オランダのユニバーシティ・オブ・ホンニンゲンとアメリカのCenter for Coastal Studiesが主導する国際的な海洋科学者チームが、4種類のクジラの家族群のDNAを調査し、その突然変異率を推定しました。その結果、これまで考えられていたよりもはるかに高い突然変異率が明らかとなりました。これは、人間や類人猿、イルカなどの小型哺乳動物と同等のレベルです。この新たに特定された突然変異率を用いると、捕鯨以前の北大西洋のザトウクジラの数は、以前の研究が示す数値よりも86%少ないことが示されました。
この研究は、野生集団の突然変異率を推定するためのこの手法が有効であることを初めて証明したもので、2023年8月31日にScience誌に「Wild Pedigrees Inform Mutation Rates and Historic Abundance in Baleen Whales（野生の家族構成が示すクジラの突然変異率と歴史的な豊富さ）」として公開されました。
突然変異率は、進化や適応の速度を決定するための遺伝学やゲノミクスのキーパラメーターとなっています。また、大規模な商業捕鯨によって減少した前の、海洋に生息していたクジラの数を導き出すためにも使用されます。しかし、クジラや他の野生種における新しい突然変異が生じる率を推定するのは難しいとされてきました。
長らく、突然変異率を測定するためには系統樹法が使用されていました。この方法は、異なる種の化石データを使用して、それらが分岐した時期を推定します。その後、それらの種のDNAを比較して、分岐してからどれくらいの突然変異が起こったかを推測します。「しかし、化石記録はそれほど正確ではない。そして、時とともに一部の突然変異は消失するかもしれません」と、ユニバーシティ・オブ・ホンニンゲンの海洋進化・保全学教授であるペール・パルスボール博士（Per Palsbøll）は述べています。彼は1980年代後半からクジラを研究しており、Science誌の論文の対応する著者でもあります。
より最近のアプローチとして、親とその子供のゲノムを用いて子供に新しい突然変異を特定する家系法があります。この直接的な方法は、クジラや人間などの異なる種間での突然変異率を比較するのに理想的です。
とりわけ野生の種では、両親とその子供の組織サンプルを得るのが難しいとされています。しかし、オランダ、アメリカ、グリーンランド、デンマーク、カナダ、イギリスの研究者から成るこのチームは、30年以上にわたる共同研究の中で得られたクジラの皮膚生検サンプルを使用することができました。
パルスボール博士は、1988年にグリーンランド西部の海域の氷山の中で初めてクジラの生検サンプルを収集しました。「これを行うには、クジラに非常に近づき、アーチェリーで空洞の先端を持つ矢を発射する必要がありました」と彼は振り返っています。
クジラの子牛の両親の両方を見つけることは、家系法を使用して突然変異率を測定する際の第一歩となります。これは大規模なDNA解析が活躍します。共同一著者であるマルコス・スアレス-メネンデス博士（Marcos Suárez-Menéndez）は、もう一人の一著者であるマルティン・ベルベ博士（Martine Bérubé）によって生成されたデータを分析しました。このDNAは、大量のクジラの生検サンプルから抽出され、個体の遺伝子の指紋を作成するために使用されました。「私は、母親と子牛として関連していると思われる個体を探すために、微衛星データを精査しました。次に、データベース内の可能性のある父親を探しました」と彼は述べています。
彼はこの方法で、4種類のクジラにおいて212の親と子供のトリオを特定することができました。8つのトリオのDNAがゲノムシーケンシングのために送られました。最終的な父親性の確認の後、スアレス-メネンデス博士と彼の同僚たちは、子牛の新しい突然変異の数とクジラの平均的な突然変異率を推定しました。
結果として、クジラの突然変異率は、人間や類人猿、イルカなどの小型哺乳動物の家系で見られる率と同じであることが示されました。これに対して、先行する系統樹法を用いたクジラの推定は、これらの小型哺乳動物と比較して大幅に低かったです。「そして、人間と同様に、新しい突然変異のほとんどは父親から発生します。したがって、この点において、クジラは私たちと非常に似ています」とスアレス-メネンデス博士は指摘しています。
チームはまた、母系の家系法を少し変えて、細胞の電源であるミトコンドリアのDNAの突然変異率を推定しました。これは、これまでペンギンでしか使用されていなかった方法です。ミトコンドリアとそのDNAは母系を通じて伝えられます。この方法を利用して、スアレス-メネンデス博士は、Center for Coastal Studiesの上級著者であるジューク・ロビンズ博士（Jooke Robbins）が指導するメイン湾のザトウクジラの母子ペアの4十年分の目撃データを活用しました。「私たちの研究は、クジラのミトコンドリアDNAの突然変異率も、系統樹法に基づく以前の推定よりもはるかに高いことを明らかにしました」とスアレス-メネンデス博士は説明しています。
新しく決定された、より高い突然変異率を用いて、工業捕鯨以前の北大西洋のクジラの数が推定されました。その結果は、系統樹法の突然変異率に基づく以前の推定と比較して86%低いという結果でした。「私たちの新しい突然変異率は、商業捕鯨以前の北大西洋には約20,000頭のザトウクジラが生息していたことを示唆しており、これは以前の推定の150,000頭とは対照的です」とパルスボール博士は述べています。これはクジラの保護だけでなく、捕鯨以前の海洋の状態を理解する上でも重要な情報となります。パルスボール博士は、さらに「私たちの研究が示す、もう一つの広範な結論は、野生動物の突然変異率を推定することが十分に実現可能であるということです」と付け加えています。
クジラにおける人間と同じような突然変異率は、ペトの逆説と呼ばれる現象の一因を排除することも可能としました。これは、種レベルで、癌の発生率が生物の細胞数と相関しないという観察に基づくものです。クジラは例えば人間よりも100から1000倍多くの細胞を持っているので、人間と同じ癌の発生率を持っていれば、彼らは生涯の非常に早い段階で癌を発症するはずです。これらの大型海洋哺乳動物を癌から守るためのいくつかのメカニズムが提案されてきました。その中の一つは、クジラが非常に低い代謝率を持っているための遅い突然変異率です。この発見は、これが事実ではないことを示しており、クジラにおいては、癌からの保護としてp53遺伝子のコピー数が増加しているなど、他のメカニズムがおそらく働いていることを意味します。
最後に、この研究は数十年にわたって収集された多数の組織サンプルに依存しているため、Scienceの論文は長期的な生態学的研究プロジェクトの重要性を強調しています。パルスボール博士は、「これらの長期的な生態学的研究のための継続的な資金提供を得るのは難しい。しかし、私たちの研究が依存していたすべての目撃とサンプルを記録してくれた多くの同僚たちの持続的なコミットメントと専念なしには、この研究を行うことはできなかったでしょう。」と述べています。
