Trends in Glycoscience and Glycotechnology
Vol.13 No.70 (March 2001) pp.147–155

MINIREVIEWThe Evolutionary History of Glycosyltransferase Genes
糖転移酵素遺伝子の進化史

1

Kaneko, Mika1,2,3 ; Nishihara, Shoko2; Narimatsu, Hisashi2; and Saitou, Naruya3
Department of Forensic Medicine, Yamagata University School of Medicine, 2-2-2 Iida-Nishi, Yamagata, 990-9585, Japan
FAX: 81-23-628-5273, E-mail: mkaneko@med.id.yamagata-u.ac.jp
2
Division of Cell Biology, Institute of Life Science, Soka University, 1-236 Tangi, Hachioji, Tokyo 192-8577, Japan
3
Laboratory of Evolutionary Genetics, National Institute of Genetics, 1111 Yata, Mishima, 411-8540, Japan
Key Words : evolutionary rate, gene duplication, genome duplication, glycosyltransferase, molecular evolutionary analyses

Abstract
In the past few years, rapid advances have been made insequencing the genomic DNA of human, Caenorhabditis
elegans, and so on. As a result, a large number of novel
glycosyltransferase genes have been discovered from those genome sequences. How did they increase their family members
during the genome evolution? To presume the evolutionary pathway of glycosyltransferases, we have used the molecular evolutionary analysis (1). In that study, we conducted molecular evolutionary analyses on 55 glycosyltransferase genes and mainly
discussed about glycosyltransferase genes for N- or O-glycan
synthesis. The phylogenetic trees showed the glycosyltransferase
genes increased their numbers through gene duplications. We
also estimated the divergence time of each branch root and suggested that the glycosyltransferase genes increased their numbers through gene duplications and genome duplications. Comparison of evolutionary rates indicated that the glycosyltransferases tend to evolve more slowly than other genes, and theevolutionary rates changed within each of the glycosyltransferase
gene families. These results indicate that the increase inglycosyltransferase genes allows the amino acid change andpermits, the creation of the variety of specific activity of the
enzyme. Here, we would like to introduce the essence of theevolutionary history of glycosyltransferase genes.
A. Construction of Phylogenetic Tree and Estimation of Divergence Time of Phylogenetic Trees
All carbohydrate chains are synthesized through the coordinated reaction of glycosyltransferases through a step-by-stepelongation. Glycosyltransferases catalyze the transfer of sugar
residues from nucleotide sugars (donor) to a growing carbohydrate chain (acceptor) and are usually very specific for both donor and acceptor substrates. Glycosyltransferases can be grouped
into functional families based on their sequence similarities,
which reflect their enzymatic character: donor specificity, acceptor specificity, and linkage specificity between donor and要

約
近年、ヒトや線虫などのゲノム計画が急速に発展してきている。その結果、これらのゲノム配列の中からたくさんの新規糖転移酵素遺伝子が見いだされるようになった。一体どのようにして糖転移酵素は、進化の過程でその遺伝子ファミリーの構成員を増やしてきたのだろうか？糖転移酵素遺伝子の進化の道
筋を辿る目的で、分子進化学的な手法を用いて解析を行った(1)。我々は55種類の糖転移酵素遺伝子を使って解析を行い、主にN-glycan と O-glycanを合成する糖転移酵素に関して論じた。
系統樹の解析によって、糖転移酵素遺伝子が遺伝子重複を通してその遺伝子数を増やしていったことが明らかになった。更に、各遺伝子の分岐年代を推定したところ、糖転移酵素遺伝子が遺伝子重複とゲノム重複でその遺伝子数を増やしたことが、さらに、支持された。また、進化速度を比較したところ、糖転移酵素遺伝子は他の遺伝子より進化速度が遅い傾向にあり、遺伝子ファミリー内でばらつきが認められた。これらの結果か
ら、糖転移酵素遺伝子が遺伝子重複やゲノム重複で遺伝子数を増やしたことにより、機能的制約がゆるみ、アミノ酸変異が蓄積して酵素活性に多様性をもたらされた、と推察される。本稿
では、これらの解析を通して得られた「糖転移酵素遺伝子の進化史」のエッセンスを述べる。
A. 系統樹の作成と分岐年代の推定
糖鎖は糖転移酵素によって逐次伸長・合成される。糖転移
酵素は糖ヌクレオチド(donor、供与体)から糖を伸長していく糖鎖(acceptor、受容体)へ糖を付加する反応を触媒する。通常、受容体に対しても供与体に対しても基質特異性が高い。糖転移酵
素はその塩基配列の相同性に基づいて、機能的な遺伝子ファミ
リーに分類することができ、それは供与体の特異性、受容体の特異性、結合様式の特異性などの、酵素の特異性を反映する。

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zFT1 (zebrafish, AB023627)

100

zFT2 (zebrafish, AB023628)

100

hFucTIX (human, AB023021)

100

mFucTIX (mouse, AB015426)(0.062)

1.3BYA
462MYA

100

hFucTIV (human, M65030)(0.037)(0.158)100(0.045)(0.110)

ratFucTIV (rat, U58860)

mFucTIV (mouse, U33457)(0.058)

CFTI (chicken, U73678)(0.201)

hFucTVII (human, U08112)

100

mFucTVII (mouse, U45980)(0.043)

hFucTIII (human, X53578)(0.022)7064(0.024)100

hFucTV (human, M81485)(0.017)(0.103)(0.050)100(0.245)424MYA(0.148)(0.148)

hFucTVI (human, U27331)

futb (bovine, X87810)
cgFUT6(Chinese hamster, U78737)

0.1
Fig. 1. The phylogenetic tree of α1,3Fucosyltransferase. The root was determined previously(assuming that C. elegans were located as outgroups) and indicated with a dotted line. Gene duplication
within the α1,3FucT family occurred before the emergence of Pisces, after the divergence between
vertebrates and invertebrates. The number in brackets refers to the branch length (amino acid substitution/site). The branch lengths indicate evolutionary distances between different genes. Bootstrap values
are shown on each branch. Open diamond marks indicate the gene duplication and solid circles indicate
the speciation of human and rodents.

acceptor. We conducted molecular evolutionary analyses on 55
glycosyltransferase genes and they constitute at least 15 phylogenetic trees (1). This was the first example of an analysis ofsuch a large number of glycosyltransferase genes through molecular evolutionary methods. We have indicated the phylogenetic tree of α1,3Fucosyltransferase gene family (Fig. 1) as an
example and will explain how we performed molecular evolutionary analyses.
α1,3Fucosyltransferase (α1,3FucT) transfers a fucose(Fuc) from guanosine diphosphate-fucose (GDP-Fuc) to Nacetylglucosamine (GlcNAc) of a type 2 chain, Galβ1,4GlcNAcR, with α1,3-linkage. The genes encoding α1,3FucT form a
α1,3FucT family. So far, the human genes encoding six
α1,3FucTs (FucTIII, IV, V, VI, VII and IX) have been cloned.
Fig. 1 shows that the inferred tree of the α1,3FucT fam-

我々は55種類の糖転移酵素遺伝子に対して解析を行い、少なくとも15種類の系統樹を構成した。これだけの多種類の糖転移酵素遺伝子にわたって、一貫した進化学的解析を行ったのは本報が初めての試みであった。α1,3フコース転移酵素遺伝子ファミ
リーの系統樹を図 1 に例として示し、分子進化学的解析の道筋を説明する。
α1,3フコース転移酵素は2型糖鎖のN-アセチルグルコサミ
ンにGDP-Fucからフコースをα1,3結合で転移する活性を持つ。
α1,3フコース転移酵素をコードする遺伝子は、遺伝子ファミリーを形成している。現在までに、ヒトゲノムでは6種のα1,3フコース転移酵素(FucTIII、IV、V、VI、VII、IX)が単離されている。
図 1から明らかなように、α1,3フコース転移酵素ファミ

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d=0.33 (ancestral FucTIV)(amino acid substitution / site)

d

0.4
0.3

(C)

0.2
(B)

0.1

(A)

0.0
0

1

2

3

4

(D)

Divergence time (100MYA)
Fig. 2 Estimation of evolutionary rate and divergence time. The divergence time of roots for each genegroup is estimated by using regression through the origin. For example, it indicates comparisons between aminoacid substitutions and divergence times from a cluster of the FucTIV gene. The cluster of the FucTIV gene has
four OTUs (human, mouse, rat and chicken). The divergence time between mouse and rat was 41MYA (A),human and rodents was 112MYA (B), human and chicken was 310MYA (C). The time (D) of the root of FucTIV
gene cluster was calculated to correspond to about 462MYA.

ily revealed four separate subfamilies: 1: FucTIX (human,
mouse, and zebrafish), 2: FucTIV (human, mouse, rat, andchick), 3: FucTVII (human and mouse), and 4: FucTVI (threehuman FucTs, hamster cgFUT6, and bovine futb). The root determined previously (2) was indicated as a dotted line. Nishihara
et al . (3) determined in detail the characterization offucosyltransferase activity for polylactosamine units. FucTIX
exhibited a completely different specificity of Fuc transfer to
GlcNAc residues from the other four α1,3FucTs. FucTIX preferentially fucosylates the distal GlcNAc residue ofpolylactosamine chain, while the other four FucT members,
FucTIII, FucTIV, FucTV and FucTVI, preferentially fucosylated
the inner GlcNAc residue. FucTVII could not transfer a fucose
to an acceptor, which is non-sialylated. The enzyme activities
are very compatible with the phylogenetic tree of Fig. 1.
Then we estimated the divergence time of the FucT genegroups. More than three OTU (operational taxonomic unit) allow us the estimation of the divergence time on the assumptionthat the evolutionary rate is constant. Fig. 2 indicates the relation between amino acid substitutions (d) and divergence times(t). Divergence times of roots of each gene groups are estimatedby using the regression through origin. As for example, the
FucTIV gene cluster has four OTUs, human, mouse, rat andchicken. The divergence time between mouse and rat was
41MYA (A), that between human and rodents was 112MYA(B) and that between human and chicken was 310MYA (C),

リーは以下の4つのサブグループに分かれている。1：FucTIXのサブグループ(ヒト、マウス、ゼブラフィッシュ)、2：FucTIVのサブグループ(ヒト、マウス、ラット、ニワトリ)、3：FucTVIIのサブグループ(ヒト、マウス)、4：FucTVIのサブグループ(3つのヒトFucT、ハムスター、ウシ)。系統樹の根は点線で示した(2)。
西原ら(3)はポリラクトサミンユニットに対するフコース転移酵
素活性の相違を詳細に調べ、FucTIXが他のフコース転移酵素群のフコース転移酵素とは全く基質特異性が異なることを明らかにした。FucTIXはポリラクトサミンの非還元末端側にフコースを転移しやすい。一方、FucTVIIをのぞく他のフコース転移酵素
群の酵素は、むしろ内側のN-アセチルグルコサミンにフコースを転移しやすい。FucTVIIはシアル酸を含まない基質には反応しない。これらの酵素の基質特異性の細かな相違点は、系統樹の分岐の様子と良く一致していた。
フコース転移酵素遺伝子群の分岐年代を推定した。3つ以上のOTUが存在すれば、進化速度を一定と仮定して分岐年代が推定できる。図 2 に示すように、アミノ酸置換数 (d)と分岐年代 (t)とを比較し、分岐年代をゼロを通る回帰直線より求めた。例えば、FucTIV遺伝子群は4つのOTUを持つ(ヒト、マウス、ラット、ニワトリ)。マウスとラットの分岐年代は41MYA(A)、ヒトと齧歯類の分岐年代は112MYA(B)、ヒトと鳥類の分岐年代が310MYA(C)と推定されている(4)。FucTIV遺伝子群の根本は149©2001 FCCA (Forum: Carbohydrates Coming of Age)

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Fig. 3 Kaneko
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Eukaryote/Prokaryote ancestor

1500 MYA

1200 MYA

Prokaryote

PlantsEukaryote

Metazoans(Nicotiana tabacum,
Arabidopsis)

800 MYA

Proteostomes

Mgat series was present.
Divergence of β4GalTs and peptide-GalNAcTs
a1,6FucT gene was present.
Gene duplication of peptide-GalNAcTs
Divergence of β4GalTs and GalT7
Divergence of β1,3GalTs and β1,3GnTs
Divergence of ST3, ST6, and ST8Deuterostomes
Gene duplication of β1,4GalTs (450~852MYA)(C. elegans,
Drosophila)

Gene duplication of β1,3GalTs
Gene duplication of ST3s (468~568MYA), ST6s (561MYA), ST8s (857MYA)

600-700 MYA

Invertebrates

Vertebrates

Gene duplication of α1,3FucTs (424~462MYA)
Gene duplication of α1,3GalTs/α1,3GalNAcTs (485MYA)
Gene duplication of β1,6GnTs (370MYA~534MYA)

80 MYA

Non-mammals

Mammals

Gene conversion of α1,2FucTs(Chicken)

Divergence of inter-gene family
Gene duplication of Intra-gene family

Fig. 3. Evolutionary events of glycosyltransferase genes. We summarized the divergence time of each branch root.
It suggests that the gene duplication of intra-gene family was concentrated around the early period of vertebrate lineage.

(4). The time (t) of the root of the FucTIV gene cluster was assumed to correspond to 462MYA (D). Likewise, times of theroot of FucTVII, and FucTIX were assumed to be 424MYA,
and 1.3BYA, respectively. The evolutionary rate of the FucTIX
gene was very low, thus the divergence time of the root of FucTIX
was over estimated. Therefor gene duplication within the
α1,3FucT family occurred before emergence of the Pisces, after divergence between Vertebrates and Invertebrates.
We performed molecular evolutionary analyses on 55
glycosyltransferase genes and constructed 15 phylogenetic trees(1). Then we estimated the divergence time of each branch root
as summarized in Fig. 3. The result showed that gene duplication of the intra-gene family is concentrated around the early
period of vertebrate lineage. Prior to gene duplication of theintra-gene family, gene duplication of the inter-gene family seems
to have occurred.

462MYAに相当した。同様にして、FucTVII、FucTIXの分岐年代

B. Chromosomal Localization of Glycosyltransferase Genes
In vertebrate genomes it is often found that the homologues of a cluster of genes form another cluster on a different
chromosome. Recent investigations have demonstrated that two
genome-duplication events occurred; one close to the origin ofB. 糖転移酵素遺伝子の染色体位置もそれぞれ424MYA、1.3BYAと推定された。FucTIX 遺伝子の進化速度が非常に遅いため、分岐年代は大幅に古い年代にシフトして推定された。α1,3フコース転移酵素遺伝子ファミリー内の遺伝子重複は、おそらく、魚類の出現前から脊椎動物・無脊椎動物の分岐後にかけて起こったものと推定される。
我々は55種類の糖転移酵素遺伝子を解析して、15種類の系
統樹を作成した(1)。各系統樹より各遺伝子の分岐年代を推定して、図 3にまとめた。この結果より、遺伝子ファミリー内における遺伝子重複が脊椎動物の分岐後に集まっていることが明らかになった。また、遺伝子ファミリー内の遺伝子重複が起こる
前に、遺伝子ファミリー間の遺伝子重複が起こったと考えられた。

脊椎動物のゲノムにおいて、ある遺伝子群に相同な他のクラスターが、異なった染色体上にも見いだされることがしばしばある。近年の研究から、脊椎動物の出現付近と顎口類の出現150©2001 FCCA (Forum: Carbohydrates Coming of Age)

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Table I. Chromosomal location of glycosyltransferase genes.
Chromosome

1

α1,3 FucTs
β3GalTsβ3GalT2 (1q32-33)

6

9

19

FUT9 (6q16)

FUT7 (9q34.3)

2

12

FUT3,5,6 (19q13.3)

β3GalT4 (6p21.3)

β3GnT2 (19)β3GalT1 (2)β3GnT1 (1)β4GalTsβ4GalT2 (1q32-33)

β4GalT1 (9q13.3)

β4GalT3 (1q21-23)
ST3
ST6

ST3Gal5 (2)ST6GalNAc5 (1q)

ST8

ST8Sia1 (12p12.1-p11.6)

β6GlcNAcT

IGnT (6q24-23)

C2GnTL (9q21)

Mgats

Mgat4A (2q12)

Mgat4C (12q21)

Mgat5A (2q21)
GalNAcTs

GalNAc-T2 (1q41-42)

GalNAc-T3 (2q24-31) GalNAc-T4 (12q21.3)
GalNAc-T6 (12q13)

othersABO (9q34)

FUT1,2 (19p13.3)

β4GalNAcT (12q13.3)

Table 1 (Continued)
Chromosome

35

α1,3 FucTs

14

15

β3GalT3 (3q25)

β4GalTsβ4GalT4 (3q13)

22

Othersβ3GalT5 (21q22.3)
β4GalT6 (18q11)

ST3

β4GalT5 (20q13.1)

ST3Gal4 (11q23-q24)
ST6Gal1(3q27)

ST8

ST3Gal1 (8q24)

ST6GalNAc1 (11)ST8Sia2(5q21)

ST8Sia2 (15q26)

β6GlcNAcT

C2GnTM (15q21.3)

Mgats

Mgat1 (5q35)

Mgat2 (14q21)

GalNAcTs

Mgat3 (22q13.1)
GalNAc-T1 (18q12-21)

β3GnT
others18

FUT4 (11q21)

β3GalTsST6

11

iGnT (11q13)
α4GnT1(3q14.3)

XGalTI (5q35.1)

GalNAc-T7 (4q31.1)
LARGE (22q12.3)

FUT8 (14q23)

the vertebrates and the second close to the origin of thegnathostomes (5). For example, the MHC paralogous regions
were detected on chromosomes 1, 6, 9, and 19 . Genes of the
Hox cluster are mapped to chromosomes 2, 7, 12, and 17 (6).
These four regions may also be the remnant of the four homologous segments that arose from the genome tetraploidization. We
detected that glycosyltransferase genes also show “homologous
clusters” such as the MHC region and Hox cluster. We listed up
the chromosomal location of glycosyltransferases in Table I. The
first line indicates chromosomal number. First, we picked up
the genes of glycosyltransferases on chromosomal regions corresponding to MHC clusters (Chr. 1, 6, 9, and 19) and Hox clusters (Chr. 2, 7, 12, and 17). Five α1,3FucT genes, FucTIII, FucTV,
FucTVI, FucTVII, and FucTIX were placed in chromosomes 6,9, and 19, while FucTIV was placed in chromosome 11. Fourβ3GalT genes were placed in chromosomes 1, 6, and 19, while
two β3GalT genes were placed in chromosome 3, and 21. We

α4GxT (22q13.2)

付近との2回のゲノム重複が起こったことが示されている(5)。例
えば、6番染色体のMHCの相同な領域が染色体の 1、9、19番に見いだされる。Hoxクラスターは 2、7、12、17番染色体上に見いだされる(6)。これら4カ所の領域は、ゲノムの4倍体化(2回のゲノム重複)の痕跡として残っているのだろう。我々はMHC領域
やHoxクラスターと同様に、糖転移酵素が「ホモロガスクラス
ター」を形成していることを見い出した。表 I に糖転移酵素遺伝子の染色体位置を示した。最上段は、染色体番号である。初
めに、MHC領域のホモロガスクラスターの存在する染色体(1、6、9、19番染色体)と、Hoxクラスターの存在する染色体(2、7、12、17番染色体)に着目した。α1,3 フコース転移酵素遺伝子群に属する酵素においては、6、9、19番の染色体上に５つの遺伝子が存在するが、FucTIVは、両クラスターに属さない11番染色体上に存在した。β1,3ガラクトース転移酵素遺伝子群では、
1、6、19番染色体に4つの遺伝子が位置しており、それ以外には3番染色体、21番染色体に一つずつ存在する。この様にして順151©2001 FCCA (Forum: Carbohydrates Coming of Age)

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also placed β4GalTs, sialyltransferases, GlcNAcTs, GalNAcTs,
and others. The Hox type grouping of chromosomes 2, 7,12,
and 17 did not include many glycosyltransferase genes, only
GlcNAcTs and GalNAcTs were concentrated on chromosome 2
and 12.
One would expect that if the subset of the genome was
duplicated, all the phylogenetic trees should indicate the same
topology. The phylogenetic trees of the glycosyltransferase gene
did not clearly indicate such an evolutionary history. For example, the phylogenetic tree of α1,3FucT (Fig. 1) indicates that
the FucTIX (Chr. 6) diverged first, and then FucTIV (Chr. 11)
diverged from the group, FucTIII (Chr. 19) and FucTVII (Chr.
9), by gene duplication. But the phylogenetic tree of β3GalT(not shown) indicates that β3GalT2 (Chr. 1) and β3GalT3 (Chr.
3) are clustered, while b3GalT4 (Chr. 6) diverged first. This is
not compatible with the hypothesis of homologous cluster. But
there is no reason to reject the hypothesis of the homologous
cluster, because no one knows which gene is the correct homologous gene with each other. For example, tandem duplications occurred in ancient chromosomes (ex. gene A and gene A’
on an ancestral chromosome). It had been maintained for a longtime. During the periods, many of the tandem duplicates were
expected to occur to evolve different functions. Gene loss canbe expected only when further duplications (or genome duplication) occur (ex. A+A’ on Chr.1 and A+A’ on Chr.3). Gene loss
might occur randomly (ex. A’ on Chr.1 and A on Chr.3 had disappeared). So the gene cluster of the phylogenetic tree is inconsistent with each other (7). Anyway, as shown in Table I, we canpredict the existence of novel cluster regions in chromosomes,
3, 5, 11, 14, 15, 18, and 22. It is possible that further
glycosyltransferase genes may be found and mapped on thisnovel group. The timings of gene duplication that were estimated by molecular evolutionary analyses (Fig. 3) were compatible with the period of genome duplication.
C. Estimation of Evolutionary Rates and Divergence TimeWe calculated the numbers of synonymous (dS) andnonsynonymous (dN ) nucleotide substitutions between humanand a rodent (mouse, chinese hamster, or rat) for each
glycosyltransferase gene (Fig. 4). Evolutionary rate (λ) is relative to nucleotide substitutions. First we expected that the evolutionary rate depended on the glycosyltransferase family. In
other words, we expected the evolutionary rate of the enzymes
which synthesize core structure, to be slow and the evolutionaryrate of terminal sugar-transferase, such as fucosyltransferases
and a part of sialyltransferases, may be high. Contrary to thisexpectation, glycosyltransferase genes have a variety of evolutionary rates in each family. It is interesting that the gene FucTIX,
which indicated the lowest rate, and the gene FucTIII and
FucTVI, which indicated the highest dN values, belong to thesame glycosyltransferase family. It is emphasized that the num-に、β1,4ガラクトース転移酵素遺伝子群、シアル酸転移酵素
群、各種のGlcNAc転移酵素群、GalNAc 転移酵素群に属する遺伝子の染色体位置を列挙した。Hoxホモロガスクラスターののっている染色体(2、7、12、17)に存在する遺伝子は少なく、2番、12番染色体にGlcNAc転移酵素とGalNAc 転移酵素が見いだ
されたのみである。
もし、ゲノム重複で遺伝子が増えたのならば、全ての系統
樹が同じトポロジーを示すと期待できるであろう。しかし、実際には、糖転移酵素遺伝子の系統樹はそのような系統関係を示していない。例えば、α1,3フコース転移酵素遺伝子の系統樹(図1)は、FucTIX(6番染色体)が一番初めに分岐し、次にFucTIV(11番)、FucTVI グループ(19番)とFucTVII(9番)と順に遺伝子重複が起こったことを示している。また、本稿には示さなかったが、
β1,3ガラクトース転移酵素遺伝子では、β1,3GalT4(6番)が一番初めに分岐し、β1,3GalT2(1番)とβ1,3GalT3(3番)がクラスターを形成している。これらの結果は、ゲノムの重複で遺伝子が増えたとする本総説に示した説と矛盾するように考えられる。しかし、とはいえ、その説を棄却してしまうのはまだ時期早しょうである。なぜなら、誰にも、どの遺伝子同志が本来の相同遺伝子対なのか、分からないからだ。例えば、過去において、ある祖先染色体上で並列に遺伝子重複が起きたとする(遺伝子AとA' )。長い時間の経過の中で、それらの遺伝子は機能的に異なった進化を遂げるだろう。その後、さらなる遺伝子重複(ゲノム重複)(例えば、Chr.1は A+A' 、 Chr.3はA+A' )が起き、それに伴って、遺伝子の欠損が引き起こされる場合もある。その際、欠損の仕方はランダムである(例えばChr.1はA'、Chr.3はAが欠損する)。よく似た、しかし実際には祖先遺伝子の異なる遺伝子がランダムに残るので(Chr.1のAとChr.3のA’)、系統樹は各遺伝子ごとに違うトポロジーを持つようになる(7)。いずれにしても、Table I から、3、5、11、14、15、18、22番染色体に新たなホモ
ロガスクラスターがある可能性が示唆される。これらのホモロ
ガスクラスターのある位置にさらに糖転移酵素遺伝子が見いだされる可能性がある。解析を行って見積もった遺伝子の分岐年
代を図 3 に示したが、これはゲノム重複の時期と一致した。
C. 糖転移酵素遺伝子の進化速度と分岐年代
糖転移酵素遺伝子のヒトと齧歯類(マウス、チャイニーズハ
ムスター、あるいは、ラット)の配列を比較して、同義置換数と非同義置換数を計算した(図4)。進化速度はこれら塩基置換数に比例する。最初我々は、進化速度が糖転移酵素の遺伝子ファミ
リーに依存するであろうと考えた。換言すると、還元末端側の糖鎖を合成する糖転移酵素の進化速度は遅く、非還元末端側の糖鎖を合成する糖転移酵素(例えば、フコース転移酵素や一部のシアル酸転移酵素など)の進化速度はおそらく早いと予想していた。予想に反して、糖転移酵素遺伝子の進化速度は、遺伝子ファミリー内でばらつきが認められた。同じフコース転移酵素
遺伝子ファミリーでも、FucTIXは最も進化速度が遅く、一方、
FucTIII や FucTIVIは最もdN値の高い進化速度の早いグループに属する。特筆すべき事は、FucTXI、β3GalT1, そしてGalNAcT7のdS値がアクチンやヒストンなどの値と同じ程度低い値を示す
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dS

dN

FUT1
FUT2
FUT3
FUT5
FUT6
FUT4
FUT7
FUT9
FUT8
β3GalT1
β3GalT2
β3GalT3
β3GalT4
β3GnT1β4GalT1
β4GalT2
β4GalT3
β4GalT5
β4GalT6
ABO
α3GalT
α4GnT2β4GalNAcT1
Mgat1
Mgat2
Mgat3
Mgat4
Mgat5
C2GnTL
IGnT
iGnT1
iGnT2
ST3Gal1
ST3Gal2
ST3Gal3
ST3Gal4
ST3Gal5
ST3Gal6
ST6GalNAc2
ST6GalNAc4
ST6GalNAc5
ST6GalNAc6
ST6Gal1
ST8Sia1
ST8Sia2
ST8Sia3
ST8Sia4
ST8Sia5
GalNAcT1
GalNAcT2
GalNAcT3
GalNAcT4
GalNAcT5
GalNAcT6
GalNAcT7

FUT3
FUT6
FUT5
ABO
FUT4
ST6GalNAc2
ST3Gal6
FUT1
GalNAcT5
FUT2
α3GalT
β3GalT4
ST6Gal1
FUT7
α4GnT2
ST3Gal1
β3GnT1
ST8Sia5
C2GnTL
GalNAcT6
β4GalT1
ST3Gal5β4GalNAcT1
IGnT
Mgat2
ST6GalNAc4
Mgat1
ST3Gal4
ST8Sia1
ST6GalNAc5
GalNAcT4
β4GalT2
Mgat3
GalNAcT3
ST3Gal2
β3GalT3
ST6GalNAc6
β4GalT3
β4GalT5
β3GalT2
iGnT1
β4GalT6
GalNAcT2
FUT8
ST8Sia3
Mgat4
ST3Gal3
Mgat5
ST8Sia2
ST8Sia4
iGnT2
GalNAcT1β3GalT1
FUT9
GalNAcT7

0

0.25

0.5

0.75

0

1

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Fig. 4 Comparison of the number of synonymous nucleotide substitutions and nonsynonymous nucleotide substitutions forglycosyltransferases between human and rodents. Each of the glycosyltransferase gene families was distinguished by using different
patterns in the columns (see Fig. 4A). In A, the number of synonymous nucleotide substitutions (d S) are indicated for each glycosyltransferase
gene family. In B, nonsynonymous nucleotide substitutions (dN) are indicated in value order.
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Vol.13 No.70 (March 2001) pp.147–155

Table II. Timing of gene duplications.
Divergence timeInvertebrate
counterpart〜1.5BYA
Eukaryote /Prokaryote

α1,2FucT
α1,3FucT
α1,6FucT++

β4GalT
β3GalT
α1,3GalT

+
+
-

ST3
ST6
ST8

-

β6GnT

+

Mgat1
Mgat2
Mgat3
Mgat4
Mgat5

+
+
+
+
+

+

GalNAcT+(*)

〜1.2BYA
Plants /Metazoans

800MYA
Proteostomes /Duoterostomes

600-700MYA
Invertebrates/
Vertebrates

Vertebratelinage

80MYA
Non-mammalian/
Mammalian+++(424~462)+(*)+(817)+(1.9B)+(1.9B~2.1B)+(782)++(463~563)++(485)+(468~568)+(561)+(857)+(~900)+(~500)+(1.1B)++++(*): GalNAcT have traces of similarity with the β4GalT motif. There is the possibility that GalNAcT, β1,4GalT and XGalT diverged
from the same ancestral gene before the emergence of Deuterostomes.

bers of dN values of FucTIX, b3GalT1 and GalNAcT7 genes are
as low as those of histone and actin genes (8).
The ph ylog enetic analyses r evealed that theglycosyltransferase increases their genes by gene duplication or
chromosomal duplication. As a result, glycosyltransferases havea variety of evolutionary rates; some are very conserved, others
are less conserved. We estimated the numbers of ancestral genes
and duplication events. We also indicate the divergence time
estimated by the phylogenetic tree (Table II). We also showed
whether invertebrate counterparts exist or not. α1,2FucT (H and
Se gene), α1,3GalT/GalNAcT (ABO), and STs do not have invertebrate counterparts. It is interesting that α1,2FucT and
α1,3GalT/GalNAcT are involved in the synthesis of a bloodgroup antigen. In other words, they can act at the “postcore”(terminal) position of glycan. Sialic acids are also found on theterminal or subterminal position. It suggests that these genes
appeared after the divergence of vertebrates and invertebrates,or the rapid evolutionary rate prevents detection by homology
search. As shown in Fig. 3, the gene duplication of the intragene family was concentrated around the early period of vertebrate lineage. It seems reasonable to suppose that theglycosyltransferase genes increased by chromosomal duplication in vertebrate lineage, after divergence of Duoterostomes
and Proteostomes.

事である(8)。
系統樹の解析より、糖転移酵素遺伝子は遺伝子重複、あるいは、ゲノム重複により、その数を増やしていった。そして、糖転移酵素遺伝子は様々な進化速度を持つようになった。ある
遺伝子は非常に保存され、またある遺伝子はあまり保存されない。表 IIに、(1)過去に起こった遺伝子重複の見積り、(2)糖転移
酵素遺伝子ファミリーおける無脊椎動物の対応する遺伝子の有無、(3)遺伝子ファミリー内の遺伝子の分岐年代を示した。α1,2
フコース転移酵素 ( H and Se gene)、α1,3ガラクトース・N-アセ
チルガラクトサミン転移酵素 (ABO enzyme)、 そして、シアル酸転移酵素は、無脊椎動物に対応する遺伝子が見いだされなかった。α1,2 フコース転移酵素とα1,3ガラクトース・N-アセ
チルガラクトサミン転移酵素は、血液型抗原合成に関わる酵素である。これらは、また、糖鎖の末端構造合成に働く糖転移酵素群に属する。シアル酸も、末端構造に見い出される。これらの遺伝子は、脊椎動物と無脊椎動物の分岐後から出現したのか、あるいは、遺伝子の進化速度が早まり、相同性検索では検出することが不可能になってしまったのだろう。図 3 にも示したように、遺伝子ファミリー内での遺伝子重複は脊椎動物系列の最初の年代に集中して起こった。その後 2 回起ったゲノム重複で、糖転移酵素遺伝子がその数を増やした、という仮説は筋が通っていると考えられる。

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References
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2. Kaneko, M., Kudo, T., Iwasaki, H., Ikehara, Y., Nishihara, S., Nakagawa, S., Sasaki, K., Shiina, T., Inoko, H., Saitou, N., and Narimatsu, H.
(1999) FEBS Letters 452, 237-242
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Received on February 9, 2001, accepted on March 28, 2001

Profile of the Author
Mika Kaneko
She obtained a PhD at Department of Genetics, Schoolof Life Science, Graduate University for Advanced Studies in 1999. The PhD thesis introduced in this article wascarried out at the Laboratory of Evolutionary Genetics,
National Institute of Genetics under the supervision of
Dr. Saitou, N. Ms. Kaneko now works at the Department of Forensic Medicine, Yamagata University Schoolof Medicine as a research associate.

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