本稿では，哺乳類の進化におけるゲノムやエピゲノムの変化の重要性について，近年明らかにされてきたことを紹介したい．生物の表現型はゲノム情報によって規定され，その情報は生殖細胞を介して次世代へと受け継がれる．遺伝子によってタンパク質や機能性RNAの産生が指令され，表現型となって現れるが，哺乳類の場合，これらをコードする部分はゲノムの1～2％に過ぎない．残りの大部分は機能未知であるが，その一部は遺伝子がいつ，どこで，どれくらい発現するかを指令する転写制御領域である．これらはエンハンサー，サイレンサー，あるいはプロモーターと呼ばれ，生命機能に重要な役割を持つ．同種の生物の個体は基本的に同じようなゲノムDNA配列を持つが，少しずつ異なることが知られている（遺伝的多型）．それらの多くは表現型に影響せず，選択圧がかからない中立的な差異であるが，DNA配列の違いにより個体間で少しずつ形質が異なることもある．その場合，タンパク質のアミノ酸配列を変えるものだけでなく，エンハンサーなど遺伝子の転写制御領域内のゲノム変異も見つかる．例えば，近年，大規模なゲノムワイド関連解析（GWAS）により表現型と関連する遺伝的多型箇所が多く同定されているが，その大部分がエンハンサーの中に見つかっている^(1～3)1) M. T. Maurano, R. Humbert, E. Rynes, R. E. Thurman, E. Haugen, H. Wang, A. P. Reynolds, R. Sandstrom, H. Qu, J. Brody et al.: Science, 337, 1190 (2012).2) K. K. Farh, A. Marson, J. Zhu, M. Kleinewietfeld, W. J. Housley, S. Beik, N. Shoresh, H. Whitton, R. J. Ryan, A. A. Shishkin et al.: Nature, 518, 337 (2015).3) J. Nasser, D. T. Bergman, C. P. Fulco, P. Guckelberger, B. R. Doughty, T. A. Patwardhan, T. R. Jones, T. H. Nguyen, J. C. Ulirsch, F. Lekschas et al.: Nature, 593, 238 (2021).．つまり，我々の個々の違いを生み出しているのはタンパク質の性質を決める部分よりも，タンパク質の発現パターンを決める部分の多様性であることの方が多い．

地理的隔離などの理由で交配しなくなった集団間で次第にゲノム配列が異なっていき（つまり，集団固有の変異を蓄積し），表現型も異なって別種として分かれていく過程を種分化という．種分化にはどのようなゲノム配列変化が関わるのだろうか．約50年前，Kingらはヒトとチンパンジーのいくつかのタンパク質を比較した結果，アミノ酸配列がほとんど変わらないことを見出し，生物の進化には転写調節領域の塩基配列変化，つまり，遺伝子発現パターンの変化がより重要なのであろうと提唱した^{(4, 5)}4) M. C. King & A. C. Wilson: Science, 188, 107 (1975).5) S. B. Carroll: PLoS Biol., 3, e245 (2005).．FoxP2タンパク質のアミノ酸配列変化と言語能力の関係など⁽⁶⁾6) W. Enard, M. Przeworski, S. E. Fisher, C. S. Lai, V. Wiebe, T. Kitano, A. P. Monaco & S. Pääbo: Nature, 418, 869 (2002).，アミノ酸配列の変化が新たな表現型の獲得に重要な役割を果たすこともある．しかし，一般にはアミノ酸配列は既に高度にチューニングされており，タンパク質の中の特定のアミノ酸側鎖が特定の場所に配置されることで触媒活性や特定の分子との相互作用が可能になっているので，その変化が進化的に有利な形質を生み出すことは稀であり，種間のアミノ酸配列の違いの多くは中立的である⁽⁷⁾7) M. Kimura: Nature, 217, 624 (1968).．一方，エンハンサーなどの転写制御配列は組織特異的な転写因子の結合などにより組織特異的に機能する．一つの遺伝子に複数のエンハンサーがあり，それぞれが別の組織での発現を指令することも多い．したがって，例えば，新しいエンハンサーができて遺伝子が新たな場所で発現するようになったり，逆に変異によってエンハンサーの活性がなくなり，特定の組織だけでその遺伝子の発現がなくなるといったことが，進化的に不利にならずに（適応度を下げずに）起こりうる．実際，発生に関わる遺伝子を調べると，そのアミノ酸配列は多くの動物門で良く保存されている．違うのは発生過程での発現パターンであることが多い．例えば，海水性トゲウオにある腹鰭のトゲが淡水性トゲウオではなくなっているが，それはPitx1遺伝子のエンハンサーの一つに変異が起きたことによる⁽⁸⁾8) M. D. Shapiro, M. E. Marks, C. L. Peichel, B. K. Blackman, K. S. Nereng, B. Jonsson, D. Schluter & D. M. Kingsley: Nature, 428, 717 (2004).．

遺伝子の活性を調節する大事なものにエピジェネティック修飾がある．エピジェネティクスとは，ゲノム配列の変化を伴わずに細胞の性質が変わり，それが維持される現象やその分子機構を指す言葉で，主にゲノムDNAのメチル化やヒストン（ヌクレオソームを作るH2A, H2B, H3, H4，およびリンカーヒストンのH1）の翻訳後修飾が関わる⁽⁹⁾9) C. D. Allis, M. L. Caparros, T. Jenuwein & D. Reinberg: “Overview and Concepts” in Epigenetics 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2015.．それぞれのゲノム領域，特に転写制御領域において，どのような化学修飾をもったDNAやヒストンがあるかによって，制御下にある遺伝子が発現したり，しなかったりする（図1図1■エピジェネティック状態を指令するプログラムが変化すると，遺伝子発現パターンの変化を引き起こすことがある）．一つの受精卵から発生した多細胞生物の体でそれぞれの部位が異なる機能を持てるのは，このエピジェネティックな機構によって同じゲノムを持っていても細胞ごとに異なる遺伝子のセットが発現し，その状態が維持されているからである．

図1■エピジェネティック状態を指令するプログラムが変化すると，遺伝子発現パターンの変化を引き起こすことがある

細胞がもつエピジェネティックな修飾情報の総体をエピゲノムと呼び，この15年ほどで急速に進化した大規模シーケンシング技術により，エピゲノムを決定することが可能となった．すると，同じ細胞種であっても，由来の個体が違うとエピゲノムも少し異なることが明らかとなってきた．さらに，同じゲノム配列を持つ一卵性双生児でもエピゲノムが異なる⁽¹⁰⁾10) J. van Dongen, S. D. Gordon, A. F. McRae, V. V. Odintsova, H. Mbarek, C. E. Breeze, K. Sugden, S. Lundgren, J. E. Castillo-Fernandez, E. Hannon et al.: Nat. Commun., 12, 5618 (2021).．このことは，個体間でのエピジェネティックな状態の違いが生物の進化にかかわるのではないかという仮説を生み出した．ヒトの進化に関しても，脳，リンパ球，精子などの遺伝子発現やエピゲノムをチンパンジーと比較する研究が盛んに行われるようになった^(11～14)11) A. A. Pai, J. T. Bell, J. C. Marioni, J. K. Pritchard & Y. Gilad: PLoS Genet., 7, e1001316 (2011).12) K. Fukuda, Y. Inoguchi, K. Ichiyanagi, T. Ichiyanagi, Y. Go, M. Nagano, Y. Yanagawa, N. Takaesu, Y. Ohkawa, H. Imai et al.: Hum. Mol. Genet., 26, 3508 (2017).13) E. E. Guevara, W. D. Hopkins, P. R. Hof, J. J. Ely, B. J. Bradley & C. C. Sherwood: PLoS Genet., 17, e1009506 (2021).14) H. Jeong, I. Mendizabal, S. Berto, P. Chatterjee, T. Layman, N. Usui, K. Toriumi, C. Douglas, D. Singh, I. Huh et al.: Nat. Commun., 12, 2021 (2021).．さらに，近年は組織のエピゲノムを種間比較するのではなく，iPS細胞を用いて，神経系の細胞や脳オルガノイドに分化させ，エピゲノムの種間差を明らかにする研究が進められている^(15～17)15) S. L. Prescott, R. Srinivasan, M. C. Marchetto, I. Grishina, I. Narvaiza, L. Selleri, F. H. Gage, T. Swigut & J. Wysocka: Cell, 163, 68 (2015).16) R. M. Agoglia, D. Sun, F. Birey, S. J. Yoon, Y. Miura, K. Sabatini, S. P. Pasca & H. B. Fraser: Nature, 592, 421 (2021).17) D. Gokhman, R. M. Agoglia, M. Kinnebrew, W. Gordon, D. Sun, V. K. Bajpai, S. Naqvi, C. Chen, A. Chan, C. Chen et al.: Nat. Genet., 53, 467 (2021).．二種の間でエピゲノムはよく似ているものの，種間で異なる領域が数千～数万箇所あることがわかってきた．これらの中には既知のエンハンサー領域も含まれ，種間の遺伝子発現量差がエピジェネティック差と関連している例も多く同定されている．すなわち，エピゲノムの変化により，種間差が生まれたことになる．なお，それぞれの細胞種で見つかったエピゲノム変化のほとんどは細胞種特異的である．

では，そのエピゲノムの変化はどのようにして生じたのか．そもそもエピジェネティクスは「ゲノム変異を伴わない」現象を指していたわけだが，種間のエピゲノム差を見ると，ゲノム変異によって転写因子結合部位が出現あるいは消失したものが多い^{(12, 18)}12) K. Fukuda, Y. Inoguchi, K. Ichiyanagi, T. Ichiyanagi, Y. Go, M. Nagano, Y. Yanagawa, N. Takaesu, Y. Ohkawa, H. Imai et al.: Hum. Mol. Genet., 26, 3508 (2017).18) M. Hirata, T. Ichiyanagi, H. Katoh, T. Hashimoto, H. Suzuki, H. Nitta, M. Kawase, R. Nakai, M. Imamura & K. Ichiyanagi: Mol. Biol. Evol., 39, msac208 (2022).．また，トランスポゾンと呼ばれる転移性配列が転移したことによって周辺のエピジェネティック修飾状態が変化したものもある^{(18, 19)}18) M. Hirata, T. Ichiyanagi, H. Katoh, T. Hashimoto, H. Suzuki, H. Nitta, M. Kawase, R. Nakai, M. Imamura & K. Ichiyanagi: Mol. Biol. Evol., 39, msac208 (2022).19) T. Ichiyanagi, H. Katoh, Y. Mori, K. Hirafuku, B. A. Boyboy, M. Kawase & K. Ichiyanagi: Mol. Biol. Evol., 38, 2380 (2021).．これらはゲノム配列が変化した結果，エピジェネティックな変異も生じた可能性が高い．

一方で，エピゲノム種間差をゲノム配列からは簡単に説明できないものも多数残っている．そもそも細胞のエピゲノムは発生の過程で徐々に変化し，特定の終着点となるエピゲノムを持つようになる．したがって，そのダイナミクスを司るプログラムが変化することで終着点の状態が変わることはあり得る．この可能性を検証するには発生過程のエピゲノム変遷を種間比較する必要があり，今後，iPS細胞などを用いたin vitro分化系で解明されていくものと期待されている．

また，ゲノム変異からエピゲノム変化という情報の流れと逆に，生殖細胞でのエピゲノムの変化がゲノム変異を生じさせうることも示唆されている．ゲノムの中にはコピー数が個体間で異なる領域があり（CNV，平均で数十kbの長さ），遺伝子発現量の違いを生み出して病気などの表現型と関連することが指摘されているが⁽²⁰⁾20) O. Pos, J. Radvanszky, G. Buglyo, Z. Pos, D. Rusnakova, B. Nagy & T. Szemes: Biomed. J., 44, 548 (2021).，精子を用いた解析から，ヒト特異的なCNV領域はヒト特異的にDNAが低メチル化していることを筆者らは明らかにした⁽¹²⁾12) K. Fukuda, Y. Inoguchi, K. Ichiyanagi, T. Ichiyanagi, Y. Go, M. Nagano, Y. Yanagawa, N. Takaesu, Y. Ohkawa, H. Imai et al.: Hum. Mol. Genet., 26, 3508 (2017).．現在のところ，低メチル化させるゲノム要因はわかっていない．CNVは減数分裂時の相同DNA組み換えの不等交叉によって生じるので（図2図2■減数分裂組み換時の不等公叉によってCNVが発生する仕組み），あるゲノム領域が種特異的に低メチル化したことにより，メチル化により抑制されていた不等交叉がその領域で活性化し，種特異的なCNVの出現を促した可能性が考えられる．つまり，この場合は生殖細胞のエピゲノム変化がゲノム変化をもたらし，それが世代を超えて伝えられることにより，形質の多様性を生み出すメカニズムの一つになっているかもしれない．

図2■減数分裂組み換時の不等公叉によってCNVが発生する仕組み

ゲノム変化から生じる表現型変化は忠実に次世代へ伝えられるものの，変異が集団内に広がるには長い年月が必要である．一方，純粋なエピジェネティック変化は環境や食性の変化などにより，集団内の複数個体に同時に生じる可能性がある．植物ではそのエピジェネティックな状態が子孫に遺伝する．動物では今も熱い議論の最中である^{(21, 22)}21) A. Boskovic & O. J. Rando: Annu. Rev. Genet., 52, 21 (2018).22) M. H. Fitz-James & G. Cavalli: Nat. Rev. Genet., 23, 325 (2022).．動物の生殖細胞は発生の早い時期に体細胞から分化して独自の発生過程を経るので，体細胞で起きたエピジェネティック変化と同じものが生殖細胞で起きるとは限らない．しかし，同時期に多くの個体で同じエピゲノム変化と表現型変化が起きて環境に適応するのであれば，環境変化への集団即時適応の機構として興味深い．変化した環境の下，そのようなエピゲノムを持ちやすいようにするゲノム変異が生じると，あとはその変異が自然選択を受けて集団の中で固定されていくのかもしれない．例えば，眼のない洞窟魚とその近縁種の比較では，眼の喪失はゲノム配列の変化ではなく，DNAメチル化の変化であることが指摘されている⁽²³⁾23) A. V. Gore, K. A. Tomins, J. Iben, L. Ma, D. Castranova, A. E. Davis, A. Parkhurst, W. R. Jeffery & B. M. Weinstein: Nat. Ecol. Evol., 2, 1155 (2018).．ゲノム変化が先か，エピゲノム変化が先か，議論はしばらく続くと思われる．