2023年5月12日
理化学研究所
-着眼于被忽视的基因组多态性，为基因组医疗做出贡献-
理化学研究所(理研)生命医科学研究中心基因组免疫生物学理研白眉研究小组组长尼古拉斯·帕里什理研白眉研究小组组长、小岛将平基础科学特别研究员等共同研究小组发现，“转移因子多态性[1]”是皮肤病变等的遗传风险。
本研究成果聚焦于至今为止被忽视的基因组多态性——转移因子多态性，可以期待为进行适合每个患者诊断、预防、治疗的“基因组医疗”的发展做出贡献。 在调查疾病遗传风险的基因组宽相关分析( GWAS ) [2]中，一般使用单核苷酸多态性[2]，由于技术问题，转移因子多态性迄今为止还没有被使用。 这次，共同研究小组开发了从人类基因组数据中正确鉴定转移因子多态性的软件，实施了利用转移因子多态性的GWAS。 通过生物银行日本( BBJ ) [3]收集的约18万人中42种疾病的GWAS结果显示，五种转移因子多态性与三种疾病(瘢痕疙瘩、2型糖尿病、前列腺癌)密切相关。 并且，使用人成纤维细胞进行了转移因子的基因敲除(缺损)实验，明确了皮肤病变瘢痕疙瘩[4]重症化的原因基因之一的NEDD4中存在的转移因子的插入是瘢痕疙瘩的遗传风险。 本研究刊登在科学杂志《Nature Genetics》在线版( 5月11日:日本时间5月12日)上。
将转移因子多态性纳入遗传统计分析，确定有瘢痕疙瘩风险的变异
基因宽相关分析( GWAS )和eQTL[5]分析等遗传统计分析一般使用单核苷酸多态性( SNP )，但源于长链序列插入缺失的多态性也有可能导致异常的基因表达和疾病。 但是，由于分析方法的技术问题，这种多态性从未用于遗传统计分析。 因此，如果在遗传统计分析中纳入单核苷酸多态性以外的变异，就有可能发现迄今为止被忽视的遗传性疾病风险。 “转移因子(转座子)”是存在于基因组中，插入到基因组各处的长链序列。 个人间有无转移因子的“转移因子多态性”，约占人类长链序列插入多态性的25%。 但是，由于至今为止还没有正确鉴定转移因子多态性的方法，转移因子对基因表达和疾病的影响还不清楚。 在此背景下，本研究通过编制准确鉴定转移因子多态性的软件，并将转移因子多态性引入遗传统计方法，考察了①人群之间的差异，②对基因表达的影响，③疾病风险。
联合研究小组首先制作了正确鉴定转移因子多态性的软件。 检测灵敏度(效率)在80%以上，假阳性率在6%以下，多态性的量的决定精度(正确性)在94%以上，可以正确检测出人类基因组中存在的转移因子多态性的大部分。 该识别精度足以将转移因子多态性用于遗传统计分析，也可以利用DNA微阵列[6]数据进行转移因子多态性的统计推断(运算[7] )。 将开发的软件应用于通过国际1000人基因组计划[8]收集的来自各种各样人类群体的2,504人，调查了转移因子多态性。 结果，在包括日本人集团在内的东亚人集团中，被称为Alu[9]的转移因子的插入与美国人集团、欧洲人集团、南亚人集团几乎相同，而被称为LINE-1[9]和SVA[9]的转移因子的插入与美国人集团 。由此可以认为，人类群体之间转移因子的转移活性不同。
图1人类群体特异性转移因子多态性的数量
分析了五个人类群体的转移因子多态性，计算了仅在特定人群中发现的转移因子多态性数量。 在用蓝色条表示的东亚人集团中，与美国人集团、欧洲人集团和南亚人集团相比，LINE-1和SVA的多态性较多。 接下来，我们分析了包含转移因子多态性的eQTL。 通过国际项目GTEx[10]收集的838人，根据全部基因组数据统计推测转移因子多态性，对49个人类组织进行了eQTL分析。 结果发现了与基因表达变化相关的1,073个eQTL (图2a )。 检定单核苷酸多态性和转移因子多态性哪一个在eQTL中发现得多，结果转移因子多态性在eQTL中发现频率更高(图2b )。 由此认为，转移因子多态性频繁影响基因表达。
图2含转移因子多态性的eQTL
( a )在49个人类组织中检测到的包括转移因子多态性的eQTL的数量。 共发现了1,073个eQTL。 ( b )与单核苷酸多态性相比，转移因子多态性在eQTL中频率较高。 为了确认在睾丸组织中检测出的eQTL中是否存在较多的转移因子多态性，进行了置换检测。 本检测在考虑到距离基因的距离、周边基因数等因素的基础上，随机选择多个eQTL，调查该eQTL中含有多少单核苷酸多态性。 结果表明，与单核苷酸多态性相比，转移因子多态性在睾丸的eQTL中发现频率较高。 p值表示进行1万次置换时的经验概率。
最后，通过生物银行日本( BBJ )收集的来自日本人集团的约18万名被试验者，根据DNA微阵列数据统计推测转移因子多态性，进行了42种疾病的GWAS。 结果表明，五种转移因子多态性(三个Alu和两个LINE-1 )与三种疾病(瘢痕疙瘩、2型糖尿病、前列腺癌)密切相关。 在检测到的转移因子多态性中，有一种( Alu )是东亚人群特异性多态性，人类历史上近年来插入的人群特异性转移因子可能也与疾病有关。 为了验证转移因子多态性是否成为疾病风险，我们着眼于插入与被称为瘢痕疙瘩的皮肤病变有密切关系的转移因子LINE-1。 在瘢痕疙瘩重症化的致病基因之一NEDD4注1 )的内含子(未翻译成蛋白质的区域)中发现了该LINE-1的插入(图3左)。 通过基因组编辑技术[11]制备了敲除(缺失) LINE-1插入的人成纤维细胞，研究了LINE-1插入对NEDD4表达的影响，结果表明LINE-1插入能上调NEDD4的表达。 由此可以认为，LINE-1插入使NEDD4表达上调，是引起皮肤病变重症化的瘢痕疙瘩的风险因素。
图3上调瘢痕疙瘩重症化致病基因之一NEDD4表达的转移因子插入
(左)使用生物银行日本收集的约18万人的基因组数据的GWAS表明，存在于NEDD4的内含子(未翻译成蛋白质的区域)中的转移因子插入( LINE-1的插入)与瘢痕疙瘩的发生和病情相关 (右)存在于NEDD4的LINE-1插入作为增加NEDD4转录产物( mRNA )的增强子。 人成纤维细胞中LINE-1插入的敲除(缺失)实验表明，LINE-1的插入可上调NEDD4的表达。 p值表示t测试的结果。
注1)Fujita M .等，NEDD4参与瘢痕疙瘩形成过程中的炎症发展。j .投资。皮托尔。, 139(2), 333-341 (2019).
本研究成果是着眼于迄今为止被忽视的基因组变异的研究，通过本研究开发的软件在各种疾病生物库中的应用，可以期待加速确定导致疾病的基因组变异。 另外，确定这种疾病的遗传因素，有望为发展适合每个患者的诊断、预防、治疗的“基因组医疗”做出贡献。 另外，在生物科学数据库中心注2 ) ( NBDC，Research ID: hum0014.v28 )中，理研独自构筑了GWAS的分析结果的日本人集团基因组关联分析信息数据库 以这次的分析结果为基础展开了很多研究，可以期待进一步的研究成果。
1 .转移因子多态性 转移因子存在于基因组中，是被复制并插入基因组不同位置的序列，称为“运动基因”和“转座子”等。 是插入到基因组各处的变异源，有时会破坏基因或改变基因表达。 人类历史上近年来发生的源于插入的转移因子序列仅在部分人类基因组中发现，这种转移因子插入的个体间差异称为转移因子多态性。 2 .基因组宽相关分析( GWAS )，单核苷酸多态性 单核苷酸多态性是指基因组个人之间的差异中，由a、c、t、g组成的人类基因组碱基序列中的一处差异。 基因组关联分析( GWAS )是了解性状的遗传关联的方法，一般使用单核苷酸多态性进行分析。 将有无疾病和量的性状等作为目的变量，将多态性的量的信息和各种共变量作为说明变量进行模型化，评价多态性的关联。 GWAS是Genome-Wide Association Study的缩写。 3 .生物银行日本( BBJ ) 以日本人集团约27万人为对象的疾病生物银行。 在日本医疗研究开发机构的基因组医疗实现生物银行活用程序“以活用为目的的日本疾病生物银行的运营管理”中进行运营，将DNA样本和血清样本与临床信息一起保管，提供给研究者。 从2003年开始在东京大学医科学研究所内设立。 详情请参考生物银行日本网站新标签中打开。 4 .瘢痕疙瘩 指皮肤伤口硬化隆起，出现发痒和疼痛症状的状态。 外伤、痤疮手术导致的创伤等皮肤损伤是发生的契机。 人成纤维细胞的增殖与瘢痕疙瘩的形成相关。 5.eQTL 参与基因表达量个体差异的基因组区域。 eQTL是expression quantitative trait locus的缩写。 6.DNA微阵列 用于检测遗传多态性(主要是单核苷酸多态性)的分析仪器。 在基板上高密度地配置固定着DNA的部分序列，可以检测数十万到数百万的遗传多态性。 7 .计算 一种遗传统计学方法，用DNA微阵列测定数十万至数百万处单核苷酸多态性的基因型后，利用所得基因型推测未进行实验测定的遗传变异。 具有不需要对被检者进行全基因组测序，可以减少时间和费用的优点。 8 .国际1000人基因组项目 以调查人类集团间的遗传多样性为目标，进行了世界各地的人类全基因组测序的国际研究计划。 现在，公开了来自各种各样的人类集团的3，000人以上的高复盖范围全基因组数据。 9.Alu、LINE-1和SVA 存在于人类基因组中，现在仍有转移活性的转移因子的种类。 Alu约300个碱基长，一个人的基因组中可以看到约2,500个拷贝的多态性。 LINE-1长约6,000个碱基，一个人的基因组中可以看到约500个拷贝的多态性，SVA长约2,000个碱基，一个人的基因组中可以看到约100个拷贝的多态性。 10.GTEx 以构筑关于人类组织特异性基因表达量和基因组多态性的大规模数据为目标的国际项目。 从死后的捐赠者那里接受脏器和组织的提供，分析人的每个组织的基因表达量，收集数据。 GTEx是Genotype-Tissue Expression的缩写。 11 .基因组编辑技术 利用能够切断特定DNA序列的人工核酸酶切断基因组DNA，进行基因敲除和敲入等基因改变的技术。
理化研究所 生命医学科学研究中心 基因组免疫生物学理研白眉研究小组 理研白眉研究小组组长Nicholas F. Parrish (尼古拉斯·帕里什) 基础科学特别研究员小岛将平 研究兼职(研究当时)何美玲 研究生(研究当时)斋藤优花 技术人员(研究当时) Erica H. Parrish (埃里卡·帕里什) 技术人员藤井麻美 基础科学特别研究员Steven M. Heaton (斯蒂芬·希滕) 研究员小邂逅惠 特别研究员(研究当时) Anselmo J. Kamada (安塞尔莫镰田) 基础技术发展研究小组 队长桃泽幸秀 技术人员(研究当时)远藤美纪子 技术人员(研究当时)髙田定晓 技术人员(研究当时)水越美咲 基因组分析应用研究小组 队长寺尾知可史 特别研究员曳野圭子 心血管基因组信息学研究小组 队长伊藤熏 客座研究员小山智史 人类免疫遗传研究小组 队长石垣和庆 理研-IFOM癌症基因组学联合研究小组 团队领导村川泰裕 生物资源研究中心细胞材料开发室 室长中村幸夫 高级技师野口道也 东京大学研究生院新领域创成科学研究科医学信息生命专业 复杂性状基因组分析领域 教授镰谷洋一郎 早稻田大学理工学术院先进理工学部 教授滨田道昭 研究生武田淳志
本研究是日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( b )“疱疹病毒嵌入基因组和再活化:与从大规模分析中探索的疾病的关联(研究代表者: Nicholas F. Parrish )”、 同基础研究( s )“基因组免疫:内源病毒抗病毒活性的工作原理阐明和作为功能资源的确保(研究代表者:朝长启造，研究分担者: Nicholas F. Parrish )”，同年轻人研究“转移因子的插入多态性与疾病的基因组广度相关分析(研究代表者) 公益财团法人痛风尿酸财团研究资助“来自基因组转移因子的基因组结构多态性引起的尿酸值异常:使用20万日本人基因组的基因组广度相关分析(研究代表者: Nicholas F. Parrish )”、 理化学研究所奖励课题“ongoing virus integration in the diverse human genomes:comprehensive survey and functional implication (研究代表者:小岛将平)”“deteteted tal infection of endogenous viruses in human cell lines (研究代表:野口道也)”，与理化研究所基于国际战略的第四个中期长期计划中的战略性研究合作伙伴开展国际合作(研究代表: Nicholas f.papar 由日本医疗研究开发机构( AMED )基因组研究生物银行事业“以活用为目的的日本疾病生物银行的运营管理(研究代表者:山梨裕司)”资助进行。
Shohei Kojima*, Satoshi Koyama, Mirei Ka, Yuka Saito, Erica H. Parrish, Mikiko Endo, Sadaaki Takata, Misaki Mizukoshi, Keiko Hikino, Atsushi Takeda, Asami F. Gelinas, Steven M. Heaton, Rie Koide, Anselmo J. Kamada, Michiya Noguchi, Michiaki Hamada, Biobank Japan Project Consortium, Yoichiro Kamatani, Yasuhiro Murakawa, Kazuyoshi Ishigaki, Yukio Nakamura, Kaoru Ito, Chikashi Terao, Yukihide Momozawa, Nicholas F. Parrish*, "Mobile element variation contributes to population-specific genome diversification, gene regulation, and disease risk", Nature Genetics, 10.1038/s41588-023-01390-2
理化研究所 生命医科学研究中心基因组免疫生物学理研白眉研究小组 理研白眉研究小组组长Nicholas F. Parrish (尼古拉斯·帕里什) 基础科学特别研究员小嶋将平
小嶋 将平
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