国際霊長類ゲノムプロジェクトからの 8 つの科学論文がオンラインになりました。中国の研究チームが霊長類の進化の謎を解明

人間は霊長類の一員として、霊長類の起源と進化について常に関心を抱いてきました。この分野の研究は、人類の起源に関する疑問に答えるのに役立つだけでなく、私たちのユニークな身体的特徴がどのように進化してきたかについてもさらに学ぶことができます。分子生物学の発展により、近年では遺伝子研究を通じて関連する疑問に答えることができるようになりました。

非ヒト霊長類は生物学、進化学、薬理学などの分野で重要な役割を果たしていますが、非ヒト霊長類の参照ゲノムのうち、配列決定され解釈されているのは 10% 未満です。配列決定の進歩が遅いため、非ヒト霊長類のゲノム進化、適応進化、分子生物学に関する詳細な研究は大幅に制限されています。

この状況を改善するため、2018年に中国内外の複数の研究センターが共同で霊長類ゲノムプロジェクトを立ち上げ、多分野にわたる技術横断的な手段とチーム協力を通じて、人間を含む霊長類の起源と分化過程、霊長類の社会組織やさまざまな生理学的特徴の進化と遺伝的基礎を研究することを目指しています。さらに、コンソーシアムは霊長類の遺伝子変異プロファイルとそれがヒトの疾患原因遺伝子の変異パターンに与える影響を研究します。

霊長類ゲノムプロジェクトコンソーシアムメンバー:

浙江大学生命進化研究センターの張国傑教授のチーム

中国科学院昆明動物研究所の呉東東研究員のチーム

ノースウェスタン大学生命科学部のQi Xiaoguang教授のチーム

雲南大学生命科学学院の研究者ユ・リー氏のチーム

スペイン、ポンペウ・ファブラ大学共同進化生物学研究所のトマス・マルケス・ボネ教授のチーム

イルミナ人工知能研究所

ベイラー医科大学ヒトゲノムシークエンシングセンターのジェフリー・ロジャース教授のチーム

デンマーク、オーフス大学のMikkel H. Schierupチーム

ドイツのライプニッツ霊長類研究所のクリスチャン・ルース教授のチーム

この状況は、霊長類ゲノムプロジェクトの漸進的な進展とともに変化してきました。最近、同盟メンバーは霊長類の進化研究で大きな進歩を遂げ、一連の関連する疑問に答えました。主な成果は、8本の論文（うち4本は国内チームが完成）として、2023年6月2日に学術誌「サイエンス」に研究特集号として掲載されました。他の3つの衛星論文も同日、『Science Advances』や『Nature Ecology & Evolution』などの著名な学術誌に掲載された。 （注：NEEに掲載された論文は本日23:00にオンラインになります）

サイエンスの特別号に掲載された8本の論文のうち、「系統ゲノム解析により霊長類の進化に関する知見が得られる」と題された研究論文は、基礎的かつ重要な主力論文です。この研究は、浙江大学生命進化センターの張国傑教授チーム、昆明動物研究所の呉東東教授チーム、西北大学の斉暁光教授チームなど国内外の協力者によって完成された。本日、私たちは読者のためにこの主力論文の明確かつ体系的な解釈を提示します。

執筆者：周龍（浙江大学生命進化研究センター）

霊長類には16科79属に属する500種以上が存在します。その中で、原猿類（Strepsilrhini 亜目）は、アフリカ、南アジア、東アジアに分布する比較的原始的なタイプの霊長類です。キツネザル、スローロリス、ブッシュモンキーがこのクラスに属します。一方、半霊長類（半霊長類亜目）は現代の霊長類の主体である。ユーラシア大陸とアフリカに分布する鼻の狭い種（狭鼻類、旧世界ザルを含む）とアメリカ大陸に分布する広鼻類（新世界ザル）はすべてこのグループに属します。

**人間は、Simplorrhinidae亜目Stenorrhinaeに属し、チンパンジー、オランウータン、ゴリラなどの類人猿と近縁です。 **このように豊かで多様な霊長類のグループはいつ誕生したのでしょうか?彼らの進化にはどのような影響があったのでしょうか?サルはどのようにして類人猿になり、類人猿はどのようにして人間になったのでしょうか? …

この最も重要な「歴史の記録」であるゲノムは私たちに何を伝えてくれるのでしょうか?

霊長類ゲノムプロジェクトの中間結果の重要な部分として、中国の研究チームが本日発表した主力論文では、38属14科にわたる50種の霊長類を研究し、これまでの研究ではあまり取り上げられていなかった新世界ザルや原猿も含まれている。研究チームは27件の新しい高品質ゲノムデータを取得し、より正確な遺伝情報を提供した。このような広範囲にわたる調査により、より包括的なデータが提供され、霊長類の進化の歴史についてより深い理解を得ることができます。

いつ

霊長類の祖先は白亜紀末期に出現した

6550万年前の白亜紀末に、地球上で大量絶滅が起こりました。これは誰もがよく知っているイベントです。この出来事により、地球上の優勢な種である非鳥類型恐竜は完全に絶滅した。地球の生態系は大きな混乱を経験しています。「ここに生まれ、ここに帰る。クジラが死ぬと、すべてのものが生き返る。」それで、この大量絶滅は霊長類の進化にも影響を与えたのでしょうか?

研究者らはゲノムデータと化石の年代データを分析することで、霊長類の主要グループの進化の時期を推測し、またすべての霊長類の最も最近の共通祖先がおよそ6,829万年前から6,495万年前に出現したと推測しました（図1）。この時期は白亜紀末期の大量絶滅に非常に近く、つまり白亜紀の限界付近です。これは、霊長類の進化が大量絶滅の影響を受けた可能性があることを意味します。

図 1. 霊長類の進化系統樹 (クリックすると拡大表示されます)。スティーブン・D・ナッシュが描いた霊長類の絵（写真提供：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ）

どうやって

霊長類の染色体進化の再理解

研究チームは、霊長類の祖先の核型の進化（つまり染色体の変化）を再構築することで、染色体レベルでの霊長類の核型の進化パターンは一般的に保存的であることを観察しました。これは、霊長類の異なる系統間で染色体の構造と数がほぼ同じであることを意味します。ただし、例外もあります。人間では融合した状態にある染色体 8 (8p+8q) は、新世界ザルでは 2 つの壊れた独立した染色体として現れます。

図 2. 模式図: 霊長類におけるヒト染色体 8 の起源に関するさまざまな仮説。 （写真は張国傑研究チーム提供）

過去の研究では、データが不十分であったため、研究者らは、ヒトの8番染色体に対応する霊長類の祖先の染色体が融合（8p+8q）され、新世界ザルで切断イベントが発生し、その後2つの新しい染色体に分化したと信じていました（図2の左を参照）。これは長年信じられてきた見解だが、新たな研究はそれが間違っている可能性を示唆している。

この最新の研究では、染色体レベルでより多くの原猿種が対象となったため、遺伝子配列のアセンブリ品質は非常に高く、過去のデータ不足によって生じた偏った結果を補うことができました。研究者たちは、ヒトの8番染色体が元のサルの2本の染色体に対応していることを発見した。したがって、カタリナ科の出現後、類人猿とすべての霊長類の祖先の 2 つの染色体が 1 つの染色体に融合し、最終的に人間の 8 番染色体に進化したと推測できます (図 2 右を参照)。この研究によって提供された証拠は、霊長類の染色体の融合と切断の進化過程に関するこれまでの推論を訂正するものである。

なぜ

霊長類の脳は急速に進化した

長い進化の過程において、霊長類の脳容積の変化は極めて顕著です。進化の初期段階では、原猿やメガネザル（メガネザルとも呼ばれる）の脳容量は非常に限られていました。しかし、時が経つにつれて、新世界ザルと旧世界ザルの脳容量は増加し続けました。類人猿と人間に進化したとき、どちらも脳容量が大きくなっていました（図3）。脳容積の増加はこれらの動物の知能と関連しており、進化の過程で環境に適応する能力も反映しています。

図 3. 霊長類における脳容量の進化とその過程でのゲノムの変化。脳の画像はミシガン州立大学の比較哺乳類脳コレクションから得たものです。 （写真提供：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ）

研究チームは、脳の発達に関わるいくつかの遺伝子が霊長類の進化の過程で正の選択を受け、つまりその機能が特異的に強化されてきたことを発見した。これらの遺伝子の障害は脳疾患につながることが多い。例えば、実験的研究により、これらの遺伝子の変異がマウスの脳機能障害を引き起こす可能性があることが判明しています。

小頭症を例に挙げてみましょう。小頭症は、神経細胞の増殖が妨げられることで患者の脳の容積が減少する、深刻な神経学的欠陥です。したがって、小頭症に関連する遺伝子が霊長類の脳容積の拡大に役割を果たしている可能性があると推測できます。

さらに、研究者らは、多くの遺伝子がさまざまな霊長類の系統で正の選択を受けたことも発見し、これらの遺伝子が霊長類の脳容量拡大の進化過程、特に皮質の折り畳みと脳容量の大幅な増加を伴う重要な進化の節目において重要な役割を果たしたと推測した。

同時に、研究者らは、哺乳類で高度に保存され、強く選択された一部のDNA配列が、4つの主要な霊長類進化の節点（類人猿の祖先、ヒメヒナ類の祖先、類人猿の祖先、そして人類の祖先）で加速進化を遂げていることを非コード領域で発見した。これらの配列は脳の発達に関連する遺伝子の調節領域に位置しており、霊長類が長い進化の過程で遺伝子発現を調節することで継続的に脳を最適化してきたことを示しています。そして、この加速した進化は、霊長類の脳の発達と進化と切り離せないものなのかもしれません。

上記の研究は、霊長類が徐々に発達した脳形態へと進化する過程に、多くの遺伝子と調節領域が関与していることを示しています。これらの発見は霊長類の脳の進化についての理解を深めます。

なぜ

類人猿はどのようにして尻尾を失ったのでしょうか?

サルと類人猿を区別するにはどうすればいいですか?最も直感的な方法は、尾があるかどうかを確認することです。

ほとんどの哺乳類は独特の特徴と機能を持つ尾を持っています。類人猿以外の霊長類にとって、尾は体を安定させたり、方向転換を調整したり、速度を制御したりするのに役立ち、さらには社会的な道具としても機能します。では、なぜ類人猿の祖先は尻尾を失ったのでしょうか?これは、特定の遺伝子制御配列の変異に関連している可能性があります。

研究者らは、人間と類人猿の共通祖先において、KIAA1217遺伝子を含む、非コード特異的加速領域に関連するいくつかの遺伝子を検出した。ヒトでは、KIAA1217 の変異が脊椎の正常な発達に影響を及ぼし、脊椎および尾骨の奇形を引き起こします。一方、マウスでは、この遺伝子の変異により尾椎の数が減少する。 KIAA1217 の特定の加速進化領域は、推定遺伝子エンハンサー領域 (Encode データベースでサポート) 内にあり、KIAA1217 遺伝子と同じトポロジカル関連ドメイン (TAD) 内にあります。多くのデータは、この特定の加速進化領域が KIAA1217 と強い相互作用を持ち、この遺伝子の発現を制御する可能性があることを証明しています (図 4)。

図 4. KIAA1217 遺伝子の調節領域は類人猿で急速に進化し、それが類人猿の尾の喪失につながった可能性がある。グラフの下部を見ると、急速に進化している領域と遺伝子が同じ TAD (グラフ上の三角形) に収まっており、暖色はより強い相互作用を示していることがわかります。 （写真提供：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ）

対応する遺伝情報を分析して比較すると、類人猿のKIAA1217遺伝子調節領域のDNA配列は他の霊長類のものと大きく異なることがわかります。このことから、研究者たちは、これらの領域の突然変異が類人猿が尾を失った原因かもしれないと推測している。この推測にはさらなる研究と検証が必要ですが、今回の発見は類人猿の進化の歴史をより深く理解するのに役立つ新たな手がかりをもたらしました。

その他

他の霊長類の特徴の進化とゲノムの変化との関連

絶えず変化する地球上で、6000万年以上にわたる進化の過程で、霊長類はさまざまな環境や食物に適応するために、骨格、体型、消化器系を絶えず変化させてきました。はい、脳に加えて、進化のこれらの側面も霊長類の適応性と生存能力に重要な影響を及ぼします。

私たちが最初に気づくのは骨格の変化です。霊長類によって体の大きさは大きく異なり、ネズミキツネザルの体重はわずか数十グラムであるのに対し、ゴリラの体重は200キログラムを超えることもあります。研究者たちは、類人猿の祖先のゲノムの中にいくつかの重要な遺伝子を発見し、それがゴリラの体の大きさの進化に影響を与えた可能性があると推測している。その1つがDUOX2遺伝子で、身体の発達に非常に重要なホルモンである甲状腺ホルモンの合成に関与しています。 DUOX2 遺伝子の変異により、マウスやパンダのサイズが小さくなる可能性があります (図 5-a を参照)。さらに、TGF-β、Wntシグナル伝達経路、Hippoシグナル伝達経路など、骨の発達や体の大きさに関連する経路に関与する遺伝子もいくつかあります（図5-cを参照）。

霊長類が陸生から樹上生活へと適応進化する過程において、骨の発達に関連する遺伝子も特に重要な役割を果たします。この研究では、骨の発達に関連する4つの遺伝子（PIEZ01、EGFR、BMPER、NOTCH2）が霊長類の祖先において正の選択を受けたことが判明した。研究者らはまた、テナガザルにおいて、骨の長さに影響を与える変異を持つ4つの正に選択された遺伝子（LONP1、BRCA2、NEK1、SLC25A24）を発見した。例えば、NEK1 遺伝子の変異は前腕骨の長さに影響を与え、それによってテナガザルの活動や樹上での採餌に適応するための独特の腕振り運動に影響を与える可能性があります (図 5-b を参照)。

図 5. 霊長類ゲノムの進化特性と表現型特性の関係。 （写真提供：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ）

体型や骨格の違いに加え、霊長類によって食習慣も異なります。雑食性の種もいれば、主に葉を食べる種もいます。葉を食べるコロブスザルは、独特の前腸と消化器系を進化させました。彼らの消化器系は栄養素を吸収するだけでなく、毒素に対処するように設計されています。いくつかの重要な消化遺伝子は、この特殊な食事にさらに適応するように進化しました。たとえば、ACADM 遺伝子は脂肪酸の代謝を助けるアシル CoA 脱水素酵素をコードしており、コロブスザルではこの遺伝子に変化が生じると脂肪酸の消化能力が向上します。 NOX1遺伝子はマウスの大腸内の微生物バランスを調節することが示されており、コロブスザルに蓄積された変異は、体内の微生物をさらに調節し、葉をよりよく消化するのに役立つ可能性がある。腸内では微生物発酵によって短鎖揮発性脂肪酸が生成され、体にさらに多くのエネルギーが供給されます。

要約する

この研究では、27の新しい高品質のゲノムデータを追加することで、過去の研究で不十分だったデータのギャップを埋め、研究者が霊長類の進化のプロセスについてより包括的かつ深く理解できるようにしました。研究者らは霊長類の核型の進化を再構築することで、ヒトの第8染色体の起源を再構築した。さらに、この研究では霊長類の骨格、体型、消化器系、脳の進化における変化のメカニズムも明らかにし、それが霊長類の適応力と生存能力に重要な影響を及ぼした。これらの研究結果は、人類の起源と霊長類の進化をより深く理解するための強力な基盤を提供します。

注：この記事の表紙はフィリピンリーフモンキーとその子です。写真は欧陽観来提供。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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