1 ゲノム時代の分子病態学
ヒトゲノム

エクソン
（1.3％）◆まとめ
1．ヒトゲノムはハプロイドあたり約 30 億塩基対からなり，約 2 万種類のタンパク質をコード繰り返し配列（>50％）する遺伝子を含む．
2．ゲノム・エピゲノムの遺伝的多型はさまざま

図 1-1

な疾患の発症素因に関わると考えられる．

イントロン
（26％）

ヒトゲノムの構造

ヒトゲノムはハプロイドあたり約 30 億塩基対からなり，3．ゲノム・エピゲノムの後天的変異はがんの本繰り返し配列が過半数を占める．産生されるタンパクのア質的な発症機構であり，その解明と新たな治ミノ酸配列を規定するエクソン領域は全体のわずか 1.3％療薬開発が加速している．

程に過ぎない．

4．疾患に関連するゲノム・エピゲノム情報の解明によって疾患分類自体が大きな変革を遂げいる．

るとともに，臨床の場におけるゲノム・エピゲ

たとえば近年，細胞内タンパク質を制御する機能ユノム分子診断が重要となる．

ニットとしての短い RNA に着目が集まり，約 22-26
塩基の microRNA（miRNA）がさまざまな PCG mRNAの翻訳制御をしていること，また miRNA 自体が現在A．ヒトゲノムの俯瞰図も進化・拡大している機能ユニットであることが明ら

ヒトゲノムは一体細胞あたり 1 番染色体から 22 番かになった．たとえば miRBase（http: ／／www.mir

染色体までが 2 ペアおよび性染色体が 2 本（男性はbase.org／index.shtml）の Release 19 では計 2,042 種類

XY，女性は YY）の計 46 本の染色体からなる．ハプロの miRNA がヒトで発現していることが報告されていイドあたりの総塩基数は約 30 億（3 Gbp）に及ぶが，る．また miRNA 以外にも piRNA などのさまざまな機その過半数は SINE，LINE などの繰り返し配列からな能性 short noncoding RNA が同定されている．

り，これらの機能的意義はまだ明らかになっていない．

さらにこうした低分子 RNA のみならず，long non-

実際にタンパク質をコードするエクソン領域はゲノムcoding RNA（lncRNA）も機能的意義がありそうである．

中のわずか 1.3％に過ぎず，イントロン領域を加えてたとえば lncRNA が染色体上の特定の部位にクロマチもタンパク質をコードする遺伝子 protein-coding gene

ン制御因子をリクルートしたり，染色体の高次構造を（PCG）がゲノム全体で占める割合は 1／4 程度である

1)

制御していることがわかってきた ．さらに驚くべき（図 1-1）．PCG の総数はデータベースによって異なっことにヒトゲノム全体の約 75％が何らかの形で転写て お り，最 新 の ENCODE（Encyclopedia of DNAされていることが明らかになったのである ．こうしElements）プ ロ ジ ェ ク ト で は ヒ ト の PCG 総 数 はて，我々のゲノムは PCG 以外にもさまざまな機能ユ20,687 と予想されている ．

ニットが次々と存在することが明らかになっており，

2)

3)

2)

かつては「遺伝子」という概念は「ゲノム中のタンタンパク質を中心とした遺伝情報の考え方はおそらくパク質をコードする単位」として定義されていた．す近未来に大きな変革を迎えるであろう．しかし本稿でなわち 1 種類のタンパク質をコードするエクソン＋イは，現在の疾患ゲノム解析の主体である PCG を中心ントロン領域と，それに隣接する転写調節領域（プロとして，ゲノム時代の病態理解の変化について議論すモーター，エンハンサー）などを含めて遺伝子と呼ばる．

れていた．つまりゲノム中の遺伝情報の担い手はあくまでタンパクを作るユニットと考えられていたのである．しかしこのような遺伝子の理解は再考を迫られてB．ゲノム変異と疾患病態
ゲノム・エピゲノム変化（異常）と疾患の関わりを

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1．ゲノム時代の分子病態学

3

ゲノム変異

塩基置換・挿入・欠失. . CGGATAC . .
. . CGGATTC . .

遺伝子の増幅・欠失

ヒストン

染色体再構成MYCN MYCN MYCN

CH3
DNA メチル化

染色体リモデリング
因子の変化

ヒストン修飾変化

エピゲノム変異
図 1-2ゲノム・エピゲノム変異

ゲノム・エピゲノムの変異・多型はさまざまなレベルに及ぶ．たとえば一塩基置換あるいは一塩基のメチル化から，染色体全体の再構成などさまざまな変異・多型が健常者あるいは疾患で生じている．

考える場合，それら変化が生殖細胞系列に生じて遺伝られる生活習慣病は高頻度に存在する SNP に起因す的バックグラウンドとして働いているのか（たとえばるという「common disease，common variant 仮説」に生活習慣病の罹患素因），あるいは後天的に生じた体基づき，これまでアレル頻度の高い（集団の 1％以上細胞変異として疾患発症に寄与するのか（たとえば発に存在する）SNP に関する解析が大規模になされてきがんのドライバー変異）を常に区別して評価する必要た．実際，糖尿病において人種固有あるいは人種を越がある．

えて存在する罹患関連 SNP が同定されてきたが，数ゲノムの先天的・後天的変化は多岐に及ぶが（図 1-千例という大規模な SNP 解析を行っても，SNP によ2），たとえば一塩基の置換が正常範囲の多型として遺る寄与率で説明可能な 2 型糖尿病は 1 割に満たない．

伝的に受け継がれるものは一塩基多型 single nucleo-

したがって近年は，アレル頻度の低い稀な SNP が生

tide polymorphism（SNP）と呼ばれ，各個人ゲノムにお活習慣病発症に重要な役割を果たすのではないかと考いて数百塩基対毎に存在すると予想されている．つまえらるようになり ，次世代シーケンサーを用いた全りハプロイドあたり数百万から 1 千万種類ほどのゲノム解析による生活習慣病リスク多型の同定が試み

SNP が存在しており，個人間の SNP の共通性は血縁られている．

4)（進化の過程での分岐）の近さのバロメーターになる

また一塩基多型・変異のみならず，数塩基の挿入・と考えられる．さらに，たとえば EGFR 阻害薬である欠失もしばしば認められ，たとえば CAG 配列のリ

gefitinib による重症間質性肺炎がアジアの中でも特にピート数が異常に多くなると発症する疾患として，日本にだけ多いことなどは，日本人の一部に固有の間

Huntington 舞踏病，脆弱 X 症候群，Friedreich 失調症，質性肺炎罹患関連 SNP があることを示唆していると筋緊張性ジストロフィーなどが知られている．

いえる．

こうした塩基置換・挿入・欠失が，後天的に一部の医療福祉を考えた場合，SNP の生活習慣病における細胞にのみ生じる例として最も重要なものは腫瘍であ

意義は大きい．高血圧や糖尿病などの生活習慣病に家る．がん細胞ゲノムを解析すると，多くの場合数万種族集積性が強いことから，これら生活習慣病は遺伝的類の体細胞変異がみつかり，そのうちアミノ酸置換をバッググラウンドの上に特定の生活嗜好（過食，塩分もたらすものは数百種類であることが多い．この中に過摂取など）が重なると高頻度に発症すると考えられは変異の結果発がん能を獲得する遺伝子が生じることており，その遺伝的バッググラウンドとして SNP ががあり，たとえば低分子量 G タンパク質である RAS大きな役割を果たすと予想されている．高頻度に認めファミリー（KRAS／HRAS／NRAS）の活性型アミノ酸498-00848

4I．分子病態学の新しい展開

置換は，ヒト悪性腫瘍で最も高頻度にみつかる発がん

またゲノムは H2A／H2B／H3／H4 からなるコアヒス原因分子である．また EGFR キナーゼにおいてはイトンの周りを一周してコンパクトな構造を維持していンフレームな塩基欠失の結果，数アミノ酸が取り除かる．ヒストン（特に H3，H4）はしばしばアセチル化，れ，その結果 EGFR の酵素活性が恒常的に上昇して肺メチル化，リン酸化などの修飾を受け，その結果ゲノがん発症を導くことが明らかになっている．さらには

ム DNA の高次構造を変化させる．たとえばヒストン

遺伝子増幅・欠失もがん細胞でしばしば認められ，直のアセチル化は DNA のヒストンからの遊離を促し，接発がんに寄与する遺伝子増幅として神経芽腫におけ転写の促進をもたらす．一方ヒストンのメチル化は，る MYCN，乳がんにおける ERBB2 が知られている．

メチル化されるアミノ酸の部位によって転写の促進あ染色体の部分的な増幅・欠失，染色体再構成さらにるいは抑制のどちらも誘導可能なことが知られる．ヒ

異数性などは，先天的変化としても，あるいは後天的ストンメチル化酵素である MLL がさまざまな白血病異常としても観察される．我々のゲノムには予想外にで異常融合タンパク質となっていること，ヒストン脱コピー数多型が多い（全ゲノムの約 1 割の領域）ことメチル化酵素である KDM5C が腎臓がんでしばしばが発見され ，その生活習慣病あるいは精神疾患へのアミノ酸置換を有することなどは，ヒストン修飾が発関連が示唆されている．また先天的な染色体異数性とがんにいかに重要かを物語っている．また ATP 依存5)

しては 21 番染色体が 3 本存在する Down 症候群，性性に染色体の高次構造を制御するタンパク質群をリモ染色体が XXY となる Klinefelter 症候群などが有名でデリング因子と呼び，たとえば SWI／SNF 複合体のメある．

ンバーの異常が多くのがん種で発見されている．

一方こうした染色体の構造異常はがん細胞において一方こうしたエピジェネティック変化の生活習慣病しばしば認められる．染色体の短腕・長腕全体あるいにおける意義はまだ十分には解析されていない．しかはその一部の欠失・増幅は極めて多くのがんで認めらし妊婦の低栄養（あるいは過剰栄養）が胎児のエピゲれており，たとえば 5q 欠失症候群のように，骨髄異形ノムに影響を与え，出生後の糖尿病発症率を有意に上成症候群内の特定のサブグループを形成するものもあ昇させることなどは今後の重要なテーマであろう ．
6)る．さらに 9 番染色体と 22 番染色体の相互転座 t(9;22）により生じる BCR-ABL1 融合遺伝子，2 番染色体D．医療の革新

内の微小逆位 inv(2)(p21p23）による EML4-ALK 融合

こうしたゲノム・エピゲノム解析は，我々の疾患病遺伝子のように転座点が発がんの直接的な原因となる態の理解を変えるだけでなく，疾患の診断法・治療法ものも報告されている．にも変革をもたらすであろう．特に変異あたりの疾患寄与率が大きいがんの場合，遺伝子変異の解明はがんC．エピゲノム異常と疾患病態の分類自体も変えると予想される．

ゲノムの配列に直接変化を与えないが，細胞分裂を遺 伝 的 素 因 と し て の 多 型 に つ い て も，た と え ば超えてゲノムの転写制御を司るシステムをエピゲノム

CYP2C9 遺伝子と VKORC1 遺伝子の SNP によってと呼び，それを解析する手法をエピゲノミクスと呼ぶ．

ワーファリンの代謝率に変化が生じ，血中濃度に影響

具体的なエピゲノム制御機構は多岐にわたり（図 1-が 出 る こ と が 明 ら か に な っ た．こ れ ら を 受 け て

2），ゲノム中の CpG 配列にメチル基が付与されるこCYP2C9 と VKORC1 の SNP によってワーファリン投とはよく知られている．この DNA メチル化はほとん

与量を調整することが推奨されている ．糖尿病ある

どの場合遺伝子発現の抑制をもたらす．ヒトゲノム中いは他の生活習慣病において，治療への介入が推奨さ

7)で CpG 配列が密集している領域を CpG アイランドとれるに至った SNP はまだないが，次世代シークエン呼ぶが，遺伝子のプロモーター領域に多く存在するこサーを用いた低アレル頻度 SNP の大規模解析の結果，とが知られる．がんにおいては CpG アイランドのメ寄与率の大きな罹患関連 SNP が発見されれば，生活チル化が亢進し，がん抑制遺伝子の発現低下がしばし習慣への介入なども現実のものになるであろう．ただば認められるとともに，CpG アイランド以外のゲノムしそのような SNP は個人の重要な遺伝情報であるのの脱メチル化が亢進し，染色体の不安定性を誘導するで，SNP 情報の秘匿性を担保する法的整備も喫緊の課と考えられている．

題である．

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1．ゲノム時代の分子病態学

5

がんの診断・治療については，既にゲノム情報に基約 2 万種類の PCG があるが，その中で実際の発がんづく治療介入が広く行われはじめている．これまでのに寄与するものは数百個であろう．これら全てについように，肺がんや胃がんという発症臓器（およびそのてがん化変異が存在するかをまず検討し，その結果に病理型）に基づく治療選択から，「どのような発がん分基づいて治療薬が選択される時代になると予想され子によって発症しているか」に基づく治療法選択へとる．また既にこのようなアプローチを商業ベースで実パラダイムシフトが生じている ．たとえば 2012 年

施して成功している会社もある（http: ／／www.foundaの米国におけるがん治療ガイドラインでは，（1）肺がtionmedicine.com／index.php）．ゲノム情報に基づく病んについてはまず EGFR 変異と EML4-ALK 融合遺伝態の理解は，我々の疾患概念を変え，患者の診断・治子の有無を検査すること，そして（2）何れかが陽性で療の在り方を大きく様変わりさせているのだ．

8)

あればそれぞれに対応するキナーゼ阻害薬治療を第一
選 択 と す る こ と，が 明 記 さ れ て い る（NationalComprehensive Cancer Network: http: ／／www.nccn.org／index.asp）．
同様に白血病のうち BCR-ABL1 融合遺伝子陽性サブ タ イ プ に 対 し て の み ABL1 阻 害 薬 は 利 用 さ れ，RARA 遺伝子融合型白血病に対してのみオールトランスレチノイン酸治療が選択される．こうして発がん原因に基づく薬剤選択が現実のものになり，その傾向は，発がん原因がさらに解明されるにつれ，より加速して行くであろう．
またこのような流れは，疾患のゲノム・エピゲノム診断の重要性をさらに増すことになる．たとえば近未来のがん医療においては，どのようながん種であっても最初の診断時に，少なくとも治療薬が存在する（あるいは臨床試験が行われている）標的分子の全てについてゲノム解析がなされるであろう．ヒトゲノムには498-00848■文献1) International Human Genome Sequencing Consortium.
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2) Pennisi E. Genomics. ENCODE project writes eulogy forjunk DNA. Science. 2012; 337: 1159, 61.
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＜間野博行＞

2 ゲノミクスと病態解析
RNA の発現パターンを観察することができれば，よ◆まとめ

り正確な細胞の状態を理解することができ，ひいては，1．機能ゲノム科学の進歩は，癌などの生活習慣癌などの生活習慣病の診断，予防へつなげることが期

病の診断，治療，予防に新たなツールをオーダーメイドに提供しつつある．
2．新世代高密度化マイクロアレイ解析は，病態解析に有用である．

待されている．
マイクロアレイ技術は，発現アレイ，一塩基多型（SNP）解析，comparative genomic hybridization（CGH）など，その目的に応じて使い分けられ応用されてきてい る．発 現 解 析 に 使 用 す る マ イ ク ロ ア レ イ に は，ヒトゲノム全 DNA 配列の解読が完了後，世界の研cDNA だけでなく 20〜120 mer のオリゴヌクレオチド究者の関心は構造（塩基配列）からゲノムに記されてをプローブ DNA としてスポットするタイプがある．

いる情報（遺伝子の機能）の読解（機能ゲノム科学

Affymetrix 社から提供されているものは後者によるもfunctional genomics）へと，すでにポストゲノム（シーので，我々も主に発現解析に利用してきた．すべてのクエンス）時代へ突入している．このヒトゲノム計画

遺伝子断片が 1 枚のガラス板上に固定されており，こによって大きく進展が期待されるのは，ヒトの病気ののプローブと呼ばれる遺伝子断片と，ターゲットと呼原因解明・診断・治療といった医療分野である．ヒトばれる mRNA を逆転写酵素で相補的 DNA（cDNA）にゲノム計画の成果により，診断から使用する薬の製造変換したものをハイブリダイゼーションすることにまでのすべての過程は大きく影響を受け，近い将来によって，細胞や組織内で発現している遺伝子情報を網は�ありふれた生活習慣病�に対しても個々の患者の羅的に検出することが可能となっている（図 1-3)

．

1−3)

遺伝的体質に合わせた処方，治療計画がなされる，いAffymetrix 社の GeneChip とスタンフォード大学のわゆるオーダーメイド医療が提供される可能性が高Brown 研究室が開発した cDNA マイクロアレイの 2まっている．さらには，それら疾患を予防するためのつの方式が主に使用されている．GeneChip は数十万オーダーメイド予防対策が提供されてくると考えられ個のオリゴヌクレオチドプローブをフォトリソグラる．ゲノム塩基配列の変化によらない遺伝子発現の調フィ技術と固相反応化学技術を使用して，基板上で節機構をエピジェネティックな制御と呼ぶが，この領20〜25 mer のオリゴヌクレオチドを人工的に合成す域はポストゲノム研究として注目を集めている．さらることにより作製される．このオリゴヌクレオチドに，RNAi や non-coding RNA など，遺伝子発現を制御は，あらかじめ遺伝子の特異的な塩基配列を特定するする機能をそなえた新たな RNA が数多く発見されてためにコンピューターを用いて位置や長さなどがデザきている．本稿では，分子病態学におけるゲノミクスインされている．特に，特定遺伝子と完全に相補的にの最前線ともいえる DNA チップ・マイクロアレイ技なるようにデザインされたプローブパーフェクトマッ

術の応用を中心に解説する．

チ（PM）だけでなく，ミスマッチ（MM）と呼ばれる非特異的な塩基配列もプローブとして配置することにA．マイクロアレイ技術と種類

よって，非特異的なクロスハイブリダイゼーションのDNA から読み取られ，タンパク質合成の鋳型となっ定量値をシグナル値から減算でき，定量性を向上させている RNA はヒト遺伝子では 3 万〜4 万種と考えらていることも大きな特徴である．たとえば，GeneChipれている．その RNA のなかから，発現する RNA の組

Human Gene ST Array では mRNA と遺伝子間の長いみ合わせや，それらの発現量の違いによって，組織，非コード RNA（lincRNA）の両方の転写産物を測定す

細胞に特異的な RNA の発現パターンが現れ，それがるためのプローブを含む全転写産物アレイとしてデザ種々の病気に罹患することで，健常時とは異なる発現インされている．このような全転写産物をカバーするパターンを示すようになる．つまり，3 万〜4 万個のアレイデザインにより，mRNA の完全な発現プロファ498-00848