ドマニシの前期更新世のサイの歯のタンパク質解析

 コーカサス南部に位置するジョージア(グルジア)のドマニシ(Dmanisi)遺跡で発見された前期更新世のサイの歯のタンパク質解析に関する研究(Cappellini et al., 2019)が公表されました。古代DNAの塩基配列解読により、絶滅分類群の種分化・移動・混合事象の再構築が可能になりました。しかし、古代DNAの不可逆的な死後分解のために、永久凍土地域を除いて、その回収は年代が50万年前頃までの標本に限られてきました。一方、タンデム質量分析法では、150万年前頃のI型コラーゲンのアミノ酸配列解読が可能になっており、白亜紀の化石にタンパク質の痕跡の存在が示唆されているが、系統発生学的な使用は限られています。分子的な証拠がないために、前期更新世および中期更新世の複数の絶滅種の種分化に関しては議論が続いています。

 この研究は、ドマニシ遺跡から出土した177万年前頃となるサイ科のステファノリヌス属(Stephanorhinus)の一種の歯に由来するエナメル質のプロテオーム(タンパク質の総体)を用いて、更新世ユーラシアのサイ類の系統発生学的な関係を検証しました。分子系統解析の結果、このステファノリヌスは、ケサイ(Coelodonta antiquitatis)およびメルクサイ(Stephanorhinus kirchbergensis)によって形成されるクレード(単系統群)の姉妹群として位置づけられました。この研究は、ケサイ属が初期のステファノリヌス属系統から進化し、ステファノリヌス属には少なくとも2つの異なる進化系統が含まれていたことを明らかにしました。そのため本論文は、ステファノリヌス属は現時点では側系統となり、体系的な再考が必要になる、と指摘しています。

 この研究は、前期更新世の歯のエナメル質のプロテオーム解析が、古代のコラーゲンやDNAに基づく系統発生学的な推論の限界を克服できることを実証しています。またこの研究の手法からは、ドマニシで出土した他の標本について性別や分類学的な帰属に関するさらなる情報が得られました。これらの知見は、古代の歯のエナメル質(脊椎動物の最も硬い組織で、化石記録に非常に豊富に存在します)のプロテオーム研究が、古代DNAの保存に関して現在知られている限界を超えて、分子進化の再構築を前期更新世までさらにさかのぼらせ得る、と明らかにしています。ドマニシ遺跡では185万~176万年前頃の層で人類の痕跡が確認されており、人類遺骸も発見されています(関連記事)。今後、ドマニシ人も含めて、古代DNA研究の不可能な100万年以上の人類の系統関係が明らかになっていくのではないか、と大いに期待されます。


参考文献:
Cappellini E. et al.(2019): Early Pleistocene enamel proteome from Dmanisi resolves Stephanorhinus phylogeny. Nature, 574, 7776, 103–107.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1555-y

刷り込みによる種分化

 刷り込みによる種分化についての研究(Yang et al., 2019)が公表されました。性的刷り込みとは、子が親の形質を学習して、それを後に自身の配偶相手の選り好みのモデルとして用いる現象のことで、これは種間の生殖障壁を作り出す場合があります。刷り込みの対象となるのが交配に関わる形質で、若い系統の間で違いがある場合、刷り込まれた選好性が行動隔離に寄与し、種分化を促進する可能性があります。しかし、性選択による種分化のモデルの大半では分岐自然選択も必要で、これが、性選択された単一あるいは複数の形質、さらにはそうした形質に影響を与える配偶相手の選り好みに多様性を生じさせ、それを維持する作用が働きます。この研究は、刷り込みが、雌の配偶相手の選り好みに関わるだけでなく、雄同士の攻撃における偏りをも形成し得る、と明らかにしています。こうした偏りは、自然選択と同様に働き、形質や配偶相手の選り好みの多様性を維持させ、これが性選択によってのみ引き起こされる生殖隔離を促進します。

 この研究は、里親実験を行ない、中米に生息してさまざまな皮膚色を示すと知られているイチゴヤドクガエル(Oophaga pumilio)の雄と雌の両方で、最近急激に分岐した交配形質である配色の刷り込みが起こることを明らかにしています。里親に育てられた雌は、育ての母と同色の配偶者を好み、里親に育てられた雄は、育ての母と同色の競争者に対してより強い攻撃性を示しました。また、単純な集団遺伝学モデルを使うことで、雄の攻撃性の偏りと雌の配偶相手の選り好みの両方が親の刷り込みを通して形成された場合には、性選択だけにより同所的多型が安定化され、形質と選好性の関連が強化されて行動的な生殖隔離につながり得る、と実証されました。こうした知見は、両生類で刷り込みが起こる証拠を提供します。またこうした知見により、これまでほとんど考慮されていなかった、競争相手の刷り込みと性的刷り込みの組み合わせにより、分岐的な交配形質を持つ個体間の遺伝子流動の減少の可能性が提示され、それが性選択による種分化の準備となる、と示唆されました。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用です。


進化学:刷り込みが種分化の準備をする

Cover Story:親の導き:イチゴヤドクガエルでは刷り込みが種分化につながる

 表紙のカエルはイチゴヤドクガエル(Oophaga pumilio)で、中米に生息し、さまざまな皮膚色を示すことが知られている。今回Y Yangたちは、イチゴヤドクガエルにおいて、母親の影響が、子の配偶相手の選り好みや競争をどのように形作るのか、そしてこれがいかにして新たな種の形成を駆動し得るのかについて明らかにしている。刷り込みでは、子は親から形質を学び、これは後に、行動の形成に役立つ。著者たちは、イチゴヤドクガエルの雌の子は、母と色が同じ雄の個体との交配を選ぶことを見いだした。同様に、雄の子は母と色が同じ雄に対してより攻撃的だった。著者たちが示唆する総合的な結果は、こうした刷り込みによって、分岐的な交配形質の多様性を有する個体間の遺伝子流動が低下するため、それが性選択によって種分化が生じる準備となるということである。



参考文献:
Yang Y, Servedio MR, and Richards-Zawacki CL.(2019): Imprinting sets the stage for speciation. Nature, 574, 7776, 99–102.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1599-z

ショウジョウバエにおける日中の色選好性

 ショウジョウバエ(Drosophila)における日中の色選好性に関する研究(Lazopulo et al., 2019)が公表されました。色による光識別は、動物を餌や隠れ家へ誘導し、有害な恐れのある状況から遠ざけることにより、生存を有利にし得ます。このような色に依存した行動には、学習によるものと先天的なものとがあり得ますが、ヒトも含めて哺乳類の先天的な色選好性に関するデータについては議論が続いており、無脊椎動物モデルでの研究では二者択一試験程度しか行なわれておらず、データが限られています。この研究は、青色光・緑色光・薄明光の3つの選択肢を与えられたショウジョウバエでは、色選好性が一日の時間帯によって変化するという、予想外の複雑なパターンが見られることを報告しています。

 ショウジョウバエは、早朝と午後遅くには緑色光に強い選好性を示しますが、正午頃には緑色光への選好性が低下し、青色光には一日を通して強い忌避を示します。遺伝学的操作からは、緑色光選好性のピークには、ロドプシンを視物質とする光受容器が必要で、それらのピークは概日時計によって制御されている、と明らかになりました。正午頃に緑色光の選好性が弱まって薄明光を好むのは、TRP(transient receptor potential)チャネルdTRPA1とPyrexiaに依存し、そのタイミングもやはり概日時計によって決定されていました。対照的に、青色光の忌避は、おもにmd(multidendritic)ニューロンを介して起こり、ロドプシン7とTRPチャネルであるPainlessが必要で、概日時計には無関係でした。これらの知見は、ショウジョウバエでは色に駆動される行動にいくつかのTRPチャネルが関わっており、先天的な色選好性に関わる複数の異なる経路が、周囲の光の中でショウジョウバエの行動動態を調整する、と明らかにしています。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用です。


神経科学:ショウジョウバエにおける日中の色選好性は概日時計とTRPチャネルに依存する

神経科学:一日の時間帯に応じた色の好み

 ヒトや哺乳類では、色に対する先天的な選好性については科学的な議論が分かれており、無脊椎動物モデルでの研究は、二者択一試験程度しか行われていない。今回S Syedたちは、ショウジョウバエ(Drosophila)に対する複数色アッセイ法を開発し、色に対する先天的な選好性は一日の時間帯に依存しており、ニューロン経路と分子経路の複雑なセットが関与することを明らかにしている。(1)青色光は一日を通して忌避され、主にmd(multidendritic)ニューロンを介して起こり、ロドプシン7とTRP(transient receptor potential)チャネルPainlessを必要とし、概日時計とは無関係である。(2)緑色光に対する選好性は朝と夕方にピークがあり、ロドプシンを視物質とする光受容器を必要とし、概日時計に制御されている。(3)緑色光に対する選好性は正午頃に低下して薄明光を好むようになり、それにはTRPチャネルであるdTRPA1とPyrexiaが必要で、そのタイミングはやはり概日時計により決められている。



参考文献:
Lazopulo S. et al.(2019): Daytime colour preference in Drosophila depends on the circadian clock and TRP channels. Nature, 574, 7776, 108–111.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1571-y

微量栄養素と海洋漁業

 微量栄養素と海洋漁業に関する研究(Hicks et al., 2019)が公表されました。微量栄養素の欠乏は毎年推定100万件に及ぶ若年死の主因で、一部の国では国内総生産(GDP)を最大11%も減少させているため、単に食料の生産量を増大させるのではなく、栄養の改善を重視した食料政策の必要性が指摘されています。ヒトはさまざまな食餌から栄養素を得ていますが、ヒトの健康に不可欠な、生体内で利用可能な微量栄養素を豊富に含む魚類は、見過ごされることが多くなっています。これは、多くの魚類に関する栄養成分組成の理解や、栄養収量が漁業ごとにどのように異なるのか、といったことに関する理解が不足しているためで、それが、食料と栄養の安全保障のために漁業の潜在力を効果的に利用するにあたって、必要となる政策の転換を妨げています。

 この研究は、世界43ヶ国367種の海水魚における7種類の栄養素の濃度データを用いて、環境的および生態学的な特徴からどのように海水魚種の栄養素含有量を予測できるのか、推定しました。この研究はその予測モデルを用いて、海洋漁業の栄養素濃度の全球的な空間パターンを定量化し、栄養収量をヒト集団における微量栄養素欠乏の広がりと比較しました。その結果、熱帯の温度構造で漁獲された種にはカルシウム・鉄・亜鉛が、比較的小型の種にはカルシウム・鉄・オメガ3脂肪酸が、寒冷な温度構造で漁獲された種や外洋に摂餌経路を持つ種にはオメガ3脂肪酸が、それぞれ高濃度で含まれている、と明らかになりました。

 栄養素の濃度と総漁獲量との間に関連性がなく、これは、その漁業の栄養素の質が種の組成によって決まることを明らかにしています。栄養摂取量が不充分な国の多くでは、漁獲した海水魚から利用可能な栄養素の量が、海岸から100 km以内に居住する集団での必要摂取量を上回っており、5歳未満の小児にとっては現在の水揚げ量の一部だけでも特に影響が大きい、と考えられます。これらの知見は、魚類に基づく食料戦略が、世界の食料と栄養の安全保障に大きく貢献する可能性がある、と示唆しています。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用です。


漁業:世界の漁業を利用して微量栄養素の欠乏に取り組む

漁業:海洋漁業における微量栄養素含有量のマッピング

 魚類には、ヒトの健康に不可欠な微量栄養素が豊富に含まれているが、多くの魚類に関する栄養成分組成の理解や、栄養収量が漁業ごとにどのように変わるかについての理解が不足しているために、食料と栄養の安全保障のために漁業を利用するのに必要な政策転換が妨げられている。今回C Hicksたちは、世界43か国における367種の魚類の栄養成分組成に関するデータと、階層ベイズモデルを用いて、世界の漁業の微量栄養素組成をマッピングした。その結果、熱帯の温度構造で漁獲された種にはカルシウム、鉄、亜鉛が、比較的小型の種にはカルシウム、鉄、オメガ3脂肪酸が、そして寒冷な温度構造で漁獲された種にはオメガ3脂肪酸が高濃度で含まれることが分かった。漁業の栄養収量と微量栄養素の摂取不足リスクを比較したところ、栄養摂取量が不十分な国の多くでは、漁獲した海水魚から利用可能な栄養素の量が沿海部のヒト集団での必要摂取量を上回ることが明らかになった。今回の知見は、世界的に最も栄養が欠乏している国々の一部については、漁業によってその栄養状態が大きく改善できる可能性があることを示唆している。



参考文献:
Hicks CC. et al.(2019): Harnessing global fisheries to tackle micronutrient deficiencies. Nature, 574, 7776, 95–98.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1592-6

地下水利用の環境への影響(追記有)

 地下水利用の環境への影響に関する研究(de Graaf et al., 2019)が公表されました。地下水は世界最大の淡水資源で、灌漑、ひいては全球の食料安全保障に極めて重要です。地下水の河川への流入は、健全な生態系の維持に重要な役割を果たしていますが、地下水の採取は、持続可能性を失いつつあります。一部の地域では、地下水採取の速度が、降水と河川水による地下水涵養の速度をすでに上回っています。地下水が枯渇すると、河川の流量が減少し、河川・湖・湿地・その他の生態系へ流れ込む水の量が減ってしまい、水界生態系に壊滅的な影響をもたらす可能性があります。この研究は、河川流量が環境流量の限界に初めて到達した地域とその時期(河川流量が初めて2年間に3ヶ月以上連続して臨界点に到達した地域とその時期)を調べました。河川流量の臨界点に達するということは、水域生態系を維持するために充分な地下水流が得られなくなったことを意味します。

 この研究は、地下水の汲み上げと地下水の河川への流入を関連づけた全球モデル(1960~2100年を対象とします)を作成しました。このモデルは、全世界の河川流域の約20%、その大部分が地下水に依存した灌漑を行っている乾燥地帯(たとえば、メキシコの一部、ガンジス川上流域、インダス川流域)で、河川流量がすでに環境流量の限界を超えている、と示します。この研究では、地下水の汲み上げが行われている河川流域の推定42~79%において、2050年までに水域生態系を維持できない河川流量になると考えられる、と明らかになりました。この推定値は、新興国の人口増加や発展による地下水需要の増加の可能性を全く考慮に入れていないために、楽観的な推定になっている可能性が高い、とこの研究は指摘します。またこの研究は、これらの知見が、持続可能かつ効率的な地下水の利用を促進するための将来の取り組みにとって有益な情報になるかもしれない、と指摘します。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用です。


【持続可能性】地下水利用が環境に及ぼす有害な影響をマッピングする

 世界で地下水採取が行われている河川流域のほぼ半数において、2050年までに地下水の汲み上げが水域生態系への水の流れに重大な影響を及ぼすようになるという予測を示したモデル研究について報告する論文が掲載される。地下水の河川への流入は、健全な生態系の維持に重要な役割を果たしているため、地下水資源の限界を理解することは重要だ。

 地下水の採取は、持続可能性を失いつつある。一部の地域では、地下水採取の速度が、降水と河川水による地下水涵養の速度をすでに上回っている。地下水が枯渇すると、河川の流量が減少し、河川、湖、湿地とその他の生態系へ流れ込む水の量が減ってしまう。

 今回、Inge de Graafたちの研究グループは、河川流量が環境流量の限界に初めて到達した地域とその時期(河川流量が初めて2年間に3か月以上連続して臨界点に到達した地域とその時期)を調べた。河川流量の臨界点に達するということは、水域生態系を維持するために十分な地下水流が得られなくなったことを意味する。de Graafたちは、地下水の汲み上げと地下水の河川への流入を関連付けた全球モデル(1960~2100年を対象とする)を作成した。このモデルは、全世界の河川流域の約20%、その大部分が地下水に依存した灌漑を行っている乾燥地帯(例えば、メキシコの一部、ガンジス川上流域、インダス川流域)で、河川流量がすでに環境流量の限界を超えていることを示している。今回の研究では、地下水の汲み上げが行われている河川流域の42~79%(推定)において、2050年までに水域生態系を維持できない河川流量になると考えられることが明らかになった。

 de Graafたちは、この推定値が、新興国の人口増加や発展による地下水需要の増加の可能性を全く考慮に入れていないために、楽観的な推定になっている可能性が高いとコメントしている。また彼らは、今回の研究によって得られた知見は、持続可能かつ効率的な地下水の利用を促進するための将来の取り組みにとって有益な情報となる可能性があると考えている。



参考文献:
de Graaf IEM. et al.(2019): Environmental flow limits to global groundwater pumping. Nature, 574, 7776, 90–94.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1594-4


追記(2019年10月5日)
 ナショナルジオグラフィックでも報道されました。

腸内微生物相の破壊と分娩様式の関連

 腸内微生物相の破壊と分娩様式の関連についての研究(Shao et al., 2019)が公表されました。新生児は母親と周囲の環境から微生物を獲得し、それが腸内微生物相を形成します。この過程が破壊されることは、小児期やその後の人生における一部の疾患の発症に関連すると考えられてきました。生後数ヶ月(新生児期)の乳児の腸内微生物相の組成に何が影響を及ぼすのか、解明しようとする試みがなされてきましたが、標本サイズが小さく、微生物相の分解能が低いために制約を受けていました。

 この研究は、イギリスの病院で生まれた満期産児(596人、複数時点での採取により合計1679点の試料)の腸内微生物相の全ゲノム塩基配列解読を行ない、帝王切開による出産によって新生児期の微生物相の組成がどのように形成されるのか、調べました。調査した乳児のうち、314例が経腟分娩で、282例が帝王切開による分娩でした。分析の結果、帝王切開による出産は、母体の共生細菌の伝播が阻害され、環境的起源を持つ可能性の高い薬剤耐性日和見病原体の定着が多いことと関連する、と明らかになりました。具体的には、母親から乳児へのバクテロイデス属(Bacteroides)の株の伝播がほとんどなく、エンテロコッカス属(Enterococcus)やエンテロバクター属(Enterobacter)やクレブシエラ属(Klebsiella)など、病院の環境に関連する日和見病原体が約83%と高レベルで定着していました。一方、経腟分娩で生まれた乳児の場合、その比率は約49%でした。また、経腟分娩児の腸微生物相の組成の変動の最大の原因は、母親の抗生物質使用だったことも明らかになりました。

 この研究は、人生の非常に早い段階で腸内微生物相が確立される際に、局所的環境が重要な役割を担っている、と明らかにしており、抗微生物薬耐性を有する日和見病原体の定着が、これまで正しく評価されていなかった病院出産時のリスク要因である、と突き止められました。ただ、この研究は、腸内微生物相の破壊と出生直後の病原体の存在が臨床的にどのような結果をもたらすかについては解明できていない、と指摘しています。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用(引用1および引用2)です。


【健康】マイクロバイオームの破壊との関連が認められる分娩様式

 帝王切開によって生まれた新生児は、異なった腸内微生物相を持つ傾向があり、病気を引き起こす可能性のある細菌が定着しやすいことを報告する論文が、今週掲載される。今回の研究は、この種の研究として最大規模のもので、その結果により、分娩様式が生後数週間の腸内微生物相を形作る主たる要因であることを示唆する先行研究の知見が確認された。

 新生児は、母親と周囲の環境から微生物を獲得し、それが腸内微生物相を形成する。この過程が破壊されることは、小児期やその後の人生における一部の疾患の発症に関連すると考えられてきた。生後数か月(新生児期)の乳児の腸内微生物相の組成に何が影響を及ぼすのかを解明しようとする試みがなされてきたが、サンプルサイズが小さく、微生物相の分解能が低いために制約を受けていた。

 今回、Trevor Lawleyたちの研究グループは、英国の病院で生まれた満期産児(596例)の腸内微生物相の全ゲノム塩基配列解読を行い、帝王切開による出産によって新生児期の微生物相の組成がどのように形成されるのかを調べた。調査した乳児のうち、314例が経腟分娩で、282例が帝王切開による分娩だった。分析の結果、帝王切開による出産は、母体の共生細菌の伝播が阻害されることと環境的起源を持つ可能性の高い薬剤耐性日和見病原体の定着が多いことと関連することが明らかになった。帝王切開によって生まれた乳児の約83%が疾患発症の原因となる可能性がある細菌を持っていたのに対し、経腟分娩で生まれた乳児の場合は約49%だった。また、経腟分娩児の腸微生物相の組成の変動の最大の原因は、母親の抗生物質使用だった。

 Lawleyたちは、腸内微生物相の破壊と出生直後の病原体の存在が臨床的にどのような結果をもたらすかについては解明できていないと結論付けている。


微生物学:帝王切開分娩における微生物相の発達不全および日和見病原体の定着

微生物学:新生児のマイクロバイオームには分娩様式が影響する

 現代の臨床業務が新生児の腸内微生物相の獲得に及ぼす影響は分かっていない。今回T Lawleyたちは、これまで調べられたうち最大の新生児コホート(生後1か月以内)において、英国の病院で生まれた596人の満期産児とその母親について、腸内微生物相の縦断的な試料採取(乳児期後期にも追跡試料を収集)とメタゲノム解析を行った。その結果、分娩様式が新生児期の腸内微生物相の組成に影響を及ぼす重要な要因であり、またこの影響は乳児期にも持続することが分かった。帝王切開による分娩では、母親から新生児へのバクテロイデス属(Bacteroides)細菌の伝播が起こらず、病院環境由来の抗微生物薬耐性日和見病原体が新生児に定着する率が高まっていた。



参考文献:
Shao Y. et al.(2019): Stunted microbiota and opportunistic pathogen colonization in caesarean-section birth. Nature, 574, 7776, 117–121.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1560-1