人類の進化遺伝学

人類進化遺伝学は、あるヒトゲノムが別のヒトゲノムとどのように異なるか、ヒトゲノムを生み出した進化の過去、そしてそれが現在に及ぼす影響を研究します。ゲノム間の違いは、人類学、医学、歴史、法医学的な意味合いと応用があります。遺伝子データは、人類の進化に関する重要な洞察を提供することができます。

生物学者は、人間を、他の数少ない種と共に、類人猿（ヒト科の種） に分類しています。現生のヒト科には、チンパンジーの2つの異なる種（ボノボPan paniscusとチンパンジーPan troglodytes）、ゴリラの2種（ニシゴリラGorilla gorillaとヒガシゴリラGorilla graueri）、オランウータンの2種（ボルネオオランウータンPongo pygmaeusとスマトラオランウータンPongo abelii）が含まれます。類人猿は、テナガザル科とともに、類人猿上科（ヒト上科）を形成します。

一方、類人猿は、旧世界ザル、新世界ザルなどとともに霊長類（400種以上）に属します。ミトコンドリアDNA（mtDNA）と核DNA （nDNA）の両方のデータから、霊長類は齧歯目、ウサギ目、皮翅目、スカンデンティア目とともに真正コントワール目に属することが示されています。^[1]これは、真正コントワール目のメンバーにのみ見つかっているAlu様短散在核要素（SINE）によってさらに裏付けられています。^[2]

系統樹は通常、集団のDNAまたはタンパク質 配列から作成されます。古代の人類の人口統計を研究するために、ミトコンドリア DNAまたはY 染色体配列が使用されることがよくあります。これらの単一遺伝子座の DNA は組み換えがなく、ほとんどの場合、単一の親から継承されますが、mtDNA には 1 つの例外が知られています。^[3]地理的に近い地域の個人は、一般的に、遠い地域の個人よりも類似性が高い傾向があります。系統樹上の距離は、おおよそ次のことを示すために使用できます。

1. 遺伝的距離。ヒトとチンパンジーの遺伝的差異は2%未満であり^{[4] 、}現代人の差異（0.6%と推定）の3倍である^[5]。
2. 最も最近の共通祖先の時間的隔たり。現代人のミトコンドリアの最も最近の共通祖先はおよそ16万年前に生息していたと推定されており^[6] 、人間とチンパンジーの最も最近の共通祖先はおよそ500万～600万年前に生息していたと推定されている^{[7] 。}

人間とその最も近い親戚である非人間アフリカ類人猿（チンパンジーとゴリラ）との分離は、1 世紀以上にわたって広範囲に研究されてきました。5 つの主要な疑問が取り上げられています。

• 私たちに最も近い祖先はどの類人猿でしょうか?
• 分離はいつ起こりましたか?
• 分岐前の共通祖先の有効人口規模はどれくらいだったでしょうか?
• 種分化に先立つ集団構造（亜集団）の痕跡、あるいは種分化に続く部分的な混合の痕跡はありますか？
• 分離前と分離後の具体的な出来事（染色体 2a と 2b の融合を含む）は何でしたか?

前に述べたように、ゲノムの異なる部分は、異なるヒト上科の間で異なる配列の相違を示します。また、ヒトとチンパンジーのDNAの配列の相違は大きく異なることが示されています。たとえば、ヒトとチンパンジーの非コード、非反復ゲノム領域間の配列の相違は、0%から2.66%の間で変化します。^[8]チンパンジーゲノム（pantro6）と1対1で完全に一致するヒトゲノム（hg38）のヌクレオチドの割合は84.38%でした。さらに、DNAセグメントの比較分析によって生成された遺伝子ツリーは、必ずしも種のツリーに適合するわけではありません。まとめ：

• 配列の相違は、人間、チンパンジー、ゴリラの間で大きく異なります。
• ほとんどの DNA 配列では、人間とチンパンジーが最も近縁であるように見えますが、人間とゴリラ、またはチンパンジーとゴリラの系統群を指摘する人もいます。
• ヒトゲノムはチンパンジーゲノムと同様に配列が解読されている。ヒトは23対の染色体を持ち、チンパンジー、ゴリラ、オランウータンは24対の染色体を持つ。ヒトの2番染色体は、他の霊長類では別々に残っていた2a染色体と2b染色体の融合体である。^[9]

人間が他の類人猿から分岐した時間は非常に興味深いものです。1967年に発表された最初の分子研究の1つは、異なる霊長類間の免疫学的距離（ID）を測定したものです。^[10]基本的に、この研究では、 1つの種の抗原（ヒトアルブミン）が別の種（ヒト、チンパンジー、ゴリラ、旧世界ザル）の免疫系に誘発する免疫学的反応の強さを測定しました。近縁種は類似した抗原を持っているはずなので、お互いの抗原に対する免疫学的反応は弱くなります。種の自身の抗原に対する免疫学的反応（例：ヒト対ヒト）は1に設定されました。

ヒトとゴリラのIDは1.09、ヒトとチンパンジーのIDは1.14と判定された。しかし、6種類の旧世界ザルとの距離は平均2.46であり、アフリカの類人猿はサルよりもヒトに近いことを示している。著者らは、化石データに基づいて、旧世界ザルとヒト上科の分岐時間は3000万年前（MYA）であると考えており、免疫学的距離は一定の割合で拡大していると考えられている。彼らは、ヒトとアフリカの類人猿の分岐時間はおよそ約500万年前であると結論付けた。これは驚くべき結果だった。当時のほとんどの科学者は、ヒトと大型類人猿はもっと早く（1500万年前より前）に分岐したと考えていた。

ID の観点から見ると、ゴリラはチンパンジーよりも人間に近いが、その差はわずかであったため、三分法を確実に解決することはできなかった。その後の分子遺伝学に基づく研究により、この三分法は解決され、チンパンジーは系統学的にはゴリラよりも人間に近いことがわかった。しかし、後に推定された分岐時期 (分子遺伝学のより洗練された方法を使用) は、1967 年の最初の推定と実質的に変わらないが、最近の論文^[11]では 1100 万～1400 万年前とされている。

分岐時期を決定する現在の方法は、DNA配列のアラインメントと分子時計を使用する。通常、分子時計は、オランウータンがアフリカの類人猿（人間を含む）から1200万～1600万年前に分岐したと仮定して較正される。一部の研究では、旧世界ザルも対象とし、ヒト科からの分岐時期を2500万～3000万年前としている。どちらの較正ポイントも、非常に少ない化石データに基づいており、批判されてきた。^[12]

これらの日付が修正されると、分子データから推定される分岐時間も変わります。ただし、相対的な分岐時間は変化しない可能性が高いです。絶対的な分岐時間を正確に知ることはできなくても、チンパンジーと人間の分岐時間は、チンパンジー (または人間) とサルの分岐時間よりも約 6 倍短いことはほぼ確実です。

ある研究（Takahata et al.、1995）では、ヒトとチンパンジーのゲノムの異なる領域から15のDNA配列と、ヒト、チンパンジー、ゴリラの7つのDNA配列を使用しました。^[13]彼らは、チンパンジーはゴリラよりもヒトに近いと判定しました。さまざまな統計的手法を使用して、ヒトとチンパンジーの分岐時間は470万年前、ゴリラとヒト（およびチンパンジー）の分岐時間は720万年前と推定されました。

さらに、彼らは、人間とチンパンジーの共通祖先の有効人口規模を約 100,000 と推定しました。これは、現在の人間の有効人口規模が約 10,000 と推定されていることを考えると、やや意外な結果でした。これが本当であれば、人類の系統は進化の過程で有効人口規模 (つまり遺伝的多様性) の大幅な減少を経験したことになります。(トバ大災害理論を参照)

別の研究（Chen & Li、2001）では、ヒト、チンパンジー、ゴリラ、オランウータンから53の非反復性遺伝子間DNAセグメントの配列を決定しました。^[8] DNA配列を1つの長い配列に連結すると、生成された近隣結合ツリーは、ホモ-パン系統群を100％ブートストラップでサポートしました（つまり、ヒトとチンパンジーは4種の中で最も近い種です）。3つの種が互いにかなり近い関係にある場合（ヒト、チンパンジー、ゴリラなど）、DNA配列データから得られたツリーは、種分化を表すツリー（種のツリー）と一致しない可能性があります。

節間時間範囲 (T _IN ) が短いほど、不一致な遺伝子ツリーが一般的になります。節間集団の有効集団サイズ (N _e ) によって、遺伝的系統が集団内で保存される期間が決まります。有効集団サイズが大きいほど、不一致な遺伝子ツリーが多くなります。したがって、節間時間範囲がわかれば、人間とチンパンジーの共通祖先の有効祖先集団サイズを計算できます。

各セグメントを個別に分析すると、31 がホモ-パン系統群、10 がホモ-ゴリラ系統群、12 がパン-ゴリラ系統群を支持しました。分子時計を使用して、著者らはゴリラが最初に 620 万～840 万年前に分岐し、チンパンジーとヒトが 160 万～220 万年後 (インターノードタイムスパン) の 460 万～620 万年前に分岐したと推定しました。インターノードタイムスパンは、ヒトとチンパンジーの共通祖先の祖先の有効人口規模を推定するのに役立ちます。

簡潔な分析により、24 の遺伝子座がHomo - Pan系統をサポートし、7 つがHomo - Gorilla系統をサポートし、2 つがPan - Gorilla系統をサポートし、20 は解決しなかったことが明らかになりました。さらに、データベースから 35 のタンパク質コーディング遺伝子座を取得しました。これらのうち、12 はHomo - Pan系統をサポートし、3 つはHomo - Gorilla系統をサポートし、4 つはPan - Gorilla系統をサポートし、16 は解決しませんでした。したがって、解決した 52 の遺伝子座 (33 は遺伝子間、19 はタンパク質コーディング) のうち約 70% のみが「正しい」種のツリーをサポートします。種の系統樹を裏付けない遺伝子座の割合と、彼らが以前に推定した節間の時間範囲から、ヒトとチンパンジーの共通祖先の有効人口は約 52,000 ～ 96,000 と推定されました。この値は最初の研究 (高畑) の値ほど高くはありませんが、それでも現在のヒトの有効人口サイズよりはるかに高いです。

3番目の研究（ヤン、2002）では、チェンとリーが使用したのと同じデータセットを使用しましたが、異なる統計手法を使用して、祖先の有効人口を「わずか」約12,000〜21,000人と推定しました。^[14]

ヒトとチンパンジーはコーディングレベルで99.1%同一であり、非同義レベルで99.4%、同義レベルで98.4%の類似性がある。^[15]ヒトとチンパンジーのゲノム内の配列は、約3500万の単一ヌクレオチド置換によって異なっている。さらに、完全なゲノムの約3%は、欠失、挿入、重複によって異なっている。^[16]

突然変異率は比較的一定であるため、これらの変化のおよそ半分はヒトの系統で発生しました。これらの固定された差異のごく一部だけが、ヒトとチンパンジーの異なる表現型を生み出しており、それを見つけるのは大きな課題です。差異の大部分は中立的であり、表現型に影響を与えません。^{[引用が必要]}

分子進化は、タンパク質の進化、遺伝子の喪失、遺伝子の差次的調節、RNA の進化など、さまざまな形で作用する可能性があります。これらすべてが人類の進化に何らかの役割を果たしたと考えられています。

遺伝子を不活性化できる突然変異は数多くあるが、特定の方法でその機能を変える突然変異は少ない。したがって、不活性化突然変異は選択に利用されやすい。したがって、遺伝子の喪失は進化的適応の一般的なメカニズムである可能性がある（「少ないほど多い」仮説）。^[17]

チンパンジーとの最後の共通祖先から分かれた後、ヒトの系統では80個の遺伝子が失われた。そのうち36個は嗅覚受容体の遺伝子だった。化学受容と免疫反応に関わる遺伝子は過剰に表現されている。^[18]別の研究では、86個の遺伝子が失われたと推定された。^[19]

ヒトの系統では、タイプ I 毛髪ケラチンの遺伝子が失われました。ケラチンは毛髪の主成分です。ヒトは今でも 9 つの機能的なタイプ I 毛髪ケラチン遺伝子を持っていますが、この特定の遺伝子の喪失がヒトの体毛の薄毛の原因となっている可能性があります。分子時計が一定であるという仮定に基づいて、この研究では、遺伝子の喪失はヒトの進化において比較的最近、つまり 24 万年前未満に起こったと予測されていますが、ヴィンディヤ ネアンデルタール人と高カバレッジのデニソワ人配列はどちらも現代人と同じ未熟な終止コドンを含んでいるため、年代は 75 万年以上前になるはずです。^[20]

ステッドマンら（2004）は、ヒトの系統における筋節ミオシン遺伝子MYH16の喪失が咀嚼筋の小型化につながったと述べている。彼らは、不活性化につながる突然変異（2塩基対の欠失）は、アフリカにおけるホモ・エレクトス（ヒト族）の出現より前の240万年前に起きたと推定している。その後の期間は頭蓋容量の大幅な増加が特徴的であり、この遺伝子の喪失がホモ属の脳の大きさに対する進化的制約を取り除いたのではないかという推測を促した。^[21]

MYH16遺伝子の喪失のもう一つの推定は、ホモが出現するはるか前の530万年前である。^[22]

• CASPASE12、システインアスパラギン酸プロテアーゼ。この遺伝子の喪失により、ヒトにおける細菌感染の致死率が低下したと推測されている。^[18]

体節重複（SD またはLCR）は、新しい霊長類遺伝子の作成とヒトの遺伝的変異の形成に役割を果たしてきました。

ヒトゲノムをチンパンジー、ゴリラ、オランウータン、テナガザル、マカクを含む5種類の比較霊長類のゲノムと比較したところ、調節的であると考えられるヒト特有の挿入が約2万個あることがわかった。挿入のほとんどは適応度に中立であるように見えるが、神経表現型との関連を示す正に選択された遺伝子で少量の挿入が特定され、一部は歯や感覚知覚関連の表現型に関連している。これらの発見は、ヒトの最近の進化においてヒト特有の挿入が重要な役割を果たしているように見えることを示唆している。^[23]

ヒト加速領域は、ヒトとチンパンジーの間で、共通の祖先を持つようになってからの遺伝的浮動では説明できないほど大きく異なるゲノム領域です。これらの領域は自然選択の対象となった兆候を示しており、それがヒト特有の特徴の進化につながっています。その例として、脳の発達に関係していると考えられているHAR1Fと、対向親指の発達に役割を果たした可能性があるHAR2 (別名HACNS1 ) の 2 つが挙げられます。

人間とチンパンジーの違いの多くは、遺伝子自体の違いではなく、遺伝子発現の調節に起因するという仮説も立てられている。保存された非コード配列の解析は、機能的であり、したがって正に選択された調節領域を含むことが多く、この可能性に対処している。^[24]

2005 年夏にチンパンジー ( Pan troglodytes ) ゲノムのドラフト配列が公開されたとき、約 31 億 6000 万塩基のうち 24 億塩基が配列決定され、ヒトゲノムと比較できるほど十分にアセンブルされました。 ^[16]この配列の 1.23% は、一塩基置換によって異なっていました。このうち 1.06% 以下は種間の固定差異を表すと考えられ、残りはヒトまたはチンパンジーの変異部位でした。インデル(挿入/欠失) と呼ばれる別の種類の差異は、差異がはるかに少ない (15%) ですが、挿入または欠失は 1 塩基から数百万塩基まで含まれる可能性があるため、各ゲノムの固有配列の約 1.5% を占めました。^[16]

関連論文では、2つのゲノムにおける分節重複を調査した。 ^[25]ゲノムへの挿入と欠失がインデル配列の大部分を占めている。彼らは、ユークロマチン配列の合計2.7%がどちらかの系統で異なる重複を起こしていることを発見した。

配列の相違は一般的に、ヒト-チンパンジー < ヒト-ゴリラ << ヒト-オランウータンというパターンを示し、ヒトとアフリカの類人猿の近縁関係を浮き彫りにしている。Alu要素は、ゲノム内の平均ヌクレオチドの約 10 倍の頻度で変異するCpGジヌクレオチドの高頻度のために、急速に相違する。変異率は男性の生殖細胞系列で高いため、父親からのみ受け継がれるY 染色体の相違は常染色体よりも高い。X染色体は、男性の生殖細胞系列よりも女性の生殖細胞系列で 2 倍の頻度で受け継がれるため、配列の相違はわずかに低い。Xq13.3 領域の配列の相違は、ヒトとチンパンジーの間で驚くほど低い。^[26]

タンパク質のアミノ酸配列（K _a）を変える突然変異は、最も一般的ではありません。実際、ヒトとチンパンジーでは、すべてのオーソログタンパク質の約29％が同一です。典型的なタンパク質は、わずか2つのアミノ酸が異なります。^[16] 表に示されている配列の相違の尺度は、たとえばA（アデニン）からG（グアニン）への置換の違いのみを考慮に入れています。ただし、DNA配列は、塩基の挿入や欠失（インデル）によっても異なる場合があります。これらは通常、配列の相違の計算を実行する前にアラインメントから削除されます。

2010年5月、国際的な科学者グループがネアンデルタール人のゲノムのドラフト配列を完成させた。その結果は、現代人（ホモ・サピエンス）とネアンデルタール人（ホモ・ネアンデルターレンシス）の間に何らかの交配があったことを示している。アフリカ以外の人類のゲノムは、サハラ以南のアフリカ人のゲノムよりもネアンデルタール人と1～4％多く共通しているからである。ネアンデルタール人とほとんどの現代人は、離乳後の乳中の乳糖を分解できない酵素をコードするラクターゼ遺伝子の乳糖不耐症変異を共有している。現代人とネアンデルタール人は、現代人の脳の発達と発話に関連するFOXP2遺伝子変異も共有しており、ネアンデルタール人は発話できた可能性があることを示している。チンパンジーのFOXP2には、ヒトおよびネアンデルタール人のFOXP2と比較して2つのアミノ酸の違いがある。^{[27] [28] [29]}

ホモ・サピエンスは約30万年前に出現したと考えられている。アフリカ全土に広がり、 7万年前にはユーラシア大陸とオセアニア全土に広がった。2009年の研究では14の「祖先集団」が特定され、最も遠いのは南アフリカのサン族である。 ^{[30] [31]}

人類は、さまざまな気候帯に急速に広がり、特に牛の家畜化や農業の発達によって新たな食糧源が利用可能になったことで、分散以来、大きな選択圧にさらされてきました。たとえば、東アジア人の祖先は、 EDAR、ADH1B、ABCC1、およびALDH2遺伝子の変異体を含む、いくつかの対立遺伝子の選択プロセスを経てきたと考えられています。

特に東アジア型のADH1Bは稲の栽培化と関連しており、およそ1万年前に稲作が発達した後に発生したと考えられる。^[32]東アジア人に特徴的な表現型の特徴のいくつかは、約3万5千年前にさかのぼるEDAR遺伝子の単一の変異によるものである。 ^[33]

2017年現在^[update]、SNPやその他の変異体をリストする一塩基多型データベース（dbSNP）には、配列決定されたヒトゲノムで見つかった変異体の合計3億2400万個がリストされています。^[34] ヌクレオチド多様性、つまり2人の個人間で異なるヌクレオチドの平均割合は、現代の人間では0.1％から0.4％と推定されています（人間とチンパンジーの間では2％です）。^{[35] [36]} これは数百万のサイトでのゲノムの違いに相当します。1000ゲノムプロジェクトでも同様に、「典型的な[個人の]ゲノムは、参照ヒトゲノムと410万から500万のサイトで異なり、2000万塩基の配列に影響を与えます。」と判明しました。^[37]

2019年2月、科学者たちは人工知能（AI）を用いた遺伝学研究に基づき、現代人のゲノムの中にネアンデルタール人、デニソワ人、あるいはヒトの混血種（デニー（ハイブリッドホミニン）など）ではない、未知の人類祖先種の存在を示唆する証拠を発見した。 [ 38 ] [ ^{39 ]}

2019年3月、中国の科学者らは、ヒトの脳に関連するMCPH1遺伝子を実験用アカゲザルに挿入した結果、遺伝子組み換えサルは対照群の非遺伝子組み換えサルと比較して、「色と形の一致を伴う短期記憶テスト」でより良い成績を収め、より速く答えることができたと報告した。^{[40] [41]}

2023年5月、科学者たちは遺伝子研究に基づいて、これまで考えられていたよりも複雑な人類の進化の道筋を報告した。研究によると、人類は単一の場所と期間からではなく、アフリカのさまざまな場所と時期から進化したという。^{[42] [43]}

2023年8月31日、研究者らは遺伝子研究に基づき、人類の祖先の 人口ボトルネックが「約93万年前から81万3000年前に発生し、約11万7000年間続き、人類の祖先を絶滅に近づけた」と報告した。^{[44] [45]}

• Jobling, Mark A.; Hollox, Edward; Hurles, Matthew; Kivisild, Toomas; Tyler-Smith, Chris (2013).ヒト進化遺伝学. ニューヨーク: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4148-2. OCLC  829099073.
• Rannala B、Yang Z (2003 年 8 月)。「複数の遺伝子座からの DNA 配列を使用した種の分岐時間と祖先集団サイズのベイズ推定」。遺伝学。164 (4): 1645–56。doi :10.1093/  genetics / 164.4.1645。PMC 1462670。PMID 12930768。 

• 人間の祖先はチンパンジーと交配した可能性がある