ＤＮＡ塩基置換確率の新しい推定法

• 担当機関: 農業環境技術研究所
• 研究期間: 1997～1997
• 発行年度: 1997
• 要約: 種のDNA塩基配列データを，無作為抽出した複数の系統樹上で最節約復元することにより，枝ごとの塩基置換確率の値を推定する方法を開発し，モンテカルロ・シミュレーションを用いてその実用性を示した。
• 背景・ねらい: 生物多様性を理解するための基礎として生物分類体系は構築される。近年，急速に蓄積されてきた核酸やタンパク質の分子配列データに基づく分子系統学が分類体系の作成や生物資源・遺伝資源の評価に用いられるようになってきた。大量の分子データの解析にはいまだ未解決の統計学的・数学的問題点が残されている。本課題では，その一つである分子配列データの変異性の定量的評価方法の開発を行なった。核酸塩基やタンパク質アミノ酸の置換・$5923・度の推定値は，系統分類を行なう上でデータの重み付けに反映されなければならない。変異しやすい配列は推定上のノイズとなりやすいのに対し，変異しにくい配列はより信頼できる情報を与えるからである。しかし，これまでは形質データの客観的な重み付けの方法は開発されていなかった。

成果の内容・特徴

1. 対象生物のDNA塩基配列をデータとするとき，系統樹の樹形を与えて，分岐点の共通祖先の形質状態を復元するアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは，塩基置換の回数が最小になるような祖先形質状態の最節約復元推定値を与える（図１）。このとき，与えられた系統樹のもとでの塩基置換の推定値が得られる。
   
2. 塩基配列の変異性の大小は系統推定に先だって評価されねばならない。そこで，系統樹の樹形の全体集合から無作為に系統樹を抽出し，その上で１に示した手続きで塩基置換回数の最節約復元推定値を計算する。この操作を複数回実行し，全置換数を集計すれば，データ塩基配列から期待される変異確率が計算できる。従来のやり方（対比較法）では，配列対ごとに変異数を計算していた。
   
3. ２の方法（無作為系統樹法）が従来の方法と比較してどの程度すぐれているのかを調べるために，モンテカルロ・シミュレーションを行なった，あるモデル系統樹の根に無作為に塩基を与え，ある置換確率（αとする）のとで仮想進化させ，末端種の塩基を得る。これを500回反復し，塩基数500の末端種配列を得た（図２）。次に，この末端配列から無作為系統樹法および従来の対比較法によって推定されたαの推定値を比較したところ，最節約推定値の法が従来法に比べて真の値に近いことがわかった。これにより，無作為系統樹の方がより優れていることが示唆された（図３）。
   
4. ヤマアリ類13種について，ミトコンドリアにあるチトクローム酸化酵素遺伝子の塩基配列に基づいて，各コドン位置の塩基置換確率を本研究の無作為系統樹法によって推定した（図４）。
   

成果の活用面・留意点

1. 今回開発した方法は，与えられた塩基配列データのみから遺伝子ごとあるいはコドン位置ごとに変異率を推定することができる。
   
2. 本方法は，上例の他に，単細胞円石藻類・イネや果樹の病原菌・ツグミ類など多くの生物群の分子系統解析において実際に利用されている。
   

• カテゴリ: 遺伝資源