大野のパズルを解決 — 太古から存在する性 染 色体システムを解 明


1960 年代に、著名な細胞遺伝学者である大野乾が、オレゴンハタネズミ(Microtus Oregoni)における非定型的な性染色体システムを報告しました。同氏は、雌が核型として XO、雄が XY を持ち、雄は配偶子形成時にY 染色体を付与するか、あるいは性染色体を全く付与しないという仮説を提唱しました。当時は激しい議論が巻き起こりましたが、このパズルの背後にあるメカニズムは、Couger ら(2021)1,2の最近の研究まで約60年にわたり未解決のままでした。

この興味深いシステムを探査する初期の試みでは、雌雄ハタネズミのゲノム D N A のショートリードシークエンスが 使 用され 、 雄に特 異的な X 染色体の存在が明らかになりました。興味深い点として、保存された Y 染色体遺伝子のアンプリコンシークエンスにより、この遺伝子が雌雄両方のハタネズミに存在することが示されました。ハタネズミ属の近縁種の雌にはそのような Y 染色体遺伝子が発見されなかったことから、このシステムが約 1 億 5000 万年にわたり独 立 に 進 化してき たことが 分 かります

‘ナノポアのウルトラロングリードにより)関心の高い領域の橋渡しが できました。以前に試した他の 技術ではなし得なかったことです’1

しかし、このような Y 遺伝子の位置と順 序は未解決だったため、Couger らのチームはロングリードによるゲノムアセンブリを実施しました。最初のロングリードアセンブリは「きわめて優れた」ものでしたが、性染色体のコンティグは(それ以外の)常染色体のコンティグよりも短く、その原因は性染色体の反復性の高さにあるのではないかと考えられました1。これを解決するため、同チーム

はウルトラロングナノポアシークエンスリードに目を向けます。最近発売された Ultra-Long DNA Sequencing Kit を使用したところ、2枚の PromethION Flow Cell により「驚異的な速さでデータを取得」、N50 は 91 kb となり、かなりの割合がウルトラロングリードとなりました1。

‘ウルトラロングリードデータにより、反復配列であっても優れたアライメントが得られました’1

高品質のウルトラロングナノポアデータはゲノムとのアライメントが「きわめて良好」で、SNP の正確なコールとフェージングが一層実施しやすくなりました1。主任研究者の Matthew Brian Couger は、性染色体の一領域とのアライメントが認められた 410 kb のリードに注 目 を 促 し 、「ほとんどの人のアセンブリにとっては実に密度の高いコンティグに相当するもので、リードの作成には当たりません」とコメントしています。このロングリードにより、リピート配列が豊富な 性 染 色 体 の 非 ア セ ン ブ リ 領 域 が 繋 が り ま し た(図1)。また、1 本の染色体内および父性 X 染色体と母性 X 染色体の間で互いに関連する遺伝子の位置が明らかになっています。

図1関心領域であるハタネズミの性染色体反復配列の初回アセンブリで、ナノポアのウルトラロングリードによりギャップを埋めることができました。図の提供は Matthew Brian Couger(Brigham and Women’s Hospital、米国1。
図1 関心領域であるハタネズミの性染色体反復配列の初回アセンブリで、ナノポアのウルトラロングリードによりギャップを埋めることができました。図の提供は Matthew Brian Couger(Brigham and Women’s Hospital、米国1。
これにより大野のパズルは解決され、雄の配偶子は父性 X 染色体を 1 本持ち、雄の子孫を生み出すか、X 染色体を全く持たず、雌の子孫を生み出すという独特な性染色体システムが明らかになりまし た(図2)。
Figure 2
図2 母性 X 染色体と父性 X 染色体の正確なマッピングが、オレゴンハタネズミの性決定に関する新たなモデルの構築に役立ちました。雄は母 性 X 染 色 体( XM)と父性 X 染色体(XP)を両方持ち、Xist による父性コピーのサイレンシングが起こるのに対して、雌は母親の X 染色体 1 本 の み( XM)を受け継ぎます。図の出典:Couger et al. (2021)2。

In the 1960s, prominent cytogeneticist Susumu Ohno described an atypical sex chromosome system in the creeping vole (Microtus Oregoni). He proposed that females had an XO and males had an XY karyotype; with males contributing either the Y chromosome or no sex chromosome during gamete development. Although sparking much debate at the time, the mechanisms behind this puzzle remained unresolved for almost 60 years, until the recent work of Couger et al. (2021)1,2.

An initial dive into this fascinating system saw the use of short-read sequencing of male and female vole genomic DNA and pointed to a male-specific X chromosome. Intriguingly, amplicon sequencing of conserved Y chromosome genes revealed their presence in both male and female voles. No such Y chromosome genes were detected in females of closely related Microtus species, indicating that this system had been evolving independently for approximately 150 million years.

'[With nanopore ultra-long reads] we were able to bridge the regions we were really interested in, which we had not with any of the other technologies we tried'

Couger, M.B. Brigham and Women’s Hospital, USA

The placement and order of these Y genes was, however, still unclear, and so the team performed genome assembly with long reads. Despite the initial long-read assembly being 'quite excellent', sex chromosome contigs were shorter than autosomal contigs, likely due to the highly repetitive nature of the sex chromosomes1. To resolve this, the team turned to ultra-long nanopore sequencing reads. Using the recently released Ultra-Long DNA Sequencing Kit, they got an 'amazing turnaround time for data' from two PromethION Flow Cells, with an N50 of 91 kb, and a significant proportion of their reads being ultra-long (>50 kb)1.

'Ultra-long read data generated superior alignments even in repetitive regions'

Couger, M.B. Brigham and Women’s Hospital, USA

The high-quality, ultra-long nanopore data aligned 'extremely well' to the genome, and further supported accurate SNP calling and phasing2. Highlighting a 410 kb read that aligned to a region of the sex chromosome, lead researcher Matthew Brian Couger commented: 'that's a really solid contig for most peoples' assemblies, not their actual read generation'. With these long reads, unassembled regions of the repeat-rich sex chromosomes were connected (Figure 1).

Figure 1. Ultra-long nanopore reads closed the gaps in the initial assembly of the repetitive vole sex chromosome regions of interest. Figure courtesy of Matthew Brian Couger, Brigham and Women's Hospital, USA2.

The position of genes relative to each other, both within a chromosome, and between the paternal X and maternal X chromosomes, was revealed. And so Ohno's puzzle was resolved, revealing a unique sex chromosome system whereby male gametes contain either a paternal X chromosome, generating male offspring, or no X chromosome, giving rise to female offspring (Figure 2).

Figure 2. Accurate mapping of the maternal and paternal X chromosomes supported a new model of sex determination in the creeping vole. Males have both maternal (XM) and paternal (XP) X chromosomes, with Xist-based silencing of the paternal copy, while females inherit just one X chromosome (XM) from the mother. Figure adapted from Couger et al. (2021)1.

At the Garvan Institute, Australia, Jillian Hammond is also using ultra-long nanopore sequencing reads to resolve previously uncharacterised genomic regions, including the highly repetitive, highly homologous sex chromosomes observed in Australian reptiles3. Interestingly, the sex of many reptiles is determined by both genotype and the environment, in particular the temperature. Typically, a ZZ genotype becomes a male and a ZW genotype becomes a female; however, at higher egg incubation temperatures this is overridden, and both become female.

'We are consistently getting about a third of our reads over 100 kb, we are also getting a fair amount of reads over 500 kb'

Hammond, J. Garvan Institute, Australia

According to Jillian, over a third of the reads obtained using the Ultra-Long DNA Sequencing Kit consistently exceeded 100 kb, with a significant number exceeding 500 kb. Furthermore, read N50s doubled from around 35 kb to over 70 kb when compared to their previous workflow. Draft genome assemblies for the bearded dragon, the Shingleback lizard, and two highly venomous sea snakes have now been generated using FLYE, with the team planning to further enhance these assemblies using Hi-C data and cDNA-based gene annotation. Using the completed assembles, they aim to elucidate the mechanisms that drive sex determination and better understand aquatic adaptations in sea snakes.

  1. Couger, M.B. Presentation. Available at: https://nanoporetech.com/resource-centre/lc21-ultra-long-nanopore-sequencing-for-assembly-and-scaffolding-of-sex-chromosomes [Accessed 20 January 2022]

  2. Couger, M.B. et al. Sex chromosome transformation and the origin of a male-specific X chromosome in the creeping vole Science 372(6542):592–600 (2021). DOI: https://doi.org/10.1126/science.abg7019

  3. Hammond, J. Presentation. Available at: https://nanoporetech.com/resource-centre/lc21-ultra-long-reads-from-australian-reptiles [Accessed 20 January 2022]