코드 RNA 등입니다.^{[30][31][32][33]}일부 경우에, 조상 배열 재구성 기법은 일부 균류 ^[34]계통의 이종 이성질체 고리 단백질 복합체처럼 CNE의 일부 제안된 예를 실험적으로 입증할 수 있는 능력을 제공했다.

CNE는 또한 복잡한 구조를 설명하기 위한 귀무 가설로 제시되었으며, 따라서 복잡성의 출현에 대한 적응론적인 설명은 수용 전에 이 귀무 가설에 대해 엄격하게 사례별로 테스트되어야 한다.null로 국가 평가 위원회를 호출하여 가져오사유, 그것은 변화가 호스트에 대한 적응 혜택을 제공하면서 적응 주의의 과도한 결함 굴드와 Lewontin에 의해 비판을 피할 때 호출되는 동안 적응의 더 엄격한 시위의 중요성을 유지하는 그들이 방향성에 선정되었다 추정하지 않는다를 포함한다.[35][36][37]

「 」를 참조해 주세요.

• 인간 게놈의 적응 진화
• 결합 이론
• 생물학적 복잡성의 진화
• 네이 마사토시
• 분자 진화
• 오타 도모코
• 생물다양성 통합중립론

레퍼런스

외부 링크

• 자연선택과 적응에 대한 오해: http://evolution.berkeley.edu의 중립 이론.
• "Celebrating 50 years of the Neutral Theory". Molecular Biology and Evolution. July 2018.