日本生物学的精神医学会誌 35 巻 2 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.2, 2024

特集73

単一モダリティの大規模データを起点とした階層性データベース構築の意義

3 ．統合失調症における網羅的 DNA メチル化データの利用について
池亀

天平 ，岩本1）

和也2）

抄録：統合失調症の発症には遺伝と環境の複雑な相互作用が関係していると考えられている。エピジェ
ネティクスは環境因子の影響を分子レベルで解析する手法であり，精神疾患分野では DNA メチル化に関する解析が盛んである。疾患の生物学的知見を基にした候補遺伝子解析に加え，疾患の多因子性を踏まえた網羅的 DNA メチル化解析も広く行われ，神経系遺伝子以外にも免疫や炎症にかかわる遺伝子群のメチル化変化が報告されている。大規模に集積された DNA メチル化データは，精神疾患のバイオマーカーとしての可能性を示すエピジェネティッククロックや機械学習アプローチによる疾患予測アルゴリズムの開発へと進展している。本稿ではこれら一連の研究を概説する。
日本生物学的精神医学会誌 35（2）：73‑77, 2024
Key words：epigenetics，DNA methylation，methylome‑wide association study，epigenetic clock

1．精神疾患のゲノム研究
マイクロアレイや次世代シークエンサーといったゲノム解析技術の発展により，さまざまなヒト疾患の遺伝的構造が明らかになってきている。統合失調症や双極性障害といった精神疾患は過去の疫学
研 究 か ら 遺 伝 率 の 高 い 疾 患 と 考 え ら れ て お り，Psychiatric Genomics Consortium（PGC） を 中 心に主要な精神疾患に対する数万〜数 10 万例に及ぶ
大 規 模 ゲ ノ ム ワ イ ド 関 連 解 析（genome‑wide23，29）。
association study：GWAS） が 行 わ れ て い る
しかし，報告された疾患リスク因子のオッズ比は 1.1〜 1.2 程度と低く，合算しても疫学研究より推定され る 高 い 遺 伝 率 と は 大 き な 乖 離 が 認 め ら れ る。
GWAS の結果から，精神疾患の多くは効果量の小さな複数の遺伝要因が関連する多因子性疾患であることが広く認識され，個人の遺伝的な疾患リスクを集約 的 に 推 定 す る ポ リ ジ ェ ニ ッ ク リ ス ク スコ ア（polygenic risk score：PRS） が 考 案 さ れ て い る。
PGC が行った統合失調症発症リスク評価では，PRSの上位 10％にある個体と下位 10％の個体間で統合失調症診断がされるオッズ比は最大 15.8 の高値を
29）
示し ，PRS による疾患リスク予測が精神医療分野に も 適 応 し 得 る 可 能 性 が 示 唆 さ れ た。 し か し，Zheutlin らによる臨床医療データを用いた同様の解析においてはオッズ比が最大 4.6 とリサーチレベルの結果より低く，患者 ‑ 健常者を高精度に識別可能34）にするほどではないことも報告されている 。
GWAS に加え，エクソーム解析や全ゲノム解析による，一般集団のなかでの頻度はまれだが効果量の大きいコピー数変異や de novo 変異の探索が進められているが，遺伝要因に限定した疾患研究だけでは将来的なゲノム医療の実現化は困難であると予想される。

2．エピジェネティクスと精神疾患
統合失調症や双極性障害の一卵性双生児の疾患一致率は約 70％程度とされ，高い遺伝的負因を示すものの，発症には環境要因の関与も示唆されている。

The utilization of comprehensive DNA methylation data in schizophrenia
1）東京大学大学院医学系研究科精神医学（〒 113‑8655 東京都文京区本郷 7‑3‑1 クリニカルリサーチセンター 1F）Tempei
Ikegame：Department of Neuropsychiatry, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo. Clinical Research Center 1F, 7‑3‑
1 Hongo, Bunkyo‑ku, Tokyo 113‑8655, Japan2）熊本大学大学院生命科学研究部 分子脳科学講座（〒 860‑8556 熊本県熊本市中央区本荘 1‑1‑1 基礎医学研究棟）Kazuya
Iwamoto：Department of Molecular Brain Science, Graduate School of Medical Sciences, Kumamoto University, Kumamoto, Japan.
Basic Research Building 7F, 1‑1‑1 Honjo, Chuo‑ku, Kumamoto 860‑8556, Japan【池亀 天平 E ─ mail：tempeiikegame@g.ecc.u‑tokyo.ac.jp】

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日本生物学的精神医学会誌 35 巻 2 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.2, 2024

エピジェネティクスは環境要因を分子レベルで説明する概念の一つであり，「塩基配列の変化を伴わずに，子孫や娘細胞に伝達される遺伝子発現調節機構」と定義されている。エピジェネティクスと精神疾患の関連が示唆される例として，自閉症様症状を主徴とするレット症候群（Rett syndrome）の発症に6）メチル化関連遺伝子の変異がかかわっていること ，バルプロ酸や抗精神病薬，電気けいれん療法などが3，5，9），動物モエピジェネティックに作用すること
デルにおいて養育環境に起因する行動異常と脳内の32）
エピゲノム状態の変動が連動していること ，などが挙げられる。精神疾患分野ではエピジェネティク
スの代表的システムの一つである DNA メチル化に関する研究がもっとも盛んに行われている。DNAメチル化は主に，シトシン塩基とグアニン塩基が連続している CpG 配列とよばれる部位の，シトシン塩基 5 位の炭素がメチル化修飾を受けている状態を指す。統合失調症患者や双極性障害患者の死後脳・末梢血・唾液などを用いた精神疾患候補遺伝
子解析からは，ドーパミン代謝酵素 catechole‑O‑methyltransferase（COMT ），γ‑ アミノ酪酸（gamma‑
aminobutyric acid：GABA） 合 成 酵 素 glutamate
decarboxylase1（GAD1），ドーパミン受容体遺伝子
dopamine receptor D2（DRD2），神経発達関連遺伝
子 reelin（RELN），電位依存性カリウムイオンチャン
ネル potassium voltage‑gated channel subfamily Q
member 3（KCNQ3），セロトニントランスポーター
遺伝子 solute carrier family 6 member 4（SLC6A4），その他多数の候補遺伝子でメチル化変化が報告され10，27）。ている
精神疾患の多因子性を踏まえた網羅的 DNA メチル 化 解 析（methylome‑wide association study：MWAS）も推進され，統合失調症患者を中心に 100例以上の死後脳や数 100 〜 1,000 例以上の末梢血を1，11，15，22，25，31）。網用いた大規模解析が行われている
羅的解析では通常多数の CpG を対象とするため｛DNA メチル化アレイでは数万〜数 10 万箇所，次世代シーケンシング（next‑genelation sequencing：NGS）では 1,000 万箇所以上｝，多重検定補正の点から統計的有意なメチル化変化の再現は容易ではな
いが，興味深いことに COMT や RELN などは候補遺伝子 DNA メチル化解析で得られた知見と重複し1，7）ている 。また，機能的アノテーション解析からは，死後脳と末梢血の両方の解析で神経炎症や免疫機能に関連する遺伝子群が繰り返し検出されており，このことは感染症や自己免疫疾患が統合失調症の危険因子であることを示唆する大規模疫学研究の結論とも一致している 。
2）

3．網羅的 DNA メチル化情報の利用
網羅的 DNA メチル化情報を利用し，生老病死に伴うさまざまな生命現象を予測する手法が考案されている。2013 年，Horvath らは臍帯血や胚性幹細胞（embryonic stem cell：ES 細胞）を含む 30 種類以上の細胞から得られた 8,000 以上の DNA メチル化アレイデータを数理的に解析し，353 箇所の CpGの メ チ ル 化 状 態 を 基 に 生 物 学 的 年 齢 予 測 法，
Horvathʼs clock とよばれるエピジェネティックク
13）
ロックを開発した 。Horvathʼs clock の開発以降，対象となる組織や CpG を絞ったさまざまなエピジェネティッククロックが提案されているが，その正確性と細胞種に依存しない汎用性の面からHorvathʼs clock が基準として広く利用されている。
Horvathʼs clock は正確な生物学的年齢予測が可能であるが，一方で炎症反応や血糖値といった臨床的機能変化指標との関連性は低く，同一年代の個人間で罹患率や死亡率のリスクを差別化するには不十分であることが指摘されている。Levine らは血液組織より見いだした 513 の CpG に加え，血中アルブ
ミ ン， ク レ ア チ ニ ン， 血 糖 値，c‑reactive protein（CRP），リンパ球割合，平均細胞体積，赤血球分布幅，アルカリフォスファターゼ，白血球数といった，身体状態を反映する表現型も取り入れたエピジェネ17）
ティッククロック PhenoAge を開発した 。この測定法は年齢推定の点では Horvathʼclock に劣るが，心臓血管疾患や免疫疾患などの疾患リスクと健康寿命の予測の点で優れている。また，喫煙習慣に関連する CpG を含む 1,030 の CpG に，プラスミノーゲン
活 性 化 イ ン ヒ ビ タ ー 1（plasminogen activatorinhibitor‑1：PAI‑1） や 成 長 分 化 因 子 15（growthand differentiation factor‑15：GDF‑15）といった血漿タンパク質推定値を加味したエピジェネティック
クロック GrimAge は，死亡リスクと老化関連疾患20）の発症リスクの推定に優れている 。
統合失調症における症例対照研究も複数行われている。McKinney らの 195 例の患者死後脳と 232 例の健常者死後脳，592 例の患者末梢血と 709 例の健常者末梢血の比較解析からは生物学的年齢の有意差21）は認めず ，Kowalec らの患者末梢血 190 例と健常者末梢血 126 例の比較でも有意差は認めなかっ16）
た 。Wu らは 1,069 例の患者末梢血と 1,264 例の健常者末梢血，さらに 500 例の患者死後脳と 711
例の健常者死後脳の比較により，患者有意な生物学日本生物学的精神医学会誌 35 巻 2 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.2, 2024

的年齢の遅れを見いだした 。Talarico らは 60 例の抗精神病薬未投薬の初回エピソード患者末梢血と33）

75調症患者末梢血 414 例と健常者 433 例の独立した60 例の健常者末梢血より，患者有意な生物学的年28）
齢の遅れを報告している 。Li らも抗精神病薬未投薬の初回エピソード患者末梢血 38 例と健常者 38

MWAS に対しては AUC ＝ 0.69，統合失調症患者死後 脳 108 例 と 健 常 者 136 例 の MWAS に 対 し て は
AUC ＝ 0.63 と有意な再現性を示している。興味深
いことに死後脳 MWAS から PMS を構築し末梢血例の比較解析により，患者有意な生物学的年齢の遅18）れを確認している 。Iftimovici らは統合失調症超ハイリスク群のうち，顕在発症した 15 例と未発症MWAS で検証した場合は，患者健常者の分別はできなかった。また，双極性障害，大うつ病性障害，自閉スペクトラム症といったほかの精神疾患の分別の 23 例の末梢血を用いた解析により，顕在化群で14）有意な生物学的年齢の遅れを確認した 。上記の先行研究はすべて Horvathʼs clock を基準とした解析はできず，疾患特異的 PMS であることを支持した。
さらに，統合失調症 PMS に有意に寄与している 10のパスウェイが同定されたが，これらには免疫関連，である。一方，Higgins‑Chen らの行った患者末梢血 567 例と健常者 594 例の比較解析においては，
Horvathʼs clock による生物学的年齢差は認めなかっシナプス・神経機能，アポトーシス関連の遺伝子が含まれ，先行研究で示唆された統合失調症と関連する遺伝子群と重複していた。

たが，PhenoAge や GrimAge では患者有意な生物12）
学的年齢の加速を見いだしている 。また，Ori らは患者末梢血 1,090 例と健常者 1,206 例の比較において，Horvathʼs clock で有意差を認めず PhenoAge26）では有意な生物学的年齢の加速を報告している 。
これらから，PhenoAge や GrimAge は疾患リスクや加齢予測といった臨床応用の可能性が示唆される。
歴年齢を教師データとし生物学的年齢を推定する
クロックを第 1 世代（Horvathʼs clock，Hannumʼsclock）とするならば，代謝情報など生体情報を教師データとし残寿命を推定するクロックは第 2 世代（PhenoAge，GrimAge） で あ る と 考 え ら れ る。
現在，さらに，コホート情報を利用し老化に伴う変化量を教師データとし，個人の加齢のペースを推定する第 3 世代（DunedinPACE）などが開発されている。統合失調症では，DunedinPACE により複数のコホートサンプルで加齢ペースが加速しているこ
4）とが示されている 。
また，機械学習アプローチを用いて統合失調症と健常者を分別する，統合失調症ポリメチレーションスコア（polymethylation score：PMS）研究が報告8）されている 。この研究では，Gene Ontology デー
タベースを用いてカテゴリー化した 2,846 の遺伝子
パスウェイに含まれる CpG 群（1 パスウェイ最低10 箇所以上）を統合失調症患者末梢血 353 例と健常者 322 例の MWAS データより抽出し，パスウェイごとに 1 つの機械学習モデルを生成した。その後，パスウェイレベルの特徴をシステムレベルの分類器に統合することで，被験者が統合失調症群に属する可能性を定量化した PMS としてスコア化している。
この PMS はテストデータのクロスバリデーション
では area under the curve（AUC）＝ 0.78，統合失4．今後の展望
網羅的 DNA メチル化解析は，現在，イルミナ社の DNA メチル化アレイ情報を基に構築されている。
共通のメチル化アレイを用いることで，異なる人種や細胞・組織間でも高いデータ互換性が維持され，多施設大規模メチロームデータの集約・比較解析を可能にしている。PRS で測定される遺伝的背景の影響に加え，エピジェネティッククロックなど環境要因の集約化スコアを加味することにより，精神疾患の分子診断や層別化が進展すると期待される。
精神疾患への応用をさらに推進するためには，多様な人種由来の組織サンプルに加え，脳画像データ，死後脳データ，認知機能指標，症状重症度指標，投薬の影響評価データなどを取り入れた複合的なエピジェネティッククロックの開発が望まれる。また， 中 年 か ら 老 年 期 の 情 報 を 多 く 取 り 入 れ たDunedinPACE では若年層の統合失調症での検出は困難であることが示されていることから，特に精神疾患の罹患リスクに直結する周産期環境や思春期発達に着目したクロックの開発が有用であると考えられる。一方，哺乳類全般に保存されたゲノム配列を基にカスタム設計された DNA メチル化アレイの開発により，種を超えた老化など生命現象の基盤を探19）る試みも進んでいる 。筆者らは，コモンマーモセッ
トやカニクイザルに特化した解析法を確立しており，特に精神疾患分野でのトランスレーショナル研究を行ううえでヒトのデータと直接比較することが24，30）。今後，国内で進められているさま可能であるざまなコホート研究や，非ヒト霊長類モデルでの研究と連携した領域横断的な研究が期待される。
本論文に記載した筆者らの研究に関してすべて倫

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日本生物学的精神医学会誌 35 巻 2 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.2, 2024

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。

12）Higgins‑Chen AT, Boks MP, Vinkers CH, et al（2020）
Schizophrenia and epigenetic aging biomarkers：increased mortality, reduced cancer risk, and unique

文

献

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■ ABSTRACT
The utilization of comprehensive DNA methylation data in schizophrenia

Tempei Ikegame ，Kazuya Iwamoto
1）2）1 ） Department of Neuropsychiatry, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo2 ） Department of Molecular Brain Science, Graduate School of Medical Sciences, Kumamoto University
It is believed that the onset of schizophrenia involves complex interactions between genetic and environmental factors.
Epigenetic approaches, such as DNA methylation analysis, provide a method for analyzing the influence of environmental
factors at the molecular level. In the field of psychiatric disorders, comprehensive DNA methylation analysis, in addition tocandidate gene analysis, has been widely conducted. The accumulation of large‑scale DNA methylation data has facilitatedthe application of various epigenetic clocks. Here, we summarize the current status of the application of epigenetic clocks inschizophrenia.
（Japanese Journal of Biological Psychiatry 35（2）：73 ─ 77, 2024）