Charles Darwin이 종의 기원에 대한 자연 선택에 의해 그의 진화 이론을 분명히했을 때 1859 년에 그는 유기체가 새롭거나 변화하는 환경에서 생존 할 수있는 변화 인 적응에 중점을 두었습니다. 그는 유리한 적응을위한 선택에 따르면, 고대 조상 형태는 점차 수많은 종으로 다각화 할 수 있도록 허용했다.
그 개념은 너무 강력하여 우리가 진화가 적응에 관한 것이라고 가정 할 수 있습니다. 따라서 반세기 동안 학문적 서클에서 우세한 견해는 그렇지 않다는 것이 놀랍습니다.
선택은 의심의 여지가 없지만 많은 과학자들은 대부분의 진화 적 변화가 게놈 수준에서 나타나며 본질적으로 무작위적이고 중립적이라고 주장했습니다. 자연 선택에 의해 손질 된 적응 적 변화는 실제로 핀을 원시 발로 조각 할 수 있지만, 이러한 변화는 진화 과정에 약간의 기여 만하며, DNA의 구성은 실제 결과없이 가장 자주 변합니다.
.그러나 이제 일부 과학자들은 중립 이론으로 알려진이 아이디어에 반대하고 있으며, 게놈은 이론이 지시하는 것보다 진화 된 적응의 훨씬 더 많은 증거를 보여줍니다. 이 논쟁은 생물 다양성을 생성하는 메커니즘에 대한 우리의 이해, 자연 인구의 크기가 시간이 지남에 따라 어떻게 변한 지에 대한 추론 및 종의 진화 역사 (우리 자신을 포함한)에 대한 우리의 추론에 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 미래에있는 것은 최고의 중립 이론에서 이끌어내는 새로운 시대일지도 모르지만 선택의 실제적이고 경험적으로 지원되는 영향을 인식합니다.
변형의 "감사 할 수있는 분수"
다윈의 핵심 통찰력은 불리한 특성을 가진 유기체가 부정적인 (또는 정화) 선택을 통해 천천히 제거 될 것이며, 유리한 특징을 가진 사람들은 더 자주 재생산되어 다음 세대 (긍정적 선택)에 해당 기능을 전달한다는 것이었다. 선택은 이러한 귀중한 특성을 확산시키고 개선하는 데 도움이됩니다. 20 세기 전반의 대부분의 경우, 인구 유전 학자들은 긍정적 인 선택을 통한 집단과 종의 유전 적 차이를 크게 기인했습니다.
그러나 1968 년, 유명한 인구 유전 학자 모투 키무라 (Motoo Kimura)는 그의 중립적 인 분자 진화 이론으로 적응 주의적 관점에 저항했다. 간단히 말해서, 그는 종의 유전 적 변이의“상당한 분수”는 유전 적 드리프트의 결과, 즉 유한 한 집단에서의 무작위의 영향 - 자연 선택보다는 대부분의 차이가 생존과 생식에 대한 기능적 결과가 없다고 주장했다.
.이듬해, 생물 학자 Jack Lester King과 Thomas Jukes는 진화 과정에서 임의의 유전 적 변화의 중요성을 강조한 기사 인“Darwinian Evolution”을 출판했습니다. 그 후 새로운 중립 주의자들과 더 전통적인 적응 주의자들 사이에 양극화 된 논쟁이 나왔다. 모든 사람들이 정화 선택이 해로운 돌연변이를 제거 할 것이라고 동의했지만, 중립 주의자들은 유전자 드리프트가 집단이나 종의 대부분의 차이를 설명하는 반면, 적응 론자들은 적응 특성에 대한 긍정적 인 선택으로 인정했다.
.Yale Public Health School of Public Health School의 생물 역사 학자이자 진화 생물학 교수 인 Jeffrey Townsend에 따르면, 대부분의 논쟁은 Kimura가 유전자 변이의“상당한 분수”에 의해 의미하는 바에 달려 있습니다. “50 %입니까? 5 %, 0.5 %입니까? 모르겠다”고 말했다. Kimura의 이론에 대한 원래의 진술은 정량적이 아니라 질적 이었기 때문에“그의 이론은 후기 데이터에 의해 무효화 될 수 없었습니다.”
.그럼에도 불구하고, 중립 이론은 많은 생물 학자들에 의해 빠르게 채택되었습니다. 이것은 부분적으로 당시 가장 두드러진 이론적 인구 유전 학자 중 한 명으로 기무라의 명성을 얻은 결과 였지만 이론의 수학이 비교적 단순하고 직관적이라는 데 도움이되었습니다. 오리건 대학교 (University of Oregon University)의 인구 유전학자인 앤드류 컨 (Andrew Kern)은“중립 이론의 인기가 훨씬 쉬워 졌기 때문”이라고 말했다. 중립 이론 50 주년을 축하합니다.
Hahn은 Hahn은 인구에 중립적 인 진화 모델을 적용하기 위해 인구가 얼마나 강력한 지, 인구가 얼마나 큰지, 돌연변이가 지배적인지 열성인지 또는 돌연변이가 다른 돌연변이와 상호 작용하는지 여부를 알 필요가 없다고 설명했다. 중립 이론에서,“추정 할 매우 어려운 매개 변수는 모두 사라질 것입니다.”
중립 모델에 필요한 유일한 주요 입력은 인구 규모의 산물과 세대당 돌연변이율입니다. 이 정보로부터, 중립 모델은 모집단의 돌연변이 빈도가 시간이 지남에 따라 어떻게 변할 것인지 예측할 수 있습니다. 단순성으로 인해 많은 연구자들은 중립 모델을 편리한 "널 모델"또는 그들이 관찰 한 유전자 변이 패턴에 대한 기본 설명으로 채택했습니다.
그러나 일부 인구 유전 학자들은 키무라의 주장에 의해 확신하지 않았다. 예를 들어, 캘리포니아 대학교 (University of California)의 이론적 인구 유전 학자 인 데이비스 (Kern의 박사 과정 고문)는 1970 년대 초반에 일부 자연 선택 기반 모델이 본질적으로 관찰 된 패턴뿐만 아니라 중립 모델뿐만 아니라 중립 모델을 설명 할 수 있다고 밝혔다.
.더 근본적으로, 중립 이론 널 모델을 반증하기에 충분한 데이터가 없더라도 자연 선택이 일어나지 않는다는 의미는 아니라고 샬럿 노스 캐롤라이나 대학교의 진화 유전 학자 인 Rebekah Rogers는 말했다. "데이터가 제한 될 때마다 논쟁은 정말 치열 해집니다."라고 그녀는 말했습니다.
수십 년 동안, 그것은 문제의 핵심이었다. Kimura는 저렴한 시퀀싱 기술 전에 한 번에 중립 이론을 제안했으며, 유전자 서열 데이터가 드물었을 때 폴리머 라제 연쇄 반응이 이용 가능해졌다. 분쟁을 해결하기위한 게놈 변화에 대해 충분히 알지 못했기 때문에 이론적 근거를 제외하고는 신조를 광범위하게 증명하거나 반증하는 간단한 방법이 없었습니다.
중립에 대한 강한 감정
Kimura의 기사가 50 년이 지난 지금,보다 저렴한 게놈 시퀀싱과 정교한 통계적 방법을 통해 진화론 적 이론가들은 적응 적 변화와 종 차이에 대한 중립적 진화의 기여를 정량화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 인간과 과일 파리와 같은 종에서 데이터는 광범위한 선택과 적응을 보여 주었으며, 이는 적어도 일부 연구자들에 의해 기무라의 원래 아이디어에 대한 강한 푸시 백을 이끌었습니다.
.Kern과 Hahn은 최근 기사에서 썼다.
는“종 내에서 그리고 종 사이의 적응 적 변화의 편재성은보다 포괄적 인 분자 진화 이론을 찾아야한다는 것을 의미한다.대부분의 연구자들은 원래 공식화 된 엄격한 중립이 거짓이라는 데 동의하지만, 많은 사람들은 또한 중립 이론의 정제가 그 약점을 다루었다고 지적합니다. 최초의 단점 중 하나는 중립 이론이 서로 다른 집단 크기를 가진 종들 사이에서 관찰 된 다양한 게놈 진화 패턴을 설명 할 수 없다는 것입니다. 예를 들어, 인구 크기가 적은 종은 평균적으로 더 많은 돌연변이를 가지고 있습니다.
이를 해결하기 위해 키무라의 학생 중 한 명인 일본 국립 유전학 연구소의 명예 교수 인 토모코 오타 (Tomoko Ohta)는 1973 년에 거의 중립적 인 분자 진화 이론을 제안했다. Ohta는 모집단 크기가 충분히 크면 정화 선택은 약간의 해로운 돌연변이를 제거 할 것이라고 주장했다. 그러나 소규모 인구에서 정화 선택은 덜 효과적이며 약간 해로운 돌연변이가 중립적으로 행동 할 수있게합니다.
Kern은 거의 중립 이론에도 문제가 있다고 말했다. 예를 들어, 유기체의 다른 계보들 사이에서 관찰 된 바와 같이 진화 속도가 왜 변하는지 설명하지 않았다. 이러한 도전에 따라 현재 Kyushu University의 생물학 교수 인 Ohta와 Hidenori Tachida는 1990 년에 거의 중립적 인 모델의 또 다른 변형을 개발했습니다.
거의 중립 이론의 지위에 대한 의견은 여전히 급격히 다를 수 있습니다. 미시간 대학교에서 게놈의 진화를 연구하고 분자 생물학 및 진화의 특별한 문제에 기여한 Jianzhi Zhang은“거의 중립 이론의 예측이 잘 확인되었습니다. .
Kern과 Hahn은 동의하지 않는다 :거의 중립 이론은“처음부터 많은 설명을하지 않았고, 데이터의 가혹한 눈부심으로부터 매력적인 아이디어를 구하려는 시도로 뒤섞였다”고 이메일에 썼다.
.중립적으로 얼마나 진화 하는가?
Townsend에게는 중립 주의자와 선발 론자 사이의 진행중인 토론은 특히 유익하지 않습니다. 대신 그는“선택이 얼마나 많은지에 대한 정량적 인 질문 일뿐입니다. 여기에는 완전히 중립적 인 일부 사이트와 적당히 선택된 일부 사이트 및 실제로 강하게 선택된 일부 사이트가 포함됩니다. 거기에는 전체 분포가 있습니다.”
Townsend가 진화 생물 학자로서 훈련 한 후 약 10 년 전에 암을 연구하기 시작했을 때, 그는 암 생물 학자들이 게놈의 개별 부위에서 돌연변이 속도에 대한 정보를 드러낼 수있는 세부적인 수준에서 돌연변이를 연구하기 시작한 것을 보았습니다. 그것은 대부분의 인구 유전 학자들이 공부하는 야생 인구에서 얻지 못하는 소중한 정보입니다. 그러나 암 생물 학자는 자연 선택을 연구하는 사람이 거의 없으며, 이것이 Townsend가 진화 생물학에 대한 그의 배경으로 암 분야에 가져온 것입니다.
10 월 말 National Cancer Institute의 저널에 출판 된 논문에서 , Townsend와 그의 Yale 동료들은 암의 돌연변이에 대한 진화론 적 분석 결과를 발표했습니다. "우리가 할 수 있었던 것은 실제로 사이트별로 상이한 돌연변이의 선택 강도가 무엇인지 실제로 정량화하는 것"이라고 그는 말했다. 암 세포는 돌연변이가 있지만, 이들 중 작은 서브 세트만이 암에 기능적으로 중요합니다. 선택 강도는 개별 암 사례에서 다른 돌연변이가 성장을 주도하는 데 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 따라서 어떤 것이 치료 적 목표로 가장 유망한지를 보여줍니다.
Townsend는“선택 강도의 이러한 정량화는 암을 치료하는 방법을 안내하는 데 절대적으로 필수적이라고 생각합니다. “제 요점은 오늘날 의사가 질문을 겪고 있다는 것입니다.이 환자에게 어떤 약을 주어야합니까? 그리고 그들은 약물이 실제로 목표로하는 돌연변이가 얼마나 중요한지에 대한 정량화가 없습니다.” 언젠가, Townsend는이 진화론 적 프레임 워크가 올바른 약물을 선택하고 특정 종양이 치료에 대한 내성을 어떻게 발전시킬 수 있는지 예측하기위한 유전 적 기초를 제공 할 것입니다.
.가장 강력한 선택을받는 돌연변이를 식별하는 것은 분명히 유용하고 중요하지만, 선택은 선택의 대상 인근의 게놈 영역에 미묘하지만 중요한 간접적 인 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 간접 효과의 첫 번째 힌트는 1980 년대와 90 년대에 폴리머 라제 연쇄 반응의 출현으로 연구자들이 처음으로 유전자 서열의 뉴클레오티드 수준 변이를 볼 수있게 해주는 기술입니다. 그들이 발견 한 한 가지는 게놈의 특정 영역에서 유전자 변이 수준과 재조합 속도 사이의 명백한 상관 관계였다.
재조합은 염색체의 모체 및 부계 사본이 감수 분열, 정자 및 난 세포의 생산 동안 서로 DNA의 블록을 교환하는 과정입니다. 이러한 재조합은 게놈 전체에 유전자 변이를 섞어 이전에 함께 있었던 대립 유전자를 분리합니다.
2005 년까지 연구원들은 다양한 유기체로부터 전체 게놈 데이터를 얻을 수 있었고, 유전자 변이 수준과 모든 곳에서 재조합 속도 사이의 이러한 명백한 상관 관계를 찾기 시작했다고 Kern은 말했다. 그 상관 관계는 직접 정화 선택과 중립 드리프트를 넘어서 게놈 환경에 걸쳐 변화 수준에 차이를 생성하고 있음을 의미했습니다.
Kern은 게놈 전체의 재조합 속도의 차이가 유전자 히치 하이킹이라는 현상을 나타냅니다. 유익한 대립 유전자가 인접한 중성 돌연변이와 밀접하게 연결되어있을 때, 자연 선택은 그들 모두에게 한 단위로 작용하는 경향이 있습니다.
유전자 히치 하이킹은 진화론 적 유전 학자들이 갑자기 걱정할 링크 된 선택이라는 완전히 새로운 힘을 가졌다 고 말했다. 게놈의 10 %만이 집단에서 직접 선택하는 경우 연결된 선택이 훨씬 더 큰 비율 (30 또는 40 %가 그 효과를 보일 수 있음을 의미합니다.
그리고 그것이 사실이라면, 적응 형 변이체에 대한 선택은 인접한 게놈 영역을 간접적으로 형성하고,“중성 대립 유전자가 유전자 표류 이상에 의해 결정된 주파수를 가지고 있고 대신 선택에 의해 유발 된 새로운 층의 확률 층을 갖는 상황”이라고 설명했다.
Zhang은 연결된 중성 돌연변이가 여전히 중성이라고 지적합니다. 그것들은 유익한 대립 유전자로 히치 하이킹을 할 수 있지만, 그 연계는 무작위입니다. 그들은 유해한 대립 유전자와 쉽게 연결되어“배경 선택”을 통해 잡초를 만들 수 있습니다. 그래서 중성 돌연변이의 운명은 여전히 우연히 결정됩니다.
Kern은 동의합니다. 중성 돌연변이는 여전히 중립적이지만 중립 이론이 예측하는대로 행동하지 않습니다. 그는 링크 된 사이트에서의 선택을 정화하는 것은“드리프트를 넘어 대립 유전자 주파수에 소음을 더할 것”이라고 썼다. 배경 선택과 히치 하이킹은 중립적 인 것보다 유전 적 변화를 줄일 것이다.
중립 모델과 인간 진화
Kern과 Hahn은“중립 모델은 의심 할 여지없이 엄청난 이론적 열매를 맺었다. “제안 후 50 년 동안 저렴한 게놈 시퀀싱 및 엄청난 인구 게놈 데이터 세트의 시대에 중립 이론의 설명력은 훨씬 더 나빠 보인다.”
.인간에서 최근의 증거는“우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 적응이있다”고 말했다. 최근의 인간의 진화는 주로 인간이 새로운 기후와 병원체를 낳은 새로운 지리적 장소로의 이주의 역사입니다. 2017 년에 Kern은 인구를 통해 빠르게 퍼지는 새로운 돌연변이가 아니라 게놈 내에서 대부분의 인간 적응이 게놈 내에서 기존의 유전 적 변이에서 발생한다는 것을 보여주는 논문을 발표했습니다.
그럼에도 불구하고 워싱턴 주립 대학의 진화 게놈 학자 인 오마르 코네 조 (Omar Cornejo)는 그럼에도 불구하고 인간 게놈의 약 1 %만이 단백질을 코딩한다고 말했다. 어쩌면 게놈의 약 20 %가 해당 코딩 영역이 언제 어디서 표현 될 수 있는지 조절할 수 있습니다. 그러나 여전히 알려지지 않은 기능을 가진 게놈의 약 80 %를 남깁니다.
게놈 의이 비 코딩 부분의 일부는 게놈 전체에 스스로를 복사하고 삽입하는 트랜스 포블 유전자 요소, 또는 트랜스 포손에 의해 야기 된 반복 DNA 서열로 수수께끼가있다. 시카고 대학교의 해양 생물학적 실험실에서 트랜스 포손의 역할을 연구하는 분자 진화 유전 학자 인 이리나 아르크 리포 바 (Irina Arkhipova)에 따르면,“게놈 의이 부분은 키무라의 의미에서 전형적으로 중립적이다”고 말합니다. 이로 인해 게놈의 비 기능 영역에 적용되는 중성 모델은 인간 인구 (및 다양한 다른 유기체)의 인구 통계 학적 병력을 매우 정확하게 추론하는 데 사용될 수 있다고 Cornejo는 말했다.
컨은 동의하지 않습니다. "나는 인간 인구 통계 학적 역사를 정확하게 추정하고 있는지 전혀 모른다고 주장한다"고 그는 이메일로 썼다. 중립적으로 진화하는 인구를 계산적으로 시뮬레이션하면 인구 통계학을 추정하는 방법이 효과가 있습니다. 그러나 연결된 선택을 소개하면 해당 방법이 실패합니다.
Kern은 인간 게놈의 비율이 기능적이지만 유전자 연계는 게놈의 크고 알려지지 않은 크기에 닿는다 고 생각합니다. 인간 게놈의 적응에 대한 축적 증거로 인해, 게놈의 일부 부분은 연결된 선택의 영향을받을 것으로 보인다. "우리는 그 분수가 얼마나 큰지 모릅니다."
elife 의 최근 논문 Bern University of Bern의 Fanny Pouyet과 그녀의 전산적 유전 학자 동료들과 스위스 생물 정보학 연구소는 그 숫자를 줄입니다. 저자들은“인간 게놈의 최대 80-85 %가 배경 선택의 영향을받을 것입니다.
그들이 DNA 복구 동안 재조합이 도입 될 수있는 유전자의 편향된 변화를 추가로 설명 한 후, 인간 게놈의 5 % 미만이 우연히 진화했다고 결론 지었다. elife 의 편집자로서 논문의 요약에 주목할 때,“이것은 우리의 유전 물질의 대부분이 비 기능적 서열로 형성되지만 대부분의 선택은 어떤 유형의 선택하에 간접적으로 진화한다는 것을 암시한다.”
.생물 학자들이 선택의 미묘한 힌트를 인식하는 법을 배우 면서이 추정치가 훨씬 높아질 수 있습니다. 인구 유전체학의 새로운 국경은 다 유전자주의 인 높이, 피부색 및 혈압 (많은 것 중에서)과 같은 특성에 초점을 맞추고 있습니다. 예를 들어, 더 큰 높이에 대한 선택은 영향을 미치기 위해 다수의 분산 된 유전자에서 변화를 쌓아야합니다. 마찬가지로, 농민들이 더 높은 수율을 위해 옥수수 균주를 선택할 때, 일반적으로 많은 유전자에 동시에 그 영향이 나타납니다.
그러나 컨에 따르면 자연 집단에서 다형성 적응을 감지하는 것은“매우 까다로운 사업”이라고한다. 이러한 변경 제품군을 발견하는 통계적 방법은 개발되기 시작합니다. Kern에게는 자연 선택에 총체적으로 중요한 개별 돌연변이 빈도에 많은 작은 변화가 포함되기 때문에 적응의“다른 풍미”를 이해하는 법을 배우는 것이 포함될 것입니다.
.다시 말해, 그것은 게놈 진화에 영향을 미치는 또 다른 비 중립 메커니즘입니다. 중립 이론이 지난 반세기 동안 다양한 형태로 유용한 것처럼, 진화론의 미래는 필연적으로 어떻게 우리의 게놈을 형성하는 방법과 얼마나 많은 선택을 정확하게 파악하는 데 어려움을 겪는 어려운 방법을 찾는 데 필연적으로 달라질 수 있습니다.
.11 월 9 일에 추가 된 수정 :이 기사의 원본 버전은 중립 모델에 필요한 키 입력을 잘못 사용했습니다.
