武田計測先端知財団 主催講演会

中立進化論

ヤポネシアゲノム
研究グループ進化の根本

DNAが自己複製を繰り返しながら突然変異を蓄積

斎藤 成也
国立遺伝学研究所 集団遺伝研究室

突然変異（琉球大学 医学部 先端医学センター 特命教授）（総合研究大学院大学 生命科学研究科 遺伝学専攻 兼任）（東京大学 大学院理学系研究科 生物科学専攻 兼任）

2019年12月14日 (土)本郷 ドリームインスティテュート６階 ナチュラルスタジオ

17班

合祖過程と対立遺伝子頻度変化の関係

遺伝子系図

遺伝的浮動

（個体数有限）遺伝的浮動のコンピュータシミュレーション(A) Population = 1,000

0 :Allele frequency

遺伝的浮動の数学的根拠

Figure 5.7 Example of computer program output of branching process with aPoisson distribution of mean 1.0

1 :
2 :
3 :
Generation(B) Population = 10,000

4 :
5 :

Allele frequency

6 :7 :8 :『ゲノムと進化』(2004)より

9 :Generation

10 :

0|
1|
2__
| |
3 4|
5|
6______________ __|| |7
8 9__ __ __|| | | | |10__ ________ 11 12 13 14 15| |||16 17__
18
19| ||20 21__ 22__
| | | | |23 24 25 26 27

中立論と淘汰論のちがい       

中立論と淘汰論のちがい

全突然変異と生き残ってゆく突然変異の違い





木村資生博士と彼がNature誌に1968年に発表した論文

左から右に時間が流れる中での、あるDNAの一本道の系図

厳密な中立進化の場合に期待される関係
固定確率u = 1/N
進化速度
λ = μT / T = μ
λ = f･μ + (1–f)･0 = fμ
集団内の遺伝的変異
H = 4Neμ / {1 + 4Neμ}国立遺伝学研究所のウェブサイトより

The total number of mutations accumulated during time T is μT.
Therefore, the evolutionary rate, λ, of gene substitutions per generation
should be μT/T = μ.

脊椎動物11種における βグロビンのアミノ酸配列の多重整列

4.6 中立進化のもとでの進化速度
4.6.1 分子時計
4.6.2 タンパク質間での進化速度の多様性

4.6.3 タンパク質の部分ごとでの進化速度の多様性
4.6.4 生物間での進化速度の多様性

P68871 Homo
P68222 Macaca
P02034 Ateles
P60524 Canis
P02062 Equus
P02070 BosP02084 Elephas
P02106 Macropus
P02112 Gallus
P07432 Xenopus
P02139 Cyprinus

MVHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPK.........N...T....................................S.........
.....G.......T....................................S.........
-....A....L.SG...................I.........D............S.A.
-.Q.SG...A..L...D...EE.....................D......N.G.......
--M..A...A....F....K...............................A....N...
-.N..AA..TQ..N.......K.L.....S.........R....H......A...LH.A.
-....A...N.I.S.....AIEQT.........I.....S...DH.....NAK...A...
...W.A...QLI.G.......A.C.A...A...I.........A...N..S.T.IL...M-MG..AHDRQLINST....CAKTI.K.......WT......Y.S...N.NSA...FH.EA-.EW.DA.R..II.....L.P..L.P...A.C.I.........A.Y.N..S.A.I.....
: :: :*.*:* ***.* * .**** *:* :*:*... *:: *P68871 HomoP68222 Macaca
P02034 Ateles
P60524 Canis
P02062 Equus
P02070 Bos
P02084 Elephas
P02106 Macropus
P02112 Gallus
P07432 Xenopus
P02139 Cyprinus

VKAHGKKVLGAFSDGLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFG................N..........Q................K...............
...........................Q................................
.........NS.....KN.........K................K...............
.........HS.GE.VH..........A........................V...R...
.........DS..N.MK...D......A................K.......V...RN..
.L...E...TS.GE..K..........D........................I...R...
.L...A...V..G.AIKN.........K................K....II.IC..E...
.R.......TS.G.AVKN...I.N..SQ....................DI.II...A..S.A...E..VTSIGEAIK.M.DI..YY.Q..KY.SET.....C..KRF.GC.SIS..RQ.H.A...RT.E.GLMRAIKDM..I.A.Y.P..VM.SE......D.....ADCITVCA.MK..
* *** .* .: .: .:*::* :: ** *.:.***** **: :.. :* :*P68871 HomoP68222 Macaca
P02034 Ateles
P60524 Canis
P02062 Equus
P02070 Bos
P02084 Elephas
P02106 Macropus
P02112 Gallus
P07432 Xenopus
P02139 Cyprinus-KEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH-.....Q.....................
-.....QL....................
-.....Q.....................
-.D...EL..S.................
-.....VL..DF.............R..
-.....D.....E...............
-....IDT.V.W..L.............
-.D...EC...W..L.RV..H...R...
-E.Y..ELH...EHLFDAI.D..GKG..
PSG.S.N..E.W..FLSV.V...KRQ..
. ::: :::.. :..** : **脊椎動物における βグロビンの近似的な「分子時計」

From: Kimura (1983) The neutral
theory of molecular evolution

齧歯類におけるαクリスタリンのアミノ酸置換パターン

E C

3C:D5D92.,+*-()0  .===========================================
EEEEEEEα3C:DEEEEβ3C:D---------------------------------------------------------------------EEEEEEE "%EEEEEEEEEEE!!
 EEEEEEE EEEEEEEEEEE EEEEEEE$&EEEEEEEEEEE&&;@=467EE#&EEEEEEEEEEE#&--------------------------------------------------------------------  EEEEEEEEEE !EEEEEEEEEEE ""===========================================
1?8'*/'*/×10-9

From: Nei (1987) Molecularevolutionary genetics

E C

170554229A

3

617

グロビンのさまざまな部位ごとの進化速度

1

さまざまなタンパク質の進化速度

メクラネズミだけ，アミノ酸の変化がとても多い。眼のレンズ（水晶体）の主タンパク質であるクリスタリンの重要性が減少したからだと考えられます。

E C

E C

E C

E C

0.25
0.25

0.20.2Q9UBD6 HUMAN VILIFQTAVNFILNLLKVKAMTTGAFGVTRIRNEQKERQNVQDLFMYISYHSAICSACSVAIALHKKALAVAMLMYAIVIILFVYLTFSRLHIING
Q5NVA3 PONAB ....................................................................P........V..................
Q20CR3 MACMU .......................Y..E............SA....................V.........T......I.................
Q95JD3 RABIT .VML..ASA..L.HV.E...I.I......W.H.DHR...S.HN..I.M.NYA.....S...MV......G.......VIAV..........R..H.
Q9QXP0 MOUSE .M.....T.......IEA...........W.K.D..Q..S.H...I.S.F.A.LL..ST.TVIV.....G....T..VF.F..A......HR..H.
Q19KI0 PIG.V..L..S........E............W.P.Y.....S.H.....V.H.A.........L..............SVI............R..H.
Q3BCQ4 CANLF .V..L..S........E............W.PGH.....S.H.....V.N.A.........L..............SVI.V..........RV.H.
Q2T9S6 BOVIN .V..L..SI.Y.....E..S..A.....AW.P.HL....STH.......N.A.........L...R...GLVLVLFS...V............VH.
Q6XL41 CHICK TV..L.....Y.....H.............FP....DKEG.H..Y....E.A......TM.FM.Q......S..T.SVI.VVY....I.K....H.
Q4VUZ1 ONCMY .V.VLG...EY.I...HAR..V..GY.ISWVP.H..RM.G.H.I..F.TD.GV.LCSTT...FSQ.TS..L.FIS..VL..MYIFIS.KT.K..HA

0.15
0.15

0.10.1

0.05
0.05

0000

100
100200200300300400400500500

Table 5.3 Comparison ofamino acid identity
between homeodomain and the other regions of HoxA.
From Saitou (2007)

600600

期待される同義置換進化速度と非同義置換進化速度

パン酵母突然変異体の淘汰実験

観察数

負の淘汰係数

ハプロイドにおける遺伝子 A1の頻度変化

S=0.02
S=0.01

S=0.005

S=0.001

ディプロイド（二倍体）の場合の自然淘汰の数学モデル

平衡淘汰•超優性（ヘテロ接合体がホモ接合体よりも生存に有利）•頻度依存性淘汰（頻度が低い対立遺伝子のほうが生存に有利）

生存に有利な突然変異を持つ染色体が増加する様子

同義置換進化速度と非同義置換進化速度の比較

中立進化論の予言とその成就

Gene 1

Gene 2intergenicregion• 突然変異率〜同義置換＞非同義置換• 偽遺伝子の進化速度〜突然変異率• がらくたＤＮＡの速度〜突然変異率• 分子時計の存在（進化速度の近似的一定性）

evolutionaryratepure neutral evolution• 集団内の遺伝的変異がとても多い• 正の淘汰を受けている遺伝子は少ない• 突然変異率が高いと進化速度も高い• 機能的に重要な部分ほど進化速度は低い• 突然変異こそ進化に最も重要である

CNS
intergenicregion

Gene 2~21,000 CNSs were foundfor each species pairCNS

pure neutral evolution
evolutionary
rate

Gene 1

Examples of CNSs
- Candidates ofcis-regulatory elements

From Woolfe et al. (2005) PLos Biology

進化的に保存された非コード領域 (CNSs)とRDD (Relative Distance Difference)
between mouse and human

それら周辺のゲノム領域の差

GeneCNS

Difference
RDD = –––––––––––––
MeanGeneFrom Babarinde & Saitou (2016)

From Babarinde and Saitou (2013)

GeneCNS

CNS

DmouseDhuman

Mouse

Human

CNS-gene distance is evolutionarily more conserved
than gene-gene distance

From Babarinde & Saitou (2016)

From Saber et al. (2016)

From Saber et al. (2016)

Figure 5(a)(b)

がらくたから宝が生まれる現場をつかまえた！

Table 1. Fractions (%) of genomic categories in HS HCNSs and the humangenomeHS HCNS*

Human genome

Intergenic

59.5 (1102)

74.4

Intronic

38.0 (703)24.6

Promoter

1.1 (21)0.6

UTR

1.4 (26)0.4

がらくた＝(c)

進化的に保存されていない、機能がない塩基配列
宝＝

進化的に保存された、機能がある塩基配列* Absolute numbers are given in parentheses.

From Saber et al. (2016)

From Saber et al. (2016)

図7-9 三段階における中立突然変異の割合 (A)DNAB<A

Mutations

斎藤成也 (2007)『ゲノム進化学入門』より

図7-9 三段階における中立突然変異の割合 (B)DNAB<A
斎藤成也 (2007)『ゲノム進化学入門』より

中 立

中 立

Neutral evolution &Positive selection

5D92B<A

5D92B<A

SelectiveConstraints

中 立

中 立

Purifying selection>2C,B<A>2C,B<A

Conserved
Sequences

Introduction to Evolutionary Genomics
Second Edition

本講義の参考書

Author: Saitou Naruya
Publisher: Springer『ゲノム進化学入門』(共立出版, 2007)

Second edition in 2018
First edtion in 20132020年２月刊行予定の日本語の共著のご紹介

斎藤成也の日本語の単著・編集本のご紹介 (2)2009年編2007年著

2005年著

2004年著

1997年著

ラリルレロボットの未来―５分類からみえてくる人間とのかかわり―斎藤成也・太田聡史 共著
勁草書房正の自然淘汰

斎藤成也の日本語の単著・編集本のご紹介 (1)2017年著

斎藤成也著

2009年著

中 立正の自然淘汰

2016年著

2016年監修

2015年著

2011年著