中立理论及大致中立理论的发展

前面扼要地介绍了中立理论的证据。笔者还想扼要地向读者介绍一下中立理论发表之后的进展脚步。2009年在日本《遗传》杂志上刊登了由日本著名群体遗传学家、分子进化学者、木村资生的密切合作者太田朋子（Ohta Tomoko，1933— ）所撰写的一篇题为“群体遗传学的概率过程和中立理论及大致中立理论的发展”的文章。对分子进化学的发生及其在1960年代、1970年代、1980年代、1990年代的发展以及面对21世纪的展望，作了条理分明、言简意赅的陈述。太田朋子曾与木村资生一起发表过许多关于分子进化中立理论的论文与著作，可谓是中立理论的第二把手。她在1973年又进一步提出“大致中立的理论”，故于此篇文章的题目中出现了“大致中立理论”（slightly deleterious mutant）的字样。为了让读者了解分子进化学的产生，在4个10年（从1960年代到1990年代）中的发展以及“大致中立理论”的内容，故将太田朋子的这篇文章译出。所谓“大致中立突变”，在她发表的日文论文里是用“ほぼ中立”来表述的。日文ほぼ是“大约”、“大致”、“大体上”或“几乎”的意思。其英文论文是用slightly deleterious mutant（轻微有害的突变）来表述的。下面是太田朋子文章的译文。

群体遗传学的概率过程和中立理论及大致中立理论的发展

1.前言

我进入（日本国立）遗传学研究所工作的1967年是分子进化学即将问世的好时期。翌年，中立理论发表。此后在进化学界开始了大争论。

群体遗传学是由R.A.费希尔、J.B.S.霍尔丹以及S.赖特开创并发展起来的。群体遗传学认为，基因频度在群体内的增减主要是由于自然选择的作用所导致。而S.赖特认为偶然的效果也是很重要的，并且对群体遗传的概率过程进行了深入解析。使赖特的概率过程研究进一步大发展的是（日本）遗传学研究所的木村资生。

木村这个名字，在1950年代、1960年代，在欧美群体遗传学界就已广为知晓了。下面根据木村的著作（《分子进化的中立学说》），对概率过程进行说明。

2.群体中突变基因的增减

在实际的进化过程中，生物群体中常常有新的突变发生，其大多数是有害的，故几个世代之后，自然选择便将其从群体中消除掉。可是，生物还产生非有害的突变，即与自然选择无关（中立）的突变，或为数极少的有利变异，这两类突变自然成了进化的原动力。应该注意之点是，甭说中立突变，即便是有利的突变，如果在群体中只产生1个，大部分情况，也是要从群体中消失掉的。

基因频度随着繁殖由于偶然的原因而发生变动的情况谓之“遗传漂变”。可对此，却常被误解。兹以图说明之。现在，假想群体是由4个个体组成。在第1代，A1（黑点）和A2（白点）的基因频度各为50%。在第1代，产生了很多的配子，A1和A2各出50%的份额组成基因的集合体（称为“基因库”——gene pool）。可是，在生殖时，从基因库中只随机地偶然地抽出极其少数基因参与下一代的形成，因此，如图所示，A1和A2的频度随机地发生增减。

却说，基因频度在偶然的影响下与方向一定的自然选择的影响下发生变化时，偶然的影响和方向一定的自然选择的影响，两者中哪个更为有效地起作用呢，便成为问题。现在，假定参与下一代形成的亲代个体数为N，亲代的配子数则为2N。如果专注某个基因座位，就将抽出2N个同源基因，基因频度发生多少波动就依抽样而定。对自然选择仅s有利的突变基因，与别的等位基因相比，仅s超额地传到下一代去。用概率论进行解析的话，如果群体大小的程度为N和自然选择的有利性程度s之积的绝对值比1大得多的话，是自然选择在有效地起着作用，突变基因的行为是由自然选择决定。出现相反的情况，即在│Ns│比1小得多的时候，偶然的效果增大，可认为是中立基因在行动。当│Ns│在1附近时，表示基因频度是在自然选择和遗传漂变两者的影响下发生着变化。

表示基因频度由于偶然因素而产生变化的模式图

3.中立理论和大致中立理论的发展

其次，回顾中立理论以及大致中立理论的发展，以及对今后发展进行思考。

（1）1960年代

朱克坎德尔（E.Zuckerkandl）和波林（L.C.Pauling）在1965年发表了应该称为分子进化学的经典论文，提出了分子进化钟的概念。木村资生发表中立理论是在1968年，中立理论是基于遗传负担的想法提出来的。所谓遗传负担是霍尔丹提出的概念，是表示因具有有害基因而死掉的个体的比例。某物种中遗传负担的值过于大的时候，该种就变得不能生存。根据当时已了解的几种蛋白质的进化速度来推算整个基因组的进化速度时，所得的值是过于大了，使种的存续变成不可能。木村的中立理论就是基于此点提出来的。

木村的大贡献，在于将蛋白质的进化速度的数据和群体遗传学的理论结合了起来。特别是，中立理论的根本是，中立的突变率v和进化速度k是相等的，表示下面的非常简单的公式成立，k=v。在翌年的1969年，金（J.L.King）和朱克斯（T.H.Jukes）发表了题为“非达尔文进化”的论文，展开了更为一般性的议论。另外，从事群体遗传学研究的人们利用电泳的方法，以各种酶蛋白为考察对象，研究若干物种的蛋白质多样性。并且许多群体遗传学家和进化遗传学家发表了批判中立理论的理论。

（2）1970年代

人们认识到了蛋白质的进化速度是多种多样的，而蛋白质的进化速度是受蛋白质的功能及结构所制约，确立了所谓的功能制约的概念。另外，关于蛋白质多样性的研究，也搞清了多样性的程度在各种生物里都归拢到相当狭窄的范围里的事实。

曾作为实验群体遗传学中心人物的雷温廷（R.C.Lewontin）认为，多样性的程度因种不大有差别的事实与中立理论的预测不符，批评中立理论是错误的。

作者（太田朋子）根据分子钟不依存于世代的长度而依存于年的事实以及蛋白质多型的程度归拢在狭窄的范围内的情况，认为在中立突变和接受淘汰的突变之间会有大致中立的等级存在，而于1973年提出了大致中立理论，发表在《自然》杂志上。在自然选择中，由于有害的变异几乎都被淘汰，那么大致中立在几乎所有场合是意味着“弱有害”。根据群体遗传学的理论，是选择生效还是遗传漂变起作用，依赖于群体的大小。依据木村的固定概率的公式是可以计算的。下图是定量表示突变基因的固定概率。

这个图表示出突变的固定概率和淘汰强度之间有怎样的关系，横轴是群体的大小与选择系数之积的2倍，纵轴是固定概率。是连续函数，可是必须注意的是，选择系数是负的领域即有害选择的情况。在此种情况下，Ns的绝对值如果远大于1的话，自然选择的影响力强，不利的突变基因总是被自然选择从群体中除掉，不能扩展下去。可是，Ns值比1小的时候，s即使是负的，却能极其少地一点点扩展，如下一节所述，可认为对于分子进化的理解上是很重要的。此时，在Ns的绝对值和扩展下去的比例之间呈负相关，有害程度s越发大的话，另外，群体大小N越发大的话，当然就不能扩展下去。与此相反，s在正的领域，即一般所说的达尔文选择，Ns值越大，固定概率越高。所以，如果s是一定的话，可以预测，群体越大固定概率就越高。

就是说，如果群体很大的话，由于弱有害选择有效地起作用，则不能扩展到群体中去，可是，在小群体里就变成中立性的可在群体中扩展，就能变成分子进化的氨基酸置换。故可以期待分子进化速度和群体的大小呈负相关，k∝v/N。现在，对哺乳类动物的几个种想想看，一般说来，体格大的种，群体小，世代长；体格小的种，则相反，群体大，世代短。于是就会想到，由于世代的长短对突变率的效果和群体大小对突变扩展比例的效果是相互抵消的，那么，每年几乎是一定的分子进化钟便成立了。下面的模式图表示是怎样对新的突变进行分门别类的。

作为2Ns的函数表示突变基因的固定概率u（p）的图（p是初期频率）

（3）1980年代

像前边讲的那样，反对中立理论的论文是非常多的，可在1981年发表了功能已经死亡了的伪基因的碱基序列的报告，由李等（W.H.Li，T.Gojobori，& M.Nei）以及宫田、安永等探明了伪基因迅速进化的事实。这个事实用自然选择的理论是难以说明的，而与中立理论的预测相符合。所以如此，是因为伪基因没有功能的制约，进化速度快是理所当然的。以伪基因报告的出炉为界，中立理论在分子水平上是正确的见解扩展开来，论战也似乎结束了。

可是，群体遗传学与进化遗传学的学者们认为有必要进行更详细的解析，故而进行了各式各样的尝试。例如，吉莱斯皮（J.H.Gillespie，1984）对分子进化速度波动的事实看得很重要，认为自然选择的模型可以很好地加以说明。

（4）1990年代

由于DNA碱基序列的数据积累起来，从前不能解析的现在可以进行解析了。作者（太田朋子）用哺乳动物的基因数据对前面讲过的中立理论和大致中立理论在预测上的不同，即k=v和K∝v/N的不同进行了调查研究。下图表示关于3种哺乳动物的49个为蛋白质编码的基因领域同义置换及非特异置换的枝的长度。

从图可以看到，枝长度的不同，在同义置换里表现显著；在非同义置换里相差很少。这个事实说明，在非同义置换里，弱有害选择在比人类群体为大的鼠类群体中更为有效地起着作用。这与大致中立理论的预测是相符合的。

另一方面，在群体遗传学领域里，盛行着对DNA水平多样性进行研究，试图通过近缘物种之间的进化式样（pattern）的比较而检出自然选择的作用。在J.H.麦克唐纳（J.H.McDonald）与克雷特曼（M.Kreitman）的测试中使用了2×2表。

表示基于自然选择理论、中立理论、大致中立理论对突变如何进行分门别类的

J.H.麦克唐纳与克莱特曼的测试（果蝇乙醇脱氢酶基因）

在哺乳动物的灵长类、偶蹄类、啮齿类的3个系统中，通过49个基因序列比较所做成的同义置换和非同义置换的系统树。0.137，0.184……表示枝的长度。

此表中同义置换和非同义置换的数值是种内及种间做比较时通过调查若干样本作出来的。依据这个表，J.H.麦克唐纳与克莱特曼认为，乙醇脱氢酶（ADH）的氨基酸的置换不是中立的，种间的差别是自然选择作用的结果。

对其他基因也做了这样的解析，结果发现了各种情形。有的像ADH那样式样的，有的可用中立理论说明的，有的在种内与种间出现了和ADH相反的情形。在这些测试中，问题是出在弱选择对同义置换起作用以及群体的大小变化不定等因素上。

4.面向21世纪的进展

进入21世纪之后，基因组计划和基因组多样性计划有了大的发展。利用分子进化的研究方法对数据进行解析成为大趋势。现在，用基于中立理论模型预测的式样（pattern）和实验数据做比较，试图发现自然选择效果的许多尝试正在进行着。利用更多的数据，对同义置换和非同义置换进行比较的方法也在做更为详细的解析。关于前边的世代效果和群体大小的效果，相当广泛地得到了基因组水平的数据的支持。还有很多试图发现更加积极的达尔文效果的尝试也在进行着。

更加饶有兴趣的发展是有关基因表达的进化的研究。有一种观点认为，生物形态的进化原本就不是为蛋白质编码的基因本身，而是起因于基因表达调节的变化（M.C.King & A.C.Wilson，1975）。如果考虑个体的发生过程与形态形成，这大概是理所当然的。例如，凯托利奇（P.Khaitorich）等人通过在mRNA水平上的测定研究人和黑猩猩的基因表达的式样（2006）。而且许多器官（的发生过程和形态形成）用中立理论模型或大致中立理论模型是可以说明的，而仅睾丸例外，是用达尔文选择说明基因表达的进化。另外，根据要弄清楚人的细胞中所有转录产物的人类基因组DNA元件百科全书（ENCODE）计划，在基因组的几乎所有领域都有转录活动，似乎产生出许多多余的转录产物。这样的多余的转录活动也可认为是中立的或几乎是中立的。而且多余的转录活动也有可能与将来的进化相联系。

关于基因组构成本身的进化，也有人提出是中立的或大致中立的论述。林奇等人（Lynch，2003）阐明了基因组构成含有或多或少的重复序列或重复基因，高等生物的基因组构成较低等生物的要复杂，以及高等生物的群体大小要比低等生物的小，于是，认为基因组构成的进化主要是依赖于漂变。

如上所述，不仅是在基因的碱基序列，在表达的调节以及基因组构成等如是多的水平上，中立的或大致中立的进化变得重要起来。而且，发生生物学和系统生物学带来了更为有趣的展开。就是说，生物基因表达系统是稳健的，各个突变效果屡屡起缓冲的作用，在表型上并不表现（A.Wagner，2005）。21世纪，中立理论或大致中立的理论将进一步被采纳。这意味着中立或大致中立的突变在进化中的作用比迄今所想到的要多。而且这暗示着中立理论以及大致中立理论与表型间的联系。关于这个问题的更为详细的解说，希望参考作者（太田朋子）所著的《分子进化的大致中立理论》（“Blue Backs”，讲谈社，2009），期待通过选择与遗传漂变一道讨论进化机制的发展。