１ 畜産ゲノム研究（１）「畜産ゲノムの研究と遺伝病の克服」〜 和牛ゲノムデータベースによる遺伝的不良形質の原因変異の迅速な解明 〜
国立大学法人 琉球大学 農学部 亜熱帯農林環境科学科 准教授
国立大学法人 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授

佐々木 慎二鈴木 穣

はじめに黒毛和種の育種改良は、遺伝的能力が高い種雄牛を選抜し、人工授精で交配することで着実に進んできた。現在、「ゲノム選抜」が黒毛和種でも実用化され、育種改良のさらなるスピードアップが期待されている。一方で、黒毛和種では枝肉成績の遺伝的能力に優れた「エリート種雄牛」に交配が偏る傾向にあることから、エリート種雄牛が劣性変異など有害変異を保因すると短期間に変異が集団に拡がることになる。これまでも黒毛和種で遺伝的不良形質、主に劣性遺伝病が発生し、農家や種雄牛の造成機関を苦しめてきた。今後、ゲノム選抜によって世代間隔の短縮が予想されることから新たな遺伝的不良形質の出現も危惧され、遺伝的不良形質を未然に防ぐ仕組みが求められている。このような背景から、種雄牛造成機関が中心となって、黒毛和種の持続的な生産と育種改良に向け、ゲノム選抜という車輪を回しつつ（図１、左の車輪）、もう一つの車輪である遺伝的不良形質の制御を補強するため（図１、右の車輪）、和牛ゲノムデータベースの構築が進められている。
本稿では、１）取り組みに至った背景、２）取り組みが可能になった技術的背景、３）黒毛和種でゲノムデータベースが有効な理由、４）和牛ゲノムデータベースの構築、
５）和牛ゲノムデー
タベースの活用方法とその具体事例、最後に、６）和牛ゲノムデータの保護と利活用の両立について紹介する。
孫間での交配の確率が高まっている。このた

１. 取り組みに至った背景

め、エリート種雄牛が劣性変異を保因した場
合、劣性変異がホモ接合になり劣性遺伝病を4

黒毛和種の改良は、枝肉成績の育種価の高発症することから、これまでも大きな経済的いエリート種雄牛を人工授精によって集中的損失を招いてきた。
劣性遺伝病が発生すると、に交配することで着実に進んできた。一方で劣性変異を特定するための解析が行われ原因「集団の有効な大きさ」が減少し（Nomura,変異の特定後、保因牛の検査体制と抑制のた

Honda, & Mukai, 2001）、平均近交係数は約めの行政対応が行われてきた。しかし、原因6.25％と上昇したため、エリート種雄牛の子変異の特定には多くの時間と費用が必要で、

和 牛 ゲ ノム デ ー タ ベ ー ス に よ る 遺 伝 的 不 良 形 質 の 原 因 変 異 の迅速な解明（図１）[A バランスのとれた両輪)]
B バランスの悪い両輪)
迅速に有害異変を特定[]顕在化の段階では、既に集団内に劣性変異がソーシアムを組織し、黒毛和種の多様体を格高い頻度で拡まっていることから、劣性変異納した和牛ゲノムデータベースを構築するこの集団内からの排除は容易ではない。今後、とで、迅速に遺伝的不良形質の原因変異を特ゲノム選抜によって育種改良のスピードが速定するシステムの構築を目指すことになっまることが予想されるが（渡邊, 2016）、もした。また、和牛ゲノム関連の研究の予算面に新たな遺伝的不良形質が発生すれば、育種改おいては、国等からの支援のほか、JRA畜産良は大きな打撃を受けるであろう。このよう振興事業からも助成を受けており、平成18年

な背景から、
黒毛和種集団内に存在する多型・度～20年度の牛有用ゲノム等探索・知的財産変異である「多様体」を網羅する和牛ゲノム化事業（畜産技術協会）に始まり、現在実施データベースを構築し、この情報を基に育種、している黒毛和種の強化ゲノム情報の改善・交配計画を立てることで遺伝的不良形質の発活用事業（令和２年度～３年度、畜産技術協生を未然に防ぎ、また、たとえ遺伝的不良形会、東京大学、琉球大学）まで、６つの事業質が発生してもデータベースを活用することを継続させながら、研究の発展と実用化を進で速やかに原因変異を特定できるシステムのめてきた。

構築が必要と考えられた。
畜産技術協会附属動物遺伝研究所は平成５年の設立以降、黒毛和種を造成する道県、関２. 取り組みが可能になった
技術的背景

係団体、大学、農家等と黒毛和種のゲノム研

このような取り組みが可能になった技術的究を行うための全国的なネットワークを構築

背景として、100－200塩基の短い配列を一度してきた。このような背景から、遺伝的不良に決定できる次世代DNAシークエンサーの形質の対策、黒毛和種のゲノムツール開発の登場がある。次世代DNAシークエンサーで必要性についての問題意識を共有していた。

は興味ある個体のゲノムを配列決定後、すでそこで、このネットワークを礎としてコンに公開されている参照配列にマッピングし、5配列を比較することで多型・変異を検出する

在来種と西洋品種との交雑後、国内で閉鎖登ため、多くの個体で全ゲノムレベルの多様体録され品種が確立され、その後の育種改良はを比較的短期間、安価に調べることができる。

少数のエリート種雄牛を人工授精で交配する

ヒトでは、平成15年に参照ゲノムが公開さことで進んできた歴史を持つことから（（社）

れると、次の段階として平成20年頃から次世

全国和牛登録協会, 2007）、他のウシ品種と比代DNAシークエンサーを使って各人種1000較しても「集団の有効な大きさ」が小さく、人の個人の全ゲノム配列を解読する「1000ゲ

少数の個体の多様体を把握することができれノムプロジェクト」で多様体情報を格納する

ば、黒毛和種集団に存在する遺伝的不良形質多様体データベースの整備が進められ、遺伝の原因変異を網羅する多様体データベースを性疾患の原因変異、疾患感受性多型の特定に構築できることが予想された。２つ目の有利利用されるなど、パワフルなゲノムツールでな点として、和牛造成機関は、約50年前から

あ る こ と が 示 さ れ た（Genomes Project et

種雄牛の凍結精液を液体窒素中に大切に保管al., 2010）。ウシでも同様の戦略が取られ、平しており、ゲノム解析に必要な高品質のDNA

成21年にウシの参照ゲノムが公開されると、を取得できる環境にあった（図２Ａ）。

平成24年からオーストラリアのグループが主導し、次世代DNAシークエンサーを使って４. 和牛ゲノムデータベースの構築

各品種で主要な種雄牛のゲノム配列を解読す6る「1000 bullプロジェクト」が立ち上げられ、そこで、昭和32年から平成26年に誕生した

平成26年には西洋4品種、234頭のデータの公種雄牛の中から「黒毛和種で要となる種雄牛」開され（Daetwyler et al., 2014）、有害変異517頭のDNAを、関係機関の協力によって確が特定されるなど、その成果が報告されつつ保した（図２Ａ）。ゲノムはタンパク質へ翻ある（2021. ７月時点で約5000頭が解析）。し訳される遺伝子のエクソンの部分とそれ以外

かし、黒毛和種は我が国の貴重な遺伝資源での部分に大きく分けることができるが、これあることなどから情報公開を前提とする国際までの報告から多くの遺伝的不良形質の原因プロジェクトに参加しておらず、多様体デー変異がエクソンのDNA配列の変異であるこタベースは構築されていなかった。とが分かっている。エクソン部分は全ゲノムの１－1 . 5%を占めるため、エクソン部分のみ

３. 黒毛和種でゲノムデータベースの構築が有効な理由

を濃縮し解読できる「エクソーム解析（エクヒト集団では一般的に血縁関係が低いた

トを用いた解析）」を、解析の効率化のためめ、個人個人のゲノムを次世代DNAシークエ採用した。517頭のエクソームシーケンスをンサーで解読する必要があるため多大な時間実施した結果、１塩基を平均約60回繰り返しと費用を要する（パーソナルゲノム解析）。一シーケンスしたことに相当する十分量のエク方、黒毛和種を見てみると、ゲノム解析を行ソームデータを取得することができた（Sasakiう上で解析材料として有利な点が２つある。

et al., 2021）。 最 終 的 に、35万SNP、2 . 3万

１つ目は、ウシでは、一般的に個体間の血縁indel（数から数十塩基の挿入・欠損をindel関係が高く、また、黒毛和種は明治に短期間、と呼ぶ）と5 . 6千CNV（数キロから数メガ塩ソン部分のシーケンスで得られたデータセッ和 牛 ゲ ノ ム デ ータ ベ ー ス に よ る 遺 伝 的 不 良 形 質 の 原 因 変 異 の 迅 速 な解明（図２）

A 重要な種雄牛の凍結精液からゲノム解析

ExomeDNAHD SNP chip

B ロングリードとショートリードを併用した和牛のde novoゲノムアセンブリ

C ショート・リード・シーケンサー（左）ロング・リード・シーケンサー（右）D 和牛のカスタムゲノムブラウザ
BOX：（下の点線の囲み）

refseq
Short readLong readexome
RNAseqSplicing junction

Wagyu de novo
assembly

基の欠損・重複をゲノムコピー数多型CNVとえる可能性があるかどうかを注釈情報として呼ぶ）を多様体データベースに格納すること加えており、遺伝的不良形質の原因変異となができた（Sasaki et al., 2021）。このデータりうるかの判断材料にすることができる。ま

ベースでは、変異の遺伝子上での位置や種類た、517頭の種雄牛（直接検定に合格した健を基に、変異が遺伝子機能に有害な影響を与常な個体）におけるアレル頻度、遺伝子型頻7

度も算出しており、これらの頻度情報も加味型を基にした遺伝、ゲノム解析から、染色体し変異の有害度を評価できる。このデータ上の原因領域が特定された時の活用である

ベースには、過去に黒毛和種で報告された遺（図３Ａ、左側の矢印群）。このケースでは、伝的不良形質の原因変異が全て含まれておりデータベースを使って領域に存在する変異を（Sasaki et al., 2021）、高性能の多様体データ素早く検索することができる。
また、このケーベースであることが確認できた。しかし、こスでは、ハプロタイプ解析で予めリスクハプのエクソーム解析では、黒毛和種と西洋品種ロタイプを保因する種雄牛が特定できるたのゲノム構造が違うにも関わらず、西洋品種

め、データベースに格納された種雄牛のリス1頭 から 得られ た 参 照 配 列 に シーケン スをクハプロタイプと変異の保有状況を加味し原マッピングしているため、黒毛和種に特徴的因変異の絞り込みを行うことができる。２つな多型・変異の情報を失っている可能性が目は、和牛ゲノムデータベースなどの大規模あった。そこで、和牛ゲノムデータベースをデータベースに特徴的な活用法で、事前にさらに強化するため、次のステップとして黒データベースから候補変異をリストアップ

毛和種の正確な全ゲノム配列「プラチナゲノし、その後、候補変異と臨床症状との関連をム」を得るため、短鎖と長鎖のシークエンサー調査し、原因変異を特定するものである。先を併用し参照配列に依存せず全ゲノム配列を程解説したように和牛ゲノムデータベースで構築（de novo assembly）する取り組みを進

は、変異の遺伝子機能に対する有害度予測、めている（図２Ｂ、Ｃ）。現在までに、参照遺伝子頻度情報から、既に多くの候補変異がゲノムの解析精度に匹敵する74頭の黒毛和種リストアップされている（図３Ａ、真ん中矢のゲノム配列を構築している。加えて、黒毛印）。そこで、リストアップされた候補変異

和種の71臓器（成牛）、胎子（妊娠４ステージ）、が実際に遺伝的不良形質の原因となり得る65臓器(子牛２ステージ)の合計131サンプルをか、候補変異と臨床症状との関連を調べるこ

採材し、RNAシーケンスを行い、「和牛の遺とで検討する（図３Ａ右側の矢印群）。この伝子情報のカタログ化」も進めている（図２ようにデータベースを活用し適切な交配計画

Ｄ）。このようなRNAの発現データセットは、を立てることで、遺伝的不良形質が発生し生胚死滅、胎子死亡、子牛損耗・死亡に関与す産現場で問題になる前に未然に発生を防ぐこる原因変異を探索する際、候補遺伝子・候補とができる。

変異の注釈付に役立つ。また、これらのデー

和牛ゲノムデータベースの具体的な活用事

タは保管、解析の利便性を高めるため、カス例として、受胎率の低下の原因の１つであるタムの和牛ゲノムビューアーによって閲覧し胚死滅に関与する劣性変異の特定事例につい解析することが可能となっている（図２Ｄ）。て解説する。胚死滅の原因となる劣性変異を５. 和牛ゲノムデータベースの活用方法とその具体事例

8

特 定 す る た め に は、 多 く の 死 滅 し た 胚 のDNAサンプルが必要になるが、死滅した胚は微小で母体内で吸収・分解されるなどサン構築された和牛ゲノムデータベースの活用プリングが困難で、技術的な制約からこれま方法は、主に２種類ある。１つ目は、遺伝的でゲノム解析が行われてこなかった。このよ不良形質が発症した個体（家系など）の表現

うな技術的問題を克服する手法として、ゲノ和 牛 ゲ ノム デ ー タ ベ ー ス に よ る 遺 伝 的 不 良 形 質 の 原 因 変 異 の迅速な解明（図３）

A 和牛ゲノムデータベースの活用法

]

[1)
2)
3)
4)

WGDB

HD SNPCNV)

[]
DNA_1

有害_2_3
有害有害]

B [
B-1

B-2

AB

C

DEA

BCDE

ム選抜のため大規模に収集されている健常なム領域内に、胚死滅を引き起こす劣性変異が成牛のSNPデータを活用する解析手法が報告存在すると仮定できる（図３Ｂ－１の黒の領された（VanRaden, Olson, Null, & Hutchison,域）。黒毛和種で、このようなハプロタイプ

2011; Sasaki et al., 2021）。この解析では、胚領域を探索したところ（図３Ｂ－２）、胚死死滅を引き起こす原因が劣性変異の場合、胚滅と関連する候補リスクハプロタイプが７カは母体内で死滅するため、健常な成牛集団に所特定された。そこで、次に、和牛ゲノムデー

劣性変異をホモ接合に保有する個体は存在しタベースを活用し、該当するハプロタイプ領えないことを基にしており（図３Ｂ－１）、域に存在する変異を検索した結果、細胞分裂健常な成牛集団でホモ接合が存在しないゲノの制御に関わるCDC45のスプライスサイト9

変異を特定することができた。その後、健常心に和牛ゲノムデータベース協議会が立ち上集団における頻度調査、保因牛同士の交配実

げ ら れ(佐々木、2020b)、 和 牛 ゲ ノ ム データ

験によって、この変異が胚死滅を引き起こすベースの構築と整備が進められている（図４

劣 性 変 異 で あ る こ と が 明 ら か と なったＢ）。このゲノムデータベースは、和牛のゲ（Sasaki et al., 2021）。受胎は、配偶子（精子、ノム情報の保護の観点から「閉鎖型」ではあ卵子）、接合子（受精卵）、母体と異なるゲノるが、国内の和牛研究者のニーズに対応してムが関わって成立する複雑なプロセスで、そ確実に情報を届ける「研究支援型」のデータ

れぞれのプロセスが大きく環境の影響を受けベースとして運用が始められている（佐々木、ることから、従来の育種手法では受胎成績を2020b）。

向上させることは容易ではない。しかし、和

本稿では、全国の関係機関と協力し黒毛和牛ゲノムデータベースを活用することで、胚種の多型・変異である「多様体」を網羅する死滅の原因となる劣性変異を特定できたこと

和牛ゲノムデータベースを構築し、このデーから、遺伝的側面からも受胎成績を向上できタベースを活用することで遺伝的不良形質のる可能性が示唆された。また、現在、致死な原因変異を迅速に特定するシステムの構築にど重篤な遺伝的不良形質に加え、和牛の生産取り組んでいることを紹介した。このシステ

現場で問題となっている「生産の質」を低下

ムが遺伝的不良形質の排除や交配計画に利用させる遺伝的要因についても解析対象を拡され、先人たちの努力によって長い期間をかげ、解析を進めている。

けて築かれた黒毛和種を今後も守り、関係機

６. 和牛ゲノムデータの保護と利活用の両立
和牛は、先人によって守られ地域ごとに改関、農家が安心して育種改良、生産できるようになることを願っている。

謝辞

良されてきた「我が国にとって核心的遺伝資源」である。和牛のゲノムデータという「デ本稿で紹介した研究は、日本中央競馬会「畜ジタル情報」が、今度どのような意味を持ち産振興事業」、農林水産省、農林水産技術会

得るのかについては、和牛個体や凍結精液、議「農林水産業・食品産業科学技術研究推進

卵、受精卵などの海外への流出状況などから委託事業」、農研機構生研支援センター「イノ不透明な点が多い。
このため、和牛ゲノムデーベーション創出強化研究推進事業」の支援をタは有体物ではないが、遺伝資源としての側受け、和牛ゲノムデータベース協議会（畜産面を持つものとして扱うことが妥当と考えら技術協会、岐阜県畜産研究所、兵庫県立農林れる。一方、和牛造成機関は、地域間競争が水産技術総合センター、鳥取県畜産試験場、ある中においても協力し、遺伝的不良形質に鹿児島県肉用牛改良研究所、島根県畜産技術対応するため、和牛のゲノム情報を整備すべセンター、一般社団法人家畜改良事業団、沖きとの問題意識を共有している。このような

縄県畜産研究センター、岡山県農林水産総合背景から、和牛ゲノム情報の「保護」と「遺センター畜産研究所、岩手県農業研究セン

伝的不良形質の原因変異の特定への活用」のター、大分県農林水産研究指導センター、地両立を目指し（図４Ａ）、和牛造成機関を中方独立行政法人青森県産業技術センター、長10和 牛 ゲ ノム デ ー タ ベ ー ス に よ る 遺 伝 的 不 良 形 質 の 原 因 変 異 の迅速な解明（図４）

A和牛のゲノム情報の保護と利活用][))B[]

WGDB1)
2)
3)
4)

HD SNPCNV)

11崎県肉用牛改良センター、福島県農業総合セ渡邊 敏夫. (2016). 黒毛和種経済形質のゲノム育種価ンター畜産研究所）が主体となり、共同研究

評価. The journal of Animal Genetics, 44, 3-10.

機関や民間牧場の協力も得て進められたものである。また、和牛生産阻害因子解明プラッ
トフォームコンソーシアム（畜産技術協会、東京大学、北里大学、東京農業大学、岐阜県、兵庫県、鳥取県、鹿児島県、島根県、家畜改良事業団、家畜改良センター、琉球大学）とご指導いただいた国枝哲夫先生、稲葉睦先生、農林水産・食品産業技術振興協会高橋秀之先生に深謝する。
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