ヒトゲノムの最後の欠落部分が解読された

Y 染色体は、マッチョなイメージがあるにもかかわらず、ヒトゲノムの 46 本の染色体の中で最も小さい部類に入ります。ヒト細胞の全 DNA のわずか 2 パーセントを占めるに過ぎません。しかし、Y 染色体は、一見すると無限に繰り返される塩基を持つため、遺伝子配列を解析するのが最も難しい染色体の 1 つです。科学者たちは当初、Y 染色体は精子を作るためだけに使われる、単なる遺伝子の不毛地帯に過ぎないと考えていました。

しかし、現実には、まったくそうではありません。遺伝子技術が進歩するにつれ、Y 染色体の重要性に対する理解も深まっています。たとえば、高齢男性の Y 染色体の喪失は、がんやその他の慢性疾患のリスク増加と関連しています。Y 染色体の遺伝子は、さまざまな生物学的プロセスに何らかの役割を果たしています。しかし、何十年もの間、Y 染色体の半分以上は配列が解明されておらず、人間の健康におけるその役割は謎のままでした。

その謎の時代は終わりを迎えようとしています。遺伝学者たちは初めて、Y 染色体の完全な配列をまとめました。国際テロメア ツー テロメア (T2T) コンソーシアムは、3,000 万以上の新しい塩基対のデータを追加し、41 の新しいタンパク質コード遺伝子を特定しました。本日Natureに掲載された 2 つの研究は、これらの発見を分析し、この染色体が私たちの生殖、進化、さらには腸内細菌叢にまで及ぼす影響を説明しています。

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「Y染色体の完全な配列は科学界に多くの扉を開きました」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の医学教授で、ヒトY染色体を研究しているが、今回の研究には関わっていないクリス・ラウ氏は言う。「過去にY染色体がジャンク物質でいっぱいだと思っていた時と同じように、これから何か驚きの発見があるかもしれないと期待しています。」

1世紀かけて作られた絵

1905年にY染色体が発見されてから、生物学者がその構造を完全に解明するまでに100年以上を要した。最初のヒトゲノムは2003年4月に完成したが、Y染色体の広範囲にわたる部分など、いくつかの未知のギャップが残された。

染色体の繰り返しにより、再構築は困難を極めた。カリフォルニア大学サンタクルーズ校ゲノム研究所の副所長で、T2Tコンソーシアムの共同リーダーでもあるカレン・ミガ氏は、染色体には100万以上の塩基対が長い繰り返し配列で並んでいると話す。これらは前から後ろまで同じなので回文と呼ばれる。

すべての染色体の遺伝子には反復配列があるが、Y染色体にはその数が異常に多い。これらを組み立てるのは骨の折れる作業で、費用もかかる。「これまで研究者たちは、こうした非常に複雑な反復配列を再構築するための適切なツールがなかったため、この研究に苦労してきました」とミガ氏は言う。

ロングリードシーケンシング技術とコンピューターアセンブリ法の新たな進歩により、各反復配列を整理することが容易になりました。たとえば、研究チームは、DNA の切断によってセグメントが逆順に再挿入される反転がどこで発生するかを正確に特定し、その技術を使用して他の反転を見つけることができるようになりました。

数百万の空白を埋める

新しい技術により、現在のヒトゲノム計画で欠落していた 3,000 万以上の塩基対が追加され、Y 染色体の総塩基対数は 62,460,029 になりました。Y 染色体は、他の染色体には見られない奇妙な DNA 配列のユニークな構成になっていることが分かりました、とミガ氏は言います。彼女は、この構成の背後にある進化論的理由と、染色体の各部分が人間の機能とどのように対応しているかを理解するには、大量の新しい生物学が必要であると考えています。

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研究チームはすでに科学の再構築においてある程度の前進を遂げている。新たに発見されたこれらの配列は、ヒトゲノムの参照配列で見つかったいくつかの誤りと仮定を修正した。また、Y染色体が人間の生命を形成する方法について新たな洞察も提供した。

「これはヒトゲノムの分野において極めて重要な発見だ」とラウ氏は言う。

生殖能力とタンパク質

Y 染色体には、精子の生成を制御する遺伝子が多数含まれています。ミガ氏によると、新たに発見されたこれらの反復ゲノム領域の一部は、そのプロセスにも関与しているそうです。「人間間に存在する可能性のある違いを理解することで、不妊症や、そのプロセスが時間を超えてどのように受け継がれるかなどについて、本当に多くの情報が得られる可能性があります。」

Y染色体の配列解析により、41個の新しいタンパク質コード遺伝子も明らかになった。そのうち38個はTSPYと呼ばれる遺伝子ファミリーの追加コピーで、精子生成に関与していると考えられている。これらの遺伝子は男性の性徴の発達にも関与している可能性があるが、正確な役割を特定するにはさらなる研究が必要だ。

人類の進化における変化

商業的な祖先サイトでは、父系の系譜をたどるために Y 染色体が使用されています。新しい DNA 配列は、研究者が人類が時間とともにどのように進化してきたかをさらに理解するのに役立ちます。2 番目の研究では、遺伝学者が遺伝的に多様な 43 人の男性の Y 染色体を検査しました。その結果、個人間でかなりの遺伝的差異が見つかりました。

染色体の一部では、その構成要素であるヌクレオチドは男性間で非常に類似していた。しかし、Y染色体の遺伝子が豊富な領域の半分では、ゲノムの他のほとんどの部分よりも高い割合で、大きな逆位を伴う変異率が高くなっていた。これらの遺伝的変異の違いは、何らかの重要な生物学的機能を持つように進化した可能性があるが、それが何であるかは不明である。

細菌の混乱を修正する

遺伝子サンプルを分析する際、研究者はデータベースを使用してヒト DNA に属する配列をスクリーニングすることがよくあります。その配列が現在のヒトゲノムモデルのどこにも見つからない場合、科学者はその物質が細菌に属すると結論付ける可能性があります。新しい研究では、ヒトのデータベースにまだ登録されていない一部の Y 染色体配列が誤って細菌として分類されていたことが示されています。

結局ジャンクじゃない

遺伝学者たちは、このデータの宝庫から新たな発見を掘り起こし続けるでしょう。Y 染色体のさらなる分析により、この染色体が人間の健康と病気にどのように関係しているかが明らかになるでしょう。
この情報は「人類の進化と移住、法医学、そして人間の病気の診断と予後の開発における多くの応用に関する研究に役立つだろう」とラウ氏は言う。「特に、病気や癌におけるY染色体のモザイク損失の科学的理由に役立つだろう。」