分子人類学

分子人類学は遺伝人類学とも呼ばれ、分子生物学が人類の進化の理解にどのように貢献してきたかを研究する分野です。^[1]この人類学の分野では、古代と現代の人類集団の間、および現代の種間の進化的つながりを調査します 。一般的に、 DNA配列またはタンパク質配列の間で比較が行われますが、初期の研究では比較血清学が使用されていました。

異なる集団のDNA配列を調べることで、科学者は集団間（または集団内）の関係の近さを判断できます。遺伝子構成の特定の類似性により、分子人類学者は異なる集団の人々が同一のハプログループに属しているかどうか、つまり共通の地理的起源を共有しているかどうかを判断できます。これは、人類学者が移住と定住のパターンを追跡することを可能にするため重要であり、現代の集団がどのように形成され、時間の経過とともに進化してきたかについて役立つ洞察を提供します。^[2]

分子人類学は、チンパンジーやゴリラなどの近縁種を含む、ヒトと他の霊長類の進化系統樹を確立するのに非常に役立ってきた。例えば、ヒトとチンパンジーの間には明らかに多くの形態学的類似点があるが、ある研究では、両種のDNAの共通性はおよそ98パーセントであると結論づけている。^[要出典]しかし、最近の研究では、98パーセントという共通性は94パーセントに修正されており、ヒトとチンパンジーの遺伝的ギャップは当初考えられていたよりも大きいことがわかっている。^[3]このような情報は、共通の祖先を探したり、人類がどのように進化したかをより深く理解したりするために役立つ。

人間には、単一の性別によって運ばれる連続した連鎖群が2 つあります。1 つ目はY 染色体で、これは父親から息子に受け継がれます。解剖学上の女性は、遺伝的欠陥の結果として、Y 染色体を持つことはまれです。もう 1 つの連鎖群は、ミトコンドリア DNA (mtDNA) です。mtDNA はほとんどの場合、女性によってのみ次世代に受け継がれますが、非常に例外的な状況では、mtDNA は男性を介して受け継がれることがあります。^{[説明が必要]} Y 染色体の非組換え部分と mtDNA は、通常の状況では生産的な組換えを起こしません。Y 染色体の一部は X 染色体と組換えを起こす可能性があり、類人猿の歴史の中でその境界は変化してきました。Y 染色体の非組換え領域におけるこのような組換え変化は極めてまれです。^{[引用が必要]}

ミトコンドリア DNA は、1970 年代後半に系統学の研究対象になりました。ゲノム DNA とは異なり、ミトコンドリア DNA は組み換えを受けないという利点がありました。組み換えのプロセスは、頻繁に起こると、アミノ酸置換 (SNP) の連続により、簡素なツリーを作成する能力を損ないます。^{[説明が必要]}遠縁の種を調べる場合、真の種分化が起こった後は共通の祖先からの枝の間での組み換えが防止されるため、組み換えはそれほど問題になりません。近縁の種、または種内の枝分かれを調べる場合、組み換えによって分岐分析で多数の「無関係な SNP」が生成されます。mtDNA は、細胞小器官の分裂のプロセスを通じて、時間の経過とともにクローン化されました。父方の mtDNA はほとんど、またはまったく受け継がれません。mtDNA で組み換えが発生することはありますが、次の世代に受け継がれるリスクはほとんどありません。その結果、mtDNA は、新しい突然変異が生じない限り、互いにクローンコピーになります。その結果、mtDNA は、交配グループで研究される際に常染色体遺伝子座の落とし穴に陥ることはありません。mtDNA のもう 1 つの利点は、高可変領域が非常に速く進化することです。これは、ミトコンドリア DNA の特定の領域が中立に近づいていることを示しています。これにより、ミトコンドリア DNA を使用することで、人類の相対年齢が若く、約 15 万年前に最近の狭窄を経験したと判断できました (「エラーの原因」を参照)。

ミトコンドリア DNA は、チンパンジーとゴリラの相対的な人間との近さを検証したり、これら 3 つの種とオランウータンの相対的な関係を検証したりするためにも使用されています。

最近では、^{[いつ? ]} mtDNA ゲノムは、新大陸にいつ、どのようにして定住したかなど、世界中の人々の分岐パターンを推定するために使用されています。これらの研究の問題点は、コーディング領域の突然変異に大きく依存していることです。研究者は、人類がアフリカ南東部から移動するにつれて、コーディング領域に予想よりも多くの突然変異が蓄積したこと、そして新大陸への移動中に、一部のグループはアジアの熱帯地方からシベリア、ベーリング地と呼ばれる古代の陸地を通過し、すぐに南アメリカに移住したと考えられ^{ていることをますます}発見しています。mtDNA の多くは、中立的な突然変異の予測と比較して、はるかに多くの突然変異を持ち、めったに突然変異しないコーディング部位にあります。

ミトコンドリア DNA には常染色体 DNA に勝る別の利点があります。通常、各細胞には各染色体のコピーが 2 ～ 4 個あります (各親染色体から 1 ～ 2 個)。mtDNA の場合、各細胞に数十から数百個あることがあります。これにより、各 mtDNA 遺伝子座の量が少なくとも 1 桁増加します。DNA が高度に分解されている古代 DNA の場合、DNA のコピー数は短い断片を延長して橋渡しするのに役立ち、非常に価値の高い化石/古代の遺物から抽出される骨の量を減らします。Y 染色体とは異なり、男性と女性の遺物の両方がほぼ同量の mtDNA を持っています。

Y染色体は、通常の細胞の核（核DNA）に存在します。mtDNAとは異なり、Y染色体の非組換え部分（NRY）の変異は広く間隔が空いており、非常に離れているため、新しいY染色体の変異を見つけるのは、mtDNAと比較して労力がかかります。多くの研究はタンデムリピートに依存していますが、タンデムリピートは急速に拡大したり縮小したりすることがあり、いくつかの予測可能なパターンがあります。Y染色体は男性の系統のみを追跡し、女性には見られませんが、mtDNAは、男性がmtDNAを伝えなくても追跡できます。さらに、先史時代の有効な男性集団は通常、男性1人につき女性2人であったと推定されており、最近の研究では、文化的覇権がY染色体の伝達に大きな役割を果たしていることが示されています。これにより、最も最近の共通祖先までの時間（TMRCA）について男性と女性の間に不一致が生じています。 Y TMRCA の推定値は、mtDNA TMRCA の 1/4 から 1/2 未満の範囲です。これは、過去の高い男女比と、アフリカからの繰り返しの移住が組み合わさって突然変異率の変化の結果として生じたものなのか、あるいはチンパンジーと人間の LCA の雌が雄が DNA を渡さなくなった後も数百万年にわたって DNA を渡し続けていたと提唱する人もいるためなのかは不明です。現在、最も優れた証拠は、移住中に人間の男女比が低下し、アフリカ内外で複数回にわたって Y の多様性が削減された可能性があることを示唆しています。

短距離の分子系統学と分子クロッキングでは、Y 染色体は非常に効果的で、2 番目の視点を生み出します。議論の 1 つは、マオリ族はmtDNA によると中国東部または台湾から移住し、Y 染色体によるとパプアニューギニア地域から移住したというものでした。HLA ハプロタイプを使用して 2 つの仮説を評価したところ、どちらも正しく、マオリ族は混合集団であることが判明しました。このような混合は人間の集団では一般的であるため、単一の半数体遺伝子座を使用すると偏った視点になる可能性があります。

X 染色体も核 DNA の一種です。男性では 1 つのコピーとして、女性では 2 つの非同一染色体として見られるため、倍数性は 1.5 です。ただし、ヒトの場合、繁殖集団の女性は、人類の先史時代の大部分で男性の 2 倍に上る傾向があったため、有効倍数性はやや高く、約 1.7 です。mtDNA と同様に、X 連鎖 DNA は、男性よりも女性の集団史を過度に強調する傾向があります。X 染色体上の遺伝子座に関する研究は複数行われており、合計 20 箇所が調査されています。これらには、PDHA1、PDHA1、Xq21.3、Xq13.3、Zfx、Fix、Il2rg、Plp、Gk、Ids、Alas2、Rrm2p4、AmeIX、Tnfsf5、Licam、および Msn が含まれます。最も最近の共通祖先までの時間 (TMRCA) は、固定から約 180 万年までの範囲で、中央値は約 70 万年です。これらの研究は、隣接するサイト間の連鎖不平衡を前提として、予想される対立遺伝子の固定分布に大まかにプロットされています。一部の対立遺伝子では起源がわかりにくく、他の対立遺伝子では起源がサハラ以南アフリカを指しています。SSA 内には、より狭い地域を示唆するいくつかの違いがありますが、最も最近の共通祖先の場所を定義するにはサンプル サイズと範囲が不十分です。TMRCA は、mtDNA によって示唆されたボトルネックと一致しており、自信を持って約 50 万年まで延長されます。

クリングス ネアンデルタール人の mtDNA の配列が解読され、配列の類似性から、同様に最近、後期人類のネアンデルタール人分岐の小さな集団に起源を持つことが示唆されている。MCR1 遺伝子も解読されたが、その結果は議論を呼んでおり、ある研究では、ネアンデルタール人との類似性から汚染の問題を解決できないと主張している。しかし、重要なことに、ホモ・エレクトス、ホモ・フローレシエンシス、その他の後期人類からは DNA 配列が得られていない。得られた古代の配列の一部には、エラーの可能性が非常に高いものがあり、汚染を避けるために適切な管理が行われている。

分子系統学は、定量的な置換と他の種との配列の比較に基づいており、そのプロセスにはエラーを生じるポイントがいくつかあります。最初で最大の課題は、研究者がシステムを較正できるようにする「アンカー」を見つけることです。この例では、チンパンジーと人間の間には 10 の突然変異がありますが、研究者は、両方の祖先であるものの、系統樹の次の種であるゴリラの祖先ではない既知の化石を持っていません。ただし、約 1,400 万年前のオランウータンと人間の祖先であると考えられる化石があります。研究者はオランウータンと人間を比較して、24 という差を導き出すことができます。これを使用して、(24/(14*2、"2" は、最後の共通祖先 (LCA) からの人間への分岐 (14my) とオランウータンへの分岐 (14my) の長さを表します) を推定できます。配列のストレッチに対する突然変異率は 0.857 です。ただし、突然変異率はヌクレオチド (nt) サイトあたりの率として示されるため、配列の長さが 100 nt だとすると、その率は 100 万年あたり 0.00857/nt になります。10 回の突然変異 * 100nt/(0.00857*2) = 580 万年です。

上記には見られない問題がいくつかあります。まず、突然変異はランダムなイベントとして発生します。次に、ゲノム内の任意のサイトが変化する確率は、次のサイトとは異なります。非常に良い例はアミノ酸のコドンです。コドンの最初の 2 つの nt は 10 億年に 1 回突然変異する可能性がありますが、3 番目の nt は 100 万年に 1 回突然変異する可能性があります。科学者が多数の動物、特に調査対象の枝に近い動物の配列を研究しない限り、特定のサイトの突然変異率がどれくらいかは一般にわかりません。突然変異はコドンの 1 番目と 2 番目の位置で発生しますが、ほとんどの場合、これらの突然変異は負の選択下にあるため、短期間で集団から除去されます。アンカーの進化率を定義すると、ランダムな突然変異によって発生する問題があります。たとえば、.005 または .010 の率は、二項確率分布に従って 24 の突然変異を説明することもできます。2 つの間で発生した突然変異の一部は元に戻り、当初より高かった率を隠しています。これには選択が関係している可能性があり、まれな突然変異が時点 X では選択的であったとしても、後に気候が変化したり種が移動したりして選択的ではなくなり、変化を元に戻す新しい突然変異に圧力がかかり、時にはヌクレオチドの逆戻りが発生する可能性があり、2 つの種間の距離が大きいほど、これが発生する可能性が高くなります。さらに、その祖先種から、両方の種がランダムに同じヌクレオチドにサイトを突然変異させる可能性があります。多くの場合、これは、分岐内の種から DNA サンプルを取得し、突然変異の順序を推測できる簡潔なツリーを作成し、分岐長図を作成することで解決できます。この図により、2 つの種間の突然変異のより正確な推定値が生成されます。統計的には、ランダム性、逆突然変異、および平行突然変異 (ホモプラスシー) の問題に基づいて分散を割り当て、誤差範囲を作成できます。

しかし、較正には統計分析が困難な別の問題があります。化石を最小共通祖先に指定するかどうかは真か偽かです。実際には、2 つの現存種の最小共通祖先をアンカーとして持つ可能性は低く、その化石がすでに 1 つの枝にある (年齢を過小評価)、3 番目の枝にある (年齢を過小評価)、または LCA 種内にある場合は枝よりも数百万年古い可能性があります。現在まで、この差異を評価する唯一の方法は、分岐点であると主張されている種に分子系統学を適用することです。ただし、これは「外れた」アンカー ポイントを特定するだけです。また、より豊富な化石は分岐点よりも新しい可能性が高いため、外れた化石は単にまれな古い代表である可能性があります。これらの未知数により不確実性が生まれ、定量化が困難で、多くの場合は試みられません。

最近の論文では、おおよそのばらつきを推定することができました。新しい化石が発見されるにつれて、古い化石が分岐点の年代を過小評価するという一般的な傾向が見られます。これに加えて、化石の年代測定には誤りの歴史があり、多くの改訂された年代測定が行われてきました。研究者がいくつかの主要な分岐点に割り当てた年代は、過去 30 年間でほぼ 2 倍になっています。この良い例が、オーストラリアの LM3 (マンゴ湖 3) をめぐる議論です。もともと、炭素年代測定によって約 3 万年前と測定されましたが、炭素年代測定では、2 万年前を超えるサンプルについては問題があり、約 3 万年前のサンプルについては深刻な問題があります。別の研究では、この化石を調べ、その年代を 6 万 2 千年前と推定しました。

突然変異率の推定値が得られる時点で、上記を考慮すると、全体的な分散を生成するために交差乗算する必要がある 2 つの分散ソースが存在するはずです。これは文献ではあまり行われていません。

最新の共通祖先までの時間 ( TMRCA ) は、較正の誤差とローカル ブランチの年齢を決定する際の誤差を組み合わせたものです。

遺伝物質としてDNAが新たに発見され、1960年代初頭にはタンパク質の配列決定が始まりました。^[4] タンパク質の配列決定はシトクロムCとヘモグロビンから始まりました。 ゲルハルト・ブラウニツァーはヘモグロビンとミオグロビンの配列を決定し、合計で広範囲の種から数百以上の配列が決定されました。1967年、ACウィルソンは「分子時計」というアイデアを推進し始めました。1969年までに分子時計は類人猿の進化に適用され、V・サリッチとACウィルソンはアルブミンとヘモグロビンの進化速度が同程度であることを発見し、チンパンジーと人間が約400万年から500万年前に分岐したことを示しています。^[5] 1970年、ルイス・リーキーは、分子時計の較正が不適切であると主張してこの結論に反論しました。^[6] 1975年までに、タンパク質の配列決定と比較血清学を組み合わせて、人間に最も近い現生の親戚（種として）はチンパンジーであると提唱されました。^[7]後から考えてみると、人間とチンパンジーの最後の共通祖先（LCA）は、サリッチとウィルソンの推定よりも古いようですが、リーキーが主張したほど古くはありません。しかし、リーキーは旧世界ザルと新世界ザルの分岐については正しかったのですが、サリッチとウィルソンが使用した値は大幅に過小評価されていました。この予測能力の誤りは、共通のテーマを浮き彫りにしています。（エラーの原因を参照）

1979年、WMブラウンとウィルソンは動物のミトコンドリアDNAの進化を調べ始め、急速に進化していることを発見した。^[8]彼らが使用した技術は、制限酵素断片長多型（RFLP）であり、当時はシーケンシングに比べて手頃な価格でした。1980年、WMブラウンは、人間と他の種の相対的な変異を調べ、人間の人口が最近（18万年前）収縮したことを認識しました。^[9] 1年後、ブラウンとウィルソンはRFLP断片を調べ、人間の人口が他の類人猿の人口よりも最近に拡大したことを突き止めました。^[10] 1984年、絶滅した動物から初めてDNA配列が決定されました。^[11]シブリーおよびアルキストはDNA-DNAハイブリダイゼーション技術を類人猿の系統発生に適用し、汎猿と人間の分岐がゴリラと汎猿またはゴリラと人間の分岐よりも近いことを発見しました。これは非常に物議を醸した主張です。^{[12] [13]}しかし、1987年に彼らはその主張を裏付けることができました。^[14] 1987年に、キャン、ストーンキング、ウィルソンは、ヒトのミトコンドリアDNAのRFLP分析により、ヒトは20万年前にアフリカの小さな集団（約1万人）の中の一匹の雌から進化したと示唆しました。^[15]

1987年、mtDNAのPCR増幅が初めて配列決定に使用されました。^[16] 1991年、Vigilanteらは、サハラ以南のアフリカがすべてのmtDNAの最も最近の共通祖先の生息地であることを示唆するmtDNA系統学に関する独創的な研究を発表しました。^[17]アラン・テンプルトンの批判によってすでにくすぶっていた出アフリカ説と多地域主義の戦いは、ミルフォード・ウォルポフなどの古人類学者が関与することですぐに激化しました。^{[18] [19] [20]} 1995年、F・アヤラは、HLA-DR配列に依存した批判的なサイエンス記事「イブについての神話」を発表しました。^[21]しかし、当時、アヤラは、組換えプロセスによるHLA遺伝子座の急速な進化を認識していませんでした。 1996年、パーハムとオオタは、短距離組換え（「遺伝子変換」または「不完全組換え」）によるHLAの急速な進化に関する発見を発表し、アヤラの主張を弱めました（パーハムは実際には1年前にレビューを書いていましたが、これは注目されていませんでした）。^{[22] [23]} 双方から一連の論文が続きましたが、その多くは方法とサンプリングに非常に欠陥がありました。最も興味深いものの一つ^{[誰によると？ ]}は、1998年のハリスとヘイで、PDHA1遺伝子のTMCRA（最近の共通祖先までの時間）は100万年をはるかに超えることを示しました。この遺伝子座の倍数が1.5（mtDNAの3倍）であることを考えると、TMRCAは予想の2倍以上でした。これは1.5倍数性（平均2女性と1男性）の「固定曲線」に当てはまるが、180万年という推定年齢は人口規模から見て有意に逸脱したp値に近く、人間の人口が縮小したか、別の人口から分離したことを示している可能性がある。^[24] 奇妙なことに、彼らが調べた次のX連鎖遺伝子座、因子IXは、30万年未満のTMRCAを示した。^[25]

古代DNAの配列解析は、1990年代後半まで限定的に行われていたが、マックス・プランク研究所のスタッフが推定4万年前のネアンデルタール人のDNAを配列解析し、人類学界に衝撃を与えた。^{[26] [27] [28]} その実験の結果、ヨーロッパに住む人類（その多くはハプログループH（CRS）に由来）とネアンデルタール人の違いは、ハプログループHがヨーロッパに到達する30万年以上前にネアンデルタール人が人類から分岐したということである。mtDNAやその他の研究は、最近のアフリカ起源という独自の説を支持し続けたが、この新しい研究は基本的にネアンデルタール人側からの批判に答えるものだった。

イングマンと同僚がミトコンドリアゲノムに関する発見を発表して以来、ゲノム配列解析は大きく進歩した。^[29]ゲノムmtDNAに関する論文がいくつか発表されているが、進化の速度にはかなりのばらつきがあり、速度の変動と選択は多くの場所で明らかである。2007年、ゴンダーらは、最も多様性が高く選択が最も少ない中核的な人類集団がかつてタンザニア地域と南アフリカの近辺に住んでいたが、人類がこのアフリカ地域を去って以来、ミトコンドリアは選択的に新しい地域へと進化してきたと提唱した。^[30]

分子人類学の歴史において重要なもの:

• 分子系統学は、種と人間との近さを決定する上で比較人類学と競合する可能性がある。
• ウィルソンとキングは1975年に、チンパンジーからヒト、そして推定LCAへと分岐する分子進化のレベルには平等がある一方で、形態進化には不平等があることを認識した。化石に基づく比較形態学は、変化の速度の違いによって偏りが生じる可能性がある。^[7]
• DNA には複数の独立した比較があることを認識。mtDNA とハイブリダイゼーションという 2 つの手法が 1 つの答えに収束し、種としてのチンパンジーは人間に最も近縁です。
• 1950年代に木村が提唱した2Nルールに基づいて個体群の大きさを解析する能力。^[31]その情報を使用して個体群の相対的な大きさを比較し、古生物学的記録に基づく観察とは対照的な個体数についての結論を導き出す。初期石器時代と中期石器時代の人間の化石はチンパンジーやゴリラよりもはるかに豊富であるが、同時代のチンパンジーやゴリラの明確な化石はほとんどない。

分子系統学で使用されている遺伝子座:

シトクロムC

血清アルブミン

ヘモグロビン- Braunitizer、1960 年代、Harding et al. 1997年

ミトコンドリア D ループ- ウィルソン グループ、1980 年、1981 年、1984 年、1987 年、1989 年、1991 年 (死後) - TMRCA 約 17 万年前。

Y染色体

HLA-DR - Ayala 1995 - 遺伝子座の TMRCA は 6000 万年です。

CD4 (イントロン) - Tishkoff、1996 - 多様性のほとんどはアフリカにあります。

PDHA1 (X 連鎖) Harris および Hey - 150 万年以上の遺伝子座の TMRCA。

X連鎖遺伝子座: PDHA1、Xq21.3、Xq13.3、Zfx、Fix、Il2rg、Plp、Gk、Ids、Alas2、Rrm2p4、AmeIX、Tnfsf5、Licam、およびMsn
常染色体: 多数。

• アラン・ウィルソン - 科学技術の最近の歴史
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