古ゲノム学

古ゲノム学は、絶滅した種のゲノム情報の再構築と分析に基づく科学分野です。博物館の遺物、氷床コア、考古学または古生物学遺跡からの古代DNA （aDNA）抽出方法の改善と次世代シーケンシング技術がこの分野に拍車をかけました。現在では、遺伝的浮動、古代の集団の移動と相互関係、絶滅した植物、動物、ホモ種の進化の歴史、地理的地域にわたる表現型の特徴の識別が可能です。科学者は古ゲノム学を使用して、古代の祖先と現代人を比較することもできます。^[1]古ゲノム学の重要性の高まりは、2022年のノーベル生理学・医学賞が古ゲノム学に取り組んだスウェーデンの遺伝学者スヴァンテ・ペーボ[1955-]に授与されたという事実からも明らかです。

当初、aDNA シーケンシングは小さな断片を細菌にクローニングするものでした。これは、aDNA が何千年もかけて受けた酸化ダメージのため、効率が低かったです。^{[2] aDNA は}ヌクレアーゼによって容易に分解されるため分析が困難です。特定の環境と死後の状態により、分離と分析が改善されました。信頼性の高い分析には、抽出と汚染のプロ​​トコルが必要でした。^[3] 1983 年のポリメラーゼ連鎖反応 ( PCR ) の開発により、科学者は最大約 10 万年前の DNA サンプルを研究できるようになりましたが、これは比較的短い分離された断片の制限でした。分離、増幅、シーケンシング、およびデータ再構築の進歩により、ますます古いサンプルが分析可能になりました。過去 30 年間で、高コピー数のミトコンドリア DNA は多くの質問に答えることができました。NGS 技術の出現により、さらに多くの疑問が浮かび上がりました。さらに、この技術革命により、古遺伝学から古ゲノム学への移行が可能になりました。^[1]

aDNAの配列決定にはPCR、NGS第二世代、さまざまなライブラリー法のほか、多くのバイオインフォマティクスツールが利用できる。これらの各方法を扱う際には、aDNAが死後に変化する可能性があることを考慮することが重要である。^[2]具体的な変化は以下から生じる。

• 基本変異パターン配列データ（C->T変異）
• クロスリンク
• シトシン脱アミノ化（リード末端に向かって増加）
• 脱プリン
• ゲノム断片化

これらの変化の特定のパターンと開始時期は、科学者がサンプルの年代を推定するのに役立ちます。

かつて、科学者は酵素反応や質量分析法と関連したガスクロマトグラフィーを使用して死後の損傷を診断していましたが、近年では、科学者は突然変異の配列データを利用してそれらを検出し始めました。この戦略により、ウラシルDNAグリコシラーゼ処理後の過剰なC->T突然変異を特定できます。今日では、ハイスループットシーケンシング（HTS）を使用して、脱プリン化（死後のDNA断片化を促進するプロセス、若いサンプルではグアニンよりもアデニンが多く存在します）、DNAの二重らせんの 一本鎖切断、および脱塩基部位（C->T突然変異によって作成）を特定します。HTSを使用すると、aDNAの単一の断片をその全長で配列決定できます。これらのデータを使用して、サイズ減衰曲線を表す分布を作成できます。これにより、空間および環境条件を通じて標本間の断片化を直接定量的に比較できます。減衰曲線全体にわたって、特定のaDNA断片の長さの中央値を取得できます。この長さは死後の断片化レベルを反映しており、一般的に堆積温度とともに増加する。^[4]

ゲノム増幅のためのPCRを使用した aDNA シーケンスでは、2 つの異なるライブラリを実行できます。

• 二本鎖 aDNA ライブラリ (dsDNA ライブラリ)
• 一本鎖 aDNA ライブラリ (ssDNA ライブラリ)

最初の方法は、平滑末端アプローチを使用して作成されます。この技術では、2 つの異なるアダプターを使用します。これらのアダプターはフラグメントをランダムに結合し、その後増幅できます。両方のアダプターを含まないフラグメントは増幅できず、エラーの原因となります。このエラーを減らすために、Illumina T/A ライゲーションが導入されました。この方法は、DNA サンプルに A テーリングを挿入して、T テーリング アダプターのライゲーションを容易にします。この方法では、aDNA の増幅を最適化します。

ssDNAライブラリを得るには、まずDNAを熱で変性させます。得られたssDNAは次に相補鎖を生成するために2つのアダプターに連結され、最後にPCRが適用されます。^[4]

aDNA には細菌 DNA や他の微生物が含まれている可能性があるため、プロセスでは濃縮が必要です。内因性および外因性の分画を分離するために、さまざまな方法が採用されています。

• 損傷テンプレートエンリッチメント: この方法は DNA 損傷をターゲットにするため、ssDNA ライブラリを構築するときに使用されます。Bst ポリメラーゼが切れ目を埋めると、サンプルはウラシル DNA グリコシラーゼとエンドヌクレアーゼ VIII で処理されます。これらの化合物は、脱塩基部位を攻撃します。損傷を受けていない DNA は、ストレプトアビジンでコーティングされた常磁性ビーズに付着したままになり、サンプルから分離できます。この方法は、後期更新世のネアンデルタール人のサンプルに特有です。^[5]
• 溶液中の伸長フリーのターゲット濃縮: この方法は、ターゲット プローブ ハイブリダイゼーションに基づいています。この方法では、DNA の変性が必要であり、その後、ターゲット領域に沿って重複するタイル プローブを挿入します。次に、DNA 増幅用の PCR が使用され、最後に DNA がビオチン化アダプターにリンクされます。これは、古代ホミニンの祖先のサンプルに有効です。
• 固相ターゲットエンリッチメント: この方法では、マイクロアレイとリアルタイム PCR法がショットガン シーケンススクリーニングと並行して使用されます。
• 全ゲノムエンリッチメント：単一個体の全ゲノムを配列決定するために使用される。全ゲノムインソリューションキャプチャ（WISC）が使用されます。^[6]この方法は、DNAサンプル内のターゲットゲノムに密接に関連するゲノムを持つ種からゲノムワイドRNAプローブライブラリを準備することから始まります。^[4]

これまで、さまざまな分野の多くの研究から、現在の非アフリカ人集団は、アフリカからの拡大の主役であり、アフリカの遺伝的遺産のサブセットを運んでいた祖先の、よく構成されたメタ集団のいくつかの異なる系統における多様化の結果であるという結論に至っています。この文脈では、古代DNAの分析は、すでに定式化された仮説をテストし、新しい洞察を提供するために不可欠でした。まず、常染色体とミトコンドリアの突然変異率の較正を提供することで、この多様化現象のタイミングと構造を絞り込むことができました。^[7]混合分析により、現代人の祖先とネアンデルタール人やデニソワ人などの旧人の間で少なくとも2つの独立した遺伝子流動イベントが発生したことが実証され、ユーラシア人の集団史の「漏出置換」モデルが証明されています。これらすべてのデータによると、非アフリカ系人類の分岐はおよそ45,000～55, 000年前に起こった。^[7]それに加えて、多くの場合、古代DNAは、実際の集団の遺伝的構造につながる歴史的プロセスを追跡することを可能にした。これは、現在のゲノムの分析だけに頼って行うことは困難だっただろう。これらの未解決の問題の中で、最も研究されているのは、アメリカ大陸の最初の居住者の身元、ヨーロッパの人類化、ヨーロッパの農業の起源である。^[1]

古代 DNAの分析により、環境や人間の行動の変化に伴う表現型特性の変異を研究することができます。新しい生息地への移住、新しい食生活の変化 (農業への移行後)、大規模なコミュニティの構築により、人間は新しい条件にさらされ、最終的には生物学的適応をもたらしました。

人類がアフリカから高緯度地域に移住すると、日光への露出が少なくなる。UVAとUVBはビタミン Dの合成に不可欠で、ビタミン D はカルシウムの吸収を調節し、骨の健康に不可欠であるため、高緯度地域に住むことはビタミン D の合成が大幅に減少することを意味する。これにより、皮膚の色の特性に新たな選択圧がかかり、高緯度地域ではより明るい皮膚の色が好まれるようになった。皮膚の色素沈着に関与する最も重要な 2 つの遺伝子は、SLC24A5 と SLC45A2 である。現在、これらの遺伝子の「明るい皮膚」対立遺伝子はヨーロッパで固定されているが、比較的高い頻度に達したのはごく最近 (約 5000 年前) のことである。^[7]このようなゆっくりとした脱色プロセスは、古代ヨーロッパ人が筋骨格や心臓血管の疾患など、ビタミン D 産生の低下による悪影響に直面していた可能性があることを示唆している。別の仮説は、農耕以前のヨーロッパ人は食事を通じてビタミン D の必要量を満たしていた可能性があるというものである (肉や魚にはビタミン D が含まれているため) ^[8]

農耕食への切り替え後の適応の大きな例の1つは、成人期におけるラクターゼ酵素の生産の持続である。この酵素は牛乳や食品に含まれる乳糖を消化するのに不可欠であり、これが欠乏するとこれらの製品の摂取後に下痢を引き起こす。ラクターゼの持続は主にMCM6遺伝子の1塩基変異によって決定され、古代DNAデータによると、この変異は酪農慣行の開始から数千年後の過去5000年以内にのみ一般的になったことが示されている。^[7]したがって、ラクターゼ持続の場合でも、新しい習慣の始まりと適応対立遺伝子の広がりの間には大きな時間差があり、そのため牛乳の消費は子供または乳糖低減製品に限定されていた可能性がある。

農業への転換によって正に選択された突然変異のもう一つの例は、AMY1遺伝子のコピー数である。AMY1は唾液中に存在するデンプン分解酵素アミラーゼをコードしており、現代人はチンパンジーに比べて遺伝子のコピー数が多い。^[8]

人間の免疫システムは、数千年にわたって激しい淘汰を受け、さまざまな病原体環境に適応してきました。いくつかの環境的および文化的変化は、さまざまな免疫関連遺伝子に選択圧をかけてきました。たとえば、移住により、人間は新しい病原体や病原体ベクター（蚊など）を運ぶ新しい生息地にさらされました。また、農業への転換により、人口密度の増加と家畜の近くでの生活の両方により、さまざまな病原体や健康状態にさらされました。ただし、特定の古代ゲノムの変化と特定の病原体に対する抵抗力の向上を直接関連付けることは困難であり、人間の免疫システムの広大さと複雑さを示しています。人間の免疫システムの変化を直接研究することに加えて、結核、ハンセン病、ペスト、天然痘、マラリアなどを引き起こす病原体の古代ゲノムを研究することもできます。例えば、研究者らは、3600年前以前のペスト菌株はすべて、病原体がノミの腸内で生存するために不可欠なymt遺伝子を欠いていたことを発見した。^[8]これは、古代のペストは、最近のペスト菌の流行に比べて毒性が低かった可能性があることを示唆している。

古代DNAの研究では、^病原体の感染に抵抗するための最近の人類の進化が、過去1万年間に新石器時代以降のヨーロッパ人の炎症性疾患のリスクを増加させたことを裏付けまたは確認し[9] 、病原体による選択の性質、強さ、開始時期を推定しました。^[10]

古代のマンモス、ホッキョクグマ、イヌ、ウマなど、多くの非ヒト科脊椎動物が、低温または高高度で保存された化石やサンプルからの aDNA 回収を通じて復元されています。マンモスの研究は、永久凍土から軟組織や毛が多く発見されるため最も頻繁に行われており、より最近のゾウとの関係や人口動態の変化を特定するために使用されています。ホッキョクグマの研究は、気候変動が進化と生物多様性に与える影響を特定するために行われています。イヌとウマの研究は、家畜化に関する洞察を提供します。植物では、aDNA は種子、花粉、木材から分離されています。古代の大麦と現存する大麦の間には相関関係があることが確認されています。もう 1 つの用途は、干ばつ耐性と糖含有量の遺伝子を含むトウモロコシの家畜化と適応プロセスの検出でした。^[1]

解剖学的に現代的な人類の古代ゲノムの分析は、近年、集団の移動、変容、進化を研究する方法に完全な革命をもたらしました。しかし、まだ多くのことが分かっていません。この種のアプローチに関連する最初の明白な問題は、古代DNA抽出技術の継続的な改善によって部分的に克服されるでしょうが、保存状態の良い古代ゲノムを回復することが難しいことです。これは、世界の他の寒冷地域よりも気温が高いアフリカとアジアで特に見られる課題です。さらに、アフリカはすべての大陸の中で最も遺伝的多様性を秘めています。^[7] DNAの劣化に加えて、外因性の汚染も古ゲノムの配列決定とアセンブリのプロセスを制限します。^[1]現代の非アフリカ人集団の元の祖先が住んでいた時代と地域の古代DNAは持っていないため、その構造と位置についてはまだほとんど分かっていません。この問題が直面しなければならない2番目の、そしてより重要な課題は、初期現代人（10万～20万年前）からのDNAの回収です。これらのデータと、分析すべき大量の古代ゲノム、そして古代の遺伝子混合の時期と分布に関する知識により、科学者は人類の歴史をより簡単に再構築できるようになります。実際、遺伝的歴史に関するデータをさらに収集することで、移住や自然淘汰だけでなく、文化の観点からも人類の進化を追跡できるようになります。次の10年間、古ゲノム研究分野は主に3つのトピックに焦点を当てていきます。より高密度のサンプリングによる過去の人類の相互作用の詳細な定義、研究が不十分な地域のDNA分析によるこれらの相互作用が農業の変遷にどのように貢献したかの理解、そして最後に、現代の表現型に対する自然淘汰の寄与の定量化です。これらすべてのデータを解釈するためには、遺伝学者は人類学者や考古学者、歴史家と協力する必要がある。^[7]

古ゲノム学における生命倫理は、科学者、政府、先住民の間の複雑な関係により、古代の人類の遺骨の研究で生じる倫理的問題に関係しています。さらに、古ゲノム学の研究は、コミュニティや個人の歴史やアイデンティティを傷つける可能性があり、子孫に関する非難の情報を明らかにする可能性があります。これらの理由から、この種の研究は依然として扱いが難しい主題です。古ゲノム学の研究は、主に倫理原則と実践の表現の不一致のために、否定的な結果をもたらす可能性があります。実際、先祖の遺骨は通常、法的にも科学的にも「人間の対象」ではなく「人工物」と見なされており、それが疑わしい行動やコミュニティの関与の欠如を正当化しています。したがって、先祖の遺骨の検査は、紛争、条約の請求、送還、またはその他の法的事件で使用されます。この主題の重要性と感受性の認識は、祖先の遺骨の尊厳を保ち、倫理的問題を回避するために、さまざまな状況に適用可能な倫理的コミットメントとガイダンスに向かっています。^[11]最後に、もう1つの先駆的な関心領域は、マンモスなどの絶滅した種の復活を目指す、いわゆる「絶滅回避」プロジェクトです。このプロジェクトは、CRISPR / Cas9テクノロジーのおかげで可能になったようですが、多くの倫理的問題と強く関連しています。^[1]

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