分子適応と選択検出

分子適応とは、正の選択によって駆動される配列の進化的変化であり、様々な統計的検定が中立的な背景に対してその痕跡を検出します。

Definition

分子適応とは、正の自然選択によって有利に働く核酸またはタンパク質配列の変化を指します。選択検出とは、そのような適応的変化を特定し、中立進化や集団動態の影響と区別するために使用される統計的手法を指します。

Scope

このトピックでは、自然選択が分子データに残す検出可能な痕跡、非同義置換と同義置換の速度の比較、多型と分岐を対比する検定、選択的掃去の探索、および選択と集団史を区別する際の課題について扱います。

Core questions

• 正の選択はどのようにして配列データに検出可能な痕跡を残すのでしょうか？
• 非同義置換と同義置換の比率は、選択について何を明らかにするのでしょうか？
• 多型と分岐を対比する検定は、どのように適応を特定するのでしょうか？
• 選択的掃去はどのように検出でき、選択は集団動態からどのように分離されるのでしょうか？

Key theories

選択の速度比検定

アミノ酸変化を伴う（非同義）置換とサイレント（同義）置換の速度を比較することで、比率が低い場合は精製選択を、1を超える場合は正の選択を、中立的な期待を基準として明らかにします。

多型-分岐検定

選択された部位と中立部位における種内多型と種間分岐を対比するフレームワークは、適応によって駆動される置換の割合を推定します。

Mechanisms

選択検出は、中立的な期待からの逸脱に基づいています。dN/dS比は、アミノ酸置換と同義置換の速度を比較します。1未満の値は精製選択を示し、1を超える値は反復的な正の選択を示します。サイト頻度スペクトルに基づく検定は、最近の掃去によって残された稀な変異への偏りを検出します。種内の多型と種間の分岐を対比する手法は、置換を中立クラスと適応クラスに分類します。集団の成長、ボトルネック、構造は選択を模倣する可能性があるため、堅牢な推論には集団史の制御が必要であり、多くの場合、候補領域をゲノム全体の中立的な背景と比較することによって行われます。

Clinical relevance

分子適応の検出は、宿主と病原体の間の競合、免疫系遺伝子座、および薬剤標的において急速に進化する遺伝子を特定し、ワクチンおよび治療薬の設計に関連する耐性または免疫回避のための選択下にある部位を特定するのに役立ちます。

History

中立説に続き、選択を検出する手法は急速に発展しました。コドンベースのdN/dSモデルと多型と分岐の対比は1980年代後半から1990年代にかけて登場しました。その後、ゲノムワイドシーケンシングにより、選択的掃去の探索と適応進化のゲノムワイドな速度の推定が可能になりました。

Debates

選択と集団動態の分離

集団動態イベントと選択は配列データに重複する痕跡を生み出す可能性があるため、ゲノムワイドな選択スキャンと適応推定の信頼性は、方法論的な懸念として残っています。

Key figures

• Masatoshi Nei
• Ziheng Yang
• John McDonald
• Martin Kreitman

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

dN/dS比が1より大きい場合、何を示しますか？

アミノ酸変化を伴う置換がサイレントな置換よりも速く蓄積したことを示しており、その遺伝子または一連の部位におけるタンパク質変化を有利にする反復的な正の選択の痕跡です。

集団動態が選択検出にとって問題となるのはなぜですか？

集団サイズの変動、ボトルネック、および構造は、選択によって残されたものに似た配列パターンを生み出す可能性があるため、適応と誤認することを避けるために、分析では集団史を考慮に入れる必要があります。