古代の人類間の遺伝子流動

 古代の人類間の遺伝子流動に関する研究(Hubisz et al., 2020)が報道されました。遺伝子流動が過去数十万年の人類集団間で起きたことはよく確認されています。古代の遺伝子流動の最もよく研究された事例は、アフリカからユーラシアに拡散してきた現生人類(Homo sapiens)と、ユーラシアの在来人類集団であるネアンデルタール人(Homo neanderthalensis)との間で5万年前頃に起きた交雑です。この時の交雑により現代人はネアンデルタール人からDNAを継承しており、非アフリカ系現代人のDNAの1~3%はネアンデルタール人に由来します。また、ネアンデルタール人と近縁な種区分未定のホモ属であるデニソワ人(Denisovan)に由来するDNA領域は、オセアニア現代人のゲノムに2~4%存在します。

 他に多くの混合事象が提案されており、古代人類における複雑な相互作用が示唆されます。その中には、ネアンデルタール人とデニソワ人との間の遺伝子流動(関連記事)や、10万年以上前にアフリカからユーラシアへと拡散した現生人類からネアンデルタール人へ(関連記事)、おそらくはホモ・エレクトス(Homo erectus)だろう「超古代型」人類からデニソワ人へ(関連記事)、他の未知の古代型人類からアフリカのさまざまな現生人類集団へ(関連記事)、といった組み合わせの遺伝子流動が含まれます。

 相互作用のネットワークがより複雑になるにつれて、標準的な方法で遺伝子流動を検証したり、遺伝子移入された領域を特定したりすることが、ますます困難になります。たとえばアフリカ現代人に関して、デニソワ人との場合と比較して、ネアンデルタール人との間の共有アレルの過剰が示唆されています。この観察結果は、ネアンデルタール人とアフリカ現代人の祖先との間の遺伝子流動か、超古代型人類からデニソワ人への遺伝子流動によりデニソワ人とアフリカ現代人との間のアレル(対立遺伝子)共有が減少したことで、説明できるかもしれません。なお、この観察結果に関しては、本論文では取り上げられていませんが、その後の研究(関連記事)で示された、アフリカ現代人のゲノムにおけるネアンデルタール人由来の領域の割合がじゅうらいの推定よりもずっと高い、という知見により説明できそうです。

 さらに、遺伝子流動の存在を示す強力な証拠がある場合でも、特定の遺伝子移入された領域を識別することは困難です。この問題の解明は、ネアンデルタール人から現生人類もしくはデニソワ人から現生人類の場合よりも、超古代型人類からデニソワ人から現生人類および現生人類からネアンデルタール人への遺伝子流動事象の方がずっと困難です。それは、両方ともずっと古い年代に起きたと仮定されており、遺伝子移入されたハプロタイプは組換えによりずっと解体されていることと、超古代型人類の利用可能な配列がないからです。また、ネアンデルタール人とデニソワ人のゲノムデータが少ないことも制約となります。そのため、現在の手法は、古代の人類における交雑事象を検出するのに理想的ではなく、もっと最近の遺伝子移入を特定するというより容易な問題に最適化されています。さらに、これらの手法はいくつかの要約統計量のみを用います。ゲノム標識がより微妙な場合、モデルベースの手法を用いて全データを組み込む必要があります。

 本論文は、ARGweaver-Dという強力でひじょうに一般的な新手法を報告します。これは、集団の分岐年代・規模変化・移住事象を含む、一般的な人口統計学的モデルを条件とする祖先の組換え図(ARG)を標本抽出します。ARGweaver-Dの導入後、シミュレーション研究が提示されます。これは、限定的なゲノム数を用いた時でさえネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入を上手く検出でき、現生人類からネアンデルタール人、超古代型人類からデニソワ人やアフリカ現代人の祖先を含む、より古い移住事象を検出する能力も有します。本論文はこの手法をアフリカ現代人と古代の人類に適用し、現生人類と古代型人類との間の遺伝子移入の新たな事例と以前に報告された事例の両方を特徴づけます。


●ARGweaver-Dの能力評価

 ARGweaver-Dは任意の人口統計学的モデルを条件として、ARGを標本抽出できます。ARGweaver-DはARGweaverの主要な拡張で、使用者の定義した集団モデルを条件としてARGを推定できます。このモデルは、過去に系統を共有する現代集団の任意の数で構成でき、最も祖先的な分離時点における単一の任意交配集団に合着します。集団規模は各集団の時間間隔ごとに個別に特定できます。集団間の移住事象も追加でき、それらは即座に起きると推定され、使用者定義の時間と確率を伴います。通常、ARGweaver-Dの使用に適した人口統計学的モデルは、文献から、もしくは前処理段階での方法を適用して取得できます。

 ARGweaver-Dの能力と精度は、現生人類へのネアンデルタール人からの遺伝子移入の特定のシミュレーションで評価されました。全体的に、ARGweaver-Dは条件付き確率場(CRF)よりもパフォーマンスが向上しており、長い断片ではさほど改善されませんが、短い断片では改善が顕著です。ARGweaver-Dにより推定される、人類系統の分岐と各系統間の交雑関係と有効人口規模は図3にまとめられており、ネアンデルタール人とデニソワ人の系統では有効人口規模の減少が想定されます。以下、本論文の図3です。
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 ARGweaver-DとCRFで、現代のパプア人・バスク人・アフリカ人(マンデンカ人およびサン人)におけるネアンデルタール人およびデニソワ人系統の検出も比較されました。いずれも、パプア人においてネアンデルタール人よりもデニソワ人に由来するDNA領域が多いと予測されているにも関わらず、ネアンデルタール人の方が多い、との結果が得られています。これは、デニソワ人からの遺伝子移入を検出する能力が低いことで説明できます。それは、デニソワ人のゲノムデータが南シベリアのアルタイ山脈のデニソワ洞窟(Denisova Cave)遺跡で発見された個体からしか得られていないのに、パプア人(およびオーストラリア先住民)の祖先と交雑したデニソワ人は、アルタイ地域とはずっと前に分岐した系統であることに起因します。

 一方、ネアンデルタール人に関しては、高品質なゲノムデータが得られているアルタイ地域(デニソワ洞窟)個体とクロアチアのヴィンディヤ洞窟(Vindija Cave)遺跡個体の比較で、クロアチア個体の方が非アフリカ系現代人の祖先集団と交雑したネアンデルタール人系統により近い、と推測されています(関連記事)。ARGではこの情報が反映されており、現代パプア人との間の遺伝子移入系統の平均合着年代は、クロアチアのネアンデルタール人とで262000年前、アルタイ地域ネアンデルタール人で326000年前、デニソワ人で396000年前です。バスク人の場合、クロアチアのネアンデルタール人との平均合着年代は236000年前で、アルタイ地域のネアンデルタール人との292000年前よりも新しくなっています。

 ARGweaver-Dではネアンデルタール人から現代アフリカ人への約0.5%の遺伝子移入が検出され、誤検知の可能性も、ネアンデルタール人と交雑したユーラシア現生人類集団の一部のアフリカへの「逆流」による可能性もあります(関連記事)。また上述のように、10万年以上前にアフリカからユーラシアへと拡散した現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入が推測されているので、その領域が検出された可能性もあります。少ない標本では、2集団間の移住方向の決定が困難な場合もあります。

 次に、ARGweaver-Dのより古い遺伝子移入事象を検出する能力が評価されました。そのため、アフリカの人口史のモデルを用いて、現代人の標本がシミュレートされました。これらのシミュレーションには、現生人類からネアンデルタール人、標本抽出されていない「超古代型」人類からデニソワ人、「超古代型」人類から現代アフリカ人系統という、3つの移住(遺伝子移入)事象が含まれます。デニソワ人とアフリカ人への遺伝子移入をもたらした「超古代型」人類は、同じ系統とは限りません。その結果、分岐年代が古い(違いが大きくなります)ほど、また遺伝子流動事象が新しいほど、検出する能力が高いと明らかになりました。偽陽性率は、事後確率閾値0.5で1%未満となり、ARGweaver-Dには古い遺伝子移入事象を検出する能力がある、と確認されます。


●古い遺伝子移入

 ARGweaver-Dの能力と精度が確認されたので、ARGweaver-Dを用いて、現代人および非現生人類ホモ属(古代型ホモ属)のゲノムが分析されました。全体的に、アルタイ地域とクロアチアのネアンデルタール人の両方で、現生人類からの遺伝子移入領域が最も高く(3%程度)検出されますが、このモデルの真陽性率が30~55%だとすると、この値はほぼ確実に過小評価です。対照的に、わずか0.37%の領域が現生人類からデニソワ人への遺伝子移入として分類されます。

 現代人のどの地域集団についても言えますが、常染色体よりもX染色体の方で、デニソワ人およびネアンデルタール人由来のゲノム領域の割合がずっと少ない、と明らかになっており(関連記事)、それは本論文が対象とした現代人集団でも確認されました。対照的に、アルタイ地域とクロアチアのネアンデルタール人では、X染色体において現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入の高網羅率が観察され、常染色体よりもやや高いくらいです。ただ、常染色体ではかなりの変動が見られ、1・6・21・22番などいくつかの常染色体ではX染色体よりも高い網羅率が予測されます。クロアチアのネアンデルタール人はアルタイ地域のネアンデルタール人より7万年後となるものの、常染色体における現生人類系統の枯渇は示されず、負の選択がその間に現生人類から遺伝子移入された領域を大きくは喪失させなかった、と示唆されます。しかし、アルタイ地域のネアンデルタール人と比較して、クロアチアのネアンデルタール人の一部の染色体では網羅率の減少が見られ、その最大のものはX染色体です。

 他の移住(遺伝子移入)事象は、より低水準で検出されます。デニソワ人のゲノムの1%は、超古代型人類からの遺伝子移入と特定されます。これを6%と推定する先行研究と比較すると低く、これは超古代型人類が現生人類・ネアンデルタール人・デニソワ人の共通祖先系統と分岐したのがやや新しく、150万年前頃よりも100万年前頃に近かったことを示唆します。それでも、超古代型人類からデニソワ人へと遺伝子移入されたと推定される2700万塩基対の配列が得られました。ARGweaver-Dではさらに、ネアンデルタール人ゲノムのうち、アルタイ地域個体の0.75%、クロアチア個体の0.70%が超古代型人類からの遺伝子移入と予測します。ただ、これは推定偽陽性率(0.65%)をわずかに超えるだけなので、確定的とは言えません。

 超古代型人類からデニソワ人、およびおそらくはネアンデルタール人への遺伝子移入事象からは、その後のデニソワ人やネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入事象を通じて、超古代型人類のDNAが現生人類に継承される可能性を提起します。じっさい、超古代型人類からデニソワ人へと遺伝子移入された領域の15%は、デニソワ人からアジア南東部の一部およびオセアニアの現代人集団に遺伝子移入された配列と重複しており、その多くには、超古代型人類からの遺伝子移入と一致する多くの多様体が含まれます。また、超古代型人類からネアンデルタール人への遺伝子移入領域の35%が、少なくとも1人のアフリカ現代人で観察されます。とくに、6番染色体の1領域は、超古代型人類からからネアンデルタール人への遺伝子移入領域と重なります。現生人類からネアンデルタール人への古い遺伝子移入の年代は、正確には特定できないものの、30万~20万年前頃と推定されます。超古代型人類からデニソワ人への遺伝子移入は、225000年以上前と推定されます。


●遺伝子移入領域の機能分析

 上述のように、本論文のいくつかの観察では、現生人類からネアンデルタール人への古い遺伝子移入では選択が欠如していたかもしれない、と示唆されました。そこで、選択が作用したかもしれない領域を検証したところ、ネアンデルタール人とデニソワ人から現生人類への遺伝子移入領域で、4ヶ所の1000万塩基対の「砂漠(他集団からの遺伝子移入に由来するDNAが全く、あるいは殆ど存在しない領域)」が見つかりました。遺伝子移入率は1/1000未満です。

 これらの「砂漠」では、現生人類からネアンデルタール人へのかなり高い網羅率が観察されており、遺伝子移入の偏りは一方向性と示唆されます。2ヶ所の「砂漠」では、とくにアルタイ地域のネアンデルタール人において、現生人類からネアンデルタール人への網羅率がひじょうに高くなっています。注目されるのは、3番目の領域がFOXP2遺伝子と重なっていることです。2007年に、ネアンデルタール人にも現代人型のFOXP2遺伝子変異が存在すると明らかになり(関連記事)、現生人類からネアンデルタール人に導入されたのではないか、と考えたくなりますが、現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入領域は、現代人型のFOXP2遺伝子変異の上流に位置します。

 ネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入における「砂漠」についてさらに調べると、1000万塩基対以上の30領域が特定されました。しかし、これらの「砂漠」は、規模が一致する無作為に選択された一連のゲノム領域と有意に異なるわけではありません。遺伝子移入された領域における機能要素の濃縮もしくは枯渇に関しては、遺伝子移入された非翻訳領域やプロモーターやコーディング領域といった機能的領域の濃縮が、クロアチアのネアンデルタール人よりもアルタイ地域のネアンデルタール人で高い傾向にある、と明らかになりました。これは、負の選択から予想されるパターンとは反対です。


●まとめ

 ARGweaver-Dの使用は比較的小さな標本規模(最大で約100の半数体ゲノム)に限定されますが、この設定でも、とくに古い遺伝子移入事象において、優れた能力を発揮します。またARGweaver-Dには、遺伝子流動の検出に関して、他の手法と比較していくつかの利点があります。たとえば、遺伝子移入されていない個体を参照配列として用いる必要がなく、複数の事象に由来する遺伝子移入を特定でき、それは標本抽出されている集団からもそうでない集団からも可能です。本論文は遺伝子移入に焦点を当てましたが、ARGweaver-Dは人口統計学的なARG推論の一般的手法でもあり、他にも多くの応用の可能性があります。

 ネアンデルタール人のゲノムにおける現生人類由来の領域は3%と推定されましたが、真陽性と偽陽性の推定率に基づく大まかな推定では7%と示唆されます。これは、非アフリカ系現代人のゲノムにおけるネアンデルタール人由来の領域の割合(2~3%)より高くなります。この現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入は30万~20万年前頃に起きたと推定され、5万年前頃となる非アフリカ系現代人の主要な祖先集団とネアンデルタール人との交雑とは異なる事象だったようです。

 ネアンデルタール人のミトコンドリアDNA(mtDNA)とY染色体は、デニソワ人に近い系統から現生人類に近い系統へと置換された、と推測されています(関連記事)。本論文が示した現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入は、これと関連しているかもしれません。この置換の下限年代は27万年前頃と推定されていますが(関連記事)、ネアンデルタール人個体群におけるmtDNAと核DNAの系統樹の相違からは、異なる進化史も想定されます(関連記事)。

 20万年以上前の現生人類とネアンデルタール人との交雑に関しては、遺伝的証拠だけではなく化石証拠も提示されており、ギリシア南部では21万年前頃となる現生人類的な頭蓋が発見されています(関連記事)。現生人類からネアンデルタール人への古い遺伝子移入が起きたと推定される年代に、ユーラシアに(広義の)現生人類が存在していた、というわけです。これら早期現生人類は後に絶滅し、現代人にはネアンデルタール人を経由してのみ遺伝的痕跡を残しているかもしれません。

 現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入における機能的影響の可能性に関しては、遺伝子移入された領域を検出する能力に影響を与える既知および未知の要因により、解明は困難です。遺伝子移入を検出する能力が高いネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入の場合でも、遺伝子近くの枯渇や時間の経過に伴う遺伝子移入領域の低下といった主張には疑問も呈されています(関連記事)。ネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入における負の選択の最も強い証拠は、X染色体および他のいくつかの「砂漠」における枯渇です。しかし、現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入事象では、X染色体における枯渇は見られず、ネアンデルタール人のゲノムにおける「砂漠」を検出するには、標本が少なすぎます。

 一方、以前にネアンデルタール人から現生人類への遺伝子移入で特定された「砂漠」では、現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入では枯渇が見られない、と確認されました。アルタイ地域のネアンデルタール人と比較してクロアチアのネアンデルタール人では、X染色体における現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入のわずかな減少が見られます。これは、アルタイ地域個体がクロアチア個体よりも7万年古いという両者の年代の違いのため、その間に遺伝子移入領域を除去する弱い負の選択が作用した、と想定することにより説明できます。負の選択が観察されないことは、現生人類からネアンデルタール人への遺伝子移入により導入された多様性が適応度を高めたのか、それともネアンデルタール人集団が有害な多様体を効率的に除去するにはあまりにも小さかったのか、という問題を提起します。この問題は、追加の古代型ホモ属の標本で解決できるかもしれません。

 ARGweaver-Dでは、デニソワ人のゲノムにおける超古代型人類から遺伝子移入された1%の領域も特定されました。以前にはこの割合は6%と推定されていました。本論文により示された新たな推定は、この超古代型人類が現生人類・ネアンデルタール人・デニソワ人の共通祖先系統からさほど遠い関係にはなく、両者の分岐年代が150万年前頃よりも100万年前頃に近い、と示唆します。デニソワ人のゲノムにおける超古代型人類由来の領域が2700万塩基対特定され、そのうち約15%が、デニソワ人と現生人類との交雑を通じて、一部の現代人集団に継承された、と推定されます。つまり、一部の現代人のゲノムのうち約400万塩基対は、2回の遺伝子移入事象を通じてもたらされ、遺伝学的に未知の超古代型人類に由来することになります。

 本論文は、この超古代型人類がホモ・エレクトス(Homo erectus)である可能性を指摘します。ただ、100万年前頃に近い分岐年代だとすると、イベリア半島で確認されているホモ・アンテセッサー(Homo antecessor)が超古代型人類かもしれません。それはともかく、さらに、現時点での検出能力の問題により、超古代型人類からの遺伝子移入領域が6倍になる可能性もあります。インドネシアとパプアニューギニアの島々の14集団161人の網羅率30倍以上となる高品質なゲノム配列(関連記事)の適用により、この超古代型人類に由来する領域をさらに特定できるかもしれません。

 上述のように、アフリカ現代人における未知の超古代型人類からの遺伝子移入の可能性が指摘されています。ARGweaver-Dでは、このパターンの割合は低く、推定される偽陽性率よりもやや低くなっています。しかし、配列されていない集団から遺伝子移入を特定する能力は、遺伝子移入された集団の規模に強く依存します。より大きな集団で、その集団内の合着がより深いと、どの系統が超古代型人類からの遺伝子移入により説明できるのか、決定するのがより困難になります。

 アフリカ人に関して、本論文は23700人という集団規模を用いました。より小さな集団規模を用いると、ARGweaver-Dでは超古代型人類からアフリカ人への遺伝子移入がより多く推定されますが、偽陽性率がずっと高くなる可能性もあります。ARGweaver-Dの欠点の一つは、それが人口統計学的モデルに依存しており、間違ったモデルを選択すると、誤った結果が生じることです。本論文では、ARGweaver-Dが適度な誤指定に対してかなり堅牢と示されましたが、ARGweaver-Dの実行前には、慎重な人口統計分析により、できるだけ最良のモデルを使用する必要があります。

 本論文では、現生人類からデニソワ人と、超古代型人類からネアンデルタール人という組み合わせで、わずかな遺伝子移入が検出されました。これらの遺伝子移入事象は以前の研究では報告されていないため、予測は誤検出率とおおむね一致する、と予想されました。現生人類からデニソワ人の遺伝子移入事象では、シミュレーションから推定された偽陽性率(0.41%)よりもわずかに低い割合(0.37%)が予測されました。しかし、超古代型人類からネアンデルタール人への遺伝子移入事象では、0.75%が予測され、推定偽陽性率(0.65%)よりわずかに高くなります。

 これらの断片は小さすぎるので、強力な結論を提示できませんが、ホモ・エレクトスがデニソワ人と交雑したならば、おそらくは中東でネアンデルタール人と交雑した可能性もあります。あるいは、ネアンデルタール人のゲノムにおけるホモ・エレクトス由来のDNAは、ネアンデルタール人がデニソワ人との交雑により継承したのかもしれません。本論文では言及されていませんが、アルタイ地域ではネアンデルタール人とデニソワ人との交雑が一般的だった、と推測されています(関連記事)。現時点で報告されている遺伝子流動事象の数を考慮すると、2集団が重複している時空間ではいつでも、遺伝的交換(交雑)が起きた可能性は高い、と仮定するのが合理的かもしれません。


参考文献:
Hubisz MJ, Williams AL, Siepel A (2020) Mapping gene flow between ancient hominins through demography-aware inference of the ancestral recombination graph. PLoS Genet 16(8): e1008895.
https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008895

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