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日本生物学的精神医学会誌 32 巻 2 号（2021）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.32, No.2, 2021

特集 1

精神疾患の網羅的ゲノム解析〜課題と展望

1 ．精神疾患のエピジェネティクス研究〜双極性障害死後脳の DNA メチル化解析から
岩本

和也 ，文東1）

美紀 ，加藤1）

忠史

2）

抄録：筆者らは，双極性障害患者前頭葉試料について，MBD2B を利用した DNA メチル化解析により，神経細胞および非神経細胞におけるメチル化差異を示すゲノム領域を同定した。両細胞種ともプロモーター領域は全体的な低メチル化を示し，神経細胞では遺伝子特異的な高メチル化が認められた。遺伝子特異的な高メチル化の背景には DNMT3B の発現が背景にあると考えられた。また気分安定薬は死後脳と逆方向へメチル化変化を示すこと，双極性障害の GWAS 領域に有意に集積していることを示した。
日本生物学的精神医学会誌 32（2）：64‑67, 2021
Key words：DNA methylation，bipolar disorder，epigenetics，GWAS
疫学研究の結果などから，双極性障害や統合失調症など主要な精神疾患は，遺伝要因と環境要因の複雑な相互作用が発症に関与していると考えられている。遺伝要因については，近年の大規模なゲノムワイド関連解析により，odds ratio が 1.1 〜 1.3 程度の小さな要因が複数関与している polygenic な疾患19）であることが示されている 。またコピー数多型（copy number variation：CNV）解析やレアバリアン
ト解析により odds ratio が大きな遺伝要因は患者集団での頻度が非常にまれであることが示されている。主要な精神疾患の genetic landscape はこのように徐々に明らかにされつつあるものの，疫学研究で示されているような高い遺伝率については現在の飾について，筆者らの双極性障害患者死後脳での研4）究成果 をもとに紹介する。

精後に生じる体細胞変異やエピゲノム修飾が累積し16，17）。これらは環病因に関与していると考えている

エピジェネティクスとは，DNA の配列変化によらない遺伝子発現を制御・伝達するシステムおよびその学術分野のことであり，主なメカニズムとしてDNA メチル化やヒストン修飾がある。双極性障害
患者死後脳では，BDNF，COMT や SLC6A4 といっ
7）た候補遺伝子についての解析がなされてきた 。網羅的解析では，小脳を用いて遺伝子発現と関連し
5）
た DNA メ チ ル 化 変 化 の 同 定 ， 海 馬 に お け る
6）epigenetic age の加速 ，TGFB2 の高メチル化に関1）連 し た laterality の 喪 失 ， 前 頭 葉 と 側 頭 葉 で の8）
DNA メチル化バランスの異常 などが報告されている。脳組織は多種多様な細胞種で構成されており細胞種特異的な解析の重要性が，筆者らの成果を含10）めて明らかにされている 。これまで，TH レベル
18）に関連した IGF2 エンハンサーの脱メチル化 が神境要因によって影響を受けることが知られており，遺伝・環境相互作用の分子メカニズムとしても捉え経細胞核で報告されている。
筆者らは，米国スタンレー財団から提供された死ることができるであろう。本稿では，エピゲノム修後脳前頭葉試料を用いたオミックス解析を行ってきゲノム研究だけでの説明は困難であることも予想されている。筆者らは，個々の遺伝的背景に加え，受Epigenetic studies in psychiatric disorders ─ lessons from DNA methylation analysis of postmortem brains of patients with bipolar
disorder1）熊本大学大学院生命科学研究部 分子脳科学講座（〒 860-8556 熊本市中央区本荘 1-1-1）Kazuya Iwamoto, Miki Bundo：Department of Molecular Brain Science, Graduate School of Medical Sciences, Kumamoto University. 1-1-1 Honjo, Chuo-ku,Kumamoto 860-8556, Japan2） 順 天 堂 大 学 大 学 院 医 学 研 究 科 精 神・ 行 動 科 学（ 〒 113-8421 東 京 都 文 京 区 本 郷 2-1-1）Tadafumi Kato：Department ofPsychiatry & Behavioral Science, Juntendo University. 2-1-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8421, Japan【岩本 和也 E ─ mail：iwamotok@kumamoto-u.ac.jp】

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た。今回，神経細胞マーカー NeuN に対する蛍光3）標識抗体を用いた神経細胞核の単離を行い ，神経細胞核および非神経細胞核において網羅的 DNA メを達成する分子メカニズムについては不明であるが，約 10 種類の DNA メチル化関連遺伝子の発現量を測定したところ，患者死後脳では DNMT3B の発チ ル 化 解 析 を 実 施 し た。DNA メ チ ル 化 解 析 は，MBD2B により高度にメチル化された DNA 断片を濃縮する手法を用いた。本手法は Chip-seq に類似現上昇を認めた。DNMT3B はストレスにより神経
13）細胞で発現が誘導されることが報告されており ，した手法であり，ゴールドスタンダードであるバイサルファイト（bisulfite modification：BS）変換を介する解析手法と比較し，解像度および定量性におられた。
気分安定薬や抗精神病薬は，DNA メチル化状態に影響を与えることが知られている。そこで気分安いて劣っている。しかし，メチル化シトシンに特異的に結合し，他のシトシン修飾産物であるハイドロキ シ メ チ ル シ ト シ ン（hydroxymethylcytosine：11）hmC）には結合しない ことから，メチルシトシン
2）
特異的なプロファイルを得ることができる 。BS定薬であるリチウム，バルプロ酸，カルバマゼピン
について血中有効濃度の下限と上限値の両方の濃度で神経系細胞株を培養し，DNA メチル化状態を調変換ではメチルシトシンと hmC の区別ができない
こと，神経細胞では特に hmC が濃縮されることか12）
ら ，本手法は神経細胞でのメチル化状態を明らかにするのに特に効果を発揮すると期待される。
解析の結果，高度にメチル化されたプロモーターの総数が患者神経細胞・非神経細胞ともに健常者と比較して減少しており，全体的な低メチル化状態（global hypomethylation）にあることを見いだした。
メチル化変化が生じているゲノム領域（differentiallymethylated region：DMR） を 同 定 し た と こ ろ，
DMR はゲノム中に偏りなく散在しており，神経細胞と非神経細胞での共通点は 23 〜 44％程度であり，多くは細胞種特異的な DMR であった。DMR 近傍の遺伝子について Gene Ontology 解析を行ったところ，神経細胞では KIF 遺伝子群を中心とする分子モーターの低メチル化，非神経細胞ではイオンチャネルや神経伝達物質受容体，トランスポーター遺伝子群の低メチル下が認められた。しかし，特に神経細胞では，growth cone や synapse 関連遺伝子群など神経機能に重要な遺伝子の高メチル化が認められ，BDNF 受容体である NTRK2（TrkB）や NMDA受容体サブニット（GRIN1）などが含まれていた。
以上より，双極性障害患者前頭葉では，プロモーター領域における全体的な低メチル化と神経細胞での遺伝子特異的な高メチル化が，DNA メチル化変化の実体を構成していると考えられた。全体的な低メチル化は，血液試料において主要な精神疾患でしばしば報告されている。筆者らも双極性障害および統合失調症末梢血における低メチル化を同定し，メチル基ドナーとして働くベタイン量の低下と関連し15）ていることを報告した 。同様の現象が死後脳での低メチル化の背景にあるかは興味深いところである。一方，神経細胞での遺伝子特異的な高メチル化遺伝子特異的高メチル化に関与しているものと考えべた。その結果，死後脳で同定した DMR の約 30％が投薬による DMR とオーバーラップすることを認めた。オーバーラップした DMR について DNA メチル化変化の方向を調べてみると，患者試料と細胞株では有意に逆方向に変化していることを見いだした。質の異なる実験系であるため，単純な解釈には注意が必要であるが，気分安定薬にはエピジェネティックな状態を正常化するような作用があることが示唆された。
また，筆者らが同定した神経細胞での DMR，非神経細胞での DMR と，これまで報告された精神疾 患 の ゲ ノ ム ワ イ ド 関 連 解 析（genom wideassociation：GWAS）との比較を行ったところ，神経細胞 DMR が双極性障害の GWAS で報告された
14）
ゲノム領域 に有意に集積していることを認めた。
9）
集積はうつ病の GWAS 領域 では認められず，統19）合失調症 GWAS 領域 では，むしろ減少している傾向を認めた。これらの結果より，GWAS で同定された双極性障害の遺伝的リスクは，双極性障害患者の神経細胞において，エピジェネティックな変化が生じている遺伝子に多いことが示唆された。また，
統合失調症 GWAS 領域での減少については，統合失調症の遺伝的リスクは，初期神経発生で必要な遺伝子群に多く存在する，といったことが解釈として考えられた。
以上のような知見は，神経細胞でのメチル化シトシンに特化した解析を行った結果，はじめて得ることができたものである。今後は，緻密な記述的解析とともに，DNA メチル化状態の操作などにより因果関係を積極的に検証するような研究が必要であると考えられる。
本論文に記載した筆者らの研究に関してすべて倫理的配慮を行っている。開示すべき利益相反は存在しない。

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■ ABSTRACT
Epigenetic studies in psychiatric disorders ─ lessons from DNA methylation analysis of postmortem brains ofpatients with bipolar disorder

Kazuya Iwamoto ，Miki Bundo ，Tadafumi Kato
1）

1）

2）

1） Department of Molecular Brain Science, Graduate School of Medical Sciences, Kumamoto University2） Department of Psychiatry and Behavioral Science, Graduate School of Medicine, Juntendo University
The authors identified DMRs（differentially methylated regions）in neurons and non-neurons by DNA methylation
analysis using MBD2B in frontal lobe samples of patients with bipolar disorder. In both cell types, the promoter region
showed global hypomethylation, and gene-specific hypermethylation was observed in neurons. The background of genespecific hypermethylation was considered to be the increased expression of DNMT3B. We also showed that moodstabilizers showed methylation changes in the opposite direction to the postmor tem brain, and that DMRs weresignificantly accumulated in the GWAS region of bipolar disorder.
（Japanese Journal of Biological Psychiatry 32（2）：64 ─ 67, 2021）