eLetter 2024年夏号

第11回学術賞受賞レポート

ゲノム・オミックス連関に基づく心不全と循環器疾患研究の革新

伊藤薫

理化学研究所生命医科学研究センター
循環器ゲノミクス・インフォマティクス研究チーム

１．はじめに

２．
循環器内科医から基礎研究へ、基礎研究からゲノムへ

最初に日本心不全学会学術賞という大変な栄誉を賜初期研修での日々では循環器臨床の魅力に昂揚する

り、私を指導し導いて下さった小室一成先生、赤澤宏先日々であったが、当時どんなに手を尽くしても指の間を生、サイドマン御夫婦、また米国留学中にお力添え頂いすり抜けて失われてしまう命も目の当たりにし、これをた脇本博子先生、尾上健児先生、多田隼人先生、帰国後何とかするためにmissing pieceを埋める必要性を強く感共同研究でご一緒している野村征太郎先生、研究室で一じた。そこで、臨床医学とは別の方向を持つ基礎研究で緒に仕事をしている仲間たち、また私の背中を押し続けそれを成し遂げることはできないかと考え、心不全モデてくれる千葉大学循環器内科の研修医の同期たち、そしルマウスの分子生物学的研究を博士課程の課題として選て私に関わって下さっている多くの先生方に心より感謝んだ。基礎研究の“き”の字も知らない状態で飛び込んだの気持ちを申し上げたい。

大学院生である私の面倒を見た小室先生、赤澤先生には私は小室一成先生が教授になられたその年に千葉大学

大変な苦労をかけたと反省しているが、分子生物学とい循環器内科に入局し、また非常に個性的で魅力的な同期う臨床医学とは全く異なるアプローチは、私たちが通常や先輩方にも恵まれ、良い環境でスタートを切ることが視ることのできない細胞内での変化やシグナル伝達、そできた。循環器臨床はとても面白くやりがいを感じ、研して生命という仕組みを学ぶのに大変有意義であった

鑽の日々は刺激的であった。一方、小室先生に循環器基

1）

礎研究のサイエンスとしての魅力についてもご教授頂可能であり、疾患研究のダイナミックな側面も体験できき、引き入れられる形で大学院にて心不全の分子メカニたのは、その後の研究に大いに役に立った。

。またモデル動物を使っているため比較的強い介入もズムをテーマに、基礎研究の道へ足を踏み入れることにこのような疾患マウスモデルでは、疾患を一般化しメなった。そのため振り返ると、最初から確固たる信念をカニズムの解明を行っていた。しかし、臨床では同じよもって研究を行っていたというよりも、自身の果たすべうな状態、例えば重度の僧帽弁逆流があり臨床的背景もき役割を見つけるべく彷徨していたような状況であった

ほとんど違わないような患者様が、一方はあっという間ように思う。しかし、患者様を診療し、研究を進めて行き、に重症心不全を発症したり、一方は手術を拒否しつづけ多くの先生方と関わっていく過程で、ぼんやりとした方て何年も経っているにも関わらずスタスタと元気に外来向性が明確になり、そして自身を捧げるべき使命を確信に歩いて通われる様をみるにあたって、このような差はするに至った。

どこから生まれるのだろうか、と強い疑問を持った。この違いを説明できれば個人に即した治療が可能になるのではないかと考え、個人の基盤となる性質を規定するヒトゲノム研究に興味を持った。

1

日本心不全学会

この当時、循環器疾患のヒトゲノム研究の大家は、世語などは小学校高学年のときから趣味として延々と続け界で初めての心筋症遺伝子を同定したハーバード大学医得意分野であったため、何とかなるだろうという楽観的学部遺伝学部門のサイドマン御夫婦（旦那様のジョン・な目測もあった。が、これは後に裏切られることとなる。

サイドマン博士、奥様のクリスティーン・サイドマン博士）であった。そのためゲノム研究の“げ”の字も知らない状態でサイドマンラボに留学したが、幸いデジタルデータとしてゲノム解析をするためのコンピュータのハード・ソフトウェアの両方、そしてプログラミング言

常識的な考え（図１）では連鎖解析やエキソムシークエ

３、単一遺伝子疾患のゲノム研究
留学中は、基本的にゲノム初心者に当然新しいデーンスなどの手法を用いても、遺伝子のタが廻ってくることはなく、論文が出たデータから自Synonymous mutation

分で新しい課題を考えたり、長らく塩漬けになっていノ酸の置換しないため良性と解釈）しか残らなかった。

たテーマを頂いた。この中で、アフリカ系アメリカ人

しかし、このような研究に取り組んでいる過程で、子々の約14％が持つと言われている遺伝子のgenetic

孫々伝わる致命的な病態を引き起こす遺伝子変異を持variantが既報の腎機能だけでなく心血管疾患発症にもつ家系がその原因を知りたいという悲願を知ることと、また先天性心疾患のde novo構造多型なり、その無念を想像するにここで諦めてはいけないやなど心筋の発生に必須の遺伝という思いに駆られた。そのため、ゲノム変化が引き子だけでなく、いくつかの新しい遺伝子がその発症に起こす様々なメカニズムを具に調べ、RNAのスプライ関与していることを明らかにした 。このような解析をシング異常という当時全くメジャーでなかったメカニ通じて、（既に解析済のデータであるため）思考を巡らズムに焦点をあて具体的に何が起きているのかの解明せながらデータを丁寧に視ることが大切であること、を試みた。その結果、またそのような中に今まで誰も気づかなかった真実がライシングを惹起する結果、影響すること
解析では

2,3）

4）

c.768G>A（p.V256synアミc.768G>Aは異常RNAスプタンパク質の部分的隠されておりそれを最初に見つけたのは自分であるという科学者としての喜びを知ることができた。一方、大規模な集団解析をするにあたってプログラミングだ
けでは片手落ちで医学応用統計学が必須であることを

図 1. タンパク質コード領域の遺伝子変異解釈の当時のコンセンサス痛感し、ボスの了解を得つつハーバード大学のポスドクでも通えるコースを専攻し学び直しをした。
また、留学中の研究で特に印象深かったのが1973年のJAMAに報告された原因不明の突然死の家系の解析で、常染色体顕性の遺伝様式を示していたが原因遺伝
子変異が長らく同定できずに、私に順番が廻ってきたものであった。当然、通常のアプローチでは答えにた

良性
Synonymous
アミノ酸変化なし

悪性Missense
1アミノ酸置換

Nonsense
翻訳停止

悪さをしないどり着くことはかなわず、データと患者様のカルテを熟読する日々が続いた。当時のDNAの変化がアミノ酸置換または転写の中断に至って疾患を発症するという2

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欠損を引き起こすことを示した（図２）。この結果をボあったからこそできた成果であった。また2011年当時、スのジョンに見せたところ最初は懐疑的であり、機械学習はバイオデータ解析においてあまり脚光を浴びRT-PCR産物を電気泳動で分離して切り出しサンガーて い な か っ た が 、 今 後 デ ー タ 量 が 増 大・ 複 雑 化 しシークエンスをして配列情報まで示して、納得してもmanuallyに処理できるキャパシティを超えることが予想

らった記憶がある。また、同様の遺伝子変異を網羅的にされ、こちらも近くのMITやハーバード本学、Microsoft検出するためにMinigeneを出来るだけ手間なく合成し、NERD センターで開催される勉強会などで学び直しをし次世代シークエンサーで多数を一度に処理し機械学習でた。この予想と対応が正解であったことは、現在の機械判別できる系を開発し 、この系はいわゆる臨床重要度が学習を含む人工知能の盛り上がりから証明されたと思わ不明であるVariant of Unknown Signiﬁcance(VUS)の解明れる。

5）の一助となった。これは、私自身の研究テーマの変遷6,7）はあったが、ウェット研究とドライ研究両方学ぶ機会が図 2 . Synonymous Variantが異常なSplice Donor Siteを作り出した

Synonymous Mutation周辺配列とスプライスサイト共通配列
スプライスドナーサイトの共通配列
C A G G T G G A GNormalC A G G TA G A G

c.768 G>AGlnValGlu

異常Splice Donor Siteは45bpのTruncationを起こす
Exon 3

Exon 4

Exon 5

Primer F

Primer R

Mutant splice (45-bp deletion)

RT-PCR

Band U 正常スプライスによるPCR product

250bp

200bp

Ctrl II-10 IV-3 IV-4４、多因子疾患のゲノム解析とマルチオミックス解析、個別化医療に向けてBand L 変異による異常スプライスによるPCR productて、同一の遺伝子変異でこのように浸透率が大きくバラつくのには何が別の要因があると考えた。当時、日本の留学中は集団遺伝学と家系解析の両方を行ったが、家理化学研究所の田中、尾崎らが心筋梗塞患者に用いたゲ系解析では1人1人を非常に詳しく観察する。上記のノムワイド関連解析(Genome-wide association study:遺伝子変異の家系では同じ遺伝子変異を持つのに片GWAS)が、家系解析では同定されないような効果が小さや40歳で突然死、片や70歳まで普通に生活しているといいが一般人口での割合が大きい、いわゆるcommonう異質性を見る機会があり、その差を非常に疑問に思っvariantを同定する手法として確立されていた。そこでた。メンデル遺伝病の遺伝子変異には、どの程度発症すcommom variantがメンデル遺伝病を引き起こすrareるかどうかを指す単語として“浸透率”というものがある

variantとは別に、疾患の多様性を規定しているのではなが、これは個々の遺伝子変異に当てはめられるものであっいかと考えた。そのため留学後、GWAS研究のメッカで3

日本心不全学会あった理化学研究所に異動し、common variantに軸足をの病態生理への新たな示唆を与えた。この研究は、日本移し研究を開始した。

人における心房細動感受性遺伝子の同定と、その機能的当時はcommon disease - common variant仮説から、GWASの対象として家族性の明らかではない“ありふれた”

意義の解明を行った点で、心房細動の病態理解と新規治療法開発に大きく貢献したと考えられる8）。

循環器疾患、つまり遺伝要因と環境要因が複雑に絡み合

次に冠動脈疾患において日本人16万8千人を対象としう循環器多因子疾患である、冠動脈疾患、心房細動、心た大規模GWASと全ゲノムシークエンスデータの統合解不全などをターゲットに研究を開始した。先ず心房細動析9）により、rare variantを含む8つの新規冠動脈疾患感受において、日本人8,180例の心房細動患者を対象とした大性遺伝子座を発見した。また日本人と欧米人のデータを規模GWASにより、6つの新規心房細動感受性遺伝子座統合した民族横断的メタ解析を実施し、35の新規遺伝子(、座を同定した。日本人と欧米人の両集団を解析したこと)を同定した。同定された遺伝子座のうち、で、人種間の遺伝的違いを考慮した包括的な理解が可能（イオンチャネル遺伝子で不整脈との関連が知られになった。そして、メタ解析結果から日本人に特化した、、、、（心筋分化に関与する転写因子をコード）、多遺伝子リスクスコアを作成した。このスコアにより、（心筋細胞の構造タンパク質をコード）は心房細動の臨床パラメータの中から冠動脈疾患のリスク因子を特定ている）、発症に直接関与する可能性が示唆された。また、でき（図３）、長期的な心血管死亡リスクの層別化が可能ととなった。このような高精度な多遺伝子リスクスコアには軸索ガイダンスに関与しており、心房細動図 3 . 臨床パラメータとゲノム要因を関連づけることにより、個人個人の冠動脈疾患のリスク因子を同定できるようになる
クラスター１ 炎症

クラスター４ 血圧

クラスター２ 糖尿病

クラスター５ BMI

クラスター３ LDL−C

クラスター６ 中性脂肪4

eLetter 2024年夏号

より、個人の冠動脈疾患リスクを正確に評価でき、高環器疾患の個別化予防医療に大きく貢献することが期リスク者への予防介入や個別化された治療法の開発に待される。

つながる。

このようにGWASによるcommon variant解析は、疾しかしながらゲノムと臨床情報だけでは、疾患発症患の遺伝的基盤の網羅的解明に貢献するだけでなく、へと至るセントラルドグマの過程の両端を見ているだ

他のオミックス情報との統合によって単一オミックスけで、その詳細なメカニズムまでたどり着けない。そでは明らかにできないメカニズムやキー遺伝子の同定

こで私たちはゲノム解析に他のオミックス層の情報をが可能となる。加えて、rare variantに比して疾患のバ積極的に取り入れる研究も展開した。具体的に、心房イオマーカ―としての有用性が低かったcommon細動において東アジア人と欧米人の大規模ゲノムワイvariantが多遺伝子リスクスコアという形で疾患発症リド関連解析(GWAS)データを統合した多民族メタ解析をスクを予測し加えてその応用可能性を日本人で示した

実施し、心房細動に関連する新規の感受性遺伝子変異

ことは、今後の日本でのゲノム情報を用いた精密医療を多数同定した。それらを他のオミックス情報と統合実現に道筋をつけたと考える。これ以外にも、人工知し、心筋細胞の電気的リモデリングや線維化などの病能を用いて心臓MRIから右心系パラメータを精密に取。またメタ解析の結果り出してGWASを行い、その結果作られた多遺伝子リスから日本人にテーラーメイドされた心房細動多遺伝子

クスコアが拡張型心筋症の発症を層別化しうることをリスクスコアを構築し、心血管疾患や脳卒中死のリス示したのは、リスクとなるcommon variantの集積がメクを高精度に予測可能であることを示した。この研究

ンデル遺伝病発症の個々人の浸透率に影響しているこは、心房細動の発症メカニズムの解明と、個人の合併とを示す貴重な結果であると思われた11）。

態メカニズムを明らかにした10）症を含むリスク予測の可能性を示した点において、循

５、近くて遠いゲノム医療の実現という指摘を受けている12,13）。特に前向きの介入研究が多遺伝子リスクスコアについては疾患リスクを発症前皆無であり、たとえば疾患発症前に心房細動の多遺伝子に予測できることから精密医療、特に先制医療の分野にリスクスコアが高く抗凝固薬を内服した場合に、心原生おいて世界的に実用化が期待されている。一方、2022

脳梗塞予防のベネフィットが大きいのか、出血合併症の年アメリカ心臓協会の公式ステートメント、2023年米デメリットが大きいのかなど判断する根拠となるエビデ国臨床遺伝学会からのステートメント等、多遺伝子リスンスはない。そのため私たちも国内外の多くのコホート

クスコアは実際の臨床プロトコルに組み込むためにはエと協力して、多遺伝子リスクスコアの有効性を示すエビビデンスや運用のロジスティクスがまだ成熟していないデンスを構築できるよう努めている。

６、おわりに畏怖である。Nが少なく統計的根拠がなく全くの私見に本文では触れなかったが、ゲノムを軸としたマルチオなるが、1人1人のゲノムデータを詳しくみていると思いミックス解析以外にも、ヒトから大量に観測されるデーがけず重大なgenetic variantを発見することがある。そしタを意味のあるものにするための、人工知能に関する研て、このようなvariantは先天性疾患以降も若年での突然究等も積極的に行っている14）。ただ、このような研究を死や、中年〜壮年、そして最後の瞬間の死に方も規定し通じて感じるところは、ゲノムの多様性がヒトの自然歴ているのではないか（図４）と疑うことがある。私は、こを私たちの想像以上に規定しているのではないかというのような異常をもち、予め分かっていれば対処し助かっ5

日本心不全学会たかもしれない患者様が、知らずに訳も分からず亡くなる、というのが許せない。そのため、今後も全身全霊を持って、このような理由で人生を翻弄される患者様の運命をよい方向に変えたい強く願いながら、研究に継続して打ち込みたい。

図4 . ゲノムは基底に存在する疾患リスクであり、人間の自然歴を私たちの想像以上に規定しているかもしれない

環境・生活習慣リスク
遺伝的リスク

先天性心疾患塞、心不全、心筋症、致死性不整脈、心アミロイドーシス（家族性）

心アミロイドーシス（非家族性）

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