多様性の生物学

1. 多様性の生物学 第９回　多様性を促す内的要因 和田　勝 東京医科歯科大学教養部

2. 自然選択による進化 １）生物の集団に変異（variations）が 　存在すること ２）変異は親から子に伝わること ３）環境の収容力が繁殖力よりも小さ 　いこと ４）その環境のもとでは、変異に応じて 　次世代に子を残す期待値に差が生 　じること

3. 形質と変異 メンデル遺伝学では形質（表現型）と 遺伝子の対応を一意に考えていた。 遺伝子型　　　→　　　　表現型 （genotype） 　　　　　　　（phenotype） DNA　　　　　→　　　　タンパク質

4. 形質と変異 実際には、一つの形質が一つの遺伝子に支配されている例ばかりではない。 複数の遺伝子の働きで一つの形質が決まる場合、量的は変異が生じる。 たとえば皮膚の色にはいろいろな段階がある。３つの遺伝子座が関係すると考えると、、、

5. 個体群内の変異

6. 個体群内の変異 ヒトの場合、背の高さ、体重、皮膚や髪の毛の色など複数の遺伝子がかかわる。

7. 変異、自然選択、進化 変異はDNAのレベルで起こる。 自然選択は個体のレベルで起こる。決して遺伝子のレベルでは起こらない。 進化は個体群で起こる。決して個体のレベルでは起こらない。

8. 集団遺伝学 そこで個体群(集団、population）を対象とした、集団遺伝学の考えが重要になる。 集団遺伝学では、次のように考える。

9. 集団遺伝学 個体群を構成している各個体は、すべての遺伝子座について、全く同一な対立遺伝子（allele）を持つのではない。 個体群を構成する各個体の持っているすべての遺伝子座の対立遺伝子を合わせたものを、その個体群の遺伝子プール（gene pool）と呼ぶ。

10. 遺伝子プール内の変異は、それぞれの遺伝子座に対応する対立遺伝子の相対的な比率で表すことができる。遺伝子プール内の変異は、それぞれの遺伝子座に対応する対立遺伝子の相対的な比率で表すことができる。 これを、対立遺伝子頻度あるいは単に遺伝子頻度（gene frequency）と呼んでいる。 この遺伝子頻度を取り扱うのが集団遺伝学。

11. ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性生殖をおこなう集団における対立遺伝子の頻度は、一世代で一定となり、その後、世代を越えて一定に保たれる。また、遺伝子型の頻度は、この遺伝子型を構成する遺伝子の頻度の積で表すことができる。」 1908年に標記2人が独立に発見。

12. 成立の条件 １）新しい対立遺伝子が生じない ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺 　伝子が入ることも、出て行くこともない ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 　変化が偶然におこることはない ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 　生き残って同等に繁殖する ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 　わせられる

13. 具体的に ある個体群の遺伝子プールが次のような対立遺伝子を持つとすると、 A と a 遺伝子型は AA、Aa、aa となる。

14. 具体的に それぞれの遺伝子型を持つ個体が同数いるとすると、 AA＝Aa＝aa＝0.3333 したがってAとaの頻度は A＝a＝0.5 これが親の代。それではF1は？

15. 組み合わせは9通り AA　ｘ　AA AA　ｘ　Aa AA　ｘ　aa Aa　 ｘ AA Aa ｘ　Aa Aa ｘ　aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ aa

16. F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ aa AAｘAA 4 ｘ AA 雄の配偶子 雌の配偶子

17. F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ aa 4 ｘ AA 2 ｘ AA 2 ｘ AA 4 ｘ Aa 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ Aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ aa

18. 4 ｘ AA 2 ｘ AA 2 ｘ AA 4 ｘ Aa 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ Aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ aa F1世代は？ 合計 9 ｘ AA 18 ｘ Aa 9 ｘ aa

19. F1世代は？ 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝9：18：9＝1：2：1 表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1 遺伝子頻度はA＝9ｘ2＋9、 a＝9＋9ｘ2でともに27で頻度は0.5

20. F2世代は？ AAｘ AAAa ｘ AA AAｘ AaAa ｘ Aa AAｘ Aa Aa ｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ aa Aa ｘ AA aa ｘ AA Aa ｘ Aa aa ｘ Aa Aa ｘ Aa aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ aa の16通りの組み合わせ

21. F2世代は？ AAAaaa AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ Aa aa ｘ aa • 4 • 2 2 • 2 2 • 4 • 2 2 • 1 2 1 • 2 1 • 2 2 • 2 2 • 1 2 1 • 1 2 1 • 2 2 • 4 • 2 2 • 2 2 • 4

22. 合計 16 ｘ AA 32 ｘ Aa 16 ｘ aa F2世代は？ 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝16：32：16＝1：2：1 表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1 遺伝子頻度はA＝16ｘ2＋16、 a＝16＋16ｘ2でともに48で頻度は0.5

23. ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性生殖をおこなう集団における対立遺伝子の頻度は、一世代で一定となり、その後、世代を越えて一定に保たれる。」 「また、遺伝子型の頻度は、この遺伝子型を構成する遺伝子の頻度の積で表すことができる。」

24. ハｰディ－・ワインベルグの法則 （AA+2Aa）:aa＝0.75：0.25 となる。

25. 法則の一般化 対立遺伝子の頻度を文字を使って表して、対立遺伝子のAの頻度をp、aの頻度をqとする。 当然、p＋q＝1

26. 法則の一般化 (p+q)2＝p2+2pq+q2 (pA+qa)2＝p2AA+2pqAa+q2aa

27. 法則の応用 ハーディー・ワインベルグの平衡状態にある個体群では、対立遺伝子の頻度から遺伝子型の頻度を計算できる。 たとえば、A(p)を0.60、a(q)を0.4としてみよう。 AAの頻度＝p2 = (0.60)2 = 0.36 aaの頻度＝q2 = (0.40)2 = 0.16 Aaの頻度＝2pq＝2x(0.60)x(0.40)＝0.48

28. 法則の応用 上に述べた対立遺伝子の頻度を持った500頭の個体群がいたとすると、それぞれの遺伝子型をもった個体の数はどうなるだろうか。 AAの個体数＝0.36x500＝180 Aaの個体数 ＝0.48x500＝240 aaの個体数 ＝0.16x500＝ 80

29. 法則の応用 逆に遺伝子型の頻度がわかれば、遺伝子頻度が計算できる。 集団遺伝学では、このハーディー・ワインベルグの法則を出発点とする。 日本人全体を一つの近似的に理想的な個体群とみなして、遺伝子頻度の計算に数学的な取り扱いを適用する。このような集団をメンデル集団と呼ぶ。

30. 複対立への法則の拡張 ABO式血液型 糖鎖の違いである

31. ABO式血液型 －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（ABO抗原の前駆糖鎖） フコース転移酵素（酵素H） －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（H（O）型糖鎖） ｜ Fuc アセチルガラクトサミン 転移酵素（酵素A） ガラクトコース 転移酵素（酵素B） Gal-GlcNAc-Gal-GalNAc（A型糖鎖） ｜ Fuc Gal-GlcNAc-Gal-Gal（B型糖鎖） ｜ Fuc

32. 血液型 遺伝子型 酵素 赤血球 表面糖鎖 血清中の 抗体 A型 IAIA, IAi "H", "A" A, H anti-B B型 IBIB, IBi "H", "B" B, H anti-A AB型 IAIB "H", "A", "B" A, B, H なし O型 ii "H" H anti-A, anti-B ABO式血液型 この３種の酵素を遺伝子がコードしている。

33. ABO式血液型 AとBの間には優劣関係がなく、AとBはOに対して優性である。 ABO遺伝子は、第９染色体上にある （9q34）。A遺伝子はA酵素を、B遺伝子はB酵素をコードしている。354アミノ酸。 O遺伝子は、A遺伝子の88番目のコドンのG 塩基が欠失しフレームシフトが起こり11７個のアミノ酸、酵素活性ない。

34. 法則の拡張 (pA+qB+rO)2＝ p2AA+2prAO+ q2BB+2qrBO+ 2pqAB+ r2OO 表現型A 表現型B 表現型AB 表現型O

35. 具体例 日本人の献血者の全国資料によると、A型は1,725,950人、B型は988,996人、AB型は444,979人、O型は1,305,924人 （合計4,465,349人） A型 ＝0.386521（p2＋2pr） B型 ＝0.221482（q2＋2qr） AB型＝0.099540（2pq） O型 ＝0.292457（r2）

36. 具体例 ここからrはすぐに求められる。 r2＝0.292457なのだから r ＝SQRT（0.292457） 　＝0.540793

37. 具体例 pとqはチョット工夫をして q ＝1－（p＋r）＝1－SQRT（(p＋r)2） 　＝1－SQRT（p2＋2pr＋r2） 　＝1－SQRT（0.386521＋0.292457） 　＝0.175999 p ＝1－（q＋r）＝1－SQRT（(q＋r)2） 　＝1－SQRT（q2＋2qr＋r2） 　＝1－SQRT（0.221482＋0.292457） 　＝0.283104

38. 具体例 したがって、日本人というメンデル集団のABO式血液型を支配する遺伝子A （IA）、B（IB）、O（i）の頻度は、それぞれ 0.283、0.176、0.541である。 この遺伝子頻度は、民族によってそれぞれ異なっている。

39. 集団遺伝学 集団遺伝学では、遺伝子型頻度でなく遺伝子頻度を基本の数量とする。 これは、遺伝子頻度のほうが不連続性がない、集団の中の遺伝子頻度は変化しにくいので数量化モデルをあてはめやすい、ためである。 集団遺伝学は、交配実験が行なえない集団に対して有効。

40. 実際には ハーディー・ワインベルグの法則が成り立つのは、5つの条件を備えた理想的な個体群においてである。 しかし、実際にはこのような個体群はりえない。 突然変異によって新たな対立遺伝子が生じ、個体群間の個体の移動によって遺伝子の流入や離脱が起こる。

41. 実際には また、すべての個体が繁殖に参加できるとは限らないし、個体群の大きさによっては、偶然的は変動が起こることがある。 すなわち、遺伝子頻度に変化が起こる。 これは、進化が起こるということである。

42. 進化は １）新しい対立遺伝子が生じない 突然変異（mutation） ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺 　　伝子が入ることも、出て行くこともない 遺伝子流（gene flow） ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 　　変化が偶然におこることはない 遺伝的浮動（genetic drift） ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 　　生き残って同等に繁殖する 自然選択（natural selection） ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 　 わせられる 非ランダム交配（non-random mating）

43. 進化は 「進化」を集団遺伝学の立場から見るとこれらの５つの要因が、単独あるいは複合して個体群にはたらき、遺伝子頻度に変更を加えることだと定義することができる。

44. 遺伝子頻度変化の要因は 新しい対立遺伝子が生じるのは 突然変異、遺伝子流 遺伝子が世代を受け渡されるとき変更が生じるのは 自然選択、遺伝子浮動非ランダム交配

45. 変異、自然選択、進化 変異はDNAのレベルで起こる。 自然選択は個体のレベルで起こる。決して遺伝子のレベルでは起こらない。 進化は個体群で起こる。決して個体のレベルでは起こらない。