| 研究課題/領域番号 |
21K19299
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| 研究機関 | 東京都立大学 |
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研究代表者 |
田村 浩一郎 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (00254144)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| キーワード | 染色体融合 / ネオ性染色体 / 適応 / 実験進化 / 自然選択 |
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| 研究実績の概要 |
真核生物のゲノムは、通常、複数の染色体に分かれて存在するが、その数は進化過程で変
化し、近縁種間や種内で差異が生じる。このような染色体レベルの進化的変化の適応的意義を明らかにすることが本研究の目的である。アカショウジョウバエでは、性染色体と常染色体が融合して巨大なネオ性染色体ができているが、融合後24万年の間に急速に集団中に広がり固定しており、何らかの適応的利点が予想される。そこで本研究では、ネオ性染色体になったことで性染色体不分離の頻度が下がり適応的に有利になったという仮説を設定し、そのような染色体の構造レベルの進化的変化に対する自然選択の影響を検証する。そのため、系統関係を使わずにゲノムDNAの塩基座単位の進化確率を計算する方法を開発し、ゲノム全領域にわたって塩基座単位で自然選択の検出を行う。また、アカショウジョウバエとテングショウジョウバエの祖先集団を模倣した実験集団を構築して継代飼育し、世代とともにネオ性染色体の頻度が高まる方向に変化するかどうかを検証する。
2022年度は、(1)前年度に系統樹を使わなくても計算ができるように改良した進化確率法について、これまでアミノ酸座位やDNA塩基座位間で変異率一定を仮定したモデルしか使えなかったが、離散型ガンマ分布モデルを用いて座位間変異に対応するモデルに改良し、その有効性をヒトの遺伝病のテストデータを用いて確認した。
前年度に開始したアカショウジョウバエとテングショウジョウバエのケージ集団を用いた進化実験は前年度末に19世代目に到達した。集団ごとの染色体頻度の変化を調べるため、これまでに0、1、2、3、4、5、10世代目の親バエ集団についてpool-seq用のゲノムDNAサンプルを得た。そしてpool-seqデータのマッピングに必要な親系統のゲノム配列をNanoporeシーケンサーを用いて決定した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では、(1)近縁種の配列データから対象種に期待される配列を中立進化モデルで最尤推定して実際に観察される対象種の配列と比較することにより、中立進化からの有意性を検出する「進化確率法」を用いるが、種内系統間、近縁種間の配列データに関しては特定の系統関係をゲノム全体に仮定することは適切ではない。そこで、前年度までに進化確率法を配列間距離の分散・共分散行列を用いることによって系統樹を必要としない方法に改良した。本年度は、さらに置換モデルに離散型ガンマ分布を用いることによって座位間の置換率の変異に対応し、その結果、ヒトの遺伝病のテストデータにおいて病原性変異の予想確率が大幅に向上し、進化確率法の精度の改良に成功した。(2)ネオ性染色体を持つアカショウジョウバエと姉妹種で交配可能なネオ性染色体を持たないテングショウジョウバエの間で雑種を作製し、独立の10のケージ集団として継代飼育し、ネオ性染色体の頻度を調べる。ネオ性染色体が適応的に有利ならば、テングショウジョウバエの第3染色体と組換えによって遺伝子は交換しつつ集団中に固定するはずである。前年度はハエの準備に手間取り、年度末にやっとケージ集団の構築に成功したが、今年度末には19世代目に到達した。また、各世代で産卵させた後の親バエを液体窒素を用いて凍結し、-80℃のフリーザー中に保存してあるが、その中0、1、2、3、4、5、10世代目についてpool-seq用のゲノムDNAを抽出した。また、pool-seqによって得られるDNA配列断片をマッピングする際にはリファレンスゲノム配列が必要となるが、そのため、実験集団構築に用いたアカショウジョウバエ2系統、テングショウジョウバエ2系統のゲノム配列をNaoporeシーケンサーを用いて決定した。その結果、これまで見つからなかった逆位も見つかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
系統樹の代わりに配列間距離の分散・共分散行列を用いる、改良型の進化確率法の開発が本研究の目標の一つであるが、昨年度中にDNA塩基配列に関しても有効であることが確認でき、本年度は置換モデルに離散型ガンマ分布によって近似することによって座位間置換率の変異に対応し、進化確率法の精度を大幅に改良することに成功した。今後はアカショウジョウバエとテングショウジョウバエのゲノム規模のデータへの応用を目指してソフトウェアシステムの構築を行う。ケージ集団を用いた進化実験に関しては、現在、20世代が完了したところである。0、1、3、4、5、10世代目の集団に関しては集団ゲノムDNAの抽出が終わっているため、今後はシーケンシング・ライブラリーを作製してIllumina NovaSeq 6000を用いたPool-seqによってゲノム配列の決定を行い、集団内の対立遺伝子頻度を網羅的に調べて各染色体の頻度の経代変化を明らかにする。また、今後もケージ集団の継代を続け、20世代目、30世代目のゲノム配列をPool-seqによって決定して染色体頻度の変化を調べ、染色体頻度にはたらく自然選択の検証を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度中にシーケンシングライブラリを作製し、業者に委託してPool-seqによる集団ゲノム配列の決定を行う予定で、そのための経費を計上していた。しかし、12月にライブラリ作製に必要な現有装置（Agilent Bioanalyzer）が故障し、修理に時間が掛かってしまったため、業者への委託による配列決定が年度内に終了できない可能性が生じ委託を見合わせた。そのための費用を次年度使用額とした。
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