Mitochondria possess their own small genomes (around 16,000bp in mammals). NUMTs (Nuclear MiTochondrial sequences) are (partial) copies of the mitochondrial DNA (mtDNA) inserted into the nuclear genome via the repair of DNA double-strand breaks. Several computational studies have investigated NUMTs, however those studies have not used appropriate methodology for sensitive detection of NUMTs and precise delineation of their boundaries.

We developed a carefully considered protocol, norg-suite, to redefine NUMT datasets of four mammalian species (human, rhesus, mouse, and rat), and by analyzing the datasets, found new characteristics of NUMT integration sites. The issues we considered include appropriate alignment parameters, correct handling of circular mtDNA, masking of low complexity sequences, post-insertion duplication of NUMTs, long indels and validation of E-value thresholds. With simulated NUMT dataset, we confirmed that this method outperformed other methods used in previous researches. Since there is no tool which define NUMT region despite the fertility of NUMT studies to date, we packaged this protocol as a software tool to make it easy to excavate NUMT datasets of other species.

As the characteristics of NUMT insertion sites, we found four general features related to chromatin and genomic contexts in human, rhesus, mouse, and rat.

1 We resolved an outstanding controversy in the literature, by confirming that retrotransposons are highly enriched in NUMT flanks. NUMT insertion sites of all four mammalian species show the significant over-representation of retrotransposons (binomial test, p < 1 × 10(-4)).

2 We discovered that NUMT insertion sites show a marked tendency to have high DNA curvature. In all organisms, NUMT flanks in the first 20bp showed significant high predicted DNA curvature.

3 We found that each species show a significant enrichment of A+T oligomers in the first 10bp of NUMT flanks: TATATA (p ∼ 4.2 × 10(−4)) in human, ATTATT (p ∼ 7.9 × 10(−8)) in rhesus, AAACTT (p ∼ 1.1 × 10(−4)) in mouse, AATTTA (p ∼ 4.4 × 10(−4)) in rat. Interestingly, the oligonucleotide recognized by L1-endonucleases (TTTTAA) was also significantly enriched (p ∼ 1.4 × 10(−3)).

4 We quantified the degree to which NUMT insertion sites correspond to open chromatin regions identified by the DNaseI-seq and FAIRE-seq experimental methods. By cross-checking with the open chromatin data, we found that NUMT insertions correlate with open chromatin regions in most measured cell types (binomial test, p ≪ 0.05).

More interestingly, we show that the correlation between NUMTs and open chromatin regions drops sharply when examining NUMTs older than the split between human and chimpanzee. This suggests that open chromatin regions where NUMTs insert (primarily intergenic regions) has shifted dramatically in the human line during relatively short evolutionary time scales. In addition to this, we observed that species-specific NUMT insertion sites are enriched in species-specific open chromatin regions. This highlights the possibility of the utility of NUMTs as open chromatin markers.

ミトコンドリアDNA 断片が、核ゲノム内に挿入されることは古くから知られている現象であるが、網羅的な研究は乏しかった。そのため本研究ではまず、ミトコンドリアDNA 断片を、ヒトおよび他の霊長類の DNA に対して高精度でアラインメントする方法を開発することに取り組んでいる。この目的のために、アラインメントツールのパラメータ (挿入削除等の重み、チェイニングする際のスキップする配列の長さなど) を慎重に調整している。その結果、従来に比べて高い感度でミトコンドリアDNA 断片を DNA にアラインメントすることに成功している。

その後、霊長類ゲノムにどのぐらいのミトコンドリアDNA 断片が、どの2つの種が分岐するまでの間に挿入されたのを詳細に分析しており、挿入年代について従来研究に比べて、精度の高い知識が得られている。

つづいて、挿入年代別にミトコンドリアDNA 断片がどのような位置に挿入される傾向にあるかを分析している。その結果、ヒトがチンパンジーと分岐したのちに挿入が起こった位置には、あるクラスのAT配列が高い確率で存在し、DNA立体構造の曲性が高く、クロマチン構造が開いている状態とも相関すること、などの性質をあらたに報告している。これらの性質はどれも統計的には有意な相関関係であることが示されている。

これらの結果をもとに本論文では、ミトコンドリアDNA 断片はクロマチン構造が開いている場所に挿入される傾向にある、と推定している。今後は、ミトコンドリアDNA 断片が挿入されたヒトゲノムの位置に注目し、同じ位置にミトコンドリアDNA 断片が挿入されていない他の生物種のDNAのクロマチン構造を生殖細胞で観測することにより、この仮説の妥当性を補強することが必要であろう。

なお本論文は、Paul Horton 博士, Martin Frith 博士, 富井健太郎博士との共同研究である。論文提出者が主体となり開発、分析及び検証を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(科学)の学位を授与できると認める。