公開講座「個別化ヘルスケアを作るビックデータ ～コホート・バイオバンクの利活用」

マウスからヒト・宇宙の酸化ストレス研究

Oxidative Stress Response Studies Using Mouse,
Human and Space Biology

 環境ストレス応答とKEAP1-NRF2制御系
 東北メディカル・メガバンク計画（TMM）
 宇宙マウス

2022年 8月 9日
東北大学 東北メディカル・メガバンク機構
山本 雅之© Masayuki Yamamoto & Tohoku University Tohoku Medical Megabank Organization, All rights reserved1

遺伝子発現制御の様式
２種類のエンハンサー機能とエンハンサーとプロモーターのルーピング

組織・細胞系列特異的エンハンサー
エンハンサ­Tom
Maniatis

誘導的エンハンサー
Marshalling Yards; Waddington, C. H.
Order and Life (Needham 1936).

プロモーター+1 転写開始点

Maniatis et al, Science 1987

転写因子による細胞の運命決定
神経細胞(HES, NeuroD)

エンハンサーとプロモーターのルーピングが遺伝子発現の制御に重要

赤血球・巨核球（GATA1, NFE2）

リンパ球（Ikaros, TCF1/LEF1）
メラノサイト（MITF）

下垂体（Pit-1）筋肉（MyoD）
Weintraub et al,
1987
MyoD1 convert fibroblasts
to myoblasts.

Developmental Regulation of βGlobin Gene Switching
Engel et al, Cell 1988

Doug
Engel

Science 242, 405-411 (1988)

生殖細胞（Oct3）
副腎皮質（SF1/AD4BP）

2

遺伝子発現の赤血球特異性を規定する転写因子群の発見
 GATA因子群とNF-E2因子が協力して赤血球特異的な遺伝子発現を制御することを発見

NF-E2
p45

Maf

TGCTGACTIATGATA因子群(NF-E1)赤血球系遺伝子GATA1WGATAR

-Globin

NF-E2はCNC因子と小Maf因子（sMaf）が作る新しい転写因子ファミリー
Yamamoto et al, Genes Dev 1990
Igarashi et al, Nature 1994

3

新しいCNC-sMaf転写因子ファミリーの発見
CNC因子とsMaf 因子はヘテロ２量体を形成してCsMBEに結合する
NF-E2 の結合するDNA配列(by Paul-Henri Romeo)

TGC TGA(G/C)TCA T/C

CsMBE
CNC-sMaf binding element

CsMBE consensus sequence contains TRE in the center
TRE (tumor responsive element) : TGA(G/C)TCA
Consensus binding sequence for AP-1 (Jun-Fos)

Kataoka et al, MCB 1993
Igarashi et al, Nature 1994
Itoh et al, MCB 1995
Motohashi et al, Genes Cells 1996
Kobayashi et al. JBC 2000
Ohtsuki et al, FRBM 2015
Katsuoka et al, Gene 20164

化学発がんの発症メカニズム■ 発がん物質は親電子性物質であることを提唱
Miller EC and Miller JA (1970)
Searches for ultimate chemical carcinogens and their reactions withcellular macromolecules. Cancer, May 15 1981

前がん原物質

細胞外排出

第１相

第３相
ABCトランスポーター

代謝活性化

解毒代謝物

CYP450第１相反応

親電子性物質

がん原物質

第２相
抱合反応

DNA との相互作用
第２相反応

GST, UGT,
etc

第３相反応

DNA 共有結合物（DNA adduct）の形成

ABC pump

発がんのイニシエーション

5抗酸化剤による化学発がん予防

抗酸化剤による化学発がん予防
Cancer Chemoprevention

Cancer Chemoprevention

抗酸化剤 Butylated Hydroxyanisole (BHA) は毒物誘導性の胃発がんを抑制する
Wattenberg

抗酸化剤応答性配列 (ARE) /親電子性物質応答性配列 (EpRE）の同定

ラット肝癌モデルでは抗酸化系の遺伝子群が強力に誘導されている
Solt & Farbar

ARE/EpRE = CsMBE
Daniel, PNAS1990 / Picket, JBC 1991

抗酸化剤 BHA は第２相解毒酵素群を誘導する
Talalay 1978

Paul Talalay

Procarcinogen

CarcinogenPhase 1 Enzymes（Cytochromep450）

Non-toxic ProductPhase 2 Enzymes（GST, UGT, NQO1
etc）

第２相解毒酵素群の誘導が化学発がん予防に大切である

残された課題第２相酵素の発現を制御する転写因子は何か?
6

NRF2-sMAF ヘテロ２量体は第２相解毒酵素群の発現を誘導する
bZIP

Nrf2 knockout
mouse

CNC 因子群

NRF2

sMaf 因子群
MAFF

bZIP

MAFG

NRF2

MAFK

sMAF
Itoh et al. BBRC 1997
Itoh et al. Genes & Dev 1999

CNC 因子群の中で, NRF2
は代謝臓器や組織で高度に発現している

生体防御因子群

CsMBE / ARE
ARE: antioxidant response element
CsMBE: CNC-sMAF binding element

7

NRF2の標的遺伝子

NRF2は生体のストレス応答・リプログラミング機構を制御する
NRF2制御下にある遺伝子の代表例:ChIP-sequence 解析により検証されたもの
1. 第２相解毒酵素群
GST (Glutathione S-transferase) family
GSR (Glutathione reductase)Nqo1 (NAD(P)H dehydrogenase, quinone 1)
Ephx1 (Epoxide hydrolase 1)

2. 活性酸素種の消去酵素群

6. ヘム・鉄代謝関連酵素群
Hmox1 (Heme oxygenase 1)
Fth1 (Ferritin, heavy polypeptide 1)

7. 転写因子Prdx1 (Peroxiredoxin 1)
Srxn1 (Sulfiredoxin 1)
Txnrd1 (Thioredoxin reductase 1)

MafG
AhR (Aryl hydrocarbon receptor)

3. グルタチオン合成経路の酵素群
Gclc & Gclm
(Glutamate–cysteine ligase)

4. 毒物の細胞外への排泄ポンプ
ABC transporter family

Toward clinical application of the Keap1–Nrf2 pathway
Suzuki, Motohashi & Yamamoto ; Trends In Pharmacol Sci 2013
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165614713000667

5. NADPH合成酵素群 / ペントースリン酸経路の酵素群
G6pdx (Glucose-6-phosphate dehydrogenase)
Idh1 (Isocitrate dehydrogenase 1)
Tkt (Transketolase)8

NRF2 による化学発がん予防の分子メカニズム
NRF2
第２相解毒酵素群

GST, UGT, NQO1 etc.

親電子性分子 X＋

坑酸化酵素群

HO-1, MSP23 etc.

DNA
損傷

活性酸素

解毒

消失

発がん
9

KEAP1の発見
KEAP1はストレスセンサーであり、ユビキチンリガーゼとしても働く

酸化ストレス
環境毒物 (E)Ken Itoh

定常状態

KEAP1
KEAP1

KEAP1はNRF2を効率的にユビキチン化しプロテア
ソームにおける迅速な分解に供する

ストレス状態
KEAP1 はセンサー機能を持ち、ストレスを受けると不活性化してNRF2を安定化する

Nrf2 knockout
mouse
NRF2

NRF2

NRF2

NRF2

核移行

NRF2は転写因子であり生体防御酵素群の発現を誘導制御する

核
NRF2 MAF

Itoh et al. Genes & Dev 1999
Kobayashi et al, MCB 2004
Wakabayashi et al, Nature Genetics 2004

細胞質

Keap1
knockout
mouse

ARE

第２相解毒酵素群と抗酸化酵素群の誘導発現
生体防御酵素遺伝子10親電子性分子への曝露によりNRF2 は核に移行するがKEAP1 は核周囲の細胞質に留まる
非ストレス時誘導剤（DEM ）処理
Molecular dynamics of the NRF2KEAP1-CUL3 complex in cells:

KEAP1

KEAP1 acts as a Floodgate
Iso et al, MCB 2016

The KEAP1-NRF2 System:

A Thiol-based SensorEffector Apparatus for
NRF2

Maintaining Redox Homeostasis
Yamamoto M et al, Physiol Rev 2018

Keap1 は核周囲の細胞質に存在する
Watai et al, Genes Cells 200711

KEAP1とNRF2の相互作用ドメインの構造と結合
 NRF2のNeh2ドメインにはKEAP1との結合部位が 2カ所存在
する
DLG は低親和性：ETGE は高親和性
 NRF2とKEAP1は 1:2 で結合する
 ユビキチン結合性リジン残基はDLG とETGEの間のa-へリックスに存在する
Ub
Ub
 Neh2 domain は棒状の構造をとる
Ub
DLG

KKKKKK

Neh2

KEAP1-DC

ETGE

bZip

NRF2
DLG motif

横山茂之先生との共同研究

ETGE motif

DNA binding

NRF2 ETGE or DLG

Interaction with KEAP1
Kit Tong et al.
MCB 2006 & 2007

BTB

IVR

KEAP1
Dimerization

DC domain
Association Interface
with NRF2

12

環境ストレス感知を遺伝子発現の変化に繋げる分子機構
HS
Electrophile-S
HS
HS

KEAP1の反応性システ
イン残基がセンサー機
能に重要

親電子性物質と活性酸素
SH
SH

KEAP1 KEAP1 ETGE motif（高親和性）ETGE

Cysteine Code
システイン残基の修飾が遺伝子発現を制御する

NRF2誘導剤

SH

NRF2誘導剤は構造的には似ていないがSH基を共有結合修飾するという共通の性質がある

DLG

Ub

DLG motif Keap1
Ub
Keap1
Neh2
Ub
（低親和性）Ub

NRF2

.. d-

-SH
..

T1/2 = 18 min
プロテアソーム分解

Ub

NRF2NRF2
NRF2

安定化・核移行NRF2
MAF

CsMBE/ARE

生体防御遺伝子群
抗酸化酵素
第2相解毒酵素群

Kobayashi A et al, MCB 2004
Tong et al. MCB 2006
Tong et al. MCB 2007
Padmanabhan et al, Mol Cell 2006
Suzuki et al, JBC 200813

脱抑制 制御機構

環境応答転写因子群
Environmental Response
Transcription Factors

Derepression■ HIFa とNRF2 の活性は通常迅速なタンパク質分解により 抑制 されている■ ストレスを受けるとこのタンパク質分解が止まり抑制が解除される （脱抑制）■ 環境応答転写因子は脱抑制制御機構を通して 即応性 を獲得している
分子状酸素

O2

後生動物センモウヒラムシには１種類のHIFaの原型が存在するが、最も多細胞生物に近い単細胞生物である襟鞭毛虫にはHIFaは存
在しない

Cul3

Cul2
EloC

Roc1

BTB

SOCS
VHLb
WD40

H2O2 O2-

NRF2

HIFa
EloB

HIF因子の起源は多細胞生
物から

活性酸素

HIFa

pVHL

低酸素
Poellinger 2000
Ratcliff 2000

Ub

Ub Ub Ub

DGR

KEAP1-NRF2系の起源は
線虫から

Roc1

NRF2

U
U b
b

KEAP1

U U
b b

線虫にはNRF2の原型のSkn1が、また、ショウ
ジョウバエにはそれぞれ
NRF2原型のCNCとKEAP1
原型のdKeap1、Mafの原型のMaf-Sが存在する

酸化ストレス
環境毒物ストレス
Yamamoto 2004

14

NRF2は全身の細胞のストレス応答に重要
NRF2は虚血再還流時の酸化ストレス障害の軽減に重要

NRF2は肺胞上皮細胞の保護に重要
PM2.5 タバコ煙

化学発がん予防
胃 肺 食道 舌NRF2 欠失マウスは癌になり易い

Iizuka et al, Genes
Cells 2005
And many more

Ramos-Gomez et al,
Proc Natl Acad Sci USA 2001
Iida et al, Cancer Res 2004

Liu et al, Kidney Int 2009
And many more

NRF2 誘導剤は有望 !
NRF2 欠失マウスは全身の酸化ストレスに起因する疾患に高い感受性を示す

 KEAP1-NRF2 システムの失調と病態に関する多くの報告
 NRF2 誘導剤は生体防御酵素群を誘導するのでストレス関連疾患の治療薬として有望＊国内未発売（国内未承認）
Bardoxolone＊
Diabetic nephropathy
Clinical trial is ongoing successfully in Japan

Tecfidera (Dimethyl fumarate)
Multiple sclerosis
Many more will appear !

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縦断的な（追跡を実施する）健康調査は国民の健康を守るための重要な基盤
追跡データの蓄積

 縦断的健康調査はコホート・バイオバンクなどを通して実現される 体質（遺伝的背景）や生活習慣が、加齢という時間軸を経ながら、どのようにして健康上の問題を引き起こすのかを解明するためには、縦断的な（追跡を実施する）
健康調査が不可欠である コホート調査にゲノム解析を加えたゲノムコホート調査は個人に合わせた予防医療確立の鍵となる 東北メディカル・メガバンク機構（TMM）は大規模前向きゲノムコホート調査と複合バイオバンクにより個別化予防と個別化医療（個別化ヘルスケア）に挑んでいる

未来型医療のエビデンスとなるリアルワールドデータとビッグデータを収集!
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地域住民コホート・三世代コホート

東北メディカル・メガバンク計画では２種類のコホートを戦略的に活用することにより大きな成果を目指している

地域住民コホート

三世代コホート

沿岸部を中心に８万人以上の成人

産院等で妊婦さんを中心に、子世代、親世代
祖父母世代の三世代、７万人規模

宮城登録者

52,232 名

岩手登録者

31,861 名

総計84,093 名

2013年5月～2016年3月末 リクルート

目標達成

登録者

73,529 名* (2013年7月～2017年3月 リクルート）

4,283

1,658

1,324

22,493

8,823

23,1439,459

793（2019年8月31日現在）*曽祖父母78人と拡大家族1,475人を含む

総計15.7万人以上のリクルート達成!
参加者に順次再来所依頼・追跡を開始

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TMM計画コホート調査の調査項目
採血:

協力者全員より34㎖の採血
検査項目
採
血
検
査

末梢血一般
血液像
血糖
HbA1c
GOT
GPT
γGTP
総コレステロール
HDLコレステロール
中性脂肪
尿素窒素
Cr（eGFRとして回付）
尿酸
血清ペプシノゲン
ヘリコバクターピロリ
グリコアルブミン
特異的IgE（5項目）
総IgE
シスタチンC

他に、尿・歯垢、唾液、母乳なども採取調査票による生活習慣等の把握
 標準的な調査項目（運動、飲酒、喫煙、食事、診療情報、
人間関係、女性の健康に関する項目、住所氏名等）
 震災関連項目（抑うつ、被災状況、ストレス） ゲノム関連項目（体質、出生地等）

参加者の健康づくりに役立つことが明らかになっている項目について、検査結果
を回付中

地域支援センタ―における詳細検査
特に、身体年齢を調べる検査を実施（希望者のみ）

眼科的検査（眼底・眼軸⾧・眼圧・網膜断層写真）、MRI検査、聴力検査、呼吸機能検査、家庭血圧、口腔内診察、頸動脈エコー検査
体組成計、踵骨骨密度、脚伸展力検査、タブレットアンケート調査 など

⾧期追跡調査*公的データ・発症登録
対面型調査（詳細三次調査）
 地域支援センターに来所いただき、生理機能検査、バイオバンク用の試料取得（採血）等を行う
 企業等の協力を得てアドオン（追加）コホート調査を実施する*以上の追跡調査については参加者からの同意を得ており、2017年度より本格的に実施している

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複合バイオバンク（Integrated Biobank）の構築
TMMバイオバンクは地域住民の信頼と協力によって構築された極めて価値の高いバイオバンク■東北メディカル・メガバンクは解析センターを併設した複合バイオバンク■生体試料の分譲による枯渇を防ぎ、様々な人が使えるようにデータ化を積極的に推進■我が国の共用資産としてAI・ビッグデータ時代の要望にも対応
 生体試料（DNA、血清、血漿、尿など）約400万本
 情報（多様な疾患情報、血液・尿検査情報、生理学検査
情報、脳MRI検査情報、ゲノム配列情報、血中代謝物情報、診療・介護情報など）約12ペタバイト

正確で粒度の優れたAIの

高いデータ

実現と活用

試料・情報分譲を実施中
 膨大なデータを多くの研究機関（含民間）が活用
 分譲審査は外部委員による委員会で実施

 産業界が利用しやすい知的財産の制度設計

これまでに多くの企業を含む
84件以上に分譲を実施
共同研究は250件以上*共同研究の場合の知財や費用分担はケースバイケースで対応

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東北メディカル・メガバンクのゲノム・オミックス解析
先端的な解析を実施して価値の高いデータベースを作成・公開
全ゲノム解析の実施

 日本人全ゲノムリファレンスパネルを構築
38,000人分のリファレンスパネル （38KJPN）を公開（2022年）
 次世代シークエンス解析の参照配列として実用性を高めた日本人基準ゲノム配列の新バージョン（JG2.1）を公開（2021年）

簡易ゲノム解析ツールの開発と大規模解析の実施
 日本人に最適化した簡易ゲノム解析ツール「ジャポニカアレイ ®」を開発し、バージョンアップ
を継続（2017年v2上市）、2019年刷新版ジャポニカアレイ®NEOを発表
 15万人のアレイ解析を完了

オミックス解析の実施
 日本人多層オミックス参照パネル jMorp を作成
4.6万人分の代謝物の平均や分布情報（jMorp2021）公開（2021年）
 リファレンスデータベース（iMETHYL）公開
100人規模のゲノム多型、DNAメチル化情報と遺伝子発現情報の平均や分布情報を公開

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統合データベース dbTMM の開発
統合データベースdbTMMにはゲノムコホート由来のデータが格納・蓄積されている

 定められた登録・審査の手続きを経て全国の研究者が利用できる
 “大規模データ向け高速検索”や“検索後層別化集団の統計学的自動特徴付け”等の新たな機能が搭載されている
複合バイオバンクコホート

解析センター

Biobank

ゲノム・オミックス解析

コホート参加者

基本属性
情報

調査票
情報

検体情報
検査情報

ゲノム医療実現推進のためのバイオ
バンク利活用促進に向けたバイオバ
ンク・ネットワーク構築と運用支援に関する研究開発事業にも貢献

ゲノム・オミックス情報

診療情報

質や種類の大きく異なる膨大なデータの統合

東北メディカル・メガバンク 統合データベース dbTMM
分譲手続き

健康調査と解析情報を統合解析することで、正確な層別化情報の提供が可能になる
ゲノム医療実現推進のプラットフォームとしての利用が期待される

ゲノム医療研究者

21

一般住民コホートにおいて全ゲノム解析を実施することの重要性
 一般住民の全ゲノム解析情報は患者のゲノム解析を大きく支援する
患者ゲノム解析結果の活用には大規模な比較対照用データを整備する必要がある!
患者のゲノム解析だけでは病気との関連はわからない

一般住民に見つからない遺伝子変異は?
希少難病の方一般住民 (対照) 一般住民のゲノム解析情報は革新的創薬の発展に大きく資する
 一般住民の全ゲノム解析情報は個別化予防・医療の実現に必須である

遺伝子多型は個人の体質や病気になりやすさを規定している
一般住民の全ゲノム解析は個人の疾患リスクを測る方法の開発に繋がる
ゲノム構造は民族ごとに大きく異なるので、日本人の個別化予防・医療を実現するためには日本人のゲノム構造を正確に決めるが必要ある!

22

全ゲノム解析を実施している世界の代表的な一般住民コホート
一般住民前向きコホートにおける全ゲノム解析実施の重要性は国際的に広く認識されている（英国）
 50万人の40-64歳のボランティア参加者
 詳細なベースライン検査
 MRイメージング
 20万人の 全ゲノム解析終了 (Nov 2021)
 オミックス解析に挑戦中
 研究のための強力なデータベース
 Cloud-based のプラットフォーム（米国） 100万人の多彩な参加者をリクルート
 eConsent (電子的な同意取得)
 参加者による調査票記入情報がある Electronic health records
 Fitbit data
 10万人の全ゲノム解析終了 (March 2022)
 Cloud-based platform “Researcher
Workbench”

TMM（日本） 15万人の一般住民参加者
 ２つのコホート研究 : “CommCohort” & “BirThree cohort”
 詳細なベースライン検査と追跡調査・家系情報
 MRイメージング
 5万人の全ゲノム解析終了 (June 2022)
 オミックス解析に挑戦中 複合バイオバンク (Integrated biobank) として試料と情報を分譲中 On-Premise のプラットフォームで Data Visiting を実践中

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東北メディカル・メガバンクは日本人一般住民を対象にした
全ゲノムシークエンス解析を先駆的に実施
日本人全ゲノムリファレンスパネルを作製
 一般集団における遺伝子多型の位置と頻度を示すもの
 一般集団の遺伝子多型の正確な頻度情報取得はゲノム医療の実現に向けて極めて重要!
 解析規模のサイズにより頻度情報はより正確になる

全ゲノムシークエンス解析 延べ人数
2015年 1070人

2016年 2049人

2017年 3554人

2020年 8380人

2021年 14,000人

最近の成果（13頁に詳述）

2022年 50,000人

 38,000人の日本人全ゲノムリファレンスパネルを公開（2022）
 次世代シークエンス解析の参照配列として実用性を高めた
日本人基準ゲノム配列（JG2.1）を構築・公開（2021）
2022/7/4 NHK News Webより24

日本人全ゲノムリファレンスパネル:38KJPN は
広く各層の日本人を包含・代表する
50,792検体

2022年1月 data freeze
検体ごとのQC等:-447検体

50,345検体

KoreanHan Chinese
in Beijing, China(50KJPN レポジトリ)

近親排除: -11,403検体

38,942検体
38,722検体(38KJPN パネル)

日本人集団以外の検体除外: -220検体
右図のPCAで判断

Han Chinese
South

Kinh in Ho Chi
Minh City,
Vietnam

常染色体上の変異数（VQSRフィルター前）Japan inTokyo, Japan

1.76億変異!

TMM

Chinese Dai in
Xishuangbanna,
China

国際1000人ゲノム＋The personal genome
project Korea (KPGP)で公開されているデータ、
合計38,942検体と合わせて主成分分析（PCA）

GRCh37-based

GRCh38-based25

TMM一般住民全ゲノムリファレンスパネルの疾患研究での利活用例

難病・診断がつかなかった病気の治療に大きく貢献
日本医療研究開発機構(AMED)の未診断疾患イニシアチブ(IRUD) への協力

未診断疾患イニシアチブ（IRUD）＊に全ゲノムリファレンスパネルを優先的に提供＊診断がつかなかった患者に遺伝子解析を行い病気の原因遺伝子を特定し治療方針を立てるプロジェクト

難病研究でのバリアント絞り込みの例
146302
9990
249
69
40

絞り込み前

 TMM全ゲノムリファレンスパネル はこれまで500報以上の論文で利用・引用されている
 29の指定難病を含む100種類を超える疾患の研究、また加齢研究で活用されているタンパク質の構造に

6 年間の実績（2021年3月時点）

影響しない変異を除外
ToMMo一般集団での高頻度バリアントを除外

様々なデータベースを更に参照
疾患遺伝子上の多型を除いて最終候補

診断確定数

2,247

遺伝学的解析による診断率

43.7%

IRUD解析センターによる解析実績

5,136 家系

26

TMM一般住民全ゲノムリファレンスパネルのクリニカルシークエンス解析での活用
がんゲノム医療に対する貢献
 国立がん研究センターで行われているC-CATがんゲノム
パネル解析では、解析結果に対して、見つかった変異が“どれだけ珍しいものなのか”を示すために、TMM全ゲノ
ムリファレンスパネルにおける変異の存在頻度をすべての報告書に付記している
 TMMは一般住民集団なので、TMMパネルで比較的頻度
高く見つかる変異はがんの新規ドライバー変異である可
能性は低い＊ToMMo Allele Frequency: ToMMoのリファレンスパネルでの頻度記載あり

その他、臨床研究において多数の使用実績

C-CATのウェブ公開資料より
各医療機関への報告事例の記載から

27

創薬研究におけるゲノム情報活用の重要性

ゲノム・オミックス情報を活用した層別化創薬の展開
ゲノム・オミックス解析情報を活用して日本人をセグメント（層）に分けることが可能
 健康調査とゲノム・オミックス解析情報を統合解析することで正確な層別化情報が提供できる
 低分子化合物も層別化創薬と組み合わせれば「標的薬」になる（落選した薬剤候補復活の可能性）

ある薬物に対しては副作用を示すセグメント（薬の副作用が出る）

日本人集団

ある薬物に対しては高感受性を示すセグメント（薬がよく効く）

次世代創薬の一つとして層別化創薬実現へ

ある薬物に対しては薬効を示さないセグメント（薬が効かない）

最適薬・最適投与量の設定

28

創薬研究におけるゲノム情報活用の重要性
ヒト遺伝学が薬剤開発の成功確率を上げる
Nat Genet. 2015; 47(8): 856-860; PLoS Genet. 2019; 15(12): e1008489

 Phase I までの開発品に比べ、承認まで進んだ薬剤は約４倍、ヒトでの遺伝的な連関があった ミスセンス・Deleterious変異の時にさらに成功確率が上がっていた

機能喪失変異に注目した創薬研究

2021年にFDA承認された新規薬剤の2／3はヒト
遺伝学の証拠によりサポートされていた

 遺伝子変異によりコードするタンパク質の量が減少したり、機能不全となった結果、病気の発症が抑えられるケースがある 遺伝子と病気発症との関係に注目し、スムーズな仮説生成と実験検証を通じて様々なモダリティー（低分子、核酸医薬など）を活用した阻害剤を開発できる 一般住民コホートを使った統合解析で遺伝子阻害による影響を確認できているので、安全性の高い薬剤を開発できる

疾患

健常

阻害剤

機能喪失変異により疾患を発症しない

遺伝子と病気の因果関係
仮説生成と実験検証

29

一般住民の全ゲノム解析情報は個別化予防の実現に重要
疾患リスク予測時代の到来 ゲノム医療の重要ターゲットは多因子疾患のリスク予測
 遺伝子から個人の病気になりやすさを予測して医療に活用する構想は世界の潮流

Polygenic Risk Score (PRS) 多因子疾患の発症リスクを予測する信頼性の高いスコア
 安価かつ簡易のマイクロアレイ法で決めることができる

一般住民の全ゲノム解析情報は全ゲノム解析情報はマイクロアレイ開発を支える

当機構の一般住民全ゲノム解析はジャポニカアレイ開発の基盤を形成
SNP数を最小化しつつ疑似全ゲノム解読（インピュテーション）を可能にする
ジャポニカアレイは日本人の個別化予防実現のためのキーテクノロジー
さらに改良した健診用ジャポニカ
アレイを活用した
日本の未来型健診モデル

当機構のアレイGWASデータは広く国際共同研究で活用されている（最近の論文の一部）

Nature 600, 675-678, 2021; Nature Genet 53, 1415-1424, 2021;
Nature Commun 12, 1-16, 2021; Nature Genet 52, 669-679, 2020; etc.

健診
クリニック

(2019)
IC取得
検査発注

結果返却
個別予防指導

健診用ジャポニカ
アレイ解析実施
健診医師宛のレポート
ゲノム医学情報の更新:
新規医学情報の追加

個人に即した健康管理や行動変容へ30

パーソナル・ヘルスマネジメント社会の実現に向けてパーソナル・ヘルスマネジメント社会とは一人一人の個性に目を向け、体質（遺伝子）や環境・生活習慣などの違いに対応した
個別化ヘルスケアが実現する社会
我が国が抱える課題
日本は世界有数の⾧寿国だが解決すべき課題もある
 高齢化や少子化が世界で最も進んでいる 本人や家族の健康は国民の不安や悩みの主要な要因
 日本のヘルスケア産業は国際競争の中で苦戦

Society 5.0

パーソナル・ヘルスマネジメント社会を実現 !
 健康寿命の延伸により生活の質（QOL）を向上させつつ医療・介護負担も抑制
 国内で新たな市場と産業を開拓し、さらに海外市場の開拓に挑戦

31

MHU-3: Mouse Stress Defense

Decade of Space Mouse

Roles of Environmental Stress-responsive Transcription Factor Nrf2 in Space StressPrincipal investigator : Masayuki YAMAMOTO, MD & PhD

 宇宙環境では微少重力と宇宙放射線による大きなストレスが存在する

Goals and Objectives

微少重力による負荷は非常に小さいので使われない骨や筋は環境に適応して急速に減少する
宇宙放射線は酸化ストレスとDNA障害を惹起する

 このような宇宙ストレスがNRF2活性化により緩和されるのではないかという仮説を検証する目的で、NRF2遺伝子欠失マウスの宇宙滞在実験を企画
 鍛えられた宇宙飛行士だけではなく一般人が宇宙旅行する時代に備える、また、宇宙ストレス状態は「寝たきり」に似た状態なので、筋や骨減少に関係する創薬のヒントになる 宇宙では地上の数十倍の速度で加齢変化が進行するので、日本が直面している「高齢社会」における変化をとらえる加速モデルとなるISS を健康⾧寿研究支援プラットフォームとして活用

宇宙では、地上で高齢者に見られるからだの変化を地上の数十倍の早回しで見ることが可能



宇宙での動物を用いた研究は骨や筋肉などが衰えるロコモティブ症候群やサルコペニア（筋量低下）研究に役立つことが期待される

地上で見られない新たな現象の発見や知見の獲得が可能となる

32

Nrf2欠失マウスを用いた
ISS小動物飼育ミッションの流れ

打上げ前作業メンバー@Kennedy Space Center

野生型
マウス
6匹

12匹打上げNrf2欠失マウス

ISS軌道上飼育（31日）
移し替え

6匹

各60匹から選抜

SpaceX-14
ドラゴン宇宙船

打上前作業
打上げ 2018. 4. 2
@ ケネディ宇宙センター

採血

取り出し

餌・水補給、排泄物回収等の飼育ケージメンテナンス（週1回程度）

宇宙飛行士が作業(c) Space-X

SpaceX-14
ドラゴン宇宙船

帰還後作業
マウス受領

着水（カリフォルニア沖）
2018.5.7@ San Diego33

Cyp24a1

左腎Relative mRNA levels

右腎

宇宙腎の解析
回収場

重量測定

重量測定

ホルマリン固定

急速凍結
質量分析

東北大学

Weight

宇宙旅行により腎臓は小さくなったSuzuki et al.
Commun Biol 2020

FL

WT KO WT KO
GC
FL

RNA抽出
 RNA-seq
 RT-PCRWTGC

WT KO WT KO
GC
FL

宇宙旅行によって、腎臓での骨量を増やす活性化型ビタミンDの分解酵素 (Cyp24a1)の発現量が増加し、一方、合成酵素(Cyp27b1) は減少した
Ugt1a10

宇宙旅行による
骨量低下
Suzuki et al.
Kidney Int 2021

Suzuki et al. Kidney Int 2021

宇宙旅行によって、解毒代謝に関わる遺伝子(Ugt1a10)の腎臓での発現が誘導されるが、Nrf2欠損により誘導が消失した

Relative mRNA levels

組織解析

Cyp27b1

WT KO

WT KO

GC

FL

Nrf2依存性の宇宙環境応答システムの発見34

宇宙ストレスはNRF2を活性化する
RNA-シークエンス解析

GC: Ground control mice FL: Flight mice
（地上対照マウス）（宇宙旅行マウス）
WT: Wild-type mice
KO: Nrf2 knockout mice
（野生型マウス）（Nrf2欠失マウス）

Spl（脾臓）Liv（肝臓）eWAT（内臓脂肪）iBAT（褐色脂肪）Thy（胸腺）Kid（腎臓）Cbr（大脳）Set as 0

Log2FC vs GC_WT

*

20

Abcc2
Akr1b10
Aldh2
Fth1
Ftl1
Gclc
Gclm
Gpx2
Gsr
Gss
Gsta2
Gsta3
Gsta4
Gstm1
Gstm3
Gstm4
Gstp1
Hmox1
Mafg
Me1
Nqo1
Osgin1
Srxn1
Taldo1
Tkt
Txnrd1

MdB（下顎骨）

Suzuki et al, Commun Biol 2020

FL_KO
TPM

GC_KO

*

25

胸腺

15
10
5
0
0 G1

C

Hmox1

F2
L
WT

3 F
4
G
C L
KO

*

*

12

5

10
8

TPM

TpB（側頭骨）

FL_WT

30

TpB
MdB
Spl
Liv
eWAT
iBA
Th
T
Kid
y
Cbr
TpB
MdB
Spl
Liv
eWAT
iBA
Thy
T
Kid
Cbr
TpB
MdB
Spl
Liv
eWA
iBA
T
Thy
T
Kid
Cbr

GC_WT

Nqo1

白色脂肪

6
4
2
0

G
C

FL G F
C L
WT
KO

35

宇宙滞在によってヒト加齢と同じ動きをする
血漿代謝物が見られる
宇宙マウス血漿メタボロームデータ（下大静脈採血）
Glycerol (µM)
250

*

*

500

200

Glycine (µM)**

Succinate (µM)
*
*

12
10

WT: 野生型マウス

400
6

100

Space stress

4

300
50

Microgravity
Cosmic radiation

200.001.002.003.004.005.00
G F G F200CWT
L C KOL
Glycerol (µM)
200

FL: 宇宙旅行マウス
KO: Nrf2欠失マウス

8150

GC: 地上対照マウス

P=1.28e-08

0 G1

F2
C WT
L

G
3 4F 5
C KOL

100

G 2.00
F 3.000.00 1.00
G 4.00
F 5.00C WT
L C KOL

Glycine (µM)

Succinate (µM)

P=1.48e-05

P=0.0246

300

150

0

Glycerol

10

200

5

50
100

20-40
age

60-80
age

20-40
age

60-80
age

NRF2
deficiency

20-40
age

ヒトコホート血漿メタボロームデータ

60-80
age

GlycineSuccinate

Agingassociatedmetabolites
Suzuki et al, Commun Biol 2020
Uruno et al, Commun Biol 2021

36

宇宙ストレスにおける環境応答型転写因子のNrf2役割

Decade of Space Mouse
世界中の多くのヒト病態解析用の遺伝子ノックアウトマウス系統も宇宙での機能解析ができる時代に!

 遺伝子ノックアウトマウスの宇宙旅行と全匹生存帰還に初めて成功
普通（野生型）のマウスですら宇宙での⾧期飼育は困難と言われていたが、今回は環境由来ストレスに弱い
Nrf2遺伝子欠失マウスの宇宙旅行と全匹帰還を実現

 マウスの宇宙滞在時にNrf2が活性化されていることをRNA-シークエンス解析により実証
 軌道上の微量採血を初めて実施
メタボローム解析から、宇宙滞在によってヒトの加齢時と同じ動きをする血漿代謝物が見られること、すな
わち、宇宙では加齢変化が加速していることを示す知見を得た
 宇宙滞在リスク軽減に貢献:NRF2活性化による宇宙滞在のリスク軽減→ 鍛え抜かれたスーパーマン（宇宙飛行士）だけではなく、一般の人も宇宙に挑戦できる時代を!
 高齢化・高ストレス社会が抱える課題克服への応用:酸化ストレスやメカニカルストレスへの適応戦略の開発は、地上での高齢化・高ストレス社会の課題克服へ新たな応用・展開が期待される→ 元気に歳を取れる戦略は、健康寿命の延伸につながる!

37

生命科学データベース ibSLS を公開
宇宙生命科学統合バイオバンク Integrated Biobank for Space Life Science

ibSLS

宇宙滞在により加速する加齢変化を解析することにより、個別化予防や先制医療などの次世代医療の研究に結びつくことが期待される

Afshinnekoo E et al, Cell 2020

38

Current Members
Tohoku Univ
Akira Uruno
Liam Biard
Tatsuro Iso
Takafumi Suzuki*
Makiko Hayashi
Mikiko Suzuki*
Makoto Horiuchi
Tomohiro Edamitsu
Keiko Taguchi*
Akitomo Ohtsuki*
Hironobu Ikehata
Fumiki Katsuoka*

Collaborators
Hozumi Motohashi*
Norio Suzuki*
Ritsuko Shimizu
Kai Takaya*
Toshiaki Fukutomi*

Previous Colleagues
Worked on KEAP1-NRF2

Junsei Mimura
Hiromi Yamazaki*
Shun Yamazaki*
Ken Itoh*
Tania O'Connor
Vincent Kelley

Ryota Saitoh*
Nanako Fujikawa*
Yoichiro Mitsuishi*
Masahiro Nezu*
Kei Sato*Xiaoqing Pan*
Keiichiro Hiramoto*Tae Suzuki-Yamamoto*
Shohei Murakami*
Keiichi Shirasaki*
Maki Goto*
Hiroki Sekine

Satoru Takahashi
Makoto Kobayashi
Tomofumi Hoshino*
Katsuyuki Iida*

Takashi Moriguchi*
Jun Takai*
Atsushi Maruyama

Yoko Yagishita*

Akira Kobayashi
Tadayuki Tsujita
Hiroyuki Muramatsu*
Yuki Furusawa*
Chika Higashi*
Takaaki Negishi*

Many Collaborators All over the WorldWorking on the KEAP1-NRF2 System

Thanks!

Keizo Nishikawa*
Hiromi Okawa*
Kang Moon-Il*
Yoriko Watai*
Yasutake Katoh*
Syuhei Noda*
Momoko Kimura*
Makiko Ohtsuji*
Yaeko Takagi*
Daisuke Inoue
Rie Fujita*
Yosuke Hirotsu*
Mariko Takayama*
Jon Maher*
Akira Ohkoshi*
Tomokazu Souma*
Hironori Satoh*
Kit Tong*
Eri Kobayashi*
Yu Lei*Jian Yong Zhang*
Li Li*
Sakie Ohmura*
Kohei Tsuchida*
Eiki Yoshida*
Nadine Keleku-Lekuwate*39

東北メディカル・
メガバンク機構で活躍する人々
東北大学 学内 協力研究組織
医学系研究科
大学病院
歯学研究科
薬学研究科
情報科学研究科
加齢医学研究所
災害科学国際研究所
未来型医療創成センター

機構⾧
山本 雅之
副機構⾧
布施 昇男
栗山 進一
木下 賢吾
泉 陽子
機構⾧特別補佐八重樫 伸生（研究科⾧）
小林 忠雄
齋藤 嘉信

総務・企画事業部
多賀谷 朋宏（事業部⾧）
⾧神 風二（副事業部⾧）
橋詰 拓明
櫻井 美佳
佐藤 忠彦
横田 博
境田 正樹
岸 郁子

コホート事業部
栗山 進一（事業部⾧）
寳澤 篤 （副事業部⾧）
布施 昇男（副事業部⾧）
麦倉 俊司
濱中 洋平
中谷 直樹
小原 拓
小林 朋子
富田 博秋
石井 正

複合バイオバンク事業部
泉 陽子（事業部⾧）
大根田 絹子（副事業部⾧）
荻島 創一 （副事業部⾧）
熊田 和貴
中村 智洋
齋藤 嘉信
野口 憲一

他に地域支援センター⾧等、合計約320名程度のスタッフ（GMRC / TCFを含む）
GMRC: genome medical research coordinator

TCF: ToMMo clinical fellow

基盤情報事業部
木下 賢吾 （事業部⾧）
小柴 生造 （副事業部⾧）
田宮 元
勝岡 史城
清水 律子
櫻井 美佳
元池 育子
田口 恵子

40