種内個体多様性

RA関連遺伝子
臨床免疫セミナー in Kyoto：
Seminar for Clinical Immunology
in Kyoto
本日の内容
•
•
•
•
•
遺伝情報の臨床適用
遺伝子多型
多型の機能性
関節リウマチ関連遺伝子研究の成果
今後の展望と課題
遺伝情報の臨床適用
私、リウマチでしょうか？
母のように手の形が変わって
しまうんでしょうか？
治りますか？
いいお薬ありますか？
副作用はありませんか？
医学研究
～遺伝子解析を含め～
病因解明
予後予測・発病予測
治療・発病予防
発病・予後予測
•
いつ予測するか
–
–
–
–
•
健康診断時
診断時
治療方針決定時
治療方針変更時
何を予測するか
– この先どうなるか
•
•
•
•
•
発病リスク
フォローアップ方法
病型
治療反応性
何を根拠に予測するか
– 発病前状態分類
• 個体差
– 疾患亜分類
• 個体差
• 病態差
• 個体差
• 個人差
• 状態差
を類型化する
予後予測のための情報
• 発病→診断時
–
–
–
–
–
現病歴
既往歴・社会歴
家族歴
現症
臨床検査
• 発病後経過
– 症状推移・治療反応推移
• 自覚
• 他覚
– 臨床検体検査
– 臨床画像検査
• 総合判定(各種スコア化)
• 発病→診断時
–
–
–
–
–
自覚
環境因
遺伝因
現症
臨床検査
時系列
時系列
永続的
瞬間
瞬間
• 発病後経過
– 症状推移・治療反応推移
• 自覚
• 他覚
時系列
時系列
– 臨床検体検査
– 臨床画像検査
• 総合判定(各種スコア化)
疾患関連遺伝子研究の進展とともに
予後予測のために強化される情報
• 発病→診断時
–
–
–
–
–
現病歴
既往歴・社会歴
家族歴
現症
臨床検査
• 発病後経過
– 症状推移・治療反応推移
• 自覚
• 他覚
– 臨床検体検査
– 臨床画像検査
• 総合判定(各種スコア化)
• 発病→診断時
–
–
–
–
–
自覚
環境因
遺伝因
現症
臨床検査
時系列
時系列
永続的
瞬間
瞬間
• 発病後経過
– 症状推移・治療反応推移
• 自覚
• 他覚
時系列
時系列
– 臨床検体検査
– 臨床画像検査
• 総合判定(各種スコア化)
現行マーカー
逐次変化・量的マー
カー
疾患型分類：中間形
質・質的マーカー
永続的(遺伝子)マー
カー
疾患遺伝子解析から得
られてくる情報に基づく
マーカー
分子マーカー
CRP、サイトカイン、その
他分子
トランスクリプトーム
プロテオーム
自己抗体（RF、抗CCP抗
体、その他自己抗体)
発現パターン
mRNAレベル
タンパクレベル
HLA-DRタイプ
感受性多型
すべての情報が集められるわけではない
すべての情報を集めても確かなことがいえるわ
けではない
技術の進歩
情報収集方法の進歩
収集した情報の利用法の進歩
前病状態と発病の経過(モデル)
前病状態
発病
発症者
有症状態
無症状・病的プロセス存在状態
健康状態
非発症者
時間
病勢と遺伝因子・環境因子
～情報収集方法という観点から見ると～
時間経過
受精・出生
発病転機症状出現
診断
臨床フォロー
症状
遺伝因子
疾患マーカー
すべての情報が集められるわけではない
環境因子
情報収集
診断・予後予測に有用な情報は何か？
情報収集のタイミング
切片情報と永続的遺伝情報
トランスクリプトーム・プロテオーム
ゲノム・多型
時間経過
受精・出生
発病転機症状出現
診断
臨床フォロー
症状
遺伝因子
疾患マーカー
環境因子
情報収集
疾患における遺伝因子の位置
• 発病前・発病後を問わず影響している(可能
性のある)因子
関節リウマチの遺伝リスク
Rheumatoid Arthritis
• World-wide distribution
with prevalence from
0.6% to 1.0%
• Woman-dominant
• Complex etiology
– Genetic components
– Environmental
components
• Destructive polyarthritis
• Extra-articular
involvement
• Autoimmunity
Genetics and Genetic Analysis of
Rheumatoid Arthritis
• Twin and family studies
– Relative risk to monozygotic twin ( λMZ )
• 12~62
– Relative risk to siblings (λsib)
• 2~17
– HLA locus explains 1/3-1/2 of total genetic
components.
– There are multiple non-HLA genes.
• Multiple linkage studies
• Many candidate-approach studies
単一遺伝子疾患の場合
日本人1億2千万人・・・
原因遺伝子変異を持ち、ほぼ
確実に発症する家系構成員
(１００人)
原因遺伝子変異を持たず、
発症しない大多数
(１億１９９９万９千９百人)
HLADR4の分布とRA患者の分布
～複合遺伝性疾患の例～
日本人1億2千万人・・・
DR4陽性で発症者
DR4陰性で非発症者
(50万人)
(8400万人)
DR4陽性で非発症者
DR4陰性で発症者
(20万人)
(3600万人)
単一遺伝子疾患と
複合遺伝性疾患の比較
遺伝要素を
持っていなく
ても発症する
遺伝要素を
持っていても
発症しない
Commmon diseasesとその遺伝性
偶然性要因
遺伝的要因
環境的要因
単一遺伝子病
生活習慣病
アレルギー性疾患
感染症
悪性腫瘍
リウマチ性疾患
イメージ
外傷
疾患における遺伝因子の位置
• 発病前・発病後を問わず影響している(可能
性のある)因子
• 遺伝子単一では、診断・予測に用いるにはま
だ不十分
関節リウマチ関連遺伝子解析の主目標
• 遺伝的多様性(遺伝子多型)と疾患の関係を
調べることで、病気の理解を深めること
– 現在、想定していないような分子群・機能群が疾
患病理上、役割を持っているかもしれない
• 新規治療・診断指標ターゲットの発見
• 複数の遺伝因子の相互作用の理解
– 複数の遺伝子の多型の組合せにより、診断・予
後予測の精度の向上が期待される
本日の内容
•
•
•
•
•
遺伝情報の臨床適用
遺伝子多型
多型の機能性
関節リウマチ関連遺伝子研究の成果
今後の展望と課題
多型が種内形質に影響することにつ
いて
種は明らかに異なる
その違いは「遺伝」する
系統樹
一卵性双生児・クローン
「遺伝的に」「同一」
種内個体多様性
同一種内の個体は千差
万別
種の特性は守りつつ、そ
の制約の中で多様
家系図
現代個体のすべてにとってDNA配列の一部を伝達し
た祖になっている染色体が存在する
From the following article:
Human evolution: Pedigrees for all humanity
Jotun Hein
Nature 431, 518-519(30 September 2004)
doi:10.1038/431518a
家系図は個体単位
遺伝は染色体単位
Nature Reviews Genetics 3, 380-390 (2002); doi:10.1038/nrg795
GENEALOGICAL TREES, COALESCENT THEORY AND THE ANALYSIS OF GENETIC POLYMORPHISMS
Nature Reviews Genetics 3, 380-390 (2002); doi:10.1038/nrg795
GENEALOGICAL TREES, COALESCENT THEORY AND THE ANALYSIS OF GENETIC POLYMORPHISMS
種間系統樹
種内伝達関係
Nature Reviews Genetics 3, 380-390 (2002); doi:10.1038/nrg795
GENEALOGICAL TREES, COALESCENT THEORY AND
THE ANALYSIS OF GENETIC POLYMORPHISMS
Nature Reviews Genetics 3, 380-390 (2002);
doi:10.1038/nrg795
GENEALOGICAL TREES, COALESCENT
THEORY AND THE ANALYSIS OF
GENETIC POLYMORPHISMS
交配が行われている違いは「種内」の多様性
交配が行われえない違いは「種間」の多様性
Association
studies?
種の遺伝的違いは、はっきりしているが、DNA配列
の違いも大きいため、どの遺伝子の違いが種の違
いを決定しているかを区別することは難しい
種内個
体多様性
種内の個体の違いは種間のそれより明らかに小さい。
しかしながら、DNA配列の差も小さいので、どこの
DNA配列の差が個体の違いをもたらしているかがわ
かる可能性は高い。
個人差の遺伝学のために
• ゲノムプロジェクト(種としての共通項)
• HapMapプロジェクト(種の中の遺伝的多様
性)
Gene Discoveries for Common Complex Diseases
YR
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
HapMap
Project
Initiated
Human
Genome
Project
Begins
05
HapMap
Project
Completed
06
The Cancer
Genome
Atlas
Launched
Human
Genome
Project
Completed
NIH Research Initiatives
07
Genetic
Association
Information
Network
Launched
Genes and
Environment
Initiative
Launched
ヒト以外の生物のゲノム研究
ゲノム解読終了(ドラフトを含む)した種
(2007.9.22現在)
1142種
進行中の種を含めると1739種
集団のゲノム
• 『国際 HapMap 計画は，ヒトの病気や薬に対
する反応性に関わる遺伝子を発見するため
の基盤を整備するプロジェクトです．この計
画は，カナダ，中国，日本，ナイジェリア，英
国，米国の科学者と各国政府，財団などの協
力により行われています．詳細は国際
HapMap 計画についてをご覧ください．』
～HapMapプロジェクト
個人のゲノム
多型
ヒトゲノムの多様性
• どのくらい違うもの?
– 任意の2つの卵子(23本の染色体を持つ)を取って
きてそのずべての塩基を比較すると、
平均して、
30億塩基対のうち、
約300万塩基対は異なる(約1000塩基対に1)
多型とは
•
•
•
•
RFLP(制限断片長多型)
VNTR
マイクロサテライトマーカー
SNP(１塩基多型)
ヒトゲノムサイズ
1
10
102
103
104
105
106
107
108
109
Sub-microscopic variants
Microscopic variants
Structural variants
SNP
♂♀
置換型多型
挿入欠失型
CNV
リピート型
向きの多型(逆位)
位置の多型(転座)
1010
遺伝的多様性を規定する３要因
• 変異
• 遺伝的浮動・・・集団のサイズに影響を受ける
– ヒトとその他の種で大きく異なる因子
• 交叉・組み換え
変異
• 体細胞変異と生殖細胞変異
１個体あたり、数個の変異（？）
どんどん多型は生まれる
• １個体に１変異
• ２０億人：10億ペア
• １世代で１０億変異/30億塩基対
1-(2/3)=0.33
1-(2/3)2=0.44
1-(2/3)3=0.70
...
1-(2/3)t=0.99999999999
0.2
0.7
ほとんどの多型は短命
遺伝的浮動
0.6
アレル頻度
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
7
13
19
25
31
37
43
49 55
世代
61
67
73 79
85
91
97
0.01
0.25
0.15
0.1
0.5
0.05
1
0.9
0
1
7
13
19
25 31
37 43
49 55
世代
61
67
73
79
85 91
0.8
97 0.7
アレル頻度
アレル頻度
0.2
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
7
13
19
25
31
37
43
49 55
世代
61
67
73
79
85
91
97
交叉をによって、多型同士の組合せ
が複雑になる
3000Mb ->36.6 交叉/1減数分裂
ヒトゲノムの多様性
DNA配列はどのくらい違うか
母由来染色体
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0
父由来染色体
2本のゲノムの違いは、平均1000塩基に1箇所の
違い
ゲノム全長では30億塩基対中に、約300万箇所
の違い
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人数が増えると、多型箇所が増える
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0
0
SNPとは
• Single Nucleotide Polymorphism(１塩基多型)
• 最も高密度に分布する遺伝子多型
– ゲノムワイドに約500-1000塩基対に1個の
密度で分布
• タイピングが容易
– 大量・高速タイピングに適する
多型のアリル別機能
• 決定因子でない多型がもたらす機能差
– 影響の程度が大きくない
– 複雑な遺伝子ネットワークの中では、差が顕在化
しにくい
– 極端な状況(ストレス時など)に、ネットワーク全体
で機能差が出る可能性がある
仮説
Central Dogma & DNA Variations
ＤＮＡ
Transcription
mRNA
Translation
Peptide
Post-translational peptide
modifications
Molecules
SNP
Central Dogma & DNA Variations
Variations
ＤＮＡ
Variations
Transcription initiation point
Transcription
Transcription termination point
Variations
Splicing and mRNA maturation
Variations
mRNA
Translation initiation point
Translation
Codon triplets
Variations
Translation termination point
Peptide
Post-translational peptide
modifications
Molecules
Not one way, but Multiple Bifurcations
Sequence (qualitative) variations, quantitative variations,
Chrono-spatial variations
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ２
Transcript variations
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ３
Peptide variations
Molecular
variations
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ４
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ２
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ３
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ２
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１
Phenotype1
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ４
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ２
Phenotype2
Phenotype3
Phenotype4
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１Ｍｏｌｅｃｕｌｅ２
Phenotype2
Phenotype1
ｍＲＮＡ２
Ｐｅｐｔｉｄｅ２
Ｐｅｐｔｉｄｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ３
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ４
Phenotype3
Phenotype4
Extreme example of simplification of genetic study
Monogenic determination
～Recessive trait～
Disease mutation and
mal-functional molecule
ＤＮＡ
ｍＲＮＡ１
Ｐｅｐｔｉｄｅ１
Ｍｏｌｅｃｕｌｅ１
Disease
phenotype
Bijection (One-to-one) between
DNA/mRNA/Protein variation and
phenotype variation
Non-disease
phenotype
Association study with DNA-markers
Susceptible
DNA-mRNA-Protein relation is not straight, but
comparison between DNA variations and
phenotype variations bypassing mRNA/proteins
simplifies the analysis structure.
Non-susceptible
Genetics-specific players
Functional RNA-genes
Non-coding genes
Another big world of heritable items (genes)
Non-coding RNA x 23,000 in mammals
Non-coding-gene
World and Variations
DNA
Effects on transcription
Coding DNA
Functional
RNA
Coding mRNA
Effects on translation
?? Effects on phenotypes??
Coding-gene World
and Variations
慢性関節リウマチ(RA)の遺伝性
• 一卵性双生児再発危険率
– 12 - 62倍
• 同胞再発危険率
– 2 - 17倍
• 想定されるローカスの 1 ローカス当たりの
genotypic risk ratio
– 1.5 - 4 くらいか？
関節リウマチ関連遺伝子マッピング
Gene Discoveries for Common Complex Diseases
HapMap時代のゲノムスキャン
罹患
同胞
対解
析
YR
大規模連鎖不平衡マッピ
ング
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
HapMap
Project
Initiated
Human
Genome
Project
Begins
レプリケーションスタディ
05
HapMap
Project
Completed
06
The Cancer
Genome
Atlas
Launched
Human
Genome
Project
Completed
NIH Research Initiatives
07
Genetic
Association
Information
Network
Launched
Genes and
Environment
Initiative
Launched
関連遺伝子解析
その成果の履歴
• 連鎖解析(罹患同胞対)
• 大規模連鎖不平衡解析
• HapMap時代のゲノムスキャン
５罹患同胞対解析結果のオーバーラップ
Japanese, Korean :
RA-specific
Caucasians :
SLE RA and other
autoimmunities
Japanese : RA
Japanese :
Caucasian : IBD
RA and other autoimmunities
SLC22A4
PADI4
Missense SNPs
Intronic SNPs
Transcriptional
regulation
Stability of
transcript
RR～２
RR～２
FCRL3
PTPN22
Promoter SNP
Transcriptional
regulation
Missense SNP
Molecular
function?
RR～２
RR～２
レプリケーションスタディと民族差
Multi-Ethnic Validation of Susceptibility of PADI4
Korean
--------Modified
• HapMap時代のゲノム
スキャン
• サンプル数の増大
• マーカー密度の増大
• SNPをマーカーとして使
用
• 機能性多型の特定はひ
とまず保留
スタディ規模の巨大化
•
•
•
•
100K marker-panel
250K marker-panel
500K marker-panel
…1M marker-panel
…
… Whole genome typing of all
samples
Typing
解析方法の工夫が一層必要となっている
サマリー
•
ヒトゲノムの多様性
– 一塩基多型(SNP)を最小単位として、様式・サイズが多様な多型が知られてい
る。
– SNPとCNV(Copy-number variation)は形質多様性の主な標的として着目され
ている。
•
標的形質
– 複合遺伝性疾患が標的であり、その相対危険度は～1.5
•
機能性多型
– アミノ酸変異・トランスクリプト・転写・翻訳・非コーディング遺伝子
•
大規模化しているヒト疾患LDマッピング
– 商業ベースのタイピングキットは～100万マーカー/ゲノム
– サンプル規模は1000～数1000人
•
ヒト複合遺伝性疾患LDマッピングの現在の課題
– 個々の多型の分子生物学的機能への影響力が比較的弱いため、それを実験的
に実証することが難しいことが多いこと。
– スタディの大規模化によって、ランダムなサンプリングが困難となり、新たな統計
解析手法が必要であること。
東京大学医科学研究所
ヒトゲノム解析センター
京都大学大学院
医学研究科附属ゲノム医学センター
理化学研究所遺伝子多型研究センター
関節リウマチ関連遺伝子研究チーム

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