原発性胆汁性胆管炎の新たな遺伝要因を同定~ヒト全ゲノム領域へのRHM法による世界初の成果~

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2021-04-09 京都大学,国立国際医療研究センター,長崎大学,日本医療研究開発機構

概要

京都大学学際融合教育研究推進センター スーパーグローバルコース医学生命系ユニットの長﨑正朗 特定教授、Gervais Olivier研究員(研究当時)、国立国際医療研究センター ゲノム医科学プロジェクト 戸山プロジェクト長 徳永 勝士らのグループは、長崎大学大学院医歯薬総合研究科教授/国立病院機構長崎医療センター客員研究員の中村稔らのグループが世界規模で臨床研究を進めている、原発性胆汁性胆管炎(primary biliary cholangitis; PBC)(注1)(合計1,953人)の日本人遺伝子データベースと日本人の一般集団の全ゲノムデータベース(合計3,690人)との比較を行いました。その結果、日本人では今まで報告がない3箇所の新規領域を含む、合計7箇所の染色体(注2)上の疾患に関わる候補領域を、ほとんどヒトゲノム情報に適用されたことがないポリジェニック効果を考慮した手法、領域内遺伝率推定法(Regional Heritability Mapping法; RHM)(注3)による、ゲノム解析から同定しました。

また、再現性を確認するため、3か所の新規染色体対象領域に含まれるSNP(一塩基多型)のうち、統計量が一番有意であったSNPについて、前述の集団とは独立したPBC患者(合計220人)と、京都府立医科大学 大学院医学研究科 上田 真由美特任准教授から提供された一般集団の全ゲノム情報(合計271人)との間で遺伝型の頻度に有意差があるか解析を行いました。その結果、日本人では今まで報告がない3箇所の遺伝子領域(STAT4(注4)、ULK4(注5)、KCNH5(注6)) いずれについても疾患に関係することを再確認できました。

さらに、これら3か所の遺伝子のうち特に海外でも報告例がないULK4とKCNH5について、PBCの患者由来の遺伝子と非罹患群の遺伝子のトランスクリプトーム発現量を比較ました。その結果、ULK4を含む領域についてPBC罹患群で発現上昇していることを見出しました。

RHM法をヒト全ゲノム解析に適用することで新規の遺伝要因を同定したこと、独立した集団を用いてRHM法で同定された遺伝要因の再検証をする一連のスキームを確立したこと双方の成果が世界初になります。同手法は、PBC疾患以外の多因子疾患にも幅広く適用可能であり、今後さまざまな疾患にも適用することで一般的なゲノム情報解析手法では見逃されていた遺伝要因を新たに同定できると期待しています。

本研究は、科学雑誌「European Journal of Human Genetics」オンライン版(9日付:日本時間2021年4月9日)に掲載されます。

研究のポイント
  • 日本人遺伝子データベース(PBC罹患群と一般集団)を比較解析し日本人のPBC(primary biliary cholangitis)疾患に関わる3つの新規遺伝子候補領域(STAT4,ULK4,KCNH5)を同定
  • 同ゲノム解析に、領域内遺伝率推定法(Regional Heritability Mapping; RHM)法を活用
  • 独立した日本人遺伝子データベース(PBC罹患群と一般集団)を比較解析し3か所の再現性を検証
  • PBC罹患群と非罹患群との間でULK4とKCNH5の肝臓における遺伝子発現量を比較し、ULK4遺伝子がPBC罹患群で発現上昇することを確認
  • RHM法をヒト全ゲノム解析に適用し新規の遺伝要因を同定したこと、および、独立した集団に対しRHM法で同定された遺伝要因を検証する一連のスキームを確立したこと双方が世界初
  • 今後、同手法は幅広く新規の遺伝要因の探索に適用可能
背景

世界初のゲノムワイド関連解析(GWAS)法(注7)(参考文献1)が2002年に発表されて以来、数多くのGWAS研究が実施され、GWASのデータを集積したデータベースGWAS Catalog(注8)によると、GWASの論文が4000報以上発表されており、何百もの形質に対して延べ20万近くの関連遺伝子座が同定されています(参考文献2)。

また、2型糖尿病(注9)や高脂血症(注10)をはじめとし、GWASの結果を創薬に活用した成功例等が見られるようになってきており、疾患感受性遺伝子(注11)の同定が疾患病態の解明や創薬開発に役立つことが明らかになってきています(参考文献3、4)。そのため、今後もGWASにより得られた成果を活かすことでさまざまな疾患の治療法の開発に役立てられていくと期待しています。

しかし、通常GWASは、ゲノム全体をカバーする数十万個から数百万個の代表的な変異(注12)であるSNP(一塩基多型)(注13)に関する情報を利用し、特定の疾患や形質などとの関連を調べる統計手法であり、変異毎に検定を行います。つまり、各SNPに対する検定を個別に実施するため、各検定では対象となっている変異以外のマーカーの効果を基本的なモデルにおいて考慮をしていません。

一方、近年、大きな効果をもたらす個々の変異を探索することを研究対象としたGWASに比して、微小な働きを持つ多数の変異の集合体の効果を研究対象としたポリジェニックモデル(注14)が医学分野において注目を集めています(参考文献5、6)。

研究手法・成果

「日本人大規模全ゲノム情報を基盤とした多因子疾患関連遺伝子の同定を加速する情報解析技術の開発と応用」として、ヒトゲノム情報解析技術の開発を行い、その成果を、幅広く日本人を中心とした多因子疾患(注15)のゲノム情報について適用する研究を進めてきました。

その研究開発の中で、前述のGWAS法に対して、染色体上の単位領域に含まれる、微小な働きをもつ多数の変異の集合(ポリジェニック)としての効果を考慮する手法の1つ領域内遺伝性マッピング(RHM)法に着目をしました。さらに、RHM法の適用例として、希少難治性疾患(注16)の1つである原発性胆汁性胆管炎(PBC)を対象として以下の解析を行いました。

約66万SNPを搭載するSNPアレイ(注17)、ジャポニカアレイv1(注18)(参照文献7)、また、約60万SNPを搭載するSNPアレイ、Axiom Genome-Wide ASIアレイ(注19)を用いて計測を行った日本人のPBC罹患群(計1,953人)と日本人の一般集団の全ゲノムデータ(計3,690人)に対し、約2,000人の東北メディカル・メガバンク機構(注20)の全ゲノムリファレンスパネル(注21)を用いて未観測の領域の変異を推定しました(参考文献8)。さらに、一定以上の相関を持つ変異のうちの代表のSNPを抽出することで最終的に約100万か所の変異を抽出し、その変異群に対してGWAS法とRHM法それぞれを用いて解析を行いました。

その結果、図1に示すように、GWAS法を用いることで検出することができた染色体上の領域(図1下)に比べ、RHM法では新たにSTAT4、ULK4、KCNH5の3つの領域(図1上)について、統計的に有意な水準(注22)を超える領域として検出することができました。


図1 PBC罹患群と一般集団とのゲノム情報解析結果の比較 提案手法RHM法(上)及び、一般的なGWAS法(下)による。新規領域を赤下線で表示している。詳細説明は参考参照


次に、得られた結果の信頼性を確認するため、日本人では今まで報告がない3箇所の領域 (STAT4、ULK4、KCNH5)の各領域に含まれる一番有意であった変異に対して、前述の集団とは独立したPBC罹患群(計220人)と一般集団(計271人)の変異の偏りについて検定を行ったところこれらの変異についてすべて有意な差を得ることができました。

さらに、STAT4についてはヨーロッパでPBC疾患との関連性が過去に報告されていましたが、残りの2つ(ULK4 および KCNH5)については日本人以外の集団おいても PBC 疾患との関連が報告されていない新規の遺伝子でした。これらの遺伝子は、従来の単一 SNP GWAS では検出できなかったことから、新たなヒト疾患感受性遺伝子の検出に RHM法が有効であることをヒトゲノムの実際のデータを用いて実証することができたといえます。

また、肝臓組織のmRNAマイクロアレイ解析(注23)により、PBC患者ではULK4の遺伝子発現レベルが高いことが明らかになり、ゲノム情報の解析によって得られた結果がPBC疾患に機能的に関連する可能性が高いことが示唆されました。

なお、シミュレーション研究(注24)では、複数の隣接する変異を統合することでゲノムの特定領域の遺伝的影響を推定する領域内遺伝率推定(RHM)法は、 GWAS法よりも多くの場合高い検出力を持つことが予測されていました(参考文献9、参考文献10)。しかし、これまでのところ、その利用は農業分野を中心に行われており、ヒト疾患における新規遺伝子発見のための全ゲノム領域への適用はなされていませんでした。

そのため、本報告は、RHM法をヒトゲノム解析に適用し、新規の疾患関連遺伝子を同定することに成功した世界初の成果となります。

波及効果、今後の予定

本研究においては、RHM法をPBC疾患に適用することで新たな遺伝要因を探索することを実証しましたが、本手法は、いままで解析が行われていたGWAS Catalogに登録されている4,000報以上の多因子疾患ゲノム情報についても適用できます。つまり、従来の単一 SNP GWASなどの一般的なゲノム解析手法において見逃されていた遺伝的要因を同様に新たに同定していくことができます。

一方、同手法の解析には、大規模な電算機資源(注25)が必要となるため、より計算量を削減した形での計算実装を行う改良を進めることや富岳(注26)などのより大規模な計算機に適した計算アルゴリズムと実装にするなどが考えられます。

なお、1つの変異の効果が強い場合などGWAS法でしか同一のサンプル数で有意水準に到達できない変異が存在することもあるため(例:図1のPOGLUT1、IL7R)、RHM法はGWASの代替というわけではなく、併用する手法が有効であると考えています。

より詳細なRHMの内容については、「遺伝子医学」通巻36号「ポリジェニックモデルによるゲノム情報解析の最前線」(2021年発刊予定)でも説明予定ですので参照ください。

論文タイトルと著者
タイトル:
領域内遺伝率推定法による日本人集団における原発性胆汁性胆管炎の新たな遺伝要因(STAT4、ULK4とKCNH5)の同定
Regional heritability mapping identifies several novel loci (STAT4, ULK4, and KCNH5) for primary biliary cholangitis in the Japanese population
著者:
Olivier Gervais, Kazuko Ueno, Yosuke Kawai, Yuki Hitomi, Yoshihiro Aiba, Mayumi Ueta, Minoru Nakamura, Katsushi Tokunaga, Masao Nagasaki
掲載誌:
European Journal of Human Genetics
DOI:
10.1038/s41431-021-00854-5
研究支援

PBC疾患のRHM遺伝要因のディスカバリー解析については主に、⽇本医療研究開発機構(AMED)のゲノム医療実現推進プラットフォーム事業先端ゲノム研究開発(GRIFIN)「日本人大規模全ゲノム情報を基盤とした多因子疾患関連遺伝子の同定を加速する情報解析技術の開発と応用(研究開発代表者:徳永勝士);JP19km0405205」、PBC疾患のレプリケーション解析は主に、ゲノム医療実現推進プラットフォーム事業 国際的データシェアリングに関する課題解決のための調査研究及び開発研究「クラウド計算環境を利用したゲノム医科学研究の倫理・技術課題の調査と実践(研究開発代表者:徳永勝士);JP20km0405501」による支援を受けて行われました。

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