発表のポイント
◆新规の25个体を含む42个体の縄文人ゲノムを统合解析し、縄文人の祖先が约2.7万?1.9万年前に大陆东ユーラシア集団から分岐した、后期旧石器时代东ユーラシア系统に由来することを示しました。
◆ゲノム情报にもとづく「自然选択スキャン」によって、FTOやAPOA5などの遗伝子领域に寒冷环境への适応に関わる痕跡を见出しました。
◆縄文人ゲノムは、日本列岛人の成り立ちを知る手がかりであると同时に、氷期を生き延びた东ユーラシアの人々の进化と适応を読み解く贵重な记録であることを示しました。
旧石器时代日本列岛人の集団史と寒冷环境适応
概要
东京大学 大学院理学系研究科の渡部裕介特任助教、脇山由基大学院生、太田博樹教授、东京都立大学 人文科学研究科の山田康弘教授、出穂雅実准教授、九州大学 大学院芸術工学研究院の西村貴孝准教授らの国際共同研究グループは、縄文人（注1）ゲノムを用いて、東ユーラシアの後期旧石器時代（注2）狩猟採集民の形成史と寒冷環境への適応の痕跡を明らかにしました。
本研究では、新たに私たちが抽出?シークエンシングした25个体と既出の17个体の縄文人42个体の古代ゲノム（注3）を统合し、大型计算机をもちいたデータ解析をおこないました。その结果、縄文人の祖先集団は、大陆の东ユーラシア集団から约2.7万?1.9万年前に分岐した系统に由来することが示されました。この时期は、考古学的には后期旧石器时代にあたり、ちょうど最终氷期のもっとも寒い时期とほぼ重なっています。
私たちは、全ゲノムを対象とした自然选択スキャンにより、褐色脂肪组织での热产生、脂质代谢、寒冷感覚などに関わる复数の遗伝子领域に、寒冷环境への适応と整合的な痕跡を见出しました。特にAPOA5遗伝子领域では、最终氷期に相当する时期に変异の频度が急速に上昇した可能性が示されました。本研究により、縄文人ゲノムは日本列岛人の成り立ちを知る手がかりであるばかりか、氷期を生きた东ユーラシアの人々の进化と适応を読み解く贵重な记録でもあることが示されました。本成果は、古代ゲノムから过去の环境适応を復元する新たな枠组みを提示するものです。
発表内容
これまでの古代ゲノム研究により、縄文人は東ユーラシアの中でも早い段階で分岐した系統であり、現代日本人の祖先の一部を構成することが示されてきました。一方で、縄文人が後期旧石器時代から日本列島に居住していた狩猟採集民の直接的な子孫なのか、それとも、日本列島の後期旧石器時代の人々と縄文人は、直接の祖先-子孫の関係にないのかは分かっていませんでした。さらに、どちらの場合でも、縄文人は、東ユーラシア大陸であれ日本列島であれ、後期旧石器文化を経て最終氷期最盛期（Last Glacial Maximum: LGM、注4）の環境を生きてきた人々の子孫であることに変わりありません。その過酷な環境で縄文人の祖先である後期旧石器時代の狩猟採集民がどのように生き残って来たのか？また、彼らにどのような生物学的適応が生じたのか？は大きな謎として残されていました。図1のようにLGM前後の日本列島では、海水準の変化により大陸との接続や島嶼化が現在と大きく異なっています。これらの未解決の謎を解き明かすために、私たちは考古学的証拠とゲノム情報を統合して検討しました。
私たちは、新たに25个体の縄文人骨から顿狈础を抽出、全ゲノムをシークエンシングし、既报の17个体と合わせて计42个体の縄文人ゲノムを统合し解析を行いました（図1）。
まず、縄文人の系统が辿った集団史を探るため、縄文人の人口动态（有効集団サイズの推移、注5）および东アジア集団との分岐年代を推定する解析を行いました（図2）。その结果、縄文人の祖先系统は约2.7万?1.9万年前、すなわち后期旧石器时代中ごろから后半にかけて、东ユーラシア大陆の集団から分岐したと推定されました。また、縄文人系统は尝骋惭に有効集団サイズが低下し、その后、本州以南の縄文人系统では縄文时代の开始期に回復したことが示唆されました。北海道縄文人については、本州以南の縄文人と约1万?8,800年前に分岐したと推定され、北海道の旧石器时代集団が后の縄文人へ単纯に连続したのではなく、完新世に本州由来の縄文人が北海道へ広がった可能性が示されました。
次に、縄文人と他のユーラシア大陆の集団との遗伝的関係を明らかにするための集団遗伝学的解析を行ったところ、縄文人ゲノムには、北东アジアの后期旧石器时代集団に由来する可能性のあるごく弱い遗伝的影响が検出されました。考古学的証拠から、ホモ?サピエンスは、ヒマラヤ山脉以南のルート（南回りルート）とバイカル湖周辺を通ったルート（北回りルート）の2つのルートでユーラシア大陆の东端に到达したことが示されてきました。2018年に报告された伊川津縄文人ゲノム解析では、この个体（滨碍002）については、南回りルートの子孙であり、北回りルートの遗伝子流入の痕跡は検出されませんでした。しかし、本研究の42个体の縄文人ゲノムについて、北回りルートの遗伝子流入の痕跡を调査した结果、日本列岛の北から出土した縄文人骨の方が、南から出土した縄文人骨より、北东アジアの后期旧石器时代集団に由来する可能性のある遗伝子流入の影响が相対的に高いことが示されました。この结果は、日本列岛の后期旧石器时代文化に见られる北方的要素と整合的であり、东ユーラシアへの人类拡散を考えるうえで、考古学とゲノム研究をつなぐ新たな手がかりとなります。今后、もし日本列岛の北方、特に北海道の后期旧石器时代のヒトゲノム情报が得られれば、検証が大きく进むと期待されます。
図1：縄文人ゲノムの出土地と后期旧石器时代の日本列岛周辺环境
左上：最终氷期の海面低下时に想定される日本列岛周辺の地形。当时、现在の本州?四国?九州は一つの岛である「古本州岛」となっていた一方、北海道はサハリン?千岛列岛を介してユーラシア大陆侧とつながる「古サハリン?北海道?千岛半岛」の一部であった。この地理的背景は、后期旧石器时代の人类集団がどのように日本列岛へ移动し、その后どのように隔离されたのかを考えるうえで重要である。右上：本研究で解析した42个体の縄文人ゲノムの出土遗跡。菱形は本研究で新たにゲノム解析した25个体、丸は先行研究で报告された17个体である。下段：各遗跡の较正年代。
図2：縄文人系统の有効集団サイズの変化
横轴は年代を表し、右侧ほど古く、左侧ほど新しい时代を示している。水色は最终氷期、淡赤色は縄文时代。縄文人系统では、后期旧石器时代末から縄文时代の开始期にかけて有効集団サイズが低く、その后、縄文时代に入る顷から増加したことが示された。なお、横轴?縦轴はいずれも常用対数轴で示している。
本研究でもっとも特笔すべき成果は、縄文人ゲノムを集団レベルで解析することにより、彼らが受けた自然选択の痕跡が検出できたことです。私たちが遗伝子変异の频度を调べたところ、縄文人では、UCP1やTRPM8など、先行研究で寒冷环境との関连が报告されてきた遗伝子上の変异が高い频度で见られることがわかりました。これは、縄文人の祖先に起こった寒冷环境への遗伝的适応の结果かもしれません。これを明らかにすべく、全ゲノムの自然选択スキャンを行いました。その结果、FTOやAPOA5など、体格や脂质代谢に関わる遗伝子领域で正の自然选択の痕跡が検出されました（図3）。これらの遗伝子领域は、褐色脂肪组织による非ふるえ热产生（注6）や中性脂肪の利用と関係しており、寒冷环境下で効率よく体温を维持するための适応に関与した可能性があります。特に、APOA5については最终氷期に相当する时期に変异の集団内の频度が急激に上昇したことがわかりました。このことは、縄文人にみられる寒冷适応に関わる遗伝的特徴が、縄文时代以降に偶然残ったものではなく、后期旧石器时代に生きていた縄文人の祖先集団において、最终氷期の寒冷环境のもとで强められた可能性を示しています。縄文人ゲノムは、东ユーラシアの后期旧石器时代人が厳しい寒冷环境にどのように适応したのかを知る手がかりになると考えられます。
図3：寒冷适応に関わる遗伝子领域にみられる自然选択の痕跡
体格や脂质代谢に関わる遗伝子领域を対象に、縄文人で正の自然选択が働いた痕跡を探索した结果を示す。縦轴の谤齿笔-苍厂尝（注7）は、縄文人で特定の遗伝的変异が急速に频度上昇した可能性を示す指标であり、値が高いほど自然选択の痕跡が强いことを表す。横轴は染色体上の位置を示す。赤い点线は、ゲノム全体の経験分布に基づく上位5%の閾値を示す。叁角で示した点は、叠惭滨、中性脂肪（罢骋）、総コレステロール（罢颁）、贬顿尝コレステロール（贬顿尝-颁）などの形质と関连する遗伝子领域であり、上向きの叁角は縄文人で选択されたハプロタイプがその形质を上昇させる方向に、下向きの叁角は低下させる方向に働くことを示す。FTO, ZPR1-APOA5, ALDH1A2-LIPCなど、体格や脂质代谢に関わる复数の领域で强い自然选択の痕跡が検出された。
本研究の意义は、縄文人ゲノムが、単に「现代日本列岛集団の祖先」を知るための资料であるだけではなく、后期旧石器时代の东ユーラシア人の集団史、生理的特徴、环境适応を復元するための「ゲノムのアーカイブ」として位置づけられることを示した点にあります。縄文人ゲノムには、氷期を生きた东ユーラシアの狩猟採集民が、寒冷环境の中でどのように生き抜いたのかを読み解く手がかりが残されています。さらに、先行研究では、现代日本人に残る縄文人由来の遗伝的要素が、肥満や脂质代谢などに関与する可能性も示唆されています。そのため本研究は、古代の环境适応を復元するだけでなく、古代人ゲノムが、现代人の体质や健康関连形质にどのような影响を残しているのか重要な示唆を与え、古代ゲノム学と现代人を対象とした健康科学や予防医学とをつなぐ具体的なデータを提示している点で、社会的影响の大きい研究と考えています。
発表者?研究者等情报
东京大学
大学院理学系研究科 生物科学専攻
太田 博树 教授
渡部 裕介 特任助教
脇山 由基 （博士课程4年）
东京都立大学
人文科学研究科 文化基础论専攻
山田 康弘 教授
出穂 雅実 准教授
九州大学
大学院芸术工学研究院 人间生活デザイン部门
西村 贵孝 准教授
论文情报
雑誌名： Science Advances
題 名：：Jomon genomics reveal cold adaptation in Upper Paleolithic hunter-gatherers of eastern Eurasia（8月13日付掲載）
著者名：Yusuke Watanabe, Yoshiki Wakiyama, Daisuke Waku, Guido Valverde, Akio Tanino, Mizuki Hayashi, Izumi Naka, Yuka Nakamura, Tsubasa Suzuki, Kae Koganebuchi, Takashi Gakuhari, Takafumi Katsumura, Motoyuki Ogawa, Atsushi Toyoda, Pornlada Nuchnoi, Suwanna Chaorattanakawee, Hathairad Hananantachai, Jintana Patarapotikul, Soichiro Mizushima, Tomohito Nagaoka, Kazuaki Hirata, Minoru Yoneda, Midori Motoi, Hideo Toyoshima, Takafumi Maeda, Takayuki Nishimura, Tadayuki Masuyama, Yasuhiro Yamada, Ryuzaburo Takahashi, Masami Izuho, Jun Ohashi, NCBN Controls WGS Consortium, Hiroki Oota
DOI:
研究助成
本研究は、科研费「学术変革领域研究（础）（课题番号：23贬04836、23贬04838、23贬04840、21贬05362）」、「基盘研究（础）（课题番号：22贬00020、22贬00421、21贬04779、18贬03590、18贬03593、17贬01453、26251050）」、「基盘研究（叠）（课题番号：22贬00718、17贬03738、25284157）」、「新学术领域研究（研究领域提案型）（课题番号：21贬00337）」、「挑戦的研究（萌芽）（课题番号：21碍19289）」、「若手研究（课题番号：21碍15175）」、「特别研究员奨励费（课题番号：23碍闯0654、22碍贵0092）」、「新学术领域研究（研究领域提案型）『学术研究支援基盘形成』（课题番号：16贬06279）」、「学术変革领域研究（学术研究支援基盘形成）（课题番号：22贬04925）」、および叁菱财団自然科学研究助成（课题番号：202110009）の支援により実施されました。
用语解説
（注1）縄文人
约1万6千年前から日本列岛に定住し、世界最古级の土器文化をもちながら1万年以上にわたって狩猟採集生活を営んだ、先史ヒト集団。「縄文人」という语が指す人びとは、1万年を超える长い时间幅と日本列岛各地にわたる広い空间的広がりを含んでおり、縄文时代の人びとや文化は、地域や时期によってさまざまであった。本研究では、考古学的に縄文时代に属する遗跡から出土した人骨に由来する古代ゲノムを対象として、「縄文人」という语を资料上?研究上の呼称として用いている。
（注2）后期旧石器时代
旧石器时代のうち、现生人类（ホモ?サピエンス）が世界各地へ拡散し、多様な石器技术を発达させた时代を指す。本研究では、とくに日本列岛に最初のホモ?サピエンスが到达した约3万8千年前から约1万5000年前までの时期を指す。この时代の内部にも时期区分があり、本研究ではその中ごろから后半にかけて、縄文人の祖先集団が大陆の东ユーラシア人集団から分岐したと推定した。
（注3）古代ゲノム解析
遗跡から出土した人骨などに残る顿狈础を抽出し、过去の人々の遗伝的特徴や集団の歴史を调べる研究手法。古代顿狈础は分解や汚染の影响を受けやすいため、専用の実験施设（クリーンルーム）が必要である。
（注4）最终氷期最盛期（尝骋惭）
约2.6万?1.9万年前にかけて地球规模で寒冷化が强まった时期。海水準が现在より低く、日本列岛周辺の地形や人类集団の移动?孤立にも大きな影响を与えた。
（注5）有効集団サイズ
遗伝的多様性から计算される理论上の个体数。実际の人口そのものとは一致しないが、过去の集団の大きさの変化を反映するため、人口の増减や集団の缩小?拡大を推定する手がかりになる。
（注6）非ふるえ热产生
筋肉を震わせることなく热を产生する仕组み。主に褐色脂肪组织で起こり、细胞内のミトコンドリアが脂肪酸などを利用して、エネルギーを热として放出する。寒冷环境への适応に関わる重要な生理机构の一つ。
（注7） rXP-nSL
本研究で用いた、ゲノム上の领域単位で自然选択の痕跡を评価する解析手法。ハプロタイプに基づく选択シグナルとゲノムワイド関连解析により得られた遗伝子座と表现型の関连情报を统合し、形质と関连する领域での进化的変化を検出する。
问合せ先
＜研究内容について＞
东京大学大学院理学系研究科
? ? ? ? ? ? ?教授 太田 博樹（おおた ひろき）
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东京大学大学院理学系研究科?理学部 広報室
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東京都公立大学法人东京都立大学管理部 企画広報課 広報係
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九州大学 広报课???????
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人文科学研究科 文化基礎論専攻 歴史学?考古学分野 山田 康弘教授
人文科学研究科 文化基礎論専攻 歴史学?考古学分野 出穂 雅実准教授