ネアンデルタール人とデニソワ人のY染色体DNA解析（追記有）
ネアンデルタール人（Homo neanderthalensis）と種区分未定のホモ属であるデニソワ人（Denisovan）のY染色体DNA解析結果を報告した研究（Petr et al., 2020）が公表されました。本論文はまだ査読中なので、あるいは今後かなり修正されるかもしれませんが、ひじょうに興味深い内容なので取り上げます。古代DNA研究により、移住・置換・遺伝子流動など、非現生人類ホモ属（古代型ホモ属）と現生人類（Homo sapiens）の複雑な進化史が明らかにされてきましたが、古代型ホモ属と現生人類の関係の考察は、大半が常染色体に基づいています。一方、ミトコンドリアDNA（mtDNA）とY染色体DNAは、それぞれ母系と父系での単系統のみの遺伝情報を示しますが、性特異的な移住やその他の文化現象のような人口史の多様な側面に独自の視点を提供します。
ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類においては、mtDNAと常染色体での系統関係の不一致が明らかにされてきました（関連記事）。常染色体ゲノムでは、ネアンデルタール人およびデニソワ人系統が現生人類系統と765000～550000年前頃に分岐した、と推定されています（関連記事）。しかしmtDNAでは、ネアンデルタール人はデニソワ人よりも現生人類と近縁で、その推定分岐年代は468000～360000年前頃です。43万年前頃のスペイン北部の通称「骨の穴（Sima de los Huesos）洞窟」遺跡（以下、SHと省略）集団は早期ネアンデルタール人とされていますが、mtDNAでは現生人類よりもデニソワ人の方と近縁で、常染色体ではネアンデルタール人系統に位置づけられます（関連記事）。
これらの知見から、ネアンデルタール人は元々デニソワ人に近いmtDNAを有しており、後に現生人類と関連する早期系統からの遺伝子流動経由で完全に置換された、との見解が提示されています。ネアンデルタール人とデニソワ人のY染色体は、古代型ホモ属と現生人類の間の分岐や遺伝子流動に関する重要な情報を追加できます。しかし、ネアンデルタール人のY染色体のわずかなコーディング配列を除いて、これまでネアンデルタール人とデニソワ人のY染色体の研究はありませんでした。スペイン北部のエルシドロン（El Sidrón）遺跡（関連記事）やベルギーのスピ（Spy）遺跡およびロシアのコーカサス地域のメズマイスカヤ（Mezmaiskaya）遺跡（関連記事）のネアンデルタール人のY染色体は解析されてきましたが、Y染色体全体の包括的な研究を可能とする内在性DNAは、じゅうぶんは得られていませんでした。
本論文は、南シベリアのアルタイ山脈のデニソワ洞窟（Denisova Cave）遺跡のデニソワ人2個体と、スピ・メズマイスカヤ・エルシドロン遺跡のネアンデルタール人1個体ずつのY染色体DNAを改めて解析しました。デニソワ人は、84100～55200年前頃のデニソワ4（Denisova 4）と136400～105600年前頃のデニソワ8（Denisova 8）、ネアンデルタール人は、39000～38000年前頃のスピ94a（Spy 94a）と45000～43000年前頃のメズマイスカヤ2（Mezmaiskaya 2）と53000～46000年前頃のエルシドロン1253（El Sidrón 1253）です。Y染色体のうち計690万塩基対が標的領域とされ、平均網羅率は、デニソワ4が1.4倍、デニソワ8が0.8倍、スピ94aが0.8倍、メズマイスカヤ2が14.3倍、エルシドロン1253が7.9倍です。
これらの解析の結果、ネアンデルタール人3個体とデニソワ人2個体はそれぞれ単系統群（クレード）を形成する、と明らかになりました。ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体での系統関係は、核ゲノムとは異なり、ネアンデルタール人と現生人類が近縁と明らかになりました。現代人のY染色体ハプログループ（YHg）で最も早く分岐したのはA00ですが（関連記事）、ネアンデルタール人のY染色体系統は、デニソワ人系統とネアンデルタール人および現生人類の共通祖先系統が分岐した後で、全現生人類系統と分岐したことになります。ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体での系統関係は、核ゲノムのそれとは一致せず、mtDNAのそれと一致します。以下、ネアンデルタール人3個体とデニソワ人2個体のY染色体系統樹を示した本論文の図2Aです。
Y染色体の各系統の推定分岐年代は、YHg-A00と他の現生人類系統では249000年前頃、現代人系統とデニソワ人系統では70万年前頃、現生人類系統とネアンデルタール人系統では35万年前頃です。ネアンデルタール人3個体の最終共通祖先の推定年代は10万年前頃です。Y染色体におけるデニソワ人系統と現生人類系統の推定分岐年代は、常染色体ゲノムに基づく推定分岐年代とよく一致しており、現生人類系統とデニソワ人系統のY染色体の分岐は単純な集団分岐の結果と示唆されます。一方、Y染色体におけるネアンデルタール人系統と現生人類系統の推定分岐年代は常染色体ゲノムに基づく推定分岐年代よりもかなり新しく、mtDNAで推測されている、現生人類に近い系統からネアンデルタール人系統への遺伝子流動と一致します。エルシドロン遺跡のネアンデルタール人のY染色体に関する研究（関連記事）では、現生人類系統とネアンデルタール人系統の推定分岐年代は588000年前頃です。一方、本論文ではそれが35万年前頃とかなり新しく、その理由として本論文は、以前の研究ではデータ量が限定的だったことを指摘しています。
上述のように、ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体における系統関係は、mtDNAのそれと一致し、核（というか常染色体）ゲノムのそれとは一致しません。これは、古代型ホモ属系統と分岐した後の現生人類系統において、現代人系統と早期に分岐した絶滅系統がネアンデルタール人系統と交雑し、ネアンデルタール人系統にデニソワ人系統よりも現生人類系統に近いmtDNAとY染色体をもたらした、と考えられます。以前の研究では、現生人類からネアンデルタール人への数%程度とわずかな遺伝子流動が指摘されています（関連記事）。この条件におけるmtDNAとY染色体の置換は、通常の進化ではひじょうに起きにくいと考えられます。
しかし、有効人口規模が現生人類よりも小さいネアンデルタール人においては、現生人類よりも多い有害な変異の蓄積の可能性が指摘されており、じっさい、ネアンデルタール人3個体のエクソン領域に関しては、現代人よりも有害なアレル（対立遺伝子）を多く有している、と明らかになっています。本論文は、有効人口規模が小さい場合のシミュレーションにより、ネアンデルタール人のY染色体が現生人類のY染色体よりも適応度がわずかでも低い場合、完全置換率に強い影響を与える、と明らかにしました。具体的には、ネアンデルタール人のY染色体適応度が1%低い場合でも、2万年後の置換率は25%に増加し、2%低い場合は置換率が50%に増加します。こうした予測は、Y染色体と同じく単系統遺伝となるmtDNAにも当てはまります。これらの結果は、ネアンデルタール人におけるより高い遺伝的荷重が、ネアンデルタール人のmtDNAおよびY染色体という単系統遺伝の置換可能性の増加と相関していることを示します。繁殖と受精力におけるY染色体の重要性を考慮すると、Y染色体の有害な変異または構造的多様体が、のシミュレーションよりも適応度にずっと大きな影響を与えるかもしれない、と本論文は指摘します。
後期ネアンデルタール人のY染色体は、37万～10万年前頃の間に、ネアンデルタール人やデニソワ人よりも現生人類系統と近縁な絶滅系統からもたらされた、と推測されます。上述のように、早期ネアンデルタール人である43万年前頃のSH集団は、mtDNAでは後期ネアンデルタール人よりもデニソワ人に近いと明らかになっていますが、Y染色体でも同様だろう、と本論文は予測しています。後期ネアンデルタール人のゲノムから推測される、現生人類からネアンデルタール人への限定的な遺伝子流動を考慮すると、後期ネアンデルタール人におけるmtDNAとY染色体の完全に置換は意外ですが、ミトコンドリアと常染色体の不一致は集団遺伝学理論では予測されており、動物の種間交雑では比較的一般的です。本論文は、2集団間の交雑における単系統遺伝子座の遺伝的荷重の違いが、ネアンデルタール人系統におけるmtDNAとY染色体の置換の要因だろう、と指摘します。
ひじょうに興味深い研究で、今後、古代型ホモ属のY染色体DNA解析数さらに増えていくよう、期待しています。デニソワ人と確認されている個体はネアンデルタール人と比較してひじょうに少ないので、古代型ホモ属のY染色体DNA解析は当分ネアンデルタール人が中心となりそうですが、まず注目されるのは、本論文でも言及されている早期ネアンデルタール人のSH集団です。SH集団は43万年前頃と後期ネアンデルタール人やデニソワ人よりもずっと古いだけに、Y染色体DNAの解析は難しいかもしれませんが、何とか成功してもらいたいものです。また、ネアンデルタール人系統内でも核DNAとmtDNAで系統の不一致が指摘されているので（関連記事）、Y染色体ではどうなのか、さらに詳しい研究の進展が期待されます。
参考文献：
Petr M. et al.(2020): The evolutionary history of Neandertal and Denisovan Y chromosomes. bioRxiv.
https://doi.org/10.1101/2020.03.09.983445
追記（2020年9月2日）
本論文が『Science』誌に掲載されたので、当ブログで取り上げました（関連記事）。トラックバック機能が廃止になっていなければ、トラックバックを送るだけですんだので、本当に面倒になりました。
ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類においては、mtDNAと常染色体での系統関係の不一致が明らかにされてきました（関連記事）。常染色体ゲノムでは、ネアンデルタール人およびデニソワ人系統が現生人類系統と765000～550000年前頃に分岐した、と推定されています（関連記事）。しかしmtDNAでは、ネアンデルタール人はデニソワ人よりも現生人類と近縁で、その推定分岐年代は468000～360000年前頃です。43万年前頃のスペイン北部の通称「骨の穴（Sima de los Huesos）洞窟」遺跡（以下、SHと省略）集団は早期ネアンデルタール人とされていますが、mtDNAでは現生人類よりもデニソワ人の方と近縁で、常染色体ではネアンデルタール人系統に位置づけられます（関連記事）。
これらの知見から、ネアンデルタール人は元々デニソワ人に近いmtDNAを有しており、後に現生人類と関連する早期系統からの遺伝子流動経由で完全に置換された、との見解が提示されています。ネアンデルタール人とデニソワ人のY染色体は、古代型ホモ属と現生人類の間の分岐や遺伝子流動に関する重要な情報を追加できます。しかし、ネアンデルタール人のY染色体のわずかなコーディング配列を除いて、これまでネアンデルタール人とデニソワ人のY染色体の研究はありませんでした。スペイン北部のエルシドロン（El Sidrón）遺跡（関連記事）やベルギーのスピ（Spy）遺跡およびロシアのコーカサス地域のメズマイスカヤ（Mezmaiskaya）遺跡（関連記事）のネアンデルタール人のY染色体は解析されてきましたが、Y染色体全体の包括的な研究を可能とする内在性DNAは、じゅうぶんは得られていませんでした。
本論文は、南シベリアのアルタイ山脈のデニソワ洞窟（Denisova Cave）遺跡のデニソワ人2個体と、スピ・メズマイスカヤ・エルシドロン遺跡のネアンデルタール人1個体ずつのY染色体DNAを改めて解析しました。デニソワ人は、84100～55200年前頃のデニソワ4（Denisova 4）と136400～105600年前頃のデニソワ8（Denisova 8）、ネアンデルタール人は、39000～38000年前頃のスピ94a（Spy 94a）と45000～43000年前頃のメズマイスカヤ2（Mezmaiskaya 2）と53000～46000年前頃のエルシドロン1253（El Sidrón 1253）です。Y染色体のうち計690万塩基対が標的領域とされ、平均網羅率は、デニソワ4が1.4倍、デニソワ8が0.8倍、スピ94aが0.8倍、メズマイスカヤ2が14.3倍、エルシドロン1253が7.9倍です。
これらの解析の結果、ネアンデルタール人3個体とデニソワ人2個体はそれぞれ単系統群（クレード）を形成する、と明らかになりました。ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体での系統関係は、核ゲノムとは異なり、ネアンデルタール人と現生人類が近縁と明らかになりました。現代人のY染色体ハプログループ（YHg）で最も早く分岐したのはA00ですが（関連記事）、ネアンデルタール人のY染色体系統は、デニソワ人系統とネアンデルタール人および現生人類の共通祖先系統が分岐した後で、全現生人類系統と分岐したことになります。ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体での系統関係は、核ゲノムのそれとは一致せず、mtDNAのそれと一致します。以下、ネアンデルタール人3個体とデニソワ人2個体のY染色体系統樹を示した本論文の図2Aです。
Y染色体の各系統の推定分岐年代は、YHg-A00と他の現生人類系統では249000年前頃、現代人系統とデニソワ人系統では70万年前頃、現生人類系統とネアンデルタール人系統では35万年前頃です。ネアンデルタール人3個体の最終共通祖先の推定年代は10万年前頃です。Y染色体におけるデニソワ人系統と現生人類系統の推定分岐年代は、常染色体ゲノムに基づく推定分岐年代とよく一致しており、現生人類系統とデニソワ人系統のY染色体の分岐は単純な集団分岐の結果と示唆されます。一方、Y染色体におけるネアンデルタール人系統と現生人類系統の推定分岐年代は常染色体ゲノムに基づく推定分岐年代よりもかなり新しく、mtDNAで推測されている、現生人類に近い系統からネアンデルタール人系統への遺伝子流動と一致します。エルシドロン遺跡のネアンデルタール人のY染色体に関する研究（関連記事）では、現生人類系統とネアンデルタール人系統の推定分岐年代は588000年前頃です。一方、本論文ではそれが35万年前頃とかなり新しく、その理由として本論文は、以前の研究ではデータ量が限定的だったことを指摘しています。
上述のように、ネアンデルタール人とデニソワ人と現生人類のY染色体における系統関係は、mtDNAのそれと一致し、核（というか常染色体）ゲノムのそれとは一致しません。これは、古代型ホモ属系統と分岐した後の現生人類系統において、現代人系統と早期に分岐した絶滅系統がネアンデルタール人系統と交雑し、ネアンデルタール人系統にデニソワ人系統よりも現生人類系統に近いmtDNAとY染色体をもたらした、と考えられます。以前の研究では、現生人類からネアンデルタール人への数%程度とわずかな遺伝子流動が指摘されています（関連記事）。この条件におけるmtDNAとY染色体の置換は、通常の進化ではひじょうに起きにくいと考えられます。
しかし、有効人口規模が現生人類よりも小さいネアンデルタール人においては、現生人類よりも多い有害な変異の蓄積の可能性が指摘されており、じっさい、ネアンデルタール人3個体のエクソン領域に関しては、現代人よりも有害なアレル（対立遺伝子）を多く有している、と明らかになっています。本論文は、有効人口規模が小さい場合のシミュレーションにより、ネアンデルタール人のY染色体が現生人類のY染色体よりも適応度がわずかでも低い場合、完全置換率に強い影響を与える、と明らかにしました。具体的には、ネアンデルタール人のY染色体適応度が1%低い場合でも、2万年後の置換率は25%に増加し、2%低い場合は置換率が50%に増加します。こうした予測は、Y染色体と同じく単系統遺伝となるmtDNAにも当てはまります。これらの結果は、ネアンデルタール人におけるより高い遺伝的荷重が、ネアンデルタール人のmtDNAおよびY染色体という単系統遺伝の置換可能性の増加と相関していることを示します。繁殖と受精力におけるY染色体の重要性を考慮すると、Y染色体の有害な変異または構造的多様体が、のシミュレーションよりも適応度にずっと大きな影響を与えるかもしれない、と本論文は指摘します。
後期ネアンデルタール人のY染色体は、37万～10万年前頃の間に、ネアンデルタール人やデニソワ人よりも現生人類系統と近縁な絶滅系統からもたらされた、と推測されます。上述のように、早期ネアンデルタール人である43万年前頃のSH集団は、mtDNAでは後期ネアンデルタール人よりもデニソワ人に近いと明らかになっていますが、Y染色体でも同様だろう、と本論文は予測しています。後期ネアンデルタール人のゲノムから推測される、現生人類からネアンデルタール人への限定的な遺伝子流動を考慮すると、後期ネアンデルタール人におけるmtDNAとY染色体の完全に置換は意外ですが、ミトコンドリアと常染色体の不一致は集団遺伝学理論では予測されており、動物の種間交雑では比較的一般的です。本論文は、2集団間の交雑における単系統遺伝子座の遺伝的荷重の違いが、ネアンデルタール人系統におけるmtDNAとY染色体の置換の要因だろう、と指摘します。
ひじょうに興味深い研究で、今後、古代型ホモ属のY染色体DNA解析数さらに増えていくよう、期待しています。デニソワ人と確認されている個体はネアンデルタール人と比較してひじょうに少ないので、古代型ホモ属のY染色体DNA解析は当分ネアンデルタール人が中心となりそうですが、まず注目されるのは、本論文でも言及されている早期ネアンデルタール人のSH集団です。SH集団は43万年前頃と後期ネアンデルタール人やデニソワ人よりもずっと古いだけに、Y染色体DNAの解析は難しいかもしれませんが、何とか成功してもらいたいものです。また、ネアンデルタール人系統内でも核DNAとmtDNAで系統の不一致が指摘されているので（関連記事）、Y染色体ではどうなのか、さらに詳しい研究の進展が期待されます。
参考文献：
Petr M. et al.(2020): The evolutionary history of Neandertal and Denisovan Y chromosomes. bioRxiv.
https://doi.org/10.1101/2020.03.09.983445
追記（2020年9月2日）
本論文が『Science』誌に掲載されたので、当ブログで取り上げました（関連記事）。トラックバック機能が廃止になっていなければ、トラックバックを送るだけですんだので、本当に面倒になりました。
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