분자 진화의 중립 이론

중립 이론은 종 내 대부분의 분자 변이와 종 간 치환이 선택적으로 중립적이며, 양성 선택보다는 무작위적인 유전적 부동(genetic drift)에 의해 지배된다고 주장합니다.

Definition

분자 진화의 중립 이론은 분자 수준에서 일어나는 진화적 변화의 대부분이 선택에 의해서가 아니라 선택적으로 중립적인 돌연변이 대립유전자(mutant alleles)의 무작위적인 부동에 의해 발생한다고 제안합니다. 거의 중립 이론은 이를 약간 해로운 돌연변이(slightly deleterious mutations)로 확장하며, 이들의 운명은 유효 개체군 크기(effective population size)에 따라 달라집니다.

Scope

이 주제는 기무라(Kimura)의 중립 이론과 오타(Ohta)의 거의 중립적인 확장 이론, 치환율 및 현존하는 변이에 대한 예측, 역사적인 중립주의-선택주의 논쟁, 그리고 분자 개체군 유전학에서 귀무 가설(null hypothesis)로서 중립 모델의 중심적 역할을 다룹니다.

Core questions

• 중립 이론은 치환율과 유전적 변이에 대해 무엇을 예측합니까?
• 중립 치환율이 개체군 크기와 무관한 이유는 무엇입니까?
• 거의 중립 이론은 약간 해로운 돌연변이를 어떻게 통합합니까?
• 중립 모델이 선택을 탐지하기 위한 귀무 가설 역할을 하는 이유는 무엇입니까?

Key theories

기무라의 중립 이론

대부분의 분자 다형성(polymorphism)과 치환은 선택적으로 중립적이므로, 중립 치환율은 중립 돌연변이율과 같고 개체군 크기와 무관하며, 대략 시계와 같은 변화의 축적을 예측합니다.

오타의 거의 중립 이론

많은 종류의 돌연변이는 단지 약간 해로울 뿐입니다. 이러한 돌연변이가 중립적으로 행동하여 부동하거나 선택에 의해 제거될지는 선택 계수와 유효 개체군 크기의 곱에 따라 달라지며, 이는 분자율을 개체군 동태와 연결시킵니다.

Mechanisms

엄격히 중립적인 돌연변이의 경우, 최종 고정(fixation)될 확률은 초기 빈도와 같으며, 장기적인 치환율은 개체군 크기와 무관하게 세대당 중립 돌연변이율과 같습니다. 개체군 내 유전적 변이는 중립 대립유전자를 도입하는 돌연변이와 이를 제거하는 부동 사이의 균형을 반영하며, 유효 개체군 크기에 의해 조절됩니다. 거의 중립 이론에서는 작은 선택 계수(selection coefficients)를 가진 돌연변이가 작은 개체군에서는 사실상 중립적으로 행동하지만, 큰 개체군에서는 선택에 의해 감지될 수 있으므로, 치환율과 선택의 효율성은 개체군 동태(demography)에 따라 달라집니다. 이러한 예측은 양성 선택(positive selection)과 균형 선택(balancing selection)을 탐지하기 위한 정량적 귀무 가설을 제공합니다.

Clinical relevance

중립 프레임워크는 중립적 기대치로부터의 이탈을 감지하여 기능적으로 제약된, 따라서 임상적으로 중요할 가능성이 있는 게놈 영역을 식별하는 방법의 기반이 되며, 병원체 감시(pathogen surveillance)에 사용되는 분자 연대 측정(molecular dating)을 보정합니다.

History

기무라는 1968년에 중립 이론을 제안했으며, 킹(King)과 쥬크스(Jukes)는 1969년에 독립적으로 비다윈적 분자 진화를 주장했습니다. 오타는 1970년대 초에 거의 중립 이론을 추가했고, 기무라의 1983년 저서는 이 프레임워크를 종합했습니다. 이 프레임워크는 수십 년간의 선택의 유병률(prevalence of selection)에 대한 논쟁에도 불구하고 표준 귀무 모델로 남아 있습니다.

Debates

분자 진화는 얼마나 중립적입니까?

중립주의-선택주의 논쟁은 분자 변이와 분기(divergence) 중 중립적인 부분과 선택된 부분의 비율에 관한 것입니다. 게놈 데이터는 일부 유기체에서 상당한 적응 진화(adaptive evolution)를 보여주며, 이는 중립 귀무 가설을 뒤집기보다는 정교하게 다듬는 역할을 합니다.

Key figures

• Motoo Kimura
• Tomoko Ohta
• Jack King
• Thomas Jukes

Seminal works

• kimura1983
• ohta1973
• saetreRavinet2019

Frequently asked questions

중립 이론은 진화가 무작위적이라는 것을 의미합니까?

중립적인 변화에 대해서는 분자 수준에서만 그렇습니다. 이 이론은 대부분의 분자 치환이 중립적이며 부동에 의해 고정된다고 주장하지만, 유기체의 적응 진화는 자연 선택에 의해 추진된다는 점을 여전히 받아들입니다.

중립 치환율이 개체군 크기와 무관한 이유는 무엇입니까?

더 큰 개체군에서는 매 세대 더 많은 중립 돌연변이가 발생하지만, 각각의 돌연변이가 고정될 확률은 비례적으로 작아집니다. 이 두 효과가 상쇄되어 치환율이 돌연변이율과 같아지기 때문입니다.