生産と技術

第62巻第３号（2010）

環境とゲノミクス技術
渡 邉

技術解説

＊

肇

Genomics for environmental science
Key Words：Genomics DNA microarray Toxicogenomics Transcriptomics

た。したがって化学物質影響に関する試験・評価も１．はじめに
近年、産業をはじめとして様々な分野で「環境に急性毒性試験を中心として、発がん性、生殖発生毒やさしい」ということばが聞かれるようになってき性など種々の毒性試験が確立されてきた。しかし、ている。このことばは地球保全戦略に端を発した「持およそ 10 年前に提示された内分泌かく乱化学物質続可能な発展」にもとづいて広く用いられるように問題に代表されるように (1)、近年の化学物質に対なってきたことばに他ならないが、「環境にやさしい」

する懸念はむしろ低用量で多種類の化学物質の影響とはどういうことであろうか。省資源、省エネルギである。その影響については、従来の毒性試験法のーなどさまざまな項目の中でも１つの重要な観点は、致死量のような明確なエンドポイントではなく、生環境への負荷という点であろう。例えば化学物質の体システムのかく乱といった概念が生じてきた。こ場合、生産から利用、消費、廃棄にいたるまでのいうした広範なエンドポイントは従来の毒性の範疇をわゆるライフサイクルにおいて化学物質は環境中に超えており、種々の解析法や評価法が模索され、よ放出される。この場合、環境への負荷とは化学物質り鋭敏で的確な毒性影響評価が求められるようになの放出として定義づけられ、この化学物質の放出をってきている。

極力防ぐことは極めて重要な課題となろう。しかしこのような化学物質の影響評価における概念の大化学物質の環境への放出を完全に防ぐことは技術的きな変化と時期を同じくしてモデル生物を中心としにもコスト的にも困難であるがゆえに、環境への負てゲノム情報が急速に蓄積されてきた (2)。特筆す

荷を的確に評価し適正に管理する技術が必要となっべきは、このゲノムを網羅的に解析する分野としててくる。環境中の化学物質の多くは環境中の生物にのゲノミクスの発展であろう。それまでの技術は、作用してはじめて負荷となりうることから、人間を遺伝子やその産物などを１つ１つ解析せざるを得なふくめ生物への負荷を的確に評価することが可能にかったが、このゲノミクスにより、可能な限り全てなれば、化学物質の開発や利用に大きく貢献するこの遺伝子やその産物の状態を網羅的に解析する技術とができる。

が確立されたといえる (3)。

従来の化学物質影響は、ヒ素、カドミウム、水銀などに代表されるような比較的均一な化学物質の大２．ゲノミクス技術
ゲノミクスは当初、DNA マイクロアレイを用い量曝露によって引き起こされる影響が懸念されていた転写プロファイルの解析、すなわちトランスクリ＊Hajime WATANABE

1963年2月生
現在、大阪大学 大学院工学研究科 生
命先端工学 教授 理学博士 分子生物学
TEL：06-6879-7427
FAX：06-6879-7428
E-mail：watanabe@bio.eng.osaka-u.ac.jp

プトミクスとほぼ同義に用いられていた。しかしその後、プロテオミクス、メタボロミクスなどを包括して定義されるようになってきており、これらを総称してオミクス技術とも呼ばれている。通常、遺伝情報を蓄えているゲノム DNA は、mRNA に変換（転写）されてこの mRNA が細胞質に運ばれ、細胞質にあるタンパク質合成装置によってタンパク質が合成される（翻訳）。このタンパク質は細胞、組織を− 10 −

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構成する重要な構成分子であるだけでなく、様々な物質を合成、代謝する酵素や情報を伝達するための分子としても機能している。したがって、このタンパク質の変化を捉えることは、医学生物学上非常に重要な意義をもっており、プロテオミクスとして現在発展しつつあるが、タンパク質固有の物理化学的特性の多様性と解析法が障害となっている。
メタボロミクスは、トランスクリプトームやプロテオームと異なり直接的にゲノム情報に依存していないことを特徴としており、生体内の代謝産物をターゲットとして低分子化合物の網羅的な解析を目的としている。Nicholson（ロンドン大学インペリア

図２

転写レベルの応答ルカレッジ）によって最初に提唱されたメタボロミ
クス (4) は、NMR による分析 (5-6) として報告されたが、その後さらに GC-MS(7) や LC-MS(8)、CEMS(9-10) を利用したプロファイリングなども利用されるようになっている。生体内の基本的な代謝産物は共通している分子も非常に多いことから、種を超えたデータの取得が可能である点、生体内の状態を直接的に反映しているという点で、他のオミクス技術とは異なった特徴を持つ。

図３

DNA マイクロアレイの概念図定化されている。細胞や組織からの全 mRNA を蛍光標識した後に、これを DNA マイクロアレイ上の固定化 DNA と反応させることにより、それぞれの図１遺伝子が固定化された位置で mRNA の量に応じたオミクス技術蛍光を発することになる。この蛍光強度を高性能スキャナを用いて読み取ることにより、個々の遺伝子３．トランスクリプトミクスの発現量を推定する。トランスクリプトミクス解析

トランスクリプトミクスは、細胞や組織内に存在においては、その検出にあたって相補的な核酸同士している mRNA について網羅的にその種類と量をの水素結合を利用するという点で、物理化学的に他測定する技術である。トランスクリプトミクスの中のオミクス技術よりもはるかに均質な物質を対象と核となる技術として DNA マイクロアレイがある。

しており、技術的にも安定しているために比較的信DNA マイクロアレイ技術はガラスなどの基盤上に頼性、再現性の高いデータの取得が可能であり、モ多種類の DNA を高密度に固定化し、これに相補的デル動物においては数万遺伝子を搭載した DNA マに水素結合する DNA または RNA を検出する方法

イクロアレイを比較的安価に入手できるようになりである。DNA マイクロアレイの基板上には全遺伝つつある。

子を検出できるように設計された比較的短い（25-

スキャンされた蛍光強度は、データ間のばらつき

60 塩基）1 本鎖 DNA が高密度に各々の座標上に固を補正するための標準化など (11-12) 一連の操作を− 11 −

生産と技術第62巻第３号（2010）経た後にデータ間の比較がなされる。実験結果を有ノミクスに基づいて高感度に検出・評価することを効に解析するためには多変量解析など (13-15) が有目指しており、リスク評価につなげようとする動き用になるが、これらの手法についてはバイオインフである。

ォマティクスの対象としても有用であり様々な手法

もう１つはトランスクリプトミクスをベースとしが開発されつつある (16)。これらは単に統計的なた毒性影響の発現に至るまでの分子メカニズムの解アプローチだけでなく、遺伝子機能やゲノム情報を明である。これは遺伝子レベルでの変化に着目してもとに解析する手法なども考案されている (17)。

解析することにより、化学物質影響を遺伝子レベルこうした手法を用いることにより、一定の実験条件から解明を目指すものであり、他のオミクステクノや疾患に関連した遺伝子セットの抽出が可能となり、ロジーを取り込んだアプローチが進みつつある。

関連した遺伝子の機能、制御機構などを明らかにす一方で、化学物質影響の評価においてゲノミクスることにより、全体像を遺伝子レベルから明らかにを導入する際の問題も生じている。上記のようにゲすることが期待できる。

ノミクス技術により遺伝子の網羅的な解析が可能と一般には実験室レベルで様々な疾患のメカニズムなったものの、実際の化学物質影響との関連が必ず解析、治療や予後の評価や毒性評価の解析に用いらしも明確に解析されていない点である。対象とするれるほか、基礎研究にも多用される。

実験動物に化学物質を曝露しトランスクリプトミク
ス解析を行うと、何らかの遺伝子発現状態の変化が４．化学物質影響評価へのゲノミクス技術の利用見られる場合が多い。ところがこの遺伝子発現状態ゲノミクスは、生命科学の多くの分野に影響を及の変化と実際の化学物質影響は必ずしも直接関係しぼしてきたが、毒性学の分野においても例外ではなているとは限らない。例えば化学物質の曝露では一く、毒性学（トキシコロジー）とゲノミクスを融合

般的に解毒関連の遺伝子発現に誘導がかかり、重金したトキシコゲノミクスという概念が形成された。

属の曝露では重金属解毒に関連する遺伝子の誘導が毒性のエンドポイントが発現する以前に遺伝子の発かかる。しかしこれらの遺伝子発現の誘導は、曝露現レベルは変化しているために、トキシコゲノミクの指標とはなるものの悪影響の直接的な指標となるスを導入することにより網羅的に遺伝子発現を解析変化ではない。特定の遺伝子群の発現変化から悪影すれば、毒性発現に至る以前の兆候を遺伝子の発現響までの機序を明らかにすることは、オミクス技術レベルの変化として早期に鋭敏にとらえられるといとは別のアプローチが必要な場合が多く時間もかかう期待がある。またこうした発現レベルが変化するることからなおざりにされている報告も見られるが、遺伝子の機能を解析することにより、毒性の発現機今後データが蓄積していく中で、実際の化学物質の序を明らかにし毒性の予見に役立てることが期待で評価にどのように利用していくのかは重要な課題できる。ゲノミクスが DNA マイクロアレイを用いたある。すなわちトランスクリプトームが変化した場

トランスクリプトミクスのみならず、プロテオミク合、その遺伝子機能の解析やその変化を担っているス、メタボノミクスなどを包括して定義されるよう遺伝子発現制御因子の理解を通して化学物質曝露かになったのと同様、トキシコゲノミクスに、プロテら影響までの一連のパスウェイの解明が重要となる。

オミクス、メタボロミクスに基づく毒性学も含まれ酵母の場合、さまざまな遺伝子欠損変異株を用いてるようになってきている。

化学物質影響の遺伝＋発現プロファイルを比較する

トキシコゲノミクスにおけるトランスクリプトミ

ことにより責任遺伝子の探索を行い、一定の成績をクスは、主として２つの方向性を有している。１つ得ている (18)。マウスなどにおいては、こうしたはトキシコロジーに特徴的なもので、毒性影響を示

欠損変異体の利用は通常困難であるが、化学物質のす際のバイオマーカーの取得である。これは、個々受け手となる生体分子の同定と解析はゲノミクスにの遺伝子そのものを遺伝子マーカーとして探索する限らず優先すべき課題である。

場合と、遺伝子発現プロファイル全体を化学物質の従来のトキシコロジーでは、通常のアレイデータフィンガープリントとしてとらえる場合がある。いに加え、毒性試験固有のデータセットが生じる。こずれの場合にも、生体から見た化学物質の影響をゲ

れには、化学物質の致死量をはじめ体重や組織重量、− 12 −

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血圧や血液成分、病理組織学的な知見などが相当す（http://www.sanger.ac.uk/）や The Institute forる。これはいわゆるフェノミクスともいうべきパラ

Genomic Research ( TIGR )（http://www.tigr.org/メーターの１つでもあるが、現在急速に増加しつつindex.shtml）などのゲノムセンターがモデル生物あるトキシコゲノミクスからのデータをこれら従来や病原菌などを中心に配列解析を進めデータベースのトキシコロジーからのエンドポイントと積極的に化してきたが、米国においては、Department of En-関連付け理解を進めることも重要な課題となっていergy の Joint Genome Institute が中心となって非常る（phenotype anchoring）。これにより、従来のトに多岐にわたる生物種のゲノム配列、EST 配列のキシコロジーとゲノミクスの関連付けが期待され、取得を行っている。これは、系統樹を構成する広範単なるバイオマーカーの探索よりもさらに進んだ毒な生物種を対象としており、これらの情報が充実す性の評価と理解が可能になると思われる。

ることで、より多様な生物種に対してゲノミクス的なアプローチが可能になると思われる

５．環境影響評価へのゲノミクス技術の利用（http://genome.jgi-psf.org/tre̲home.html）。さら

化学物質影響が懸念される生物種に対しても、そに遺伝子のアノーテーションの問題は残るものの次の考え方が大きく変化しつつある。従来は、ヒトに世代シークエンサーの利用によりゲノミクスのアプ対する化学物質影響の評価が中心であり、ラットをローチはさらに進展すると思われる。

はじめとする実験動物は単にヒトへの毒性評価のた

非モデル生物を対象としたトランスクリプトミクめのモデル動物として評価され、ヒトへの外挿が問スについては、ゲノム情報の取得やアノーテーショ題となっていた。しかし、近年になり地球環境の保ンという問題が存在するものの、技術的には確立さ護、生態系の保全などが重要な課題となり、化学物れてきていることから、信頼性の高いデータを取得

質影響についても単にヒトへの影響だけでなく、環することが期待できる。環境中の化学物質影響を境中の生物に対する影響を考慮する必要が生じてきゲノミクスで実際に評価する可能性については、た。日本においても遅ればせながら、「化学物質のOrganisation for Economic Co-operation and Devel-

審査及び製造等の規制に関する法律（化審法）」がopment (OECD) や Environmental Protection Agen-

平成 16 年度に改正され、環境指標となる動植物へ

cy-(EPA) をはじめとして多くの国や機関で関心がの影響に着目した審査・規制制度が導入された。こ持たれ、対象となる生物種や手法について討議されれらの生物への影響評価は、一般に増殖阻害濃度、ている。

半数致死濃度を重要なパラメーターとしているが、化学物質の環境への影響や生態系への影響を評価

こうした数値は、対象となる生物種が異なるとそのしようとする場合、対象となる生物種は非常に多岐関連性を見出すことが困難であり、その作用機序ににわたる。ゲノミクス的なアプローチを展開するについても情報を得ることができない。こうした中で、は、ランドマークとなるような適切な生物種を選択

トキシコゲノミクスと同様、バイオマーカーの探索、しアプローチを行うことが必要であろう。また種々

毒性の発現機序の解析を目的として、環境毒性学（エの生物を用いたトランスクリプトミクスは、生態系コトキシコロジー）にゲノミクスを導入したエコト全体に対する化学物質の負荷を評価する上でも重要キシコゲノミクスが生じた (19-21)。エコトキシコであるのみならず、異種生物間で共通に存在していゲノミクスもトキシコゲノミクス同様に、トランスる遺伝子ネットワークの発見など (22) 基礎生物学

クリプトミクスのみならず、プロテオミクス、メタ的な貢献も大きい。さらには生物種間の共通性、相ボロミクスを包括しているが、これら環境中の生物違点などを明らかにすることにより、ヒトをはじめにおいてゲノミクス的なアプローチを行う際に最もとする他種の生物への外挿も可能となり、リスク評障害となるのは、ゲノム情報の欠如である。モデル価などにも利用できる可能性がある。

生物のゲノム情報は急速に明らかにされてきている

一方でエコトキシコゲノミクスでは、フィールドのに対して、その他の生物のゲノム情報は未だ限りを含め多くの生物種が対象となりうるが、対象とすがある。ナショナルプロジェクトのレベルでのる生物種については十分な注意が必要であろう。ラ

ゲノム情報の収集に関しては、サンガーセンター

ットなどにおいても遺伝的背景により化学物質に対− 13 −

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する応答性が大きく異なることが知られているが (21)、確になる。こうした問題を解決するためには、より遺伝的背景が明確でない非モデル生物については、高精度の手法の開発のみならず、時間軸を考慮した遺伝子発現の差が特定の遺伝的集団によるものなのアプローチが必要となる。例えば、近年問題になっか、実際の曝露に起因するものなのかを明確にするてきているものの１つに胎児期や小児期の曝露影響必要があり、取得したデータの十分な解釈が必要とがあげられる。これは、胎児期、小児期における曝なる。

露影響が成熟したときに現れるのではないかという懸念である。こうした問題は、単に曝露した時点のゲノミクスのプロファイルを取得しているだけでは６．今後の課題と展望
化学物質曝露影響をオミクス技術によって解析し不十分であろう。後生的なゲノムの変化が化学物質た場合には、莫大なデータを解析し意味づけをするによりどのように誘起されるかといったエピゲノミ（データマイニング）ためにバイオインフォマティ

クスからのアプローチも必要になる。

ックスの比重は非常に大きい。化学物質曝露によるトキシコゲノミクスは非常に有力な毒性影響評価

オミクスのデータ解析から目指しているものは大きツールとして期待できるが、毒性影響のどこまでをく次のものがある。（１）環境中の毒性物質暴露に解析・評価できるかは未知の部分も多い。問題点を対してのバイオマーカーの探索（２）暴露から悪影解決しながら、データを蓄積、解釈することによっ響までの生物学的な作用機序の解析（３）環境などて、新たな知見が得られるものと思われる。トラン

からの暴露と疾患の関連（４）環境毒性物質などのスジェニックマウスやノックアウトマウスは、遺伝生物影響に関するデータベース化。これらは、化学子レベルで変調をかけることにより、遺伝子の機能物質暴露により生じたトランスクリプトミクス、プを探ることができた。一方で、化学物質曝露の場合ロテオミクス、メタボロミクスの変化から意味づけは、生体内の標的に関連した遺伝子の発現に変動ををする（データマイニング）点で、バイオインフォきたす。トキシコゲノミクスを体系的に発展させる

マティックスが重要な働きをする。さらに作用機序ことにより、単に化学物質影響評価のための新しいの解明、疾患との関連については、さらにその化学切り口となるのみならず、生体システムの解明など物質自体の物理化学的特性や吸収（Absorption）、にも大きく寄与できると思われる。

分布（Distribution）、代謝（Metabolism）、排泄（Excretion）（ＡＤＭＥ s）の情報化学物質など従来(1) McLachlan J. A., Endocr Rev. 22, 319 (2001)のトキシコロジーからの知見を有機的に結合させた(2) Schena M., Shalon D., Davis R. W., Brown P. O.,
Science. 270, 467 (1995)

データベース化が必要であり、システムバイオロジ(3) Lockhart D. J., Dong H., Byrne M. C., Follettieーを包括したアプローチが重要であろう。
従来は、in silico の毒性評価では定量構造活性相

M. T., Gallo M. V., Chee M. S., Mittmann M.,

関（quantitative structure-activity relationship:Wang C., Kobayashi M., Horton H., Brown E. L.,QSER）が中心であった。しかし、ゲノミクスにもNat Biotechnol. 14, 1675 (1996)とづく影響評価では、種々の情報を統合したバーチ(4) Nicholson J. K., Lindon J. C., Holmes E.,
Xenobiotica, 29, 1181 (1999)

ャル組織を究極的には目指しており、新たな評価系の構築が望まれている。これは毒性影響評価の迅速(5) Reo N. V., Drug Chem Toxicol, 25, 375 (2002)

化、実験動物の保護の観点などからも重要な課題で(6) Viant M. R., Biochem Biophys Res Commun,310, 943 (2003)ある。また環境影響を考慮した場合には、バーチャ
ル環境指標動物といった概念が必要になるであろう。

(7) Halket J. M., Przyborowska A., Stein S. E.,
Mallard W. G., Down S., Chalmers R. A., Rapid

予防的な観点からはトキシコゲノミクスの利用により、より早期に鋭敏な悪影響の評価が期待される。

Commun Mass Spectrom, 13, 279 (1999)

しかし一方で、曝露する化学物質が低濃度になれば、(8) Ito T., van Kuilenburg A. B., Bootsma A. H.,

バックグラウンドの変動との差の検出が困難になり、

Haasnoot A. J., van Cruchten A., Wada Y., vanより早期になればエンドポイントとの関連性が不明

Gennip A. H., Clin Chem, 46, 445 (2000)− 14 −

生産と技術第62巻第３号（2010）(9) Soga T., Ohashi Y., Ueno Y., Naraoka H.,(17) Subramanian A., Tamayo P., Mootha V. K.,

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