Transcript Bone & Joint Research Club ～第2回 骨と関節の代謝調節

セミナー
ＳＮＰを用いた連鎖不平衡マッピング
日時 １０月１８日１６時～１７時
場所 C棟４階セミナー室
主催 生体構造医学講座（形態形成機構学）
京都大学大学院医学研究科附属ゲノム医学センター
理化学研究所遺伝子多型研究センター関節リウマチ関連遺伝子研究チーム
山田 亮
仮説フリーで疾患遺伝子探索
• オーム解析
– ゲノム・トランスクリプトーム・プロテオーム
• 多数の遺伝子・分子の相互作用
• 非インターベンション解析
– 一番大きな実験は済んでいる
遺伝するとは
家系図
遺伝性疾患
• 単一遺伝子疾患
– 例は？
• 複合遺伝性疾患
– 例は？
• 遺伝性のまったくない疾患
– 例は？
• 遺伝性があるかどうか 疫学
Commmon diseasesとその遺伝性
偶然性要因
遺伝的要因
環境的要因
単一遺伝子病
生活習慣病
アレルギー性疾患
感染症
悪性腫瘍
リウマチ性疾患
イメージ
外傷
単一遺伝子疾患の場合
日本人1億2千万人・・・
原因遺伝子変異を持ち、ほぼ
確実に発症する家系構成員
(１００人)
原因遺伝子変異を持たず、
発症しない大多数
(１億１９９９万９千９百人)
HLADR4の分布とRA患者の分布
～複合遺伝性疾患の例～
日本人1億2千万人・・・
DR4陽性で発症者
DR4陰性で非発症者
(50万人)
(8400万人)
DR4陽性で非発症者
DR4陰性で発症者
(20万人)
(3600万人)
単一遺伝子疾患と
複合遺伝性疾患の比較
遺伝要素を
持っていなく
ても発症する
遺伝要素を
持っていても
発症しない
「ありふれた疾患」
「複合遺伝性疾患」
の
疾患関連遺伝子
• HLA DR4とRA
– 日本人におけるDR４陽性率は約30%
– RA患者におけるDR4陽性率は約70%
• 日本では、RAの罹患率が約0.6％である
疫学的に言い換えると
• DR4(+)の個人の罹患率：約１％
• DR4(-)の個人の罹患率：約0.3％
• 相対危険度(Relative Risk) ~ 3.3
– DR4(+)の個人はDR4(-)の個人に比べて、約3.3
倍RAに罹患しやすい
疾患原因遺伝子と疾患関連遺伝子
• いわゆる遺伝病
–
–
–
–
メンデル遺伝
高い浸透率
決定因子(必ず発症)
変異
• 複合遺伝性疾患
– 環境要因の加味
– 低い浸透率
– 危険因子(リスクファクター)
• 相対危険度 : 例 ２－４倍
– 多型
単一遺伝性疾患の遺伝子解析と
複合遺伝性疾患の遺伝子解析の違い
• 原因・関連遺伝子の強さ
• 最適解析手法の違い
– 連鎖解析（家系データ、疎な遺伝マーカー)
– ゲノムワイド関連解析(ケースコントロール解析、
密な遺伝マーカー)
疾患の遺伝因子の解析手法
• 大規模家系連鎖解析
– 発病者に共通して受け継が
れている変異を検出する
• 罹患同胞対解析
– 複数の家系で発病同胞(兄
弟姉妹)に共通して受け継
がれている変異・多型を検
出する
• ケース・コントロール関連
解析
– 発病者と非発病者とを比較
し、発病者が共通して保有
する多型を検出する
解析するべき遺伝子はどこにある？
• ヒトゲノム配列決定前
– 常染色体22本と２本の性染色体(X，Y)
ここだ！
でもそこに何の遺伝子がある
のかわからない・・・
ヒトゲノムプロジェクト
30億塩基対解読終了宣言
2003年春
解析するべき遺伝子はどこにある？
• ヒトゲノム配列決定後
ここだ！ここにある遺伝子は「X」だ。
Gene
ゲノム解読とともに、本当にヒト遺伝子のすべてとその
位置がわかったか、というと・・・
Number of genes
ヒトゲノムの遺伝子登録数の推移
(NCBI)
ヒトゲノム解
読宣言
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
27
28
29
30
31
Build (NCBI)
32
33
34
Common Diseasesの遺伝子解析
• 仮説フリーのアプローチ
– 未知の病因の発見のために
– ホールゲノムアプローチ
• 従来の連鎖解析よりも関連解析
• 遺伝マーカーとしてSNPが最適
SNPを用いた大規模 連鎖不平衡解析
ヒトゲノムの多様性
• どのくらい違うもの?
– 任意の2つの卵子(23本の染色体を持つ)を取っ
てきてそのすべての塩基を比較すると、
平均して、
30億塩基対のうち、
約300万塩基対は異なる(約1000塩基対に1)
多型とは
•
•
•
•
RFLP(制限断片長多型)
VNTR
マイクロサテライトマーカー
SNP(１塩基多型)
SNPとは
• Single Nucleotide Polymorphism(１塩基多型)
• 最も高密度に分布する遺伝子多型
– ゲノムワイドに約100-1000塩基対に1個の
密度で分布
• タイピングが容易
– 大量・高速タイピングに適する
SNPのもたらす機能変化
DNA配列を識別する転写調節因子
http://www.tara.tsukuba.ac.jp/Japanese/project-j/yamamoto-m-j/Regulatory_Network/Hagiwara/
エクソン・イントロンの識別
大局的認識と微細認識
http://www.brh.co.jp/experience/seimeisi/29/ex_1.html
翻訳調節
翻訳開始点選択
翻訳効率
tRNA不均一
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/TT/Tlatm.html
セントラルドグマと多様性
ＤＮＡ
バリアント
転写開始点
転写
転写終止点
スプライシング
バリアント
バリアント
バリアント
mRNA
翻訳開始点
翻訳
コドン表
翻訳終止点
Peptide
バリアント
セントラルドグマと多様性
ＤＮＡ
バリアント
転写開始点
転写
バリアント
転写終止点
スプライシング
バリアント
バリアント
mRNA
翻訳開始点
翻訳
コドン表
バリアント
翻訳終止点
Peptide
翻訳後修飾(切断、化学修飾)
リン酸化、グリコシル化、アセチ
ル化、ヒドロキル化、シトルリン
化 など
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ２
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ３
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ４
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ２
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ３
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ４
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ２
個体Phenotype1 個体Phenotype2
個体Phenotype3
個体Phenotype4
ＤＮＡに乗って伝達される素因
http://www.microbe.org/espanol/news/human_genome.asp
ＤＮＡに乗って伝達される素因
DNA上の情報は『1次元の配列』情報
•それは、転写・翻訳を通じてRNA ペプチドとしての『1次元配列情報』に伝達される
•『1次元配列情報』の差は、それ以外の質にも影響する
ＤＮＡに乗って伝達される素因
http://www.microbe.org/espanol/news/human_genome.asp
１次元情報の伝
達深度と『パター
ン』への影響
DNA１次元情報がペプチドまで
DNA１次元情報がprematuremRNAまで
DNA１次元情報はDNA止まり
Two Ways of Whole Genome LD
Mapping
Map-based Approach
2
1
6
3
7
5
4
9
Gene D
Gene A
Gene B
Gene C
Gene-based Approach
12 3
89
567
4
Gene D
Gene A
Gene B
Gene C
8
全染色体でのSNP分布
ミレニアムプロジェクト
理研 SRC 関節リウマチチーム
•
•
•
•
2000年春から開始
遺伝子領域を中心に100,926SNPを配置
ケース・コントロール解析でスクリーニング
連鎖不平衡解析によるLDマッピング
「バーコード管理」
「自動分注機」
遺伝子のカバー率
SNPもしくはblockによって、一部で
常染色体総遺伝子数：21,153
も検証された遺伝子の数
12,890 （60.9%）
カバーされず
 遺伝子あたりのSNP数および密度
8,263
8,381
5.0±6.4 個/遺伝子
12,890
Blockでカバー
0.2±0.3 個/kb

4,509
プロジェクトスタート
SNPでカバー
2000 2001
Gene
50k
40k
30k
20k
10k
2002
2003
2004
2005
27,283Genes
自己免疫疾患感受性多型のオーバーラップ
Environmental
Entry of Antigen
Production of Antigen
Genetic
Body
Response to Antigen
Presentation of Antigen
Recognition of Presented Antigen
Immune System
Transient Autoreaction
Manifestation of phenotype
Maintained Autoreaction
Medical Encyclopedia
From the Atlas of Renal Pathology
American Journal of Kidney Diseases, Volume 32, Issue 1
Major findings from SNP-based
studies
• PADI4 : RA
– Post-translational enzyme to produce targets of the
most RA-specific autoantibodies.
• SLC22A4 /A5 : RA & Crohn
– Ergothioneine or carnitine transporter expressed in
hematologic lineages.
• FCRL3 : RA, SLR & AITD
– Fc receptor homolog on B-cell membrane
• PTPN22 : T1DM, SLE, RA & AITD
– Lymphoid-specific intracellular phophatase
MΦ
Anti-oxydant transporter
感受性多型を持つ関連遺伝子と、
ＤＮＡ配列上個人差のない関連遺伝子
感受性多型なしの
関連遺伝子
感受性多型ありの
関連遺伝子
多数の遺伝子(DNA)
多様な転写調節(mRNA)
複雑な分子機能(タンパク質)
さまざまな疾患
入り組んだ民族関係
A network of protein–protein interactions in yeast
by Benno Schwikowski, Peter Uetz3 & Stanley
Nature Biotechnology 18 :1257 - 1261 (2000)
疾患特異性の由来
• 罹病臓器・組織特異性
– 解剖学的特異性
– 構成分子特異性
• 罹患臓器・組織特異的因子に遺伝素因があ
るのか、それらに働きかける因子に遺伝素因
があるのか
成果と今後の課題
1. 単一遺伝子・ローカスを検出した
A) 複数の遺伝子の複合効果は未解明
2. 民族・人種間差が確認された
A) アジア・日本人検体での解析が必須
3. 発病因子のスクリーニングであった
A) 病態別因子は未解明
連鎖不平衡とは
「連鎖」が
「平衡」に
達していない
いつかは「昔」からの連鎖は崩れて、「平衡」に
達する
連鎖と独立
• 形質は遺伝する
• 形質Aと形質Bの伝わり方は、
– 独立 か
– 連鎖しているか
のどちらかである。
連鎖＋組換え
• 「多数ある遺伝子
は、それぞれが
“ばらばら”に存在
しているわけでは
なく、(ヒトなら
ば)23個に束ねら
れている」
• 「束」に変化がな
ければ、遺伝解析
は23個を相手に
すればよいのだ
が・・・
組換え
• ヒトでは、男女・ゲノム全体での平均が
1.22cM/Mb
– (The Sequence of the Human Genome by J. Craig Venter et
al., Science)
• ヒトゲノム30億塩基対(3000Mb)
• 3000Mb ->36.6 組換え/1減数分裂
– 1.22 x 10-2 x 3000 = 36.6
スタート2人、交差率1/10^8bp回、1000SNP、定常5000人（10000hap)、出力1000人、変異率1/10＾6bp回
100世代
300世代
Maf>
%
5
の
み
500世代
1000世代
遺伝子の伝達の単位は、染色体ではなく、
それが分割された「連鎖不平衡ブロック」
組換えは起きたり起きなかったり
DNAの親子関係は、
1人親か2人親か
組換え体(2人
親：2人親モ
ザイク)
組換え
組換えは塩基と塩基との間で起き
るので、個々の塩基には、ただ１
つの親がいる・・・
染色体全体で
考えると、親子
関係は複雑
(複数の祖先
がいる）だが、
部分的には、
単純(祖先は1
つ)
組換え体
染色体5’端
000
染色体中央部
000
111
111
000 001 001 011
111
染色体3’端
000
111
000 001 001 011 111 000 001 001 011 111
塩基配列DNA(String
of SNPs)
時間経過
集団
コーカシアン
PDCD1
MIF1
PTPN22
CTLA4
TNFRSF1
Preliminary
calculation with
random-effect
model
Susceptible allele
日本人
SLC22A4/A5
PADI4
• 集団遺伝学
–
–
–
–
–
数学モデル
CoalescenceとRecombination
連鎖不平衡
集団比較遺伝学
ヒトの遺伝的歴史
•
理化学研究所遺伝子多型研究セン
ター
– 関節リウマチ関連遺伝子研究
チーム
• 山本一彦
• 鈴木亜香里
• 高地雄太
• 森 美賀子
– 関根章博
– 角田達彦
•
– 中村祐輔
関節リウマチ臨床施設
–
–
東京大学病院アレルギー･リウマチ内科
(独)相模原病院
•
當間 重人 松井 利浩
–
日本医科大学附属病院リウマチ科
–
• 永島 正一 吉野 槇一
行岡病院･松原メイフラワー病院･県立山梨中央病
院・(独)大阪南病院･鳥取大学整形外科
•
京都大学医学研究科付属ゲノム医学
センター
– 松田文彦
– 千田昇平
– 平谷仁美
– 山口昌雄
– 廣澤 桂
– 大東賢英