アンデス地方やチベット高原などの高地に住む人々は、幾代にも渡り低酸素条件での生活に適応してきた。このような特徴的かつ強力な選択圧で生活をする様は、進化論において教科書のように良い例である。しかし、その遺伝子がどのようにして生存優位性を得ているのかは未だ解明されていない。この謎を解くため、ペンシルベニア大学の研究チーム（以下ペン・チーム）は、初となるゲノムワイドな高々度適応性の研究を始めた。
研究は、高々度に適応する主要人口の3位にあたるエチオピア高地のアムハラ族を対象に行われた。
驚くべきことに、3つのグループは全て異なる遺伝的変異を持ち、この適応性は収束進化によるものであると見られる。「これらの3つのグループは異なる遺伝的アプローチをとり、高々度に対する適応性を身につけたのです。」と、本研究の上級著者、ペンシルベニア大学ペレルマン医学大学院遺伝学科および統合文化生物学科の統合知識学教授、セーラ・ティシュコフ博士は語る。本研究はティシュコフ博士に加え、ペレルマン医学大学院遺伝学科の研究員、ローラ・B・シェンフェルト博士のもと行われた。
その他遺伝学科の研究員で本研究に貢献したのはサミール・ソイ博士、サイモン・ソンプソン博士、アレッシア・ランシアーロ博士、ウィリアム・ベッグス博士、シャリア・ランベルト博士、およびジョセフ・P・ジャーヴィス博士である。本研究はペン・チームとアディスアベバ大学生物学科のドーウィット・ウォルド・メスケル博士、ドーウィット・アバーテ博士、そしてガリア・ベレイ博士の共同研究で、2012年１月20日付けのゲノム・バイオロジー誌に掲載された。
進化論における基本原則の一つに、自然淘汰がある。生物が己の環境に適していればいるほど生存率は高まり、その遺伝子を残す事が出来る。高々度な環境は酸素濃度も低く、気候順化していない者は急激に気持ち悪くなり、死にいたる事もある。
「我々は遺伝人類学者として、正の淘汰またはダーウィン淘汰の後に起こる遺伝的変異のパターンを予想出来ます。そしてそのパターンをゲノム中から探し出し、それの生物学的な意味を考えるのです。これを行う最も簡単な方法は、非常に強力な選択圧があった状況に注目することです。それは死亡率の高い疾患であったり、今回のような高々度での低酸素環境であったりします。
このような状況では、遺伝子を残せる者とそうでない者の間で劇的な違いが生じるため、我々がその遺伝子的特徴を見つけるのに助かるのです。」と、シェンフェルト博士は説明する。
妊娠中の女性は特に、低酸素による生理学的な圧力に影響されやすく、これは子供の出生体重や健康に影響する。にもかかわらず、アンデス地方やチベット高原に住む人々に明白な悪影響はほとんど見られていない。
低酸素環境が妊娠中の女性に及ぼす影響を、これらの地域にすむ人々がどのように相殺しているのかを理解するため、人類学者であるケースウェスタン大学のシンシア・ビール博士およびウェイクフォレスト大学のローナ・モー博士は、このグループの生理学的特性を詳細に記録した。最近では遺伝学者が、これらの身体的特徴またはフェノタイプと、それを形成している遺伝子またはゲノタイプを関係付けることを試みている。
研究者は長年、比較のために他の集団を研究に追加することを望み、エチオピア高地の人々が研究基準に合っていたのだが、海抜3000メートル以上に住む地理的、経済的、および言語的な壁により、データを収集することが困難であった。「これは非常に困難な研究でした。目的地まで行くための認可と許可を得るだけでも何年もかかりました。」と、ティシュコフ博士は語る。「これらの離れた地域に住む集団からサンプルを取るのはとても大変でした。道は通ることが出来ず、可能な限り高々度に住む集団を探すだけでも多くの時間を費やしました。」と、研究のフィールド・チームの一員であったサイモン・ソンプソン博士は語る。研究チームはアムハラグループのゲノタイプとフェノタイプを、低高度に住む二つのエチオピアグループのそれと比較した。また、アムハラグループを海面近くに住むナイジェリアとヨーロッパのグループとも比較した。
「我々が比較したのは、ゲノム中で高々度グループが他のグループと異なるエリアを把握するためです。この異なるエリアは高々度に適応する遺伝的変異の候補領域になります。トップ候補の二つは、HIF-1経路に関与しています。この経路は、低酸素状態でイニシエートされるものです。」と、シェンフェルト博士は説明する。
アンデス人とチベット人の両集団も同様にHIF-1経路に関連した突然変異を持っていたが、3つのグループ全てがゲノタイプとフェノタイプの両方で異なっていた。
フェノタイプの違いの一つにヘモグロビンがあった。ヘモグロビンは、酸素を運ぶ血液の一部である。
エチオピア人とアンデス人は、低高度に住む集団よりも高いレベルのヘモグロビンを持っていたが、チベット人のヘモグロビンレベルは平均的であった。研究チームはさらに、エチオピアグループの、ミトコンドリアの機能に関与している遺伝子の変異体を発見した。
ミトコンドリアは、細胞がエネルギーとして使う化学物質ATPの産生を調節する。この遺伝子もまた、高々度に適応する上で必要な、興味深い候補となるだろう。これらの違いは全て、低酸素でホメオスタシスを維持するために重要な役割を果たすように見える。しかし、明確な利点であるように見える高ヘモグロビンも、より複雑なフェノタイプ変化のためのプロキシのようなものなのである。これらの知見を合わせ、遺伝子がどのようにして生存の優位性に成るのかを理解するためには、より焦点をしぼった研究が必要となる。
「我々はこの謎を少しずつ解いていっているため、どんな小さな発見も役に立ちます。」と、シェンフェルト博士は語る。このような研究は、これらの集団の歴史を理解する以上の可能性を秘めている。「このような研究は、肺の生理学や酸素輸送といった観点で生物医学のコミュニティから多大なる期待をよせられています。このような遺伝的適応を持つ人がどのようにして通常困難な高々度での生活をしているのか理解することが出来れば、身体の重要なシステムの一つをより理解することに役立つでしょう。」と、ティシュコフ博士は語る。
[BioQuick News: Study Aids Genetic Understanding of High-Altitude Adaptation ">
