私たちはどのようにして猿から人間に「変化」したのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: ラン・ハオ (中国科学院昆明動物研究所生物多様性ゲノム研究グループ) 周龍 (浙江大学生命進化センター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

生物学の分野では、人間は霊長類と呼ばれる哺乳類のグループに属します。類人猿、サル…霊長類の中でも、人間には多くの「親戚」がいます。私たちと彼らには共通の祖先がいますが、この共通の祖先とは誰でしょうか?私たちはどのようにして段階的に人間になったのでしょうか？これらの霊長類の起源は常に人々の関心事でした。最近、霊長類ゲノムプロジェクトの中間結果が発表され、私たちはこの疑問の答えに一歩近づきました。

祖先から繁栄する枝まで

「私たちはどのようにして段階的に人間になったのか？」という疑問に答えるには、私たち人間と霊長類の「親戚」との間の複雑な進化関係を理解する必要があります。霊長類ゲノムプロジェクトは、霊長類の進化の「ブラックボックス」を私たちに明らかにしました。

浙江大学の張国傑氏のチームと中国科学院昆明動物研究所の呉東東氏のチームは、国内外の学者と共同で、50種の霊長類の全ゲノムデータを用いて祖先分析（つまり、さまざまな霊長類グループの起源を推測すること）を行った。

この作業では、より正確な結果を得るために、サンプルが生物学的グループを広範囲にカバーしていることが必要です。この研究のサンプルは、14 科の 38 属をカバーしており、これには 27 の新しい高品質ゲノムデータと、以前の研究ではあまり取り上げられなかった集団が含まれています。

したがって、この研究は、以前の研究と比較して、結果の信頼性と種の範囲を大幅に改善しました。

研究チームは霊長類のサンプルを選んだ後、霊長類と近縁だが霊長類ではない2種、トビザルとツパイのゲノムを外集団として用いて霊長類の進化関係を再構築し、歴史上主要な集団が異なる方向に進化した時期を明らかにした。

結果はどうですか?これは霊長類の巨大な「家族」から始まります。

霊長類には500種以上が生息しており、分類学者は霊長類を霊長目16科79属に分類しています。

霊長類の進化系統樹

（画像出典：霊長類の画像はスティーブン・D・ナッシュ氏が描き、張国傑氏の研究グループと呉東東氏の研究グループが提供）

その中でも、原猿類（Strepsilrhini 亜目）は比較的原始的なグループです。アフリカ、南アジア、東アジアに分布しています。キツネザル、スローロリス、ヤブモンキーなどがこのグループに属します。現代の霊長類の主要グループである単純な鼻を持つ霊長類（直鼻亜目）には、狭い鼻を持つ霊長類（狭鼻亜目）と広い鼻を持つ霊長類（広鼻亜目）という 2 つの主要グループが含まれます。後者は、2 つの異なる進化の枝でもあります。

狭鼻鳥は主にユーラシア大陸とアフリカに分布しています。彼らのより直感的な形態学的特徴の 1 つは、2 つの鼻孔の間の距離が非常に短いことです。私たち人間は狭鼻類に属します（この特徴は鼻を触って感じることができます）。狭鼻猿科の猿は、習慣的に旧世界猿（伝統によれば、ユーラシアとアフリカは「旧世界」に属し、アメリカ大陸は「新世界」に属します）と呼ばれ、私たちがよく話題にするヒヒ、マカク、リーフモンキーなどが含まれます。

狭鼻類の別の分派である類人猿は、旧世界ザルの姉妹群であり、「旧世界」にも分布しています。 「川の両岸の猿は絶え間なく泣いている」という詩に出てくるテナガザルは小型類人猿に属し、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、そして人間は大型類人猿に属します。意図的に自分たちの起源を強調する場合、私たちは自分たちを「裸の猿」と呼ぶことがあります。人間は類人猿から進化する過程で、濃い体毛を失い、より徹底した直立歩行の姿勢、より発達した脳構造、より複雑な社会構造を獲得しました。

アメリカ大陸には類人猿は存在しません。そこに生息する霊長類は、新世界ザルとしても知られる広鼻類で、マーモセット、オマキザル、ニホンザル、サキ、クモザルなどが含まれます。名前の通り、鼻孔の間隔は広いです。さらに、新世界ザルの尾は非常に柔軟で、木登りに役立ちます。

研究の分析では、すべての霊長類の最も最近の共通祖先は6829万年前から6495万年前の間に出現した可能性があると結論づけられた。この期間は、6550万年前の白亜紀末期の非鳥類恐竜の絶滅を引き起こした大量絶滅イベントに非常に近く、おおよそ白亜紀の境界にあたります。これは、霊長類の進化が大量絶滅の影響を受けた可能性があることを意味します。それがどのように影響を受けたかは、将来の研究で答えなければならない疑問です。

急速に進化する脳

類人猿から人間への脳の変化は重要です。

人間は動物界で最も賢い脳を持っているかもしれない。私たちの脳は容量が大きいだけでなく、大脳皮質の構造もより複雑になっています。体の他の部分と同様に、人間の脳は霊長類の祖先から進化しました。

長い進化の過程で、霊長類の脳容量は徐々に増加し、体に対する脳の割合は徐々に増加し、皮質の折り畳みの程度はますます複雑になってきました。霊長類の進化の過程では、相対的な脳容量の大幅な増加につながる 4 つの重要な節目があり、それは類人猿の祖先、ヒメヒナ類の祖先、大型類人猿、そして人類の祖先で発生しました。

この傾向は、ゴリラなどの大型類人猿の出現後に特に顕著になり、人間においてピークに達しました。人間は霊長類の中で最も大きな脳容量を持っているだけでなく、最も複雑に折り畳まれた大脳皮質も持っています。

霊長類の脳容量の進化とその過程でのゲノムの変化

（画像出典：ミシガン州立大学の脳画像、張国傑の研究グループと呉東東の研究グループ提供）

研究により、霊長類の進化の過程で、脳の発達に関連する多くの遺伝子が重要な進化の節点で積極的に選択され、つまりこれらの遺伝子が自然選択によって強化されたことが判明しました。したがって、研究者たちは、これらの遺伝子が霊長類の脳容積の増加に重要な役割を果たしていると推測している。

これらの遺伝子には、これまでの実験研究で発見された脳の発達に関連する重要な遺伝子もいくつか含まれています。これらの遺伝子の変異はマウスの脳機能障害につながる可能性があります。例えば、小頭症は人間に起こる深刻な神経学的欠陥であり、神経細胞の増殖能力が阻害されることにより患者の脳の容積が減少します。小頭症に関連する遺伝子は複数の分野で強く正に選択されており、霊長類の脳の大きさの増加に役割を果たした可能性がある。

さらに研究者らは、霊長類の進化における重要な節目において、いくつかの非コード領域が加速進化を遂げたことを発見した。非コード領域は、タンパク質を生成しないが、遺伝子発現に影響を与え、最終的に生成される対応するタンパク質の量を増加または減少させる DNA 領域です。これらの領域の多くは、脳の発達に関連する遺伝子の調節領域内にあります。これらの結果は、霊長類が長い進化の過程で脳関連遺伝子の発現を調節することにより、脳の構造を継続的に最適化してきたことを示しています。

上記の発見は、霊長類が進化の過程で最終的により発達した脳形態に進化し、多くの遺伝子とその制御領域がそれに関与していたことを示しており、霊長類の脳進化の分子メカニズムに関する理解を深めるものです。

失われた人間の尻尾を探して

進化の過程で、人間は後ろの尻尾を失いました。

長さに関係なく、ほぼすべての脊椎動物には尾があります。お尻に生えている尾は、肛門後尾とも呼ばれます。敏捷な霊長類の中には、さまざまな長さの尾を持つ種がおり、それによって体を安定させたり、方向転換したり、スピードをコントロールしたりすることができます。広鼻類の尾は木登りを補助するつかみ具としても機能します。しかし、類人猿の祖先が尾を失ったことは注目に値します。尾は類人猿の重要な特徴となりました。類人猿はどのようにして尻尾を失ったのでしょうか?

興味深いことに、類人猿の尻尾は完全に消えており、現在まで類人猿の祖先が徐々に尻尾を失ったという化石記録は存在しない。約2000万年前に生息していた初期の類人猿の化石「プロコンスル」には、すでに尾がなかった。類人猿は尾を失ったことで直立歩行の利点を得たが、同時に尾を使って木登りの際にバランスを保つ能力も失った。そのため、一部の類人猿は樹冠から地上へ移動するようになったと考えられる。

これまで、生物学者はこれについていくつかの研究を行い、適応の観点から類人猿が尾を失った理由について推測してきました。分子生物学レベルでは、関連する研究はまだ非常に限られており、この現象は特定の遺伝子制御配列の変異に関連している可能性があると推測されています。

この研究では、他の霊長類と比較したヒト科種のゲノムの変化を検出することにより、研究者らは、KIAA1217遺伝子の調節領域など、複数の遺伝子の非コード調節領域に多数の変異が蓄積していることを発見した。

ヒトの KIAA1217 遺伝子の変異は、脊椎および尾骨の奇形を引き起こし、脊椎の正常な発達に影響を及ぼす可能性があります。マウスでは、この遺伝子の変異により尾椎の数が減少する。遺伝子制御領域は、遺伝子の機能を制御できる DNA 上の特別な領域、つまり、いくつかの特別な DNA 配列です。この遺伝子制御領域は、遺伝子 KIAA1217 のエンハンサー領域にあり、遺伝子と同じトポロジカル関連ドメイン (TAD) 内にあります。これは、この遺伝子制御領域が遺伝子と強い相互作用を持ち、KIAA1217 遺伝子の発現を制御する可能性があることを示唆しています。

類人猿のこの遺伝子調節領域の DNA 配列は、他の霊長類のものとは非常に異なります。研究者らは、これらの領域の変異がKIAA1217遺伝子の発現の不均衡につながり、類人猿が尾を失う原因となっている可能性が高いと推測している。この仮説はまださらなる研究と検証が必要ですが、この発見は類人猿の進化の歴史をより深く理解するための新たな手がかりをもたらしました。

類人猿のKIAA1217遺伝子の調節領域の急速な進化が尾の喪失につながった可能性がある

（画像出典：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ提供）

骨、体の形、消化器系…

進化の過程で、霊長類の共通祖先は、さまざまな環境や食物に適応しながら、骨格、体型、消化器系の進化を続けてきました。脳の急速な進化に加えて、進化のこれらの側面は霊長類の適応性と生存能力にも重要な影響を及ぼします。この研究では、これらの変化に関連する多くの重要な遺伝子も発見されました。

骨格系は霊長類の進化において非常に重要な役割を果たしており、骨の発達に関連する遺伝子は樹上生活の適応進化において特に重要な役割を果たしています。霊長類の祖先では、骨の発達に関連する4つの遺伝子（PIEZ01、EGFR、BMPER、NOTCH2）が強い正の選択を受けており、それらの特定の機能をさらに明らかにする必要があります。研究者らはまた、テナガザルにおいて4つの正に選択された遺伝子（LONP1、BRCA2、NEK1、SLC25A24）を発見した。これらの遺伝子の変異は骨の長さに影響を及ぼし、それによって前腕が長くなり、テナガザルの樹上での活動や餌探しに重要な役割を果たします。

霊長類の大きさは、体重がわずか数十グラムのネズミキツネザルから、体重が 200 キログラムを超えるゴリラまで、多岐にわたります。研究者たちは、類人猿の祖先の遺伝子の中に、ゴリラの体の大きさの進化に影響を与えた可能性のあるいくつかの重要な遺伝子を発見した。その1つがDUOX2遺伝子で、身体の発達に重要な甲状腺ホルモンの合成に関与しています。 DUOX2 遺伝子の変異により、マウスが小さくなることがあります。さらに、いくつかの遺伝子は、骨格の発達と体の大きさを形作る調節経路の形成に関与しています。

霊長類はそれぞれ食習慣が異なり、それに応じた消化器系を持っています。一部の霊長類（葉を食べるコロブスザルなど）は葉を食べるのが好きで、この食生活に適応するために独特の前腸系を進化させてきました。この研究では、コロブスザルの祖先において正の選択を受け、この特殊な食生活に適応するために特定のアミノ酸変異体を蓄積したいくつかの重要な消化遺伝子が特定されました。

たとえば、ACADM 遺伝子は、摂取した脂肪酸の代謝に重要な役割を果たすアシル CoA 脱水素酵素と呼ばれる酵素をコードしており、コロブスザルではこの遺伝子に変化が生じると脂肪酸の消化能力が向上します。例えば、蓄積された NOX1 遺伝子変異は、コロブスザルが微生物を制御し、葉をよりよく消化するのに役立つ可能性があります。腸内では微生物発酵によって短鎖揮発性脂肪酸が生成され、より多くのエネルギーが供給されます。

霊長類ゲノムの進化的特徴と表現型特性の関係

（画像出典：張国傑研究グループ、呉東東研究グループ提供）

結論

霊長類ゲノムプロジェクトは、類人猿を含む霊長類の進化過程と種分化（霊長類間の雑種種分化の初めての報告など）を研究しただけでなく、染色体の進化、急速に進化するDNA配列、遺伝子の不完全な系統分岐なども研究しました。その成果はこれらをはるかに超えています。これは大規模かつ徹底的な研究であることを知っておく必要があります。

生命の起源を探求する旅において、生物学者は困難を恐れて決して立ち止まりません。私たちは誰ですか？この疑問に答えるために、人類は文字の集合体の「パズルを解き」、進化の謎を探ります。私たちは、いつの日か人類が人生の完全な物語を書き上げるであろうと固く信じています。

注記：

霊長類ゲノムプロジェクトの紹介

世界には 500 種を超える霊長類が存在し、16 科 9 属に属しています。非ヒト霊長類は人間と密接な関係にあるため、人間の起源、進化、生理学的特徴、疾患などを理解する上で大きな意義を持っています。中国の科学者たちは、国内外の多くの研究センターと協力し、霊長類ゲノムプロジェクトを立ち上げた。このプロジェクトは、多分野にわたる技術横断的な手段とチームワークを通じて、人間を含む霊長類の起源と分化過程、霊長類の社会組織の進化と遺伝的基礎、さまざまな生理学的特徴を研究することを目的としている。さらに、このプログラムでは、霊長類の遺伝的変異プロファイルとそれが人間の疾患を引き起こす遺伝子の変異パターンに与える影響を研究します。

霊長類ゲノムプロジェクト研究コンソーシアム

浙江大学生命進化研究センターの張国傑教授のチーム

中国科学院昆明動物研究所の呉東東研究員のチーム

ノースウェスタン大学生命科学部のQi Xiaoguang教授のチーム

雲南大学生命科学学院の研究者ユ・リー氏のチーム

スペイン、ポンペウ・ファブラ大学共同進化生物学研究所のトマス・マルケス・ボネ教授のチーム

イルミナ人工知能研究所

ベイラー医科大学ヒトゲノムシークエンシングセンターのジェフリー・ロジャース教授のチーム

デンマーク、オーフス大学のMikkel H. Schierupチーム

ドイツのライプニッツ霊長類研究所のクリスチャン・ルース教授のチーム

中間研究成果（研究論文11件）

科学研究論文（8件）

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サイエンスアドバンス（2記事）

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自然生態学と進化 (1 記事)

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(注: ラテン語のテキストは斜体にする必要があります。)