研究テーマ

３．免疫系関連分子の進化メカニズム

免疫応答に関与するヒト白血球抗原（Human leukocyte antigen, HLA）の進化機構の解明を目指しています。HLA遺伝子の進化モデルは特に1990 年代に盛んに研究が行なわれました。しかし、当時はまだそれらを実証するようなデータがほとんどありませんでした。近年、次世代シーケンサーの登場によっ てゲノム解読技術が革新的に向上し、またこれまで行なわれてきたHLAに対する膨大な実験データを包括するデータベースが整備され、ようやく過去に提唱さ れたモデルがうまく実際のHLAの進化機構にフィットしているかを検証することが可能になってきました。我々はこれまでに、バイオインフォマティクス的手 法により、HLA遺伝子の自然選択圧強度 (Yasukochi & Satta 2013)や抗原結合領域におけるアミノ酸多型の構築過程 (Yasukochi & Satta 2014a)、ヒト特異的なHLA対立遺伝子（アリル）系統の存在 (Yasukochi & Satta 2014b)を明らかにし 、HLAの最適な進化機構モデルの評価などを行なってきました (Lau, Yasukochi, Satta 2015)。一部を紹介すると、まず HLAのペプチド結合領域（PBR： 抗原の認識に極めて重要な領域）のアミノ酸多様性は、時間と共に概ね一定に蓄積されていくモデルが提唱されていまし た（右図下の丸．図はYasukochi & Satta 2014aから引用）。もちろん、アミノ酸は20種類しかなく、HLA分子の構造を変えかねないアミノ酸に変化することもないので（そのような変異を持つ個体の生存は困難になってしまいます）、PBRのアミノ酸多様性は 時間が経過するにつれていずれ頭打ちになる（飽和する）ことが期待されます。そこで、HLA-DRB1という遺伝子のDNA配列データを使って検証を行いました。その結果、実際には対立遺伝子の系統（allelic lineage）間でアミノ酸置換速度が異なり、ある系統ではアミノ酸置換が制限されていることを見出しました（右図上の緑のアリル系統、右図下のダイヤ．図はYasukochi & Satta 2014aを改変）。つまり、従来考えられていたモデルだけでは説明できないような要因を抽出できたといえます。

また、病原体である熱帯熱マラリア原虫Plasmodium falciparumを対象に、ヒトとの共進化に焦点を当て、集団遺伝学・分子進化学的解析を行なってきました。その結果、過去における人類の人口動態が、原虫のヒト赤血球結合に関わるeba-175遺伝子の多様性形成に寄与したこと(Yasukochi et al. 2015)、宿主集団のHLA対立遺伝子頻度が原虫のeba-175対立遺伝子頻度に影響を与えてきたことなどを明らかにしてきました。興味深いことに、eba-175の赤血球との相互作用に関わる領域において、チンパンジーやゴリラに感染するマラリア原虫に比べて、人間に感染するマラリア原虫P. falciparumではアミノ酸を変えるような突然変異率が顕著に高いことがわかりました。これは、宿主と病原体との進化的軍拡競争によって、アミノ酸を変化させるような変異が有利に働くような自然選択が作用してきたことが影響すると考えられます。その他にも、熱帯熱マラリア原虫eba-175遺 伝子にはFセグメントとCセグメントという二型が存在することが知られています。つまり、１つの対立遺伝子にはFセグメントを含むか、Cセグメントを含む かしかなく、２つが同一の対立遺伝子に含まれることはありません。これまでその起源はよくわかっていなかったのですが、データベースを使って熱帯熱マラ リア原虫と近縁な（チンパンジーに感染する）Plasmodium reichenowiの配列を調べたところ、FとCセグメントが１つの配列に含まれていることがわかりました。データベースのデータが正しければ、eba-175遺伝子のセグメント二型はもともと１つの配列に含まれており、それが熱帯熱マラリア原虫の進化の過程で二型となって維持されていることが考えられます。

４．基質代謝酵素Cytochrome P450の分子進化

霊長目（サルの仲間）のCytochrome P450 (CYP) 2D解毒酵素群（ヒトの薬物代謝酵素）を対象に、比較ゲノムおよび分子進化学的手法により解析を行なっています。このCYP2D酵素群は、植物毒のアルカロイドを代謝するために進化したと考えられています。これまでの成果として、CYP2D酵素群の起源を明らかにし (Yasukochi & Satta 2011)、食性や体サイズの違いがCYP2D機能遺伝子数に影響することや、各CYP2D分子の機能を保持するために基質結合部位だけDNA組み換えの影響が低いことを見出しました (Yasukochi & Satta 2015)。我々は、このCYP2D遺伝子が誕生したのはおそらく両生類と羊膜類（哺乳類・鳥類・爬 虫類）の共通祖先である可能性を示しました（右図上）。また、興味深いことに、ヒトやチンパンジー、オランウータンの共通祖先で、CYP2D遺伝子は２つ から３つに増えたことがわかったのですが、そのうち２つの遺伝子には機能を失うような変異がゲノム中に観察されました（右図下．図はYasukochi & Satta 2015を改変）。一方で、ニホンザルなど が属するアカゲザルやマーモセットは２つの遺伝子の機能を、その進化の過程でずっと維持されてきたことが示唆されました。もちろん食性も大きく関わってき ますが、別の要因としてヒトやチンパンジーなどは体サイズが大きくなったことによって植物毒に対する感受性が低くなり、CYP2D遺伝子の機能的制約が緩んだのではないかと考えています。