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ゲノムと組織特異的発現情報の統合で明らかにするマイクロRNA の疾患病態

坂上, 沙央里 東京大学 DOI:10.15083/0002005054

2022.06.22

概要

<序文>
2001年にヒトゲノムプロジェクトが終了し、個人の多様性を特徴づける一塩基多型(SNP; single nucleotide polymorphism)の情報がマイクロアレイ技術の成熟により大量に正確に得られるようになった。ゲノム情報が正確に安価に大量に得られることを背景とし、2002年に世界で初めてのゲノムワイド関連解析研究(GWAS; genome-wide association study)が行われて以来、4000件以上ものGWASがこれまでに行われてきた。しかしながら関連SNPがどのように生物学的な経路をたどってヒト疾患を形成するかの理解は道半ばなのが現状である。疾患病態の正確な理解には、①非コード領域のSNP②統計学的有意水準を満たさない効果サイズの小さいSNPに関しても機能的な解釈を行うことが重要である。その際には、先述した個々の細胞上の基本的に不可変・一次元的なゲノム情報が、空間的分布・外部組織からの刺激・環境因子への暴露により、いつ、どのような組織で、どのような刺激を受けて遺伝子発現量を変化させ疾患発症にいたるのかという文脈を理解する必要がある。このようなこれまでのゲノム研究の潮流から、新たなオミクス層としてマイクロRNA(miRNA)の網羅的発現情報とゲノム解析との統合解析することとした。本研究において、大規模疾患ゲノム解析結果・miRNA-標的遺伝子ネットワーク・組織特異的miRNA発現測定カタログの3つの情報を計算機上で統合解析することによる網羅的miRNAインシリコ・スクリーニング手法(MIGWAS; miRNA enrichment analysis in GWAS)を開発し、ゲノム情報のみでは分からなかったmiRNAの疾患病態への組織特異的文脈での関与の理解と、バイオマーカー・創薬対象候補miRNAの同定を目的とした。

<方法>
MIGWASでは、あるmiRNAが疾患発症に関与しているならば、そのmiRNA自体の発現を調整するSNPにも、そのmiRNAが標的として翻訳後調節を行うターゲット遺伝子の発現を調整するSNPにも、疾患発症との関連が認められるだろうという仮説をおいた。これに基づき、miRNAと遺伝子の標的関係の中にGWASの有意なシグナルが豊富に存在しているかどうか、そしてそれが特定の組織に特に集積しているかを帰無仮説と比較し統計学的に評価する手法を開発した。本手法では、ゲノムワイドでの統計学的有意水準であるP値<5×10-8を超えない関連を持つ疾患関連miRNA-遺伝子をペアワイズに網羅的に検出することができ、実験的検証の候補を見出すために有用である。本手法では、まず初めにGWASの要約統計量(過去のGWAS研究で判明したSNPと疾患発症との関連の強さをP値などの統計量で表し公開したもの)から得られるSNPと疾患との関連の強さのP値を、連鎖不平衡関係等を考慮した遺伝子・miRNAレベルのP値へと変換した。その後、miRNA-遺伝子標的関係情報を複数の予測アルゴリズム(miRDB、MiRmap、PITA、Target Scan)より得て、その中である閾値を超える結合関係のペアを同定した。このペアの中で、遺伝子・miRNA共にその形質に対して有意な関連を示したペアの割合を求めた。この割合が統計学的に有意に高いかどうかの判断を行う必要があるが、この統計量の理論的分布は未知である。そこで、permutation検定の概念に基づき、GWAS結果から変換した遺伝子・miRNAのP値を、共に毎回ランダムに入れ替えて同様の解析を多数回シミュレーションを行うことで、「miRNA-遺伝子ネットワークが疾患に関与していない」という帰無仮説下の統計量の分布を経験的に算出した。さらに我々は、どの組織でmiRNAの働きが重要かの特定にも、MIGWASの手法を応用した。まずFANTOM5コンソーシアムが作成した179種類のヒト細胞でのmiRNAの網羅的な発現情報を再解析し、各細胞に特異的発現をしているmiRNAを同定した。これを元に、GWASの統計量から算出されたシグナルがどの細胞における特徴的miRNAセットおよびそのターゲット遺伝子セットの発現調整領域に集積しているかの評価を行った。

さらに、関節リウマチを例に取り、疾患・対象研究に行い、日本人の早期関節リウマチ(RA)患者30名と、日本人健常人参加者33名を対象としDifferential expression解析を行うことでMIGWASから同定された疾患関与miRNAが実際に患者群で発現変動しているかを調べた。ここで挙がった候補miRNAに関しては、新規GWASのメタ解析を行うことでインシリコレプリケーション研究を行った。最後に、候補miRNAについてeQTLデータベースとの統合解析を行った。

<結果>
過去に世界で行われた延べ350万人以上を対象とした49のGWAS結果をMIGWASで解析した。身長・関節リウマチ・2型糖尿病が特に病態へのmiRNAの関与が重要であることが判明し、2型糖尿病においては欧米人・日本人において共通してmiRNAの関与が示された。さらに興味深いことに、疾患ごとにmiRNAが強く関与している組織は極めて多様性が高かった。バセドウ病、C型肝炎、関節リウマチ、全身性エリテマトーデス、クローン病などの免疫疾患では免疫細胞がmiRNAの活動の場であり、LDLコレステロール・心筋梗塞発症においては脂肪細胞がmiRNAの活動の場であることが分かった。それぞれの疾患において有意に関連を認めるmiRNAのリストの抽出にも成功した。

我々は、このようにしてコンピューター上で同定したmiRNAが実際に疾患病態に寄与していることを実証するために、関節リウマチを例にとり、①関節リウマチ患者と健常人とで該当miRNAに発現量の差異を認めるかの実証実験を行うとともに、②新規GWASメタ解析を実行し、該当miRNAに強いシグナルが再現されることを示した。30名の早期関節リウマチ患者・33名の健常人における網羅的miRNAシークエンスを行い発現変動解析をしたところ、MIGWASにより同定したmiRNAは偶然より98倍高い確率で発現変動miRNAを予測していることが分かった。さらに、新たに約8万人を対象とした関節リウマチGWASのメタ解析を行うと、これらのmiRNAはいわゆるゲノムワイド水準を超えて強く頑健に関節リウマチの発症に関わっていることも示された。加えて、組織特異的トランスクリプトームカタログであるGTExデータベースとの統合解析により、疾患関連miRNAは、免疫担当細胞の代用としての血液細胞において標的遺伝子の発現量変動を介して関節リウマチの発症に関わっていることも示唆された。

<考察>
我々は、大規模GWASデータ、miRNA-標的遺伝子ネットワーク、網羅的細胞特異的miRNA発現データの3者をMIGWASにより統合解析し、組織特異的なmiRNAの疾患病態への関与を示すことに成功した。MIGWASを多様なヒト複雑形質に応用することで、miRNAの疾患病態への関与は非常に組織特異性が高いことがはじめて明らかになった。さらに、MIGWASを応用することで、どのmiRNAが疾患に関与しているかの情報も得ることができる。この情報については、関節リウマチ患者・健常人とでの発現量変動解析により実証実験を行うことでバリデーションされ、さらに新規GWASメタ解析を行うことでインシリコにもレプリケーションされた。新規GWASメタ解析では関節リウマチの新規関連2領域の同定に成功した。また大規模eQTLデータベースとの統合解析により、候補miRNAが候補標的遺伝子を介してどのように関節リウマチの発症病態に関与しているかも推測することができた。この20年でGWASに代表されるヒトゲノム情報の解析がもたらした生命現象への知見は大きいが、その一方で未だその解釈に課題が残っていることも事実だ。ここ数年はハイスループットな実験系の発展が花盛りを迎えており、マルチオミクス情報は急速に蓄積されつつある。今回の研究で実施したような多層の生命情報の統合解析を行うことで、生まれ持ったゲノム情報が、どのようにしてその後の時空間的な文脈や環境因子への暴露によって我々の多様性を形作るかを理解すること、それによりゲノム研究を臨床現場にまで還元することに貢献したいと考えている。

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参考文献

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