1

分子系統樹に基づく共進化の分析

川北 篤（京都大学大学院人間環境学研究科）

第131回農林交流センターワークショップ

分子系統樹推定法：理論と応用

共進化 — Coevolution

Ehrlich & Raven (1964)

植物の二次代謝物質とチョウの解毒能力

相互の適応をともなう進化＝「共進化」

“Butterflies and plants: a study in coevolution”

共進化 — Coevolution

共種分化 — Cospeciation

相互の適応をともなう進化＝「共進化」

２つの系統群で同調的に起こる種分化

Host Parasite

Fahrenholz’s Rule (1913)“Parasite phylogeny mirrors host phylogeny”

植物ー植食性昆虫（イチジクーイチジクコバチ）

哺乳類ー寄生昆虫（ホリネズミーシラミ）

植物ー植物寄生菌（イネ科植物ーEpichloë）無脊椎動物ー細胞内共生生物（アブラムシーBuchnera）　など

2

共種分化の例

Hafner & Nadler (1988)

Pocket gopher（ホリネズミ）

Chewing lice（シラミ）

なぜ共種分化を研究するのか？

HostParasite

OrganismGene

AreaOrganism

２本の ”系統樹” を扱う問題に広く適用できる

Cospeciation — ２つ系統群の同調的な種分化Codovergence — 必ずしも種分化を伴わない並行的な分化Cophylogeny — ２本の系統樹の一致関係

共種分化解析法

Cladogramを用いた手法　　Brooks parsimony method (Brooks, 1981)　　Reconciliation method (Page, 1994)　　Event-based parsimony (Ronquist, 1995)　　Jungles (Charleston, 1998)

Phylogramを用いた方法　　ParaFit (Legendre et al., 2002)

配列データに基づく方法

　　Bayesian method (Huelsenbeck et al., 2000)　　SH-test, AU-test, likelihood-ratio test

共種分化解析で用いる帰無仮説

H0: 寄主と寄生者の系統樹の関係はランダムである

H0: 寄主と寄生者の系統樹は同じである

２つの系統樹に食い違いが見られる場合、または両者

が１対１関係にない場合

　(Reconciliation, Event-based parsimony, Jungles, ParaFit)

２つの系統樹は同じであるが、系統推定の誤差によっ

て食い違いが生じている　(SH-test, AU-test, likelihood-ratio test)

3

A

B

C

D

E

I

II

III

IV

V

２つの系統群の間でどれほど共種分化が起こっているのか？

Host Parasite

A

B

C

D

E

I

II

III

IV

V

Brooks’ parsimony analysis (Brooks, 1981)

5

Host Parasite

12

3

4

6

7

8

1) 寄生者の系統樹の各枝に番号をふる

IIIIIIIVV

1 2 3 4 5 6 7 8寄生者 形質

100

00

010

00

001

00

000

01

000

10

011

00

000

11

011

11

2) 寄生者についての形質マトリクス

ABCDE

1 2 3 4 5 6 7 8寄主 形質

100

00

010

00

011

00

000

01

000

10

011

00

000

11

011

11

3) 寄主についての形質マトリクス

EDCBA1 2

36

36

8

7

4 5

4) 3)のデータを寄主の系統樹上で最節約配置する

２つの系統樹を重ね合わせる

A

B

C

D

I

II

III

IV

Host Parasite

Host Parasite

同一寄主上での種分化

A B C D I II III IV

系統樹の不一致は必ずしも寄主転換によるものではない

共種分化解析で想定される４つの進化的イベント

時間

共種分化cospeciation

重複duplication

ソーティングsorting

寄主転換host switch

絶滅extinction

完全な寄主転換complete switch

4

共種分化解析で想定される４つの進化的イベント

時間

共種分化cospeciation

重複duplication

ソーティングsorting

寄主転換host switch

HorizontalHost–associate Codivergence Duplication Sorting transfer

Organism–gene Coalescence Gene duplication, Gene loss, Gene transferpolymorphism lineage sorting

Host–parasite Cospeciation Within-host Sorting, parasite Host switchspeciation extinction

Organism–area Vicariance Sympatry Extinction Dispersal

Reconciliation method （Page, 1994）

Host Parasite

Host switchを導入した場合

Duplication, Sortingのみ

全体で共種分化は６回

Randomization

1) Host, Parasite または両方の樹形を randomize させる

2) 樹形は固定したまま、Host と Parasite の関係を 　　 randomize させる

Reconciliation method

Duplication, Sorting のみによって重ね合わされた系統樹に Host switch を導入することによって、全体の共種分化の回数を最大化させる方法

Host switch が事後的に加えられるため、必ずしも最適な復元が得られるわけではない

共種分化の回数を最大化させる生物学的根拠がない。

また、共種分化の回数を最大化させるために複雑な進化

的イベントを想定しなければならない

5

Event-based parsimony (Ronquist, 1995)

２つの系統樹を最も少ないコストで（最節約的に）重ね

合わせる方法

Host phylogeny Host phylogenya b c a b c

a b cbParasite phylogeny

h1

h2 h3

h4

h5

Parasite の系統樹の各分岐が、Host の系統樹のどの枝にある場合が最節約的かを求める

Event-based parsimonya b c

de

Host phylogeny

a b c d ea 0 2 2 2 b 2 0 2 c 2 2 0 d 2 1 1 0 e 1 2 2 1 0

Sorting

1) d→(b,c) cost:0

2) e→(a,d) cost:0

3) e→ b or c かつ 1) or 2) cost:1

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Cospeciation

c ≥ 0

0

-1

Duplication

u ≥ 0

0

0

Sorting

s > 0

1

0

Switch

i > 0

2

0

ただし c < i　かつ　c < u + 2s

a b c

de

Host phylogeny

a b c d ea 0 2 2 2 b 2 0 2 c 2 2 0 d 2 1 1 0 e 1 2 2 1 0

Sorting

1) d→(b,c) cost:0

2) e→(a,d) cost:0

3) e→ b or c かつ 1) or 2) cost:1

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Parasite phylogeny

a b cb

a b c d e4 2 2 0 1

a b c d e4 2 2 1 2

a b c d e3 4 4 3 0

Parasite phylogeny

a b cb

a b c d e6 4 3 1 3

a b c d e4 3 3 1 3

a b c d e3 4 4 3 0

down-pass final pass

a b c

de

Host phylogeny

実際には起こりえない Host switcha b c

de

Host phylogenyf

a b c d e fa 0 2 2 b 2 0 2 c 2 2 0 d 2 1 1 0 2e 0 2 2 2 0

f 1 2 2 1 1 0

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Cost matrix

Time

6

Event-based parsimony

２つの系統樹を重ね合わせる上で、より生物

学的に自然な根拠に基づいた手法である

寄主転換が適切に組み込まれていない

Jungles (Charleston, 1998)

Host と Parasite の系統樹を重ね合わせたグラフから最適

な解を効率的に求める手法

Host switch が適切に扱われており、必ず最適解に辿り着く

Jungles algorithm

Hafner & Nadler (1998)

Sub-jungles

Complete jungle

Cladogramを用いた共種分化解析法

個々の進化的イベントを復元し、視覚化できる

系統樹が正しく推定されていることが前提である

１種の Parasite は一度に１種の Host のみを利用することを前提とする (One-host-per-parasiteassumption)

7

Phylogramを用いた共種分化解析法

Host–Parasite の進化的距離 ( ≈ 分岐年代）を直接比較することは適切ではない

Host Parasite

Host と Parasite で樹形が等しい場合

Host と Parasite で樹形が異なる場合

Host Parasite

進化的距離を比較した場合、

系統樹の深い位置の分岐をよ

り多くサンプリングしてしまう

ParaFit (Legendre et al., 2002)

Dimension 1Dimension 1

Dim

ensi

on 2

Dim

ensi

on 2

Host Parasite

Host phylogeny Parasite phylogeny

それぞれの系統樹内での

個々のタクサの相対的な

位置を比較する

経路距離Patristic distance

Pat

ristic

dis

tanc

e d11 d12 d13 d14 ・・ d1nd21 d22 d23 ・・・

主座標解析Principal coordinate

analysis

p11 p12 p13 ・・・p21 p22 ・・・

n ta

xa

≤ n-1 dimensions

Host Parasite

ParaFit (Legendre et al., 2002)

n タクサからなる系統樹におけるpairwiseの経路距離から、主座標解析によって個々のタクサを n-1 次元（またはそれ以下）の空間内の点として表す

8

Host Parasite

Matrix AH–P

associations

Matrix BHost

patristicdistances

Matrix CParasitepatristic

distances

Matrix A は Host と Parasite の関係の有無を0 / 1で表す

Hosts

Hosts

Par

asite

s

Par

asite

s

Prin

c. c

oord

inat

es

Princ. coordinates

Parasite treePrinc. coordinates

Hos

t tre

eP

rinc.

coo

rdin

ates

Matrix AHost–parasiteの種間関係(0-1 data)

Matrix BParasite 系統樹の主座標

Matrix CHost 系統樹の主座標

Matrix DFourth-cornerparameters

D = CA′B

Matrix AHost–parasiteの種間関係(0-1 data)

Matrix BParasite 系統樹の主座標

Matrix CHost 系統樹の主座標

Matrix DFourth-cornerparameters

D = CA′B

( pi1 pi2 pi3 ) =( )hj1

hj2

hj3 ( (hj1 pi1 hj1 pi2

Host の主座標

Parasiteの主座標

hj2 pi1

関係を持つ Host と Parasite の座標を掛け合わせたものの総和

ParaFitGlobal =

= trace(D′D)

Matrix A の種間関係をrandomizeさせてParaFitGlobal statistic の帰無分布を得る

ParaFit では特定の種間関係がどれほど全体の “Fit” に貢献しているかを調べられる

Host Parasite

ParaFitLink1(k) = trace – trace(k)

Matrix Ak: 1→0

ParaFitLink2(k) = (trace – trace(k)) / (TraceMax – trace)

特定の H–P linkを抜きとって

trace を計算する

trace(k) =

両者の系統樹の一致が高いときに検出力が高い

両者の系統樹の不一致が大きい場合に検出力が強い

ParaFit

系統推定の不確かさにとらわれることなく、２つの

系統樹の一致の程度を分析できる

特定の Host – Parasite link がどれほど全体の共種分化パターンに影響しているかを調べられる

共種分化や寄主転換などのイベントをとらえることができない

9

Bayesian method (Huelsenbeck et al., 2000)

HostParasite

寄主転換 e = (ξ, z, γ, δ)

ξ = 寄主転換の回数z = 寄主転換の起こるタイミングγ = 寄主転換の出発点δ = 寄主転換の着地点

分子時計を想定する

寄主転換が一定の確率λ

で起こることを組み込んだParasite のデータ、およびHost のデータのもとで、Host の系統樹の事後確率分布を求める手法

寄主転換の・・・

出発点 着地点

(Hafner et al., 1994)

ξ = 9.20

λ = 1.50

Bayesian method

系統推定の不確かさに左右されず、データから

直接共種分化を分析できる

Host の各枝での寄主転換の起こりやすさを事後確率分布として表すことができる

Host と Parasite の１対１の対応や、寄主転換がもとにいた寄生者と置き換わるといった、生物学

的に現実的でない仮定が多い

H0: 寄主と寄生者の系統樹は同じである

２つの系統樹は同じであるが、系統推定の誤差によっ

て食い違いが生じている

　ノンパラメトリックな検定

　　(SH-test, AU-test, etc.)

　パラメトリックな検定

　　(Parametric bootstrapping, likelihood-ratio test)

相同性の高い２つの系統樹を比較する手法

10

共種分化と分岐年代

(Percy et al., 2004)

共種分化が起こっているとすると分岐年代はおおむね等しい

分岐年代が一致する例

イチジクとイチジクコバチ

(Rønsted et al., 2005)

イチジク

イチジクコバチ

分子進化速度の比較

Hafner et al. (1994)

シラミのCOI遺伝子の進化速度はホリネズミの

2.60–2.83倍同義置換では約11倍

Charleston MA (1998) Jungles: a new solution to the host/parasite phylogeny reconciliation problem. Math. Biosci. 149: 191–223.

Hafner MS, Nadler SA (1988) Phylogenetic trees support the coevolution of parasites and their hosts. Nature 332: 258–259.

Hafner MS, Sudman PD, Villablanca FX, Spradling TA, Demastes JW, Nadler SA (1994) Disparate rates of molecular evolution in

cospeciating hosts and parasites. Science 265: 1087–1090.

Huelsenbeck JP, Rannala B, Yang Z (1997) Statistical tests of host–parasite cospeciation. Evolution 51: 410–419.

Huelsenbeck JP, Rannala B, Larget B (2000) A Bayesian framework for the analysis of cospeciation. Evolution 54: 352–364.

川北　篤（2008）共進化研究のための共種分化解析法．種生物学会編「共進化の生態学」文一総合出版．

Legendre P, Desdevises Y, Bazin E (2002) A statistical test for host–parasite coevolution. Syst. Biol. 51: 217–234.

Meier-Kolthoff JP, Auch AF, Huson DH, Gker M (2007) CopyCat: cophylogenetic analysis tool. Bioinformatics 23: 898–900.

Page RDM (1994) Parallel phylogenies: reconstructing the history of host–parasite assemblages. Cladistics 10: 155–173.

Page RDM (ed.) (2003) Tangled Trees. Chicago University Press.

Page RDM, Charleston MA (1998) Trees within trees: phylogeny and historical associations. Trends Ecol. Evol. 13: 356–359.

Ronquist F (1995) Reconstructing the history of host–parasite associations using generalized parsimony. Cladistics 11: 73–89.

参考文献