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Population history of Mainland Japanese inferred from Jomon derived genomic components

渡部, 裕介 東京大学 DOI:10.15083/0002004773

2022.06.22

概要

序論.
本土日本人(以下、日本人とする)の成立に関する有力な説として、日本人は縄文時代から日本に定住していた縄文人と、弥生時代開始前後にアジア大陸から渡来してきた集団の混血によって成立したとする「二重構造モデル」が知られている。縄文人や日本人の全ゲノムSNPsによる解析から、日本人のゲノム中には、縄文人に由来するゲノム成分が10~20%含まれていることが分かっている。私は、この日本人ゲノム中の「縄文人に由来するゲノム成分」を用いて日本人の集団史を推定することを目的とし、縄文人に由来するY染色体ハプロタイプによる集団サイズ変化の推定(第2章)、および縄文人に由来する核ゲノムSNPsの検出(第3章)を行った。

第2章.縄文人に由来するY染色体ハプロタイプによる集団サイズ変化の推定
まず、集団サイズの時間変化を辿る目的で広く用いられているY染色体に着目し、研究室保有の日本人のY染色体ゲノム配列を用いて、以下の手順で集団サイズの推移を推定した。

1.日本人男性345人のY染色体ゲノム配列中の28,254SNPsを決定した。
2.日本人345人と、Korean Personal Genome Project(KPGP)の韓国人47人および1000 Genomes Project Phase 3(1KG)の東アジアの4集団(中国の三民族・ベトナムのキン族)のY染色体ゲノムを系統解析により比較し、日本人に特異的なY染色体系統(クレード)を取り出した。
3.日本人特異的なY染色体クレードにBayesian Skyline Plot (BSP)法を適用し集団サイズの推移を検証した。

東アジア人のY染色体による系統解析から、日本人特異的なY染色体クレード1が観察された(図1.)。このクレード1は、アイヌや沖縄などで高頻度に見られ、縄文人にも観察される3Y染色体ハプログループD1bであり、縄文人に由来すると考えられる。現在の日本人および韓国人の各クレード頻度に基づくモンテカルロシミュレーションの結果、縄文人男性の70%がこのクレード1に属するY染色体を持っていたことが示唆された。このクレード1に属するY染色体ハプロタイプを用いて、BSP法により集団サイズ変化を推定したところ、3,200年前ごろに急激な集団サイズの減少が見られた後、急増していたことが明らかとなった(図2.)。先行研究では、遺跡数の変化から縄文晩期に縄文人の人口が減少し、その後弥生時代に人口が増加した事が示唆されていた。今回、先行研究で示されていた縄文晩期以降の人口変動を遺伝学的手法により初めて検出することができた。

第3章.縄文人に由来する常染色体SNPの検出
縄文人は、日本列島において長期に渡り他の東アジア人から孤立しており、日本人は縄文人に由来する他の東アジア人に観察されない特異的な変異を有していると考えられる。日本人特異的な変異には、縄文時代以前に縄文人の系統で起こった①縄文人由来変異、アジア大陸の集団中で起こり縄文人との混血を経て日本に伝わったが、アジア大陸の集団では失われた②大陸系集団由来変異、および混血後の日本人の系統で起こった③新規変異の3種類が存在すると考えられる。近年縄文人古人骨由来DNAの解析が盛んに行われているが、その解析個体数の少なさと塩基配列決定精度の問題から、①のような縄文人由来変異を検出することは困難であった。本研究は、配列決定精度がよく、個体数を多く確保できる現代日本人ゲノムに基づいて現代日本人の①縄文人由来変異を検出することを目的とし、以下の手順で解析を行った。

1.Msprimeを用いた合祖シミュレーションにより、二重構造モデルに基づいて仮想塩基配列を生成する
2.①と②・③で適当な統計量を算出し、大きく分布が異なる指標を探す
3.2.で得られた指標に基づいて、1KGの日本人を含む世界の26集団およびKPGPの韓国人87人の集団ゲノムを用いて①の変異を検出する

①の縄文人由来変異同士は同一ハプロタイプ上に集積しており、互いに連鎖不平衡状態にあると予想される。そこで、各日本人特異的SNPに対して、「連鎖不平衡係数r2>0.01となるSNP数」(Jomo index: JI)を指標としたところ、①では互いに連鎖不平衡にあるSNPの数が多く、この指標によって①と②・③を識別できることが分かった(図3.)。この指標を用いて、実データにおいて日本人の集団ゲノム中から縄文人由来SNPを208,648箇所検出した。1KGの日本人(JPT)および先行研究の伊川津・船泊縄文人の全ゲノム情報を用いて、各個体の縄文人に由来するアリル(縄文人型アリル)の保有率(Jomonallele score)から、実データにおいてJIによって縄文人由来SNPを精度良く検出できていること、また現代日本人ゲノムを用いたJIに基づく解析によって縄文人1個体から検出できる数のおよそ数十倍の縄文人由来SNPを検出できたことが示唆された。

日本人の集団構造に対する縄文人由来ゲノム成分の影響を調べるため、Jomonallele scoreを日本の各県間で比較すると、Jomonallele scoreは東北地方各県および鹿児島県といった地域で高く、近畿や四国では低いことが分かった(図4.)。Jomonallele scoreと各地の縄文時代から弥生時代にかけての遺跡数との比較、および伊川津・船泊縄文人の古人骨由来DNAに基づくf3統計量の分布から、①各県の集団の遺伝的な差異は縄文人と大陸系集団の混血率の違いによって生じていること、および②各県のゲノムあたりの縄文人に由来する成分の割合と遺跡数から推定される縄文時代晩期の人口が相関していることが示唆された。さらに、東アジア人に特徴的な表現型に関連する遺伝子上の4つの非同義SNP(ABCC11,rs17822931:耳垢の乾型、EDAR,rs3827760:太い毛髪およびシャベル状切歯、ALDH2,rs671およびADH1B,rs1229984:アルコール低耐性)の周辺1Mb領域の縄文人由来アリルの有無から、日本人におけるこれらの表現型が縄文人に由来するかどうかを確認した。以上の解析結果に基づいて、日本人の進化に関する以下のモデルを提唱した(図5.)。

縄文時代後期の日本では、地域ごとに集団サイズに違いがあった。後の縄文時代晩期から弥生時代にかけて大陸系集団が日本列島に移入すると、大陸系集団はそれまで集団サイズが小さかった近畿や四国などの地域を中心に集団サイズを増大させた。現代日本人の遺伝的な地域差は、縄文時代後晩期の集団サイズの地域差に起因する各祖先集団の混血率の地域差によって生じたと考えられる。

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