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Researchers assemble the first complete sequence of a human Y chromosome Wednesday, August 23, 2023
新しい塩基配列は、精子生産を含む不妊のゲノム要因を明らかにした。
ヒトのY染色体は、完全な塩基配列が決定された最後の染色体である。この新しい塩基配列は、Y染色体の長さの50%以上にわたるギャップを埋めるもので、精子生産における要因など、不妊に関係するゲノム上の重要な特徴を明らかにした。
国際的な研究チームが、ヒトのY染色体の真に完全な塩基配列を初めて作成した。この新しい塩基配列は、Y染色体の長さの50%以上のギャップを埋めるもので、精子生産の要因など、不妊に関わる重要なゲノム上の特徴を明らかにした。この研究は、米国国立衛生研究所(National Institutes of Health)の一部である国立ヒトゲノム研究所(National Human Genome Research Institute:NHGRI)の資金提供を受けている研究チーム、テロメア・ツー・テロメア(Telomere-to-Telomere:T2T)コンソーシアムが主導したもので、本日Nature誌に発表された。
Y染色体はX染色体とともに、性的発達におけるその役割についてよく議論される。これらの染色体が中心的な役割を果たしている一方で、ヒトの性的発達に関与する因子はゲノム全体に広がっており、非常に複雑であるため、男性、女性、インターセックスに見られるヒトの性徴の配列が生み出されている。これらのカテゴリーは、社会的なカテゴリーであるジェンダーと同等ではない。さらに最近の研究では、Y染色体上の遺伝子が、がんのリスクや重症度など、ヒト生物学の他の側面に寄与していることが示されている。
研究者たちが20年前に最初のヒトゲノム配列を完成させたとき、24本すべての染色体の配列にはギャップが残された。しかし、残りのゲノム配列に散在する小さなギャップ(昨年T2Tコンソーシアムが埋めたギャップ)とは異なり、Y染色体の配列の半分以上は謎のままであった。
すべての染色体には繰り返し領域があるが、Y染色体は例外的に繰り返し領域が多く、塩基配列を完成させるのが特に難しい。塩基配列のデータを組み立てるのは、短冊に切り取られた長い本を読もうとするようなものだ。本の中のすべての行が一意であれば、行の順番を決めるのは簡単だ。しかし、同じ文章が何千回、何百万回と繰り返されれば、短冊の本来の順番ははるかにわからなくなる。ヒトの染色体はすべて繰り返しを含むが、Y染色体の約3000万文字は繰り返し配列である。まるで、本の半分の長さにわたって同じ文章が繰り返されているようなものだ。
T2Tコンソーシアムは、ヒトゲノムの中で最も繰り返しの多い部分に取り組むため、新しいDNA配列決定技術と配列アセンブリー法、そして他の23本のヒト染色体について初めてギャップレス配列を作成したことで得た知識を応用した。
「最大の驚きは、リピートがいかに整理されているかということだった」と、NHGRIの上級研究員でコンソーシアムのリーダーであるアダム・フィリッピー博士は述べた。「私たちは、欠落している配列を構成しているものが一体何なのかを知らなかったのです。しかしその代わりに、染色体のほぼ半分は、サテライトDNAと呼ばれる2つの特定の繰り返し配列のブロックが交互に並んでいるのです。それがキルトのような美しいパターンを作っているのです。」
Y染色体の完全な塩基配列は、医学的に関連する領域の重要な特徴も明らかにしている。Y染色体のそのような部分のひとつは、無精子症因子領域と呼ばれるもので、精子の生産に関与することが知られているいくつかの遺伝子を含むDNAの伸長部である。今回完成した塩基配列を用いて、研究者らは無精子症因子領域に存在する一連の逆方向反復配列、すなわち「回文」の構造を研究した。
「この構造は非常に重要です。なぜなら、時折、これらの回文がDNAのループを作ることがあるからです」と、NHGRIのスタッフ科学者でNature発表の筆頭著者であるアラン・リー博士[Arang Rhie]は語った。「このループが誤って切断され、ゲノムに欠失が生じることがあるのです。」
無精子症因子領域の欠失は精子の生産を阻害することが知られており、したがってこれらの回文は生殖能力に影響を与える可能性がある。Y染色体の完全な配列が得られたことで、研究者たちはこれらの欠失と精子生産への影響をより正確に分析できるようになった。
医学的な関連性が期待される他の領域には、反復する遺伝子が含まれている。ヒトゲノムのほとんどの遺伝子は2つのコピーを持ち、それぞれの親から1つずつ受け継ぐ。しかし、遺伝子の中には、DNAの伸張に沿って多くのコピーを繰り返すものがあり、「遺伝子アレイ」と呼ばれることもある。
研究者たちは、精子生産に関与していると考えられているもう一つの遺伝子、TSPYに注目した。TSPYのコピーは、ヒトゲノムの中で2番目に大きな遺伝子配列に組織されている。他の反復領域と同様、反復遺伝子の解析は困難である。そのため、TSPYが多数の反復コピーとして存在することは知られていたが、この配列の具体的なDNA配列と組織はこれまで不明であった。研究者らはこの領域を解析した結果、個体によってTSPYのコピーが10〜40個存在することを発見した。
「これまで見たことのない変異を発見した場合、そのゲノム変異がヒトの健康を理解する上で重要になることが常に期待されます」とフィリッピー博士は述べた。「医学的に関連性のあるゲノム変異は、将来、より良い診断法をデザインするのに役立ちます。」
Y染色体の全塩基配列に加え、NHGRIが資金を提供するヒトゲノム構造変異コンソーシアムは、43本の多様なヒトY染色体の塩基配列を報告し、同じく本日、Nature誌に掲載された。これらの成果は、T2Tコンソーシアムが2022年に発表したギャップのないヒトゲノム配列と、NHGRIが資金提供するヒト・パンゲノム・リファレンス・コンソーシアムが2023年5月に発表した「パンゲノム」(リンクは外部サイト)を補完するものである。これらの成果により、科学者たちは、ヒトの生物学を解明し、ゲノム医療の未来を切り開くための豊富な新しいゲノミクスリソースを利用できるようになった。
国立ヒトゲノム研究所(NHGRI)は、保健福祉省の一機関であるNIHの27の研究所およびセンターのひとつである。NHGRIの学内研究部門は、ゲノムおよび遺伝性疾患を理解し、診断し、治療するための技術を開発し、実施している。NHGRIに関する詳細は、https://www.genome.gov。
国立衛生研究所(NIH)について: 米国の医学研究機関であるNIHには、27の研究所とセンターがあり、米国保健社会福祉省の一部門である。NIHは基礎、臨床、トランスレーショナルな医学研究を実施、支援する主要な連邦機関であり、一般的な疾患から希少疾患まで、その原因、治療法、治療法を研究している。NIHとそのプログラムの詳細については、www.nih.gov。
Nature (2023) Published: 23 August 2023
The complete sequence of a human Y chromosome (ヒトY染色体の全塩基配列)
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06457-y
Arang Rhie, Sergey Nurk, Monika Cechova, Savannah J. Hoyt, Dylan J. Taylor, Nicolas Altemose, Paul W. Hook, Sergey Koren, Mikko Rautiainen, Ivan A. Alexandrov, Jamie Allen, Mobin Asri, Andrey V. Bzikadze, Nae-Chyun Chen, Chen-Shan Chin, Mark Diekhans, Paul Flicek, Giulio Formenti, Arkarachai Fungtammasan, Carlos Garcia Giron, Erik Garrison, Ariel Gershman, Jennifer L. Gerton, Patrick G. S. Grady, Adam M. Phillippy
要旨
ヒトのY染色体は、長い回文、タンデム反復、分節重複を含む複雑な繰り返し構造を持つため、配列決定やアセンブルが困難であることで知られている1,2,3。その結果、GRCh38参照配列からY染色体の半分以上が欠落しており、ヒト染色体の中で最後に完成した染色体となっている4,5。T2T-Yは、GRCh38-Yの複数のエラーを修正し、参照配列に3000万塩基対以上の塩基配列を追加したもので、TSPY、DAZ、RBMY遺伝子ファミリーの完全なアンプリコン構造、TSPYファミリーを中心とする41のタンパク質コード遺伝子の追加、ヘテロクロマートYq12領域におけるヒトのサテライト1ブロックと3ブロックの交互パターンを示している。我々は、T2T-YをCHM13ゲノムの以前のアセンブリー4と組み合わせ、利用可能な集団変異、臨床変異、機能ゲノミクスデータをマッピングし、ヒト全24染色体の完全かつ包括的な参照配列を作成した。