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중립 진화 이론

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1. 개요

중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원동력이 자연 선택이 아닌, 중립적인 돌연변이의 유전적 부동에 의한 것이라는 이론이다. 1968년 키무라 모토오와 1969년 킹과 주크스에 의해 독립적으로 제안되었으며, 그 이전에도 중립 돌연변이에 대한 수학적 이론이 제시되었다. 이 이론은 유전자 다형성과 분자 시계, 유효 집단 크기와 선택 효율 간의 관계 등을 설명하며, 거의 중립 이론, 구성적 중립 진화 이론 등으로 발전했다. 중립 진화 이론은 자연 선택과 병립 가능하며, 분자 시계, 종 분화 연구, 생태계 다양성 연구 등 다양한 분야에 응용된다.

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중립 진화 이론
개요
제안자기무라 모토오
최초 제안 시기1968년
관련 학문집단유전학, 분자생물학, 진화생물학
상세 내용
핵심 주장분자 수준에서의 대부분의 진화적 변화는 자연 선택에 의한 적응적 변화가 아니라, 선택적으로 중립적인 돌연변이의 무작위적인 고정으로 인해 일어난다.
중립 돌연변이생존이나 번식에 유의미한 영향을 미치지 않는 유전자 돌연변이.
유전적 부동작은 집단에서 유전자 빈도가 무작위적으로 변동하는 현상.
분자 시계중립 돌연변이의 고정 속도가 일정하다면, 이를 이용하여 종의 분기 시기를 추정할 수 있다.
다양성 유지자연 선택이 유전적 다양성을 감소시키는 반면, 중립 돌연변이는 다양성을 유지하는 데 기여한다.
비판 및 논쟁
선택론자일부 학자들은 자연 선택이 분자 진화에서 더 중요한 역할을 한다고 주장한다.
거의 중립적인 모델거의 중립적인 돌연변이는 선택에 의해 약간의 영향을 받을 수 있으며, 집단의 크기에 따라 진화에 기여하는 정도가 달라진다.
영향
분자 진화 연구분자 진화 연구의 중요한 이론적 토대를 제공했다.
유전체 분석유전체 데이터 분석 및 해석에 활용된다.
진화 모델링진화 모델링 및 시뮬레이션에 활용된다.
관련 연구
스에오카 N. (1962)DNA 염기 조성의 변이 및 이질성에 대한 유전적 기초 연구.
킹 J.L. & 주크스 T.H. (1969)비다윈 진화에 대한 연구.
참고 문헌
기무라 모토오 (1983)The Neutral Theory of Molecular Evolution (분자 진화의 중립 이론).
길레스피 J.H. (1991)The Causes of Molecular Evolution (분자 진화의 원인).
펜첼 T. (2005)전 세계적 분포의 미생물과 그들의 '숨겨진' 종.
라르 D.J.G. 외 (2014)미생물 간의 형태학적 및 분자적 진화의 불일치가 지구상의 생물 다양성에 대한 우리의 개념을 어떻게 수정할 수 있는가.

2. 중립 진화 이론의 기원

1960년대 분자생물학의 발전과 함께 중립 진화 이론이 등장했다. 1930년 로널드 피셔는 중립 유전자 치환에 대한 수학적 유도를 발표했지만, 실제로는 드물 것이라고 보았다.[6][7] 이후 J. B. S. 홀데인, 로널드 피셔, 시월 라이트집단유전학의 원리를 확립하여 유전자 빈도를 분석하는 수학적 접근 방식을 만들었다.[1][10][11]

2. 1. 초기 연구

1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였다.[67] 1960년대 초, 일부 과학자들은 중립 돌연변이가 널리 퍼져 있을 것이라고 제안했다.(Freese, 1962[4]; Freese and Yoshida, 1965[5])

2. 2. 기무라 모토의 중립 진화 이론

1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였다. 1968년 기무라 모토는 이를 바탕으로 중립 진화 이론을 발표하였고[67], 분자생물학 학자들에게 널리 알려졌다. 1969년 젝 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》[68]을 발표하였다.

기무라는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 주지도, 불리하게 작용하지도 않는 "중립적"인 것이라고 보았다. 즉, DNA 단위에서 대부분의 돌연변이는 개체의 적응도에 대해 중립적이다. 중립 진화 이론은 아미노산의 생성을 지시하는 코돈 가운데 일부가 더 이상 독립적인 의미를 갖지 못하는 퇴보를 보인다는 점에서 출발한다. 예를 들어 GCC와 GCA는 모두 알라닌의 생성을 지시한다. DNA 서열의 대다수 구간은 유전정보로 발현되지 않는 "침묵 구간"(비부호화 DNA)인데, 이는 당시 생물학에서 상식이었다. 기무라는 이러한 자명한 사실에서 독창적인 이론을 제시하였다. 대부분의 비부호화 DNA가 중립적이라면 DNA의 돌연변이 역시 대부분 중립적이어야 한다.

중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원인이 중립적인 대립형질이 보이는 유전자 부동에 의한 것으로 본다. 유전자의 자연적인 돌연변이에 의해 발생된 특정한 유전형질은 세대를 거치면서 유전자 부동을 통해 자식 세대로 유전된다. 단세포 생물을 이용한 실험에서 이러한 대립형질의 발현빈도가 보이는 무작위 행보는 실시간으로 관찰될 수 있다. 반면, 유성 생식을 하는 다세포 생물의 경우 이러한 대립형질의 유전자 부동은 생식체를 통하여 자식 세대에 전달되므로 배아의 발생 과정에서 집단 내 대립형질의 유전자 부동이 관찰된다. 이러한 유전자 부동에 따라 세대를 거쳐 대립형질의 발현빈도가 계속 바뀌게 되고, 어떠한 대립형질은 고착되게 된다. 이렇게 고착된 대립형질은 더 이상 발현빈도가 변하지 않으므로 세대를 거쳐 누적되고, 이러한 과정의 반복이 결국 진화로 나타난다.[69]

일부 과학자들은 1962년 Freese[4], 1965년 Freese and Yoshida[5]와 같이 중립 돌연변이가 널리 퍼져 있을 것이라고 제안했다. 그러나 이 이론의 수학적 유도는 1930년 R.A. 피셔에 의해 발표되었다.[6] 하지만 피셔는 중립 유전자 치환이 매우 드물 것이라고 믿을 만한 논리적 근거를 제시했다.[7] 중립 진화에 대한 일관된 이론은 1968년 키무라 모토오와 1969년 King과 Jukes에 의해 독립적으로 처음 제안되었다.[8][9] 기무라는 처음에 종 간의 차이점에, King과 Jukes는 종 내의 차이점에 초점을 맞췄다.

J.B.S. 홀데인, R.A. 피셔, 세월 라이트에 의해 확립된 집단유전학의 원리는 유전자 빈도를 분석하는 수학적 접근 방식을 만들었고, 이는 키무라 이론의 발전에 기여했다.[1][10][11] 홀데인의 딜레마는 선택의 비용과 관련하여 키무라의 동기로 사용되었다. 홀데인은 포유류 계통에서 유익한 돌연변이가 고정되는 데 약 300세대가 걸린다고 추정했는데, 이는 인간과 침팬지 사이의 진화에서 치환 횟수(연간 1.5회)가 유익한 돌연변이로는 설명하기에 너무 높다는 것을 의미한다.

분자 수준에서의 유전자 돌연변이는 그 대부분이 자연 선택에 유리하지도 불리하지도 않은 중립적인 것이며, 그것이 집단에 퍼지는 것은 우연에 의해 결정된다. 즉, 유전자의 확산 결정 요인에는 운(서바이벌 오브 더 럭키스트)과 적자 생존(서바이벌 오브 더 피티스트)이 관련되어 있다.

기무라 모토는 "중립설은 적응 진화의 결정 요인으로서 자연 선택의 역할을 부정하는 것은 아니다"[56]라고 했지만, 이 생각은 다윈의 자연 선택설과 그것에 기반한 진화의 종합설을 부정하는 것으로 오해받아 처음에는 큰 반발을 받았다. 이후, 다양한 증거가 수집되면서 중립설과 자연 선택설은 병립하는 개념임이 밝혀졌고, 대부분의 진화 생물학자들이 양 설은 양립할 수 있는 것으로 받아들이게 되었다.

2. 3. 킹과 주크스의 비다윈 진화 이론

1969년 잭 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라 모토의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》을 발표하였다.[68] 킹과 주크스는 종 내의 차이점에 초점을 맞추었다.[9]

2. 4. 집단유전학의 영향

J. B. S. 홀데인, 로널드 피셔, 시월 라이트가 확립한 집단유전학의 원리는 유전자 빈도를 분석하는 수학적 접근 방식을 제공하여 기무라 모토의 중립 진화 이론 발전에 기여하였다.[1]

3. 중립 진화 이론의 주요 내용

기무라 모토는 1968년 중립 진화 이론을 발표하였다.[67] 1969년 젝 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》[68]을 발표하였다.

기무라는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 가져다주지도 않고 그렇다고 불리한 것도 아닌 "중립적"인 것이라고 보았다. 즉, DNA 단위에서 대부분의 돌연변이는 개체의 적응도에 대해 중립적이다. 중립 진화 이론은 아미노산의 생성을 지시하는 코돈 가운데 일부가 더 이상 독립적인 의미를 갖지 못하는 퇴보를 보인다는 점에서 출발한다. 예를 들어 GCC와 GCA는 모두 알라닌의 생성을 지시한다. DNA 서열의 대다수 구간은 유전정보로 발현되지 않는 이른바 "침묵 구간"(비부호화 DNA)이다.

분자 수준에서의 유전자 돌연변이는 그 대부분이 자연 선택에 유리하지도 불리하지도 않은 중립적인 것이며, 그것이 집단에 퍼지는 것은 우연에 의해 결정된다. 즉, 유전자의 확산 결정 요인에는 운 좋음(서바이벌 오브 더 럭키스트)과 적자 생존(서바이벌 오브 더 피티스트)이 관련되어 있다.

기무라 모토는 "중립설은 적응 진화의 결정 요인으로서 자연 선택의 역할을 부정하는 것은 아니다"[56]라고 했지만, 이 생각은 다윈의 자연 선택설과 그것에 기반한 진화의 종합설을 부정하는 것으로 오해받아 처음에는 큰 반발을 받았다. 이후, 다양한 증거가 수집되면서 중립설과 자연 선택설은 병립하는 개념임이 밝혀졌고, 대부분의 진화 생물학자들이 양 설은 양립할 수 있는 것으로 받아들이게 되었다.

3. 1. 기능적 제약

기능적 제약이 감소함에 따라 돌연변이가 중립적일 확률이 높아지며, 따라서 염기 서열 발산율도 증가해야 한다고 중립 진화 이론은 주장한다.

다양한 단백질을 비교했을 때, 피브리노펩타이드나 프로인슐린 분자의 C 사슬과 같이 활성 분자에 비해 기능이 거의 없는 단백질에서 매우 높은 진화율이 관찰되었다. 키무라 모토와 오오타는 알파와 베타 사슬이 내부 포켓보다 거의 10배나 빠르게 진화한다는 것을 추정했는데, 이는 헤모글로빈의 전반적인 분자 구조가 철 함유 헴 그룹이 있는 내부보다 덜 중요하다는 것을 의미한다.[12]

뉴클레오타이드 치환율이 기능적 제약이 거의 없는 코돈의 세 번째 위치에서 특히 높다는 증거가 있다.[13] 이러한 관점은 세 개의 뉴클레오타이드 (코돈)의 서열이 달라도 동일한 아미노산을 암호화할 수 있는 퇴화된 유전 코드를 부분적으로 기반으로 한다(''GCC''와 ''GCA''는 둘 다 알라닌을 암호화한다). 결과적으로 많은 잠재적인 단일 뉴클레오타이드 변화는 사실상 "침묵"하거나 "발현되지 않으며"(동의어 또는 침묵 치환 참조), 이러한 변화는 생물학적 영향이 거의 또는 전혀 없는 것으로 추정된다.[14]

인슐린의 전구체인 프로인슐린은 A-C-B의 3개 부분으로 구성되어 있으며, 단백질로 합성된 후 중앙 부분인 C 영역이 잘려나가고 나머지 A와 B가 인슐린을 구성함으로써 호르몬으로 작용하게 된다. A·B 영역의 아미노산 치환율에 비해 C 영역의 아미노산 치환율은 6배나 높다. 이는 C 영역은 잘려나가는 부분이기 때문에 여기서의 돌연변이는 자연 선택에 대해 중립적인 경우가 많지만, A·B 영역은 호르몬 자체를 구성하므로 이 영역에서의 돌연변이는 치명적이기 쉽다고 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.

3. 2. 정량적 이론

기무라 모토는 무한 자리 모형(ISM)을 개발하여 돌연변이 대립 유전자의 진화 속도에 대한 통찰력을 제공했다.[15] 만약 vN개체의 세대당 배우자 돌연변이율을 나타내고, 각 개체가 두 세트의 염색체를 가진다면, 각 세대에서 새로운 돌연변이의 총 수는 2Nv가 된다. 이제 k가 돌연변이 대립 유전자 \mu가 집단에 고정되는 진화 속도를 나타낸다고 하자.

:k=2Nv\mu

ISM에 따르면, 선택적으로 중립적인 돌연변이는 각 2N개의 유전자 사본에서 \mu의 속도로 나타나며, 확률 1/(2N)로 고정된다. 2N개의 유전자 중 어느 것이든 집단에 고정될 수 있기 때문에, 1/2N\mu와 같아져 진화 속도 방정식은 다음과 같다.

:k=v

이는 모든 돌연변이가 중립적이라면, 분기된 집단 간에 고정된 차이가 축적되는 속도가 개체당 돌연변이율과 같으며, 집단의 크기와 무관하다는 것을 의미한다. 중립적인 돌연변이의 비율이 일정할 때, 집단 간의 분기 속도도 일정하다. 이는 중립 이론보다 앞선 분자 시계에 대한 근거를 제공한다.[16] ISM은 또한 분자 계통에서 관찰되는 일정한 성질을 보여준다.

이 확률적 과정은, 예를 들어 비중립적인 대립 유전자와의 유전자 연관으로 인한 중립적인 대립 유전자의 유전자 동반 상승이 아닌, 우연한 표집에 의한 무작위 유전자 부동의 방정식을 따른다고 가정한다. 돌연변이에 의해 나타난 후, 중립적인 대립 유전자는 유전자 부동을 통해 집단 내에서 더 흔해질 수 있다. 일반적으로, 그것은 소실되거나, 드문 경우지만 고정될 수 있는데, 이는 새로운 대립 유전자가 집단에서 표준이 된다는 것을 의미한다.

분자 진화의 중립 이론에 따르면, 종 내의 유전적 변이의 양은 유효 집단 크기에 비례해야 한다.

3. 3. 유전자 부동

기무라 모토는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 가져다주지도 않고 그렇다고 불리한 것도 아닌 "중립적"인 것이라고 보았다. 중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원인이 중립적인 대립형질이 보이는 유전자 부동에 의한 것으로 본다. 유전자의 자연적인 돌연변이에 의해 발생된 특정한 유전형질은 세대를 거치면서 유전자 부동을 통해 자식 세대로 유전된다.[69]

단세포 생물을 이용한 실험에서 이러한 대립형질의 발현빈도가 보이는 무작위 행보는 실시간으로 관찰될 수 있다. 반면, 유성 생식을 하는 다세포 생물의 경우 이러한 대립형질의 유전자 부동은 생식체를 통하여 자식 세대에 전달되므로 배아의 발생 과정에서 집단 내 대립형질의 유전자 부동이 관찰된다. 이러한 유전자 부동에 따라 세대를 거쳐 대립형질의 발현빈도가 계속하여 바뀌게 되고 어떠한 대립형질은 고착되게 된다. 이렇게 고착된 대립형질은 더 이상 발현빈도가 변하지 않으므로 세대를 거쳐 누적되고 이러한 과정의 반복이 결국 진화로 나타난다.[69]

돌연변이에 의해 나타난 후, 중립적인 대립유전자는 유전자 부동을 통해 집단 내에서 더 흔해질 수 있다. 일반적으로, 그것은 소실되거나, 드문 경우지만 고착될 수 있는데, 이는 새로운 대립유전자가 집단에서 표준이 된다는 것을 의미한다.

4. "중립론-선택론" 논쟁

1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였고, 1968년 기무라 모토는 이를 바탕으로 중립 진화 이론을 발표하였다.[67] 1969년 젝 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》[68]을 발표하였다.

키무라의 이론이 발표되었을 때, 다형성 및 고정된 대립유전자의 상대적 비율이 "중립적"인지 "비중립적"인지에 대한 논쟁이 격렬하게 벌어졌다. 중립 이론이 진화를 잘 설명하는지 여부를 테스트하기 위한 많은 수의 통계적 방법(예: 맥도날드-크라이트먼 검정[19])이 있으며, 많은 저자들이 선택의 탐지를 주장했다.[20][21][22][23][24][25]

오타 토모코는 키무라의 제자였으며, 중립설에 "거의 중립적인" 선택성이라는 개념을 도입하는 중요한 일반화를 이루었다.[60][61][62] 즉, 유전자가 대부분 부동의 영향을 받는지, 선택의 영향을 받는지 여부는 교배 집단의 유효한 크기에 따라 결정된다고 주장한다. 중립설파와 선택설파의 논쟁은 잠잠해졌지만, 중립 유전자와 비중립 유전자의 비율에 관한 문제는 아직 계속되고 있다.

4. 1. 중립론의 주장

유전자 다형성은 특정 유전자, 즉 이들이 생산하는 단백질의 다른 형태가 종 내에서 공존하고 있음을 의미한다. 선택론자들은 이러한 다형성이 균형 선택에 의해 유지된다고 주장하는 반면, 중립론자들은 단백질 변이를 분자 진화의 일시적인 단계로 보았다.[1]

4. 2. 선택론의 주장

선택론자들은 다형성이 균형 선택에 의해 유지된다고 주장했다. 반면, 중립론자들은 단백질의 변이를 분자 진화의 일시적인 단계로 보았다.[1] 리처드 K. 쾨흔(Richard K. Koehn)과 W. F. 이안스(W. F. Eanes)의 연구는 다형성과 분자 소단위체분자량 사이의 상관관계를 입증했다.[17] 이는 더 큰 소단위체가 더 높은 중립 돌연변이율을 가져야 한다는 중립 이론의 가정과 일치한다. 선택론자들은 구조적 및 기능적 요인보다는 환경 조건을 다형성의 주요 결정 요인으로 보았다.[15]

4. 3. 변이의 역설

분자 진화의 중립 이론에 따르면, 종 내의 유전적 변이의 양은 비례해야 한다. 그러나 유전적 다양성의 수준은 인구 조사 규모보다 훨씬 적게 변동하여 "변이의 역설"을 낳는다.[18] 높은 수준의 유전적 다양성은 중립 이론을 옹호하는 최초의 논쟁 중 하나였지만, 변이의 역설은 중립 이론에 대한 가장 강력한 반론 중 하나였다.

5. 거의 중립 이론

오타 토모코는 특히 약간 해로운 돌연변이에서 거의 중립적인 돌연변이의 중요성을 강조했다.[27] 거의 중립 이론은 선택과 유전적 부동 간의 균형이 유효 집단 크기에 달려 있다는 중립 이론의 예측에서 비롯된다.[28] 거의 중립적인 돌연변이는 선택 계수가 유효 집단 크기의 역수의 두 배보다 작은 돌연변이이다.[29] 선택과 관련된 유효 집단 크기 N에 대해, 거의 중립적인 돌연변이의 집단 역학은 선택 계수의 절대값이 1/N보다 크지 않으면 중립적인 돌연변이와 약간 다르다.[1][10][11] 유효 집단 크기는 약간 해로운 돌연변이를 중립적인 것으로 취급할지, 해로운 것으로 취급할지에 영향을 미친다.[30] 큰 집단에서는 선택이 약간 해로운 돌연변이의 빈도를 감소시킬 수 있으므로 해로운 것처럼 작용한다. 그러나 작은 집단에서는 유전적 부동이 선택을 더 쉽게 극복할 수 있으므로 약간 해로운 돌연변이가 중립적인 것처럼 작용하여 고정되거나 손실될 수 있다.[30]

6. 구성적 중립 진화 (CNE)

구성적 중립 진화(Constructive neutral evolution, CNE) 이론은 1990년대 발표된 두 편의 논문에 의해 기초가 마련되었다.[31][32][33] 이 이론은 복잡한 구조와 과정이 중립적인 전이를 통해 나타날 수 있음을 시사한다. 구성적 중립 진화는 별개의 이론이지만, 중립적인 대립 유전자들이 유전적 부동에 의해 무작위로 고정되는 과정을 강조한다는 점에서, 중립 진화 이론이 진화에서 중요성을 제기하려 했던 초기 시도로부터 영감을 얻었다.[33]

서로 상호작용하는 A와 B 두 가지 요소(두 단백질을 나타낼 수 있음)가 있다고 가정할 때, 시스템에서 기능을 수행하는 A는 그 기능에 대해 B와의 상호작용에 의존하지 않는다. 상호작용 자체가 A의 적합성에 영향을 미치지 않고 사라질 수 있는 능력을 가진 개체에서 이러한 상호작용은 무작위로 발생했을 수 있다. 따라서, 현재 존재하지만 불필요한 이 상호작용을 시스템의 "과잉 능력"이라고 한다. 그러나 A가 독립적으로 기능을 수행하는 능력을 손상시키는 돌연변이가 발생할 수 있지만, 이미 발생한 A:B 상호작용은 A가 초기 기능을 수행하는 능력을 유지시킨다. 따라서 A:B 상호작용의 등장은 돌연변이의 유해한 성격을 "사전에 억제"하여, 무작위 유전적 부동을 통해 개체군 전체로 확산될 수 있는 게놈의 중립적인 변화를 만든다. 결과적으로 A는 B와의 상호작용에 대한 의존성을 얻게 된다.[34]

B의 손실 또는 A:B 상호작용은 적합성에 부정적인 영향을 미치므로, 정화 선택이 발생하여 이러한 개체를 제거한다. 각 단계는 개별적으로 되돌릴 수 있지만(예: A가 독립적 기능 회복, A:B 상호작용 손실), 무작위 돌연변이의 순서는 A가 독립적으로 기능하는 능력을 더욱 감소시키는 경향이 있다. 의존성 공간을 통한 무작위적인 이동은 A의 기능적 독립으로의 복귀를 매우 어렵게 만들 수 있으며, 이는 CNE를 일방향 또는 "래칫(ratchet)-like" 과정으로 만든다.[35]

전체에 기여하는 더 많은 부분과 상호작용을 포함하는 더 복잡한 시스템의 기원에 대한 적응주의적 메커니즘을 사용하지 않는 CNE는 스플라이소좀 진핵생물 복합체, RNA 편집, 핵심 외 추가 리보솜 단백질, 정크 DNA로부터 장쇄 비코딩 RNA의 출현 등에 대한 진화적 기원을 이해하는 데 적용되어 왔다.[36][37][38][39] 조상 서열 재구성 기술을 통해 일부 곰팡이 계통의 이종올리고머 링 단백질 복합체와 같이 CNE의 제안된 일부 사례를 실험적으로 증명할 수도 있었다.[40]

CNE는 복잡한 구조를 설명하기 위한 귀무 가설로도 제시되었으며, 따라서 복잡성의 출현에 대한 적응주의적 설명은 이를 수용하기 전에 이 귀무 가설에 따라 사례별로 엄격하게 테스트되어야 한다. CNE를 귀무 가설로 사용하는 근거는, 변화가 숙주에게 적응적 이점을 제공했거나 방향적으로 선택되었다고 가정하지 않으면서도, 굴드(Gould)와 르원틴(Lewontin)이 비판한 적응주의의 과도한 결함을 피하기 위해, 적응에 대한 더 엄격한 증명의 중요성을 유지한다는 것이다.[41][42][43]

7. 중립 진화 이론의 증거

분자 진화 연구는 중립 진화 이론에서 파생된 예측을 지지한다.[44] 1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였고, 1968년 기무라 모토는 이를 바탕으로 중립 진화 이론을 발표하였다.[67] 1969년 젝 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》[68]을 발표하였다.

기무라는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 주지도, 불리하지도 않은 "중립적"인 것이라고 보았다. 중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원인이 중립적인 대립형질이 보이는 유전자 부동에 의한 것으로 본다. 유전자의 자연적인 돌연변이에 의해 발생된 특정한 유전형질은 세대를 거치면서 유전자 부동을 통해 자식 세대로 유전되며, 시간이 지남에 따라 대립형질의 발현빈도가 변하고 일부 대립형질은 고착되어 결국 진화로 나타난다.[69]

분자생물학의 발전으로 유전자의 염기 서열 진화나 단백질의 아미노산 서열 진화를 분자 수준에서 조사하는 것이 가능하게 되었고, 예상보다 많은 중립적인 돌연변이가 일어나고 있다는 것이 밝혀졌다.

7. 1. 유효 집단 크기와 선택 효율

중립 진화 이론에 따르면 유효 집단 크기가 클수록 긍정적 선택이 더 효율적으로 일어난다.[45] 이러한 관계는 침팬지와 인간,[45] 가축 종의 유전체 연구에서 입증되었다.[46] 여러 종의 데이터를 비교했을 때, 종 간의 비동의어 대 동의어 뉴클레오타이드 치환 비율이 종 내의 비율보다 일반적으로 높게 나타나는 현상은 이러한 예측을 뒷받침한다.[30]

7. 2. 분자 시계

뉴클레오타이드아미노산 치환은 시간이 지남에 따라 선형적으로 축적된다.[44] 중립설을 이론적 근거로 하는 분자 시계를 통해 종 분화가 일어난 시기나, 생물종 간의 계통 관계 등을 조사할 수 있다.

상동적인 두 유전자의 염기 서열을 비교했을 때, 서열에 변화가 적은 부분이 있다면, 이 부분은 유전자가 기능하는 데 중요한 부분이다(즉, 생존에 불리한 돌연변이는 자연 선택에 의해 배제된다). 반면 변화가 큰 부분은 중요하지 않은 부분이다(즉, 그 부분은 표현형에 발현되지 않고 중립적이므로, 변이가 다수 축적되어 있다).

2000년대 초 이후 중립설은 귀무가설 검정에서 "귀무 모델"로 널리 사용된다. 연구자는 많은 경우 이미 2종의 분기 또는 계통 분기 이후의 연도 추정치를 가지고 있으며, 이를 검정에 응용한다. ((Tajima's D, :en:HKA test) 등)

예를 들어 화석 채굴 현장의 방사성 탄소로부터의 연대 측정 또는 인류의 경우 역사 기록으로부터 추정하는 경우가 있다. 2종의 염기 서열 간의 변이 수 실측값과, 독립적으로 추정되는 분기 후의 시간 내에 중립설이 예상하는 변이 수를 비교하여 검정을 수행한다. 만약 실측값이 예상값보다 상당히 작다면, 귀무 가설은 기각된다. 이 경우 연구자는 문제의 염기 서열에 자연 선택이 작용하고 있음을 합리적으로 추정할 수 있을 것이다. 이러한 검정은 분자 진화가 얼마나 중립적인지를 연구하는 데에도 기여하고 있다.[64]

7. 3. 가짜 유전자

가짜 유전자란 정상 유전자에서 중복을 통해 생겨난 후, 어떤 이유로 유전자로서의 기능을 잃은, 일종의 유전자의 잔해이다. 정상 유전자에서 일어난 돌연변이는 자연 선택에 의해 제거될 수 있지만, 가짜 유전자에는 표현형 효과가 없기 때문에 여기서 생긴 돌연변이는 자연 선택에 걸리지 않는다(즉, 중립적인 돌연변이). 생쥐의 헤모글로빈 가짜 유전자에 대한 연구에서 정상 유전자에 비해 가짜 유전자의 진화 속도가 매우 빠르다는 것이 밝혀졌는데, 이는 중립 진화설의 예측과 일치한다.

아르기니노호박산 합성 효소(AS) 유전자는 9번 염색체상에 위치해 있지만, AS의 유사 유전자가 다수 존재하며, 7번 염색체와 Y 염색체에 존재하는 2개의 유사 유전자(이를 φ-7 및 φ-Y로 한다)의 염기 서열이 조사되었다. φ-7, φ-Y는 모두 공통 조상 유사 유전자(이를 φ-a로 한다)에 유래한다. φ-a→φ-Y의 진화 과정에서의 염기 치환율은 φ-a→φ-7의 염기 치환율의 2.2배임이 밝혀졌다. 이는 수컷의 생식 세포 형성 시 분열 횟수가 암컷에 비해 훨씬 많고, 그 결과 복제 오류에 의한 염기 치환이 발생하기 쉽다는 것을 반영한다. 즉, 7번 염색체는 평균적으로 2세대당 1세대를 수컷 안에서 보내지만, Y 염색체는 반드시 수컷의 몸에만 존재하기 때문에, Y 염색체의 복제 오류 발생률은 7번 염색체의 2배가 된다고 생각하면 된다. 이처럼 복제 오류 발생률과 염기 치환율이 단순하게 비례한다는 것은, 염기 치환에 의한 돌연변이가 자연 선택에 대해 중립적임을 나타낸다.

7. 4. 프로인슐린

인슐린의 전구체인 프로인슐린은 A, B, C 세 부분으로 구성되어 있다. 단백질 합성 후 C 영역은 잘려나가고, A와 B가 결합하여 인슐린 호르몬으로 작용한다. A, B 영역에 비해 C 영역의 아미노산 치환율은 6배나 높다. C 영역은 잘려나가는 부분이기 때문에 돌연변이가 자연 선택에 중립적인 경우가 많지만, A, B 영역은 호르몬 자체를 구성하므로 돌연변이가 치명적이기 쉽다.

8. 자연 선택과의 관계

기무라 모토는 DNA 단위에서 대부분의 돌연변이가 개체의 적응도에 대해 중립적이라고 보았다. 중립 진화 이론은 아미노산 생성을 지시하는 코돈 가운데 일부가 더 이상 독립적인 의미를 갖지 못하는 퇴보를 보인다는 점에서 출발한다. 예를 들어 GCC와 GCA는 모두 알라닌 생성을 지시한다. DNA 서열의 대다수 구간은 유전정보로 발현되지 않는 "침묵 구간"(비부호화 DNA)이다. 기무라는 이러한 사실에서 대부분의 비부호화 DNA가 중립적이라면 DNA 돌연변이 역시 대부분 중립적이어야 한다고 생각했다.

중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원인이 중립적인 대립형질이 보이는 유전자 부동에 의한 것으로 본다. 유전자의 자연적인 돌연변이에 의해 발생된 특정한 유전형질은 세대를 거치면서 유전자 부동을 통해 자식 세대로 유전된다. 단세포 생물을 이용한 실험에서 이러한 대립형질의 발현빈도가 보이는 무작위 행보는 실시간으로 관찰될 수 있다. 유성 생식을 하는 다세포 생물의 경우 생식체를 통하여 자식 세대에 전달되므로 배아 발생 과정에서 집단 내 대립형질의 유전자 부동이 관찰된다. 유전자 부동에 따라 세대를 거쳐 대립형질 발현빈도가 바뀌게 되고 어떠한 대립형질은 고착되기도 한다. 고착된 대립형질은 더 이상 발현빈도가 변하지 않음으로 세대를 거쳐 누적되고 이러한 과정이 반복되어 진화가 일어난다.[69]

기무라는 "중립설은 적응 진화의 결정 요인으로서 자연 선택의 역할을 부정하는 것은 아니다"[56]라고 했지만, 다윈의 자연 선택과 그것에 기반한 진화의 종합설을 부정하는 것으로 오해받아 처음에는 큰 반발을 받았다. 이후 다양한 증거가 수집되면서 중립설과 자연 선택설은 병립하는 개념임이 밝혀졌고, 대부분의 진화 생물학자들은 양 설을 양립 가능한 것으로 받아들이게 되었다.

8. 1. 중립 진화와 자연 선택의 병립

1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였고, 1968년 기무라 모토는 이를 바탕으로 중립 진화 이론을 발표하였다.[67] 기무라의 이론은 분자생물학 학자들에게 널리 알려졌으며, 1969년 젝 레스터 킹과 토머스 휴즈 주크스는 기무라의 이론을 바탕으로 《비 다윈 진화이론》[68]을 발표하였다.

기무라는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 가져다주지도 않고 그렇다고 불리한 것도 아닌 "중립적"인 것이라고 보았다. 중립 진화 이론은 생물 진화의 주요 원인이 중립적인 대립형질이 보이는 유전자 부동에 의한 것으로 본다. 분자 수준에서의 유전자 돌연변이는 그 대부분이 자연 선택에 유리하지도 불리하지도 않은 중립적인 것이며, 그것이 집단에 퍼지는 것은 우연에 의해 결정된다. 즉, 유전자의 확산 결정 요인에는 운이 좋음(서바이벌 오브 더 럭키스트)과 적자 생존(서바이벌 오브 더 피티스트)이 관련되어 있다.

기무라 모토는 "중립설은 적응 진화의 결정 요인으로서 자연 선택의 역할을 부정하는 것은 아니다"[56]라고 했지만, 이 생각은 다윈의 자연 선택설과 그것에 기반한 진화의 종합설을 부정하는 것으로 오해받아 처음에는 큰 반발을 받았다.

이후, 다양한 증거가 수집되면서 중립설과 자연 선택설은 병립하는 개념임이 밝혀졌고, 대부분의 진화 생물학자들이 양 설은 양립할 수 있는 것으로 받아들이게 되었다. 기무라의 학설이 처음 발표되자 격렬한 논쟁이 벌어졌으며, 대부분은 게놈 중 중립 유전자와 비중립 유전자의 비율에 관해 전개되었다.[57] 논쟁을 멀리서 지켜보던 많은 연구자들의 인식과는 달리, 논쟁은 자연 선택이 작용하고 있는지 여부에 관한 것이 아니었다. 기무라 모토는 분자 진화에는 중립 진화가 큰 영향을 미치지만, 표현형 수준의 형질 변화에는 샘플링의 우연에 의한 유전적 부동보다 자연 선택이 더 많이 작용할 것이라고 논했다.[58]

오타 토모코는 기무라의 제자였으며, 중립설에 "거의 중립적인" 선택성이라는 개념을 도입하는 중요한 일반화를 이루었다.[60][61][62] 즉, 유전자가 대부분 부동의 영향을 받는지, 선택의 영향을 받는지 여부는 교배 집단의 유효한 크기에 따라 결정된다고 주장한다. 중립설파와 선택설파의 시끄러움은 잠잠해졌지만, 중립 유전자와 비중립 유전자의 비율에 관한 문제는 아직 계속되고 있다.

8. 2. 분자 수준과 표현형 수준

1962년 수에오카는 중립적 돌연변이가 광범위하게 존재하는 것을 발견하였고, 1968년 기무라 모토는 이를 바탕으로 중립 진화 이론을 발표하였다.[67] 기무라는 한 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수가 개체의 생존과 재생산에 이익을 주지도, 불리하게 작용하지도 않는 "중립적"인 것이라고 보았다. 즉, DNA 단위에서 대부분의 돌연변이는 개체의 적응도에 대해 중립적이다.

분자 수준에서의 유전자 돌연변이는 그 대부분이 자연 선택에 유리하지도 불리하지도 않은 중립적인 것이며, 그것이 집단에 퍼지는 것은 우연에 의해 결정된다. 즉, 유전자의 확산 결정 요인에는 운(서바이벌 오브 더 럭키스트)과 적자 생존(서바이벌 오브 더 피티스트)이 관련되어 있다.

기무라 모토는 분자 진화에는 중립 진화가 큰 영향을 미치지만, 표현형 수준의 형질 변화에는 샘플링의 우연에 의한 유전적 부동보다 자연 선택이 더 많이 작용할 것이라고 주장했다.[58]

오타 토모코는 중립설에 "거의 중립적인" 선택성이라는 개념을 도입하는 중요한 일반화를 하였다.[60][61][62] 즉, 유전자가 대부분 부동의 영향을 받는지, 선택의 영향을 받는지 여부는 교배 집단의 유효한 크기에 따라 결정된다고 주장한다.

9. 중립 진화 이론의 발전과 응용

분자 시계를 통해 종 분화 시기나 생물 종 간의 계통 관계 등을 조사할 수 있다.[69]

또한, 상동적인 두 유전자의 염기 서열을 비교하여 서열 변화가 적은 부분은 유전자의 기능에 중요한 부분이고, 변화가 큰 부분은 중요하지 않은 부분이라고 추정할 수 있다. 즉, 생존에 불리한 돌연변이는 자연 선택에 의해 배제되고, 표현형에 발현되지 않는 중립적인 부분은 변이가 많이 축적된다고 본다.

2000년대 초부터 중립 진화 이론은 귀무 가설 검정에서 "귀무 모델"로 널리 사용되고 있다. 연구자들은 이미 두 종의 분기 또는 계통 분기 이후의 연도 추정치를 가지고 있는 경우가 많으며, 이를 검정에 활용한다. (예: Tajima's D, :en:HKA test)

예를 들어, 화석 채굴 현장의 방사성 탄소 연대 측정이나 인류의 역사 기록으로부터 추정한 연대를 바탕으로, 두 종의 염기 서열 간 변이 수의 실측값과 중립 진화 이론이 예상하는 변이 수를 비교하여 검정한다. 실측값이 예상값보다 상당히 작으면 귀무 가설이 기각된다. 이 경우, 해당 염기 서열에 자연 선택이 작용하고 있다고 추정할 수 있다.[64] 이러한 검정은 분자 진화가 얼마나 중립적인지를 연구하는 데 기여한다.

생태계에서의 다양성 진화에 대해서도 중립 이론이 적용될 수 있다는 논의가 있다. (중립 이론 (생태학))

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