大型類人猿の最初の完全な染色体配列によって明らかになった驚くべき進化の洞察

6 種類の異なる霊長類の X および Y 染色体配列を完成させる 分類する それらはマッピングに成功し、これらの種間の豊かな多様性が明らかになり、進化の過程についてのより深い洞察が得られました。 この包括的なゲノム マッピングは、これらの種に特有の共通の特徴を強調し、それらの進化の軌跡をより明確に理解できるようにします。

からの資金提供を受けた科学者チーム 国立衛生研究所 NIHは、ヒト以外の霊長類から初めて完全な染色体配列を生成した。 本日（5月29日）発売の雑誌に掲載されました 自然これらの配列は、異なる種の Y 染色体間の顕著な変異を明らかにし、急速な進化を示すとともに、大型類人猿ゲノムのこれまで研究されていなかった領域を明らかにします。 これらの霊長類は現生人類に最も近い親戚であるため、新しい配列は人類の進化に関する洞察を提供する可能性がある。

研究者らは、他の多くの生物学的機能の中でも、性的発達と生殖能力に役割を果たす X 染色体と Y 染色体に焦点を当てました。 研究者らは、チンパンジー、ボノボ、ゴリラ、ボルネオオランウータン、スマトラオランウータンの5種の大型類人猿と、ヒトとより近縁な別の霊長類であるシャマンテナガザルの染色体の配列を決定した。

「これらの染色体配列は、非常に多くの新しい情報を追加します」と、国立衛生研究所の一部である国立ヒトゲノム研究所（NHGRI）の博士研究員であり、この研究の著者でもあるブランドン・ピケット博士は述べた。 。 「これ以前はチンパンジーのゲノム配列のみがかなり完全でしたが、それでもなお大きなギャップがあり、特に反復配列のある領域には大きなギャップがありました。」 DNA」。

6 種の霊長類の完全な X 染色体および Y 染色体配列により、種の多様性と進化に関する洞察が明らかになります。 クレジット: Ernesto del Aguila III、国立ヒトゲノム研究所

DNA解析の進歩

これらの新しい配列を分析することにより、研究者らは、X 染色体の 62 ～ 66 パーセントと Y 染色体の 75 ～ 82 パーセントが反復 DNA 配列で構成されていると推定しました。 これらの配列は科学者にとって特徴づけるのがより困難であり、反復 DNA の研究が可能になったのは、新しい DNA 配列技術と分析方法のおかげで近年になってからです。

研究者らは、進化の歴史を理解するために、サルの染色体配列をヒトのX染色体およびY染色体と比較した。 人間の X 染色体と Y 染色体と同様、大型類人猿の Y 染色体には、ゲノムのさまざまな部分よりもはるかに少ない遺伝子が含まれています。

研究者らは、サルのX染色体配列の90％以上がヒトのX染色体に対応していることを発見し、これはX染色体が数百万年の進化を通じて比較的変化していないことを示している。 しかし、類人猿 Y 染色体配列の 14% ～ 27% のみがヒト Y 染色体と一致します。

Y染色体の驚くべき違い

「これらの種のY染色体間の違いの程度は非常に驚くべきものでした」とペンシルベニア州立大学教授で研究のリーダーであるカテリーナ・マコバ博士は述べた。 「これらの種の中には、わずか 700 万年前に人類の系統から分岐したものもあり、これは進化論的に見てそれほど長い年月ではありません。これは、Y 染色体が非常に急速に進化していることを示しています。」

霊長類の Y 染色体の最も顕著な違いは、その長さです。 たとえば、スマトラオランウータンの Y 染色体はテナガザルの Y 染色体の 2 倍の長さです。 DNA リピートの数と種類の違いが、染色体長の違いの一部の原因となります。

リピートの 1 つのタイプはパリンドロームと呼ばれ、逆向きの DNA リピートを含む DNA 配列です。 DNA ホモログは、「レースカー」や「カヤック」などの言語ホモログと似ており、単語の前半の文字が単語の後半で逆方向に繰り返されるため、文字の順序は前後で同じになります。 。 ただし、DNA ホモログの長さは 10 万文字を超える場合があります。

独特の遺伝的違いと今後の研究

研究者らは、霊長類のX染色体とY染色体上のDNA相同体には、染色体の長さに沿って多くのコピーで繰り返される遺伝子が常に含まれていることを発見した。 霊長類のゲノム内のほとんどの遺伝子は、ペアの各染色体上に 1 つずつ、計 2 つのコピーしかありません。 研究者らは、これらの相同体に多くのコピーがあることが、特に Y 染色体上の遺伝子の保護に役立つのではないかと考えています。各細胞には Y 染色体が 1 つしかないため、Y 染色体上の遺伝子の 1 つが損傷しても、他の染色体にはそのコピーは存在しません。遺伝子の損傷を修復するためのテンプレートとして使用できます。

「ホモログにこれらの遺伝子があるということは、バックアップを持っているようなものです」とNHGRIの上級研究員であり、この研究の主任著者であるアダム・フィリッピ博士は述べた。 「これらの遺伝子の多くが重要な機能を果たしていることがわかっているので、異なる種の相同体に同じ遺伝子が存在することを期待していましたが、そうではないようです。」

研究者らは、ホモログで見つかったいくつかの遺伝子セットを研究したが、その多くは精子の生成に役割を果たしており、したがって生殖能力にとって重要である。 相同体は研究された霊長類のすべての Y 染色体で見つかっていますが、これらの染色体で見つかった特定の相同体配列と遺伝子は種ごとに異なることがよくありました。

「私たちがまだ見ていないさらなる違いがあるかもしれません」とフィリッピ博士は言いました。 「ヒトの Y 染色体では、いくつかの遺伝子の数が個体間で異なる可能性があります。これらの他の主要な種については、私たちが調べているのは 1 個体だけで、残りの個体がどのようなものなのか、他の個体がどのような個体なのかはまだわかっていません。私たちが見つけるかもしれない違い。

「しかし、我々のグループによるこれまでの研究から、ヒトや他の類人猿におけるY染色体遺伝子のコピー数の広範な変動を示唆する洞察がいくつか得られている」とマコバ博士は付け加えた。

これらの大型類人猿の染色体配列は、サテライト DNA と呼ばれる別のタイプの反復の配列も解決します。サテライト DNA は、反復配列の広大な範囲です。 研究者らは、大型類人猿の染色体の中に、これまで知られていなかった種固有のサテライト配列をいくつか特定した。

DNA サテライトはゲノム全体に位置しているため、これらの配列は大型類人猿のゲノムについての重要な洞察を提供します。 具体的には、それらはテロメアと呼ばれる染色体の末端近くと、細胞分裂中の染色体の組織化を助けるセントロメアと呼ばれる別の領域に集中しています。 これらの種のセントロメア配列は、この研究以前にはまったく知られていませんでした。 多くの同じ研究者によって行われた別の研究活動。

マコバ博士は、「大型類人猿からのこれらのサテライト配列の存在は、探求のための新たな道を切り開くものです。そして、Y染色体に関する他の発見と同様に、Y染色体のセントロメアが非常に動的であることがわかります。」と述べました。

保全と進化の理解への影響

これらの染色体配列は、研究者がヒトを含む大型類人猿の進化を研究するのに役立つ可能性がある。 研究者たちは現在、これら大型類人猿種の完全なゲノムを記述するために取り組んでいますが、X 染色体配列と Y 染色体配列だけでも、特にその急速な進化に寄与する Y 染色体に対する進化の力について、多くの洞察を提供します。

要因の 1 つは、通常、1 つの細胞に Y 染色体が 1 つしかないため、DNA 配列の変化が蓄積することです。 マコバ博士は、別の進化の力、男性の突然変異バイアスとして知られる現象があると述べた。 卵子の生成と比較して、精子の生成にはより多くの DNA 複製が含まれます。 複製のたびに、DNA 配列が変化する可能性があります。 これはすべての染色体に影響しますが、特に Y 染色体に影響します。

もう 1 つの潜在的な要因は、進化速度に影響を与える可能性がある個体群のサイズの小ささです。 これらの類人猿の野生下での数が限られているだけでなく、Y 染色体は集団の半分にしか存在しないため、ゲノムのこの特定部分の有効集団サイズが制限されます。

「これら大型類人猿はすべて絶滅の危機に瀕しているということを覚えておくことが重要です」とマコバ博士は語った。 「これらの配列から人類の進化について学べるだけでなく、彼らと人類のゲノムについての知識を応用して、これらの絶滅危惧種の生物学と生殖をより深く理解することができます。」

参考文献：「類人猿の性染色体の完全な配列と比較分析」Katrina D. マコバ、ブランドン D. ベケット、ロバート S. ハリス、ガブリエル A. ハートリー、モニカ・シコバ、キャロル・ボール、セルゲイ・ノーク、ドンアン・ユー、キュヒ・リー、プラジナ・ヘバール、バーバラ・C. マクグラス、フランチェスカ アントナッチ、マーゴ ユーベル、アルジュン ベダンダ、マシュー ボーチャーズ、エリック ボーンバーグ バウアー、ジェラルド J. ボバード、シェリーズ・Y・ブルックス、ルシア・カーボン、ローラ・キャレル、アンドリュー・キャロル、ペイチュアン・チャン、チェンシャン・チェン、ダニエル・E・クック、サラ・J・C・クレイグ、ルシアナ・ディ・ジェンナーロ、マーク・デカーンス、アマリア・ドゥトラ、ゲージ・H・ガルシア、パトリック・J・S・グレイディ、リチャード・E・グリーン、ダイアナ・ハダッド、ビル・ハラスト、ウィリアム・T・ハーヴェイ、グレン・ヒッキー、デヴィッド・A. ヒリス、サバンナ J. ホイト、チョン・ヒョンス、ケバン・カマリ、セルゲイ・L. コサコウスキー・ボンド、トロイ・M. ラポリス、チャールズ リー、アレクサンドラ B. ルイス、ヨンヒ E. ロー、パトリック・マスターソン、ケリー・M・マクガーベイ、ラジーブ・C・マッコイ、ポール・メドベージェフ、カレン・H・メガ、キャサリン・M・マンソン、エフゲニア・バック、ベネディクト・パッテン、ブレンダン・J. ピント、タマラ ポタポワ、アラン リー、ジョアンナ L. ロシャ、ヒョードル リャボフ、オリバー A. ライダー、サミュエル・サッコ、キシュワー・チャフィン、ヴァレリー・A. シェペレフ、ヴィヴィアン・スローン、スティーブン・J. ソーラー、ジェシカ M. ストアラー、ピーター H. スドマント、スウェタラナ、アレックス スウィーティン、マイケル J. タシア、フランソワーズ ティボー ニッセン、マリオ ヴェンチュラ、メリッサ A. ウィルソン、アリス C. ヤング、ゼン ホイチン、張振若、ザカリー A. スペッチ、クリスチャン D. ヒューバー、ジェニファー L. ガートン、スジン V. イー、マイケル C. シャッツ、エヴァン A. アレクサンドロフ、セルゲイ コリン、レイチェル J. オニール、イヴァン E. アイヒラーとアダム M. フィリピ、2024 年 5 月 29 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07473-2