分子時計と分岐年代推定

分子時計とは、系統間の分子的な差異が時間とともにほぼ蓄積されるという観察結果であり、化石や地質学的イベントによって較正されると、遺伝子データを用いて進化上の分岐年代を推定することが可能となる。

Definition

分子時計とは、系統に沿って分子的な変化が時間とともに蓄積される、おおよそ一定の速度のことである。分岐年代推定は、この原理と、化石記録や地質学からの較正点とを組み合わせて、系統が分岐した時期を推定する。

Scope

このトピックでは、分子時計仮説とその中立説との理論的関連性、速度変動に対応するための厳密な時計の緩和、化石や生物地理学を用いた時計の較正方法、およびベイズフレームワークにおける分岐年代の同時推定について扱う。

Core questions

• なぜ分子的な差異はほぼ時計のような速度で蓄積されるのか？
• 中立説は分子時計をどのように説明するのか？
• 系統間で速度が変動することを許容するために、時計はどのように緩和されるのか？
• 化石やその他の証拠は、分岐年代を較正するためにどのように使用されるのか？

Key theories

分子時計と中立説

中立説の下では、中立的な置換の速度は中立的な突然変異の速度に等しく、集団サイズに依存しないため、遺伝的距離と経過時間を結びつけるおおよそ一定の分子時計が予測される。

緩和された時計による年代推定

置換速度は実際には系統間で変動するため、緩和された時計モデルは樹木に沿って速度が変化することを許容し、化石による較正は分岐年代とその不確実性の統計的に厳密な推定を可能にする。

Mechanisms

分子時計は、中立的な変異の場合、置換速度が世代あたりの突然変異速度に等しく、理論的には集団サイズに依存しないため、おおよそ時間に比例した分岐が生じることで発生する。実際には、速度は系統や遺伝子間で異なるため、厳密な時計はしばしば棄却され、速度が枝に沿って進化する緩和された時計モデルに置き換えられる。較正は、化石の年代、年代が特定された地質学的隔離イベント、または急速に進化する病原体の場合は配列のサンプリング日を用いて、時計を絶対時間に固定する。ベイズ法は、置換モデル、速度モデル、および較正事前分布を統合して、信頼区間とともに分岐年代を推定する。

Clinical relevance

分子年代推定は、病原体の出現と宿主転換の時期、薬剤耐性発生の年代、およびアウトブレイク中のウイルス進化の速度を推定し、疫学的再構築と予測を支援する。

History

ザッカーカンドルとポーリングは、1960年代初頭にタンパク質配列の比較から分子時計を提唱した。木村の中立説がその理論的基礎を提供し、1990年代以降、緩和された時計モデルとベイズ法により、較正された分岐年代推定が日常的かつ統計的に明確な手順となった。

Debates

分子年代推定の信頼性はどの程度か？

速度変動、まばらなまたは誤って割り当てられた化石較正、およびモデルの仮定は、分岐年代推定に偏りをもたらす可能性があり、したがって深い分子年代の精度は依然として議論の的となっている。

Key figures

• Emile Zuckerkandl
• Linus Pauling
• Motoo Kimura
• Allan Wilson

Seminal works

• kimura1983
• felsensteinBook2004
• ohta1973

Frequently asked questions

分子時計は一定の速度で時を刻むのか？

おおよそそうである。速度は系統、遺伝子、そして時間とともに変動するため、現代の分析では、厳密に一定の時計を仮定するのではなく、速度変動を許容する緩和された時計モデルが使用される。

分子時計はどのように較正されるのか？

独立した証拠を用いて分岐点を絶対時間に固定することによって較正される。最も頻繁に用いられるのは年代が特定された化石であるが、既知の年代の地質学的イベントや、急速に進化する病原体の場合はサンプルが収集された日付も用いられる。