[論文レビュー] The date of interbreeding between Neandertals and modern humans

Sriram Sankararaman, Nick Patterson+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2012

Pleistocene-Era Hominins and Archaeology参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アフリカ系でない集団に由来する導入されたSNPに着目し、遺伝的距離の関数としての符号付き連鎖多様性（LD）の減少に基づく新しいLDに基づく統計量を提案し、ネアンデルタール人から現代人への遺伝子移入の日付を推定する手法を提示する。ネアンデルタール由来アレルの頻度がヨーロッパ系集団で低いものを対象とし、LDの減少を遺伝的距離の関数として指数関数的減少としてモデル化することで、人口歴の変化に依存しない、約5,000〜6,000年前（現在からさかのぼって）の遺伝子移入日付を安定して推定できる。

ABSTRACT

Comparisons of DNA sequences between Neandertals and present-day humans have shown that Neandertals share more genetic variants with non-Africans than with Africans. This could be due to interbreeding between Neandertals and modern humans when the two groups met subsequent to the emergence of modern humans outside Africa. However, it could also be due to population structure that antedates the origin of Neandertal ancestors in Africa. We measure the extent of linkage disequilibrium (LD) in the genomes of present-day Europeans and find that the last gene flow from Neandertals (or their relatives) into Europeans likely occurred 37,000-86,000 years before the present (BP), and most likely 47,000-65,000 years ago. This supports the recent interbreeding hypothesis, and suggests that interbreeding may have occurred when modern humans carrying Upper Paleolithic technologies encountered Neandertals as they expanded out of Africa.

研究の動機と目的

• マルチローカスゲノタイピングデータを用いて、ネアンデルタール人と現代人との間の古代的遺伝子移入イベントの日付を推定する、頑健な統計的手法を開発すること。
• ネアンデルタール系統で発生したSNPに着目し、非アフリカ系集団に導入されたものに特化することで、既存手法の限界を克服すること。
• 推定日付が有効集団サイズの変化や古代集団構造の変化に対して感受性を示さないことを保証すること。
• 最近の遺伝子移入、古代的構造、遺伝子移入なしの多様な人口歴モデル下でコalescentシミュレーションを用いて手法を検証すること。
• 遺伝地図の不確実性やSNP選択における選択バイアスを補正し、日付推定の正確性を向上させること。

提案手法

• 本手法は、遺伝的距離の関数としてのSNPペア間の符号付き連鎖多様性（LD）の減少に基づく統計量を用いる。この減少は指数関数的減少関数としてモデル化される。
• SNPは、ネアンデルタールで由来アレルを有し、ヨーロッパ系集団で多様性を示し、ヨーロッパ系集団における由来アレル頻度が0.1未塔であることを条件として選択され、ネアンデルタール特異的導入アレルを強化する。
• LD統計量 $ \overline{D}(x) $ は、遺伝的距離 $ x $ を隔てたSNPペアにおけるゲノタイプの共分散の平均として計算され、通常最小二乗法を用いて指数関数的減少曲線にフィットする。
• 指数関数的減少の速度は、遺伝子移入の時刻 $ t_{GF} $ と直接関連しており、導入されたSNPが移入以前にヨーロッパ系集団で単一形態的であったという仮定に基づく。
• SNPが正しく選択されている限り、集団サイズや構造の変化が減少速度に影響しないことから、人口歴を考慮する。
• 遺伝地図の不確実性、変異率、選択バイアスに対する統計的補正は、シミュレーションベースの推論とパラメータ推定を用いて実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 導入されたSNPにおけるLD減少のパターンは、人口歴に依存しない形で、ネアンデルタール人-現代人間の交雑の日付を頑健に推定できるか？
• RQ2 特にヨーロッパ系集団における由来アレル頻度が低いSNPを選択するという選択バイアスが、日付推定の正確性にどのように影響するか？
• RQ3 有効集団サイズや再結合率の変化がLD減少曲線を歪め、遺伝子移入の推定日付をバイアスする程度はどの程度か？
• RQ4 本手法は、最近の遺伝子移入、古代的集団構造、および遺伝子移入なしの代替人口歴モデル下で、どのように性能を示すか？
• RQ5 遺伝地図の不確実性やSNPコール／インピュテーションエラーが、最終的な日付推定に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 本手法は、導入されたSNPにおけるLD減少に基づき、ネアンデルタール人-現代人間の遺伝子移入日付を約5,000〜6,000年前（現在からさかのぼって）と推定する。
• 選択バイアスにより、ネアンデルタール特異的導入アレルを強化し、選択されたSNPのうち30％がネアンデルタール系統で発生したと推定され、背景の導入率比で約10倍の強化が達成された。
• 遺伝的距離に伴うLDの指数関数的減少は、有効集団サイズや人口構造の変化に対して頑健であるが、SNPが正しく選択されている限り有効である。
• シミュレーションにより、最近の遺伝子移入や古代的構造を含む多様な人口歴モデル下でも、本手法が正確に遺伝子移入日付を回復できることを確認した。
• 遺伝地図や変異率の不確実性に対しても本手法は頑健であり、補正手順により推定の正確性が著しく向上した。
• 指数関数的減少曲線の切片は初期LDと混合割合に依存するが、減少速度は遺伝子移入の時刻を信頼できる推定値として維持する。