シロナガスクジラとヤマネのゲノム解読：サイズの違いが明かす生物学の謎

モルグリッジチームがシロナガスクジラとエトルリアヤマネに関心を持ったのは、ジェームス・トムソン博士（James Thomson, PhD）の「発達時計」の背後にある生物学的メカニズムに関する研究から始まりました。

トムソン博士は、モルグリッジの再生生物学エメリタスディレクターであり、長年にわたりウィスコンシン大学医学公衆衛生学部の細胞および再生生物学の教授です。一般に、大きな生物が受精卵から成熟した大人になるまでの時間は、小さな生き物よりも長いと理解されていますが、その理由はまだ不明です。

「それは基本的な生物学的知識の観点から重要です。どのようにしてそんなに大きな動物を作るのですか？それはどのように機能するのですか？」とブフマン博士は言います。

ブフマン博士は、この知識の実用的な応用は、幹細胞ベースの療法の新興分野にあると示唆しています。けがを治すために、幹細胞は関連する臓器や組織の特化した細胞タイプに分化する必要があります。このプロセスの速度は、発達時計の基礎となる同じ分子メカニズムのいくつかによって制御されます。

体格の異なる動物のゲノムから、私たち自身の健康について何がわかるか

最大および最小の哺乳類のゲノムを理解することは、ペトのパラドックスとして知られる生物医学の謎を解き明かすのにも役立つかもしれません。これは、クジラや象などの大型哺乳類が、細胞分裂中に時折発生するDNA複製エラーによってしばしば引き起こされる癌を発症する可能性が低いという、興味深い現象です。これは、より多くの細胞（したがってより多くの細胞分裂）を持っているにもかかわらず、人間やマウスなどの小型哺乳類よりも寿命が長いためです。

一方、エトルリアヤマネのゲノムの知識は、代謝の分野で新たな洞察を可能にします。ヤマネは非常に高い表面積対体積比と速い代謝率を持っています。これらの高いエネルギー要求は、その小さなサイズの産物であり、人間の親指と同じ大きさでペニー硬貨よりも軽いため、代謝の調節をよりよく理解するための興味深いモデルを提供します。

シロナガスクジラとエトルリアヤマネのゲノムプロジェクトは、北米およびいくつかのヨーロッパ国の機関からの数十人の貢献者を含む大規模な共同作業の一部です。これは、脊椎動物ゲノムプロジェクトと連携して行われます。

脊椎動物ゲノムプロジェクト（VGP）の使命は、地球上のすべての生きている脊椎動物種のために高品質の参照ゲノムを組み立てることです。この国際的な研究者コンソーシアムには、ゲノムアセンブリおよびキュレーションの分野のトップエキスパートが含まれます。

「VGPは、参照ゲノムを生成するための一連の方法と基準を確立しました」とブフマン博士は言います。「精度、連続性、完全性は、品質の三つの尺度です。」

以前のゲノム配列決定方法は、150から300塩基対の長さのDNA配列の短い断片、いわゆる「リード」を生成する短リード技術を使用していました。次に、重なり合うリードがより長い連続した配列、いわゆるコンティグに組み立てられます。

短リードから組み立てられたコンティグは、哺乳類の染色体と比較して比較的小さくなる傾向があります。その結果、このようなコンティグから再構成されたドラフトゲノムは非常に断片化されており、多くのギャップがあります。

代わりに、チームはリードが約10,000塩基対の長さの長リードシーケンシングを使用しました。主な利点は、より長いコンティグとより少ないギャップです。

「その後、オプティカルマッピングやHi-Cなどの他の方法を使用して、コンティグをスキャフォールドと呼ばれるより大きな構造に組み立てることができ、これらは染色体全体と同じくらい大きくなることがあります」とブフマン博士は説明します。

研究者らはまた、セグメンタル重複、すなわち、遺伝子を含むことが多い大きな複製された配列の領域を分析しました。これらは、近縁種や遠縁種と比較したときに、進化的プロセスについての洞察を提供することができます。

科学者たちは、シロナガスクジラが最近、大量のセグメンタル重複を経験したことを発見しました。これは、バンドウイルカやバキータ（世界最小の鯨類、鯨類、イルカ、ネズミイルカなどを含む哺乳動物の秩序）よりも多くのコピーを持っています。このようにして作成された遺伝子のコピーのほとんどは非機能的であるか、その機能はまだ不明ですが、チームはいくつかの既知の遺伝子を特定しました。

そのうちの一つは、重金属を結合し、その毒性を隔離することが知られているメタロチオネインというタンパク質をコードする遺伝子です。これは、海で生活する大型動物が重金属を蓄積する際に役立つメカニズムです。

参照ゲノムは野生生物の保全にも役立ちます。シロナガスクジラは20世紀の前半にほとんど絶滅の危機に瀕しましたが、現在は国際条約によって保護されており、その個体群は回復しています。

「世界の海では、シロナガスクジラは基本的に高い北極以外のどこにでもいます。したがって、参照ゲノムがあれば、比較を行い、地球上の異なる部分の異なるシロナガスクジラグループの集団構造をよりよく理解することができます」とブフマン博士は言います。「シロナガスクジラのゲノムは高度に異質性を持っており、遺伝的多橘性がまだ多く残っています。これは保全のために重要な意味を持ちます。」

では、広大な海に存在する大型で絶滅危惧種の生き物からサンプルをどのように取得するのでしょうか？

「物流はいくつかの課題を提示しました。これには、私たちの地域でのシロナガスクジラの目撃が非常に稀で予測不可能であるという事実が含まれます」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究スペシャリストであるスザンネ・マイヤーは言います。彼女はサンプルを取得するために必要な許可、人員、およびリソースを調整するために1年以上を費やしました。

地元のホエールウォッチングチームがホエールの目撃のタイミングと座標を決定したら、彼らは承認された標準的な鯨類の皮膚生検技術を使用して鯨の生検を行うために、ライセンスを持つ鯨研究者のジェフ・K・ジャコブセンを連れてきました。これには、クロスボウの矢に取り付けられたカスタムステンレス鋼の生検チューブが含まれます。

チームは4頭のシロナガスクジラからサンプルを取得し、マイヤーはそれを使用して、ゲノム配列決定およびさらなる研究利用のために線維芽細胞を培養および拡張しました。

動物のゲノムに関しては、サイズは重要ではありません

エトルリアヤマネのゲノムはシロナガスクジラのゲノムほど広範囲に研究されていませんが、チームは興味深い発見を報告しました。

「ヤマネのゲノムには比較的セグメンタル重複が少ないことがわかりました」とブフマン博士は言いながら、この結果が必ずしもヤマネ自体の小さなサイズと相関しているわけではないことを強調します。「ヤマネは異なる哺乳類の命令に属していますが、同様に小さないくつかのネズミ類は多くのセグメンタル重複を持っており、家ネズミはその意味でのチャンピオンです。したがって、サイズの問題ではありません。」

脊椎動物ゲノムプロジェクトがすべての脊椎動物のためにより多くの高品質な参照ゲノムを生産するために進歩を遂げるにつれて、ブフマン博士はこれらの努力への貢献が将来的に生物学的研究を進展させ続けることを期待しています。

この記事は、モルグリッジ研究所のマリエル・モーンズ氏によって書かれたニュースリリースに基づいています。

画像：モーグリッジ研究所の研究チームが最近、世界最大の哺乳類と最小の哺乳類の2つの新しい参照ゲノムの配列を組み立てる際に示したように、動物界のゲノム配列決定には大きさは関係ない。(Credit：ウィスコンシン大学マディソン校）。

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