[論文レビュー] Genome Sequencing Highlights Genes Under Selection and the Dynamic Early History of Dogs

Adam H. Freedman, Rena M. Schweizer+28 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2013

Genomics and Phylogenetic Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、オオカミ、イヌ、およびゴールデンジャッカルの高カバレッジ全ゲノムシーケンシングを用いて、イヌの家畜化の動的な初期歴史を再構築した。その結果、イヌに著しい集団ボトルネック（17〜49倍の減少）が生じ、イヌとオオカミの間で分岐後に遺伝子流動が生じ、家畜化の時期は11,000〜16,000年前と特定された。これは農耕の出現よりも前であり、現代のオオカミ系統にはイヌに近縁な系統は存在せず、複雑な起源を示唆し、過去の仮説の再評価を要する。

ABSTRACT

To identify genetic changes underlying dog domestication and reconstruct their early evolutionary history, we analyzed novel high-quality genome sequences of three gray wolves, one from each of three putative centers of dog domestication, two ancient dog lineages (Basenji and Dingo) and a golden jackal as an outgroup. We find dogs and wolves diverged through a dynamic process involving population bottlenecks in both lineages and post-divergence gene flow, which confounds previous inferences of dog origins. In dogs, the domestication bottleneck was severe involving a 17 to 49-fold reduction in population size, a much stronger bottleneck than estimated previously from less intensive sequencing efforts. A sharp bottleneck in wolves occurred soon after their divergence from dogs, implying that the pool of diversity from which dogs arose was far larger than represented by modern wolf populations. Conditional on mutation rate, we narrow the plausible range for the date of initial dog domestication to an interval from 11 to 16 thousand years ago. This period predates the rise of agriculture, implying that the earliest dogs arose alongside hunter-gathers rather than agriculturists. Regarding the geographic origin of dogs, we find that surprisingly, none of the extant wolf lineages from putative domestication centers are more closely related to dogs, and the sampled wolves instead form a sister monophyletic clade. This result, in combination with our finding of dog-wolf admixture during the process of domestication, suggests a re-evaluation of past hypotheses of dog origin is necessary. Finally, we also detect signatures of selection, including evidence for selection on genes implicated in morphology, metabolism, and neural development. Uniquely, we find support for selective sweeps at regulatory sites suggesting gene regulatory changes played a critical role in dog domestication.

研究の動機と目的

• 高カバレッジ全ゲノムシーケンシングを用いて、イヌの家畜化に伴う遺伝的変化を同定すること。
• イヌとオオカミの動的な初期進化歴、特に集団ボトルネックと遺伝子流動を再構築すること。
• 複数のオオカミ系統と古代イヌサンプルを分析することで、イヌの地理的由来に関する矛盾する仮説を解消すること。
• 特に形態、代謝、神経発達関連遺伝子に注目し、イヌにおける選択の痕跡を同定すること。
• 非コード領域における選択的スイープを特定することで、家畜化におけるレギュラトリーチェンジの役割を評価すること。

提案手法

• 家畜化の可能性のある中心地域から採取された3体のグレイウルフ、2体の古代イヌ系統（バセンジおよびディンゴ）、およびアウトグループとしてのゴールデンジャッカルの高カバレッジ全ゲノムシーケンシング。
• 系統解析を用いて、イヌとオオカミ系統間の系統関係および分岐時刻を推定する。
• 集団遺伝学的モデルを用いて、両者の有効集団サイズを推定し、ボトルネックを検出する。
• FSTおよびiHS統計を用いて、イヌにおける正の選択を受けていた領域を同定する選択的スイープの検出。
• D統計およびDsuite解析を用いて、イヌとオオカミ系統間の遺伝子流動を推定する。
• 変異率キャリブレーションを用いた条件付き時刻推定により、イヌ-オオカミ分岐の時間窓を狭める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イヌとオオカミはいつ分岐したのか。農耕の出現よりも前か。
• RQ2 現代のどのオオカミ集団が、祖先的イヌ系統に最も近縁であり、それが家畜化の真の地理的由来を反映しているか。
• RQ3 イヌとオオカミの人口動態歴、特に集団ボトルネックと遺伝子流動の観点から、どのように推定されるか。
• RQ4 家畜化の過程で、どの遺伝子またはレギュラトリーリージョンが正の選択の痕跡を示しているか。
• RQ5 表現型の変化に寄与したのは、コード領域の変異よりも、レギュラトリーチェンジの程度がどの程度大きいか。

主な発見

• イヌは著しい集団ボトルネックを経験し、有効集団サイズが17〜49倍に減少しており、以前の推定よりもはるかに強いボトルネックであることが示された。
• イヌから分岐した直後にオオカミにも急激なボトルネックが生じており、祖先的イヌ集団が現代のオオカミが示す多様性よりも高い多様性を有するオオカミ系統から起因した可能性を示唆している。
• 初期のイヌの家畜化時期は11,000〜16,000年前に狭められ、農耕の出現よりも前であり、初期の家畜化は狩猟採集社会に起因した可能性を示唆している。
• 家畜化の可能性のある中心地域に由来する現代のオオカミ集団のいずれに対しても、イヌよりも近縁な系統は存在せず、これにより従来の地理的由来仮説が揺るがされた。
• 形態、代謝、神経発達関連遺伝子に選択の痕跡が検出され、特にレギュラトリーリージョンに強い選択的スイープの証拠が得られた。
• イヌとオオカミの間で分岐後に遺伝子流動が検出され、これにより従来の推定が複雑化し、家畜化プロセスが複雑で動的なものであることを示唆している。