神経発达障害の原因遗伝子の大规模な同定に成功
2022.04.26
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神経発达障害の原因遗伝子の大规模な同定に成功
横浜市立大学大学院医学研究科 遺伝学の濵中耕平助教、水口剛准教授、松本直通教授、国立国際医疗研究センター研究所 疾患ゲノム研究部 三宅紀子部長、理化学研究所 脳神経科学研究センター 分子精神病理研究チーム 高田篤チームリーダーらの研究グループは、全エクソーム解析を用いて多数の神経発達障害症例で突然変異を解析することにより、新規の原因遺伝子の網羅的な同定に成功しました。
この研究成果は、昭和大学医学部小児科学講座 加藤光広教授、大阪母子医疗センター 岡本伸彦研究所長らとの共同研究によるものです。
本研究成果は、科学雑誌「Genome Medicine」に掲載されました。(日本時間2022年4月26日午前9時)
この研究成果は、昭和大学医学部小児科学講座 加藤光広教授、大阪母子医疗センター 岡本伸彦研究所長らとの共同研究によるものです。
本研究成果は、科学雑誌「Genome Medicine」に掲載されました。(日本時間2022年4月26日午前9時)
| 研究成果のポイント ?神経発达障害を持つ41,165家系において、全エクソーム解析*1を用いてコピー数変化*2を含む突然変异*3を网罗的に解析した。 ?突然変异が统计的有意に多く见られる380遗伝子を同定し(偽発见率5%)、内52个は新规の遗伝子であった。 ?この52个の内、3个はコピー数変化を考虑したことが、その统计的有意性に贡献していた。 ?この52个の内、既知の原因遗伝子との类似性を指标にベイズ推定*4を用いて、真の原因である确率が90%以上の遗伝子が11个抽出された。 |
研究背景
神経発达障害は、知的障害群や自闭スペクトラム症などを含む疾患群です。神経発达障害の原因遗伝子は、患者集団で一塩基置换*5などの突然変异がその确率から予想されるより多く见られる遗伝子を探索することで、これまでに多数同定されてきました。しかし、症例数を増すことで発见できる原因遗伝子がまだ多数残っていることも予测されていました。また、遗伝子を巻き込むコピー数変化についてはその突然変异确率が知られていないため、过去の研究ではコピー数変化が考虑されておらず、原因遗伝子を効率よく発见できていない可能性がありました。
研究内容
本研究では、神経発达障害のトリオ*6の突然変异のデータを可能な限り集めることを试み、一塩基置换や小さな挿入欠失*7の解析用データとして、グループ独自のデータ(1,317家系)、顿顿顿31办*8データ(31,058家系)、诲别苍辞惫辞-诲产*9データ(8,790家系)(合わせて41,165家系)、またコピー数変化の解析用データとして、グループ独自のデータ(1,298家系)、Simons Simplex Collection*10データ(2,377家系)(合わせて3,675家系)が集积しました。次に、遗伝子ごとのコピー数突然変异の确率を明らかにしようと试みました(図１)。この确率は各遗伝子において集団で観察されるコピー数変化の种类の数と理论的に比例することが知られています。そこで、全遗伝子におけるコピー数突然変异の総确率を、各遗伝子におけるコピー数変化の数で除算することで、各遗伝子におけるコピー数突然変异の确率を明らかにしました。
図1 コピー数突然変異の確率の計算
一般集団で见られたコピー数変化を収载している驳苍辞尘础顿-厂痴*11を基にして、各遗伝子のコピー数変化の数からコピー数突然変异の相対的な确率を计算する。次に、一世代でコピー数突然変异に侵される遗伝子の数をこれらの相対値を基に分配することで、各遗伝子のコピー数突然変异の确率が求まる。
&苍产蝉辫;次に、この确率と以前の研究で计算された一塩基置换などの突然変异确率とを合计することで予想される突然変异の数と、上记の神経発达障害の家系で见られた突然変异の数を比较しました。结果、突然変异が统计的有意に多く见られる380遗伝子が同定されました(误検出率5%)。この380个の内の52个は过去に神経発达障害との関连が报告されておらず、新规の原因遗伝子候补と考えられました。この52个のうち、3个(骋尝罢厂颁搁1、惭础搁碍2、鲍叠搁3)はコピー数変化がその统计的有意性に贡献しており、コピー数変化を解析に含めることの重要性が示唆されました(図２)。
図2 コピー数変化を含めた場合と含めない場合の統計的有意性の比較
コピー数変化を含めた场合(縦轴)と含めない(横轴)场合の、各遗伝子における突然変异の多さの统计的有意性の比较。丸印が各遗伝子を示す。対角线より左上に位置する遗伝子は、コピー数変化が同定されたため、コピー数変化を考虑した解析の方が、统计的有意性が高くなっている。特に赤枠で囲った3遗伝子は新规原因遗伝子候补であることを示す。
コピー数変化を含めた场合(縦轴)と含めない(横轴)场合の、各遗伝子における突然変异の多さの统计的有意性の比较。丸印が各遗伝子を示す。対角线より左上に位置する遗伝子は、コピー数変化が同定されたため、コピー数変化を考虑した解析の方が、统计的有意性が高くなっている。特に赤枠で囲った3遗伝子は新规原因遗伝子候补であることを示す。
次に、これらの新规遗伝子候补について、神経発达障害の既知の原因遗伝子との机能的な类似性をもとに、さらに绞り込むことを试みました。まず、既知の原因遗伝子とそれ以外の遗伝子を教师データとして、ある遗伝子が神経発达障害の原因遗伝子に似ているかどうかを辫尝滨*12や遗伝子オントロジーターム*13などの特徴量*14から计算する深层学习*15モデルを训练しました。このモデルを我々が同定した新规遗伝子候补に适用すると、阴性対照(神経発达障害の原因でない遗伝子群)よりも有意に高いスコアを示し、新规遗伝子候补が既知の原因遗伝子と机能的に类似していることが确认されました。次に、我々の新规候补遗伝子が真の原因遗伝子である确率を、このスコアを指标にして事前确率(63%=(52-380&迟颈尘别蝉;0.05)/52)からベイズ推定を用いて计算しました。その结果、真の原因遗伝子である事后确率が90%以上を示す11个の有力な原因遗伝子候补を抽出することに成功しました(贬顿础颁2、厂鲍笔罢16贬、贬贰颁罢顿4、颁贬顿5、齿笔翱1、骋厂碍3叠、狈尝骋狈2、础顿骋搁叠1、颁罢搁9、叠搁顿3、惭础搁碍2)。
今后の展开
本研究により、神経発达障害の原因解明には一塩基置换や小さな挿入欠失に加えてコピー数変化を解析対象にする重要性が明らかになりました。この手法を用いて明らかにした原因候补遗伝子群は、神経発达障害の遗伝子诊断や病态メカニズムの解明、医学的管理法や治疗法の开発に近い将来大きく寄与することが期待されます。
研究费
本研究は、国立研究開発法人日本医疗研究開発機構(AMED)の難治性疾患実用化研究事業「新技術を用いた難治性疾患の高精度診断法の開発(研究代表者:松本直通)」、厚生労働省、日本学術振興会、武田科学振興財団、横浜市立大学の支援により実施されました。
论文情报
タイトル: Large-scale discovery of novel neurodevelopmental disorder-related genes through a unified analysis of single-nucleotide and copy number variants
著者: Kohei Hamanaka, Noriko Miyake, Takeshi Mizuguchi, Satoko Miyatake, Yuri Uchiyama, Naomi Tsuchida, Futoshi Sekiguchi, Satomi Mitsuhashi, Yoshinori Tsurusaki, Mitsuko Nakashima, Hirotomo Saitsu, Kohei Yamada, Masamune Sakamoto, Hiromi Fukuda, Sachiko Ohori, Ken Saida, Toshiyuki Itai, Yoshiteru Azuma, Eriko Koshimizu, Atsushi Fujita, Biray Erturk, Yoko Hiraki, Gaik-Siew Ch’ng, Mitsuhiro Kato, Nobuhiko Okamoto, Atsushi Takata, and Naomichi Matsumoto
掲载雑誌: Genome Medicine
DOI:
著者: Kohei Hamanaka, Noriko Miyake, Takeshi Mizuguchi, Satoko Miyatake, Yuri Uchiyama, Naomi Tsuchida, Futoshi Sekiguchi, Satomi Mitsuhashi, Yoshinori Tsurusaki, Mitsuko Nakashima, Hirotomo Saitsu, Kohei Yamada, Masamune Sakamoto, Hiromi Fukuda, Sachiko Ohori, Ken Saida, Toshiyuki Itai, Yoshiteru Azuma, Eriko Koshimizu, Atsushi Fujita, Biray Erturk, Yoko Hiraki, Gaik-Siew Ch’ng, Mitsuhiro Kato, Nobuhiko Okamoto, Atsushi Takata, and Naomichi Matsumoto
掲载雑誌: Genome Medicine
DOI:
用语説明
*1 全エクソーム解析:遺伝子のエクソン領域(タンパク質の配列を決定する領域)を網羅的に濃縮後、次世代シーケンサー(高速にゲノムの配列を読むことができる機器)を用いて塩基配列を決定する方法。
*2 コピー数変化:各遺伝子はゲノム上に2コピーずつ(父?母からそれぞれ1コピーずつ由来)存在するが、その全体または一部の数が変化(増減)すること。
*3 突然変異:両親には見られず子供にのみ新規に生じた変異。
*4 ベイズ推定:観測結果をもとに、推定したい事柄の確率を推論すること。医疗検査にも応用され、例えば人口におけるある疾患を持つ人の割合を0.1%とする(事前確率)。その疾患に対して感度99%、特異度97%の検査をある人に行い陽性と判定された場合、その人が疾患を持つ確率は3.2%( =感度99%×事前確率0.1%÷(感度99%×事前確率0.1%+(1-事前確率0.1%)×(1-特異度97%)))で判定される(事後確率)。
*5 一塩基置換:ゲノム上のある塩基が他の塩基に変わること。
*6 トリオ:患児とその両親の3人。
*7 小さな挿入欠失:ゲノム上のある位置に1~数十程度の塩基が挿入されたり欠失したりすること。
*8 DDD31k:イギリスで行われたDeciphering Developmental Disorders(DDD)と呼ばれる研究であり、神経発達障害を持つ約31,000家系における突然変異が公開されている。
*9 denovo-db:論文で公開された突然変異を収載しているデータベース。
*10 Simons Simplex Collection:自閉スペクトラム症を持つ2,000以上の家系の次世代シーケンサー解析の公開データ。
*11 gnomAD-SV:一万人規模の一般集団で観察された、コピー数変化を含むゲノム構造異常を網羅したデータベース。
*12 pLI:probability of being loss-of-function intolerantの略で、ある遺伝子の変異が一般集団でどの程度自然淘汰されているか(認められないか)を示す指標。
*13 遺伝子オントロジーターム:遺伝子の機能を生物学的プロセスや分子機能などの観点から記述した語彙。
*14 特徴量:対象の特徴を表し、予測の手掛かりとなる変数。
*15 深層学習:人間の神経細胞の仕組みを再現した多層構造を用いた機械学習の手法。
*2 コピー数変化:各遺伝子はゲノム上に2コピーずつ(父?母からそれぞれ1コピーずつ由来)存在するが、その全体または一部の数が変化(増減)すること。
*3 突然変異:両親には見られず子供にのみ新規に生じた変異。
*4 ベイズ推定:観測結果をもとに、推定したい事柄の確率を推論すること。医疗検査にも応用され、例えば人口におけるある疾患を持つ人の割合を0.1%とする(事前確率)。その疾患に対して感度99%、特異度97%の検査をある人に行い陽性と判定された場合、その人が疾患を持つ確率は3.2%( =感度99%×事前確率0.1%÷(感度99%×事前確率0.1%+(1-事前確率0.1%)×(1-特異度97%)))で判定される(事後確率)。
*5 一塩基置換:ゲノム上のある塩基が他の塩基に変わること。
*6 トリオ:患児とその両親の3人。
*7 小さな挿入欠失:ゲノム上のある位置に1~数十程度の塩基が挿入されたり欠失したりすること。
*8 DDD31k:イギリスで行われたDeciphering Developmental Disorders(DDD)と呼ばれる研究であり、神経発達障害を持つ約31,000家系における突然変異が公開されている。
*9 denovo-db:論文で公開された突然変異を収載しているデータベース。
*10 Simons Simplex Collection:自閉スペクトラム症を持つ2,000以上の家系の次世代シーケンサー解析の公開データ。
*11 gnomAD-SV:一万人規模の一般集団で観察された、コピー数変化を含むゲノム構造異常を網羅したデータベース。
*12 pLI:probability of being loss-of-function intolerantの略で、ある遺伝子の変異が一般集団でどの程度自然淘汰されているか(認められないか)を示す指標。
*13 遺伝子オントロジーターム:遺伝子の機能を生物学的プロセスや分子機能などの観点から記述した語彙。
*14 特徴量:対象の特徴を表し、予測の手掛かりとなる変数。
*15 深層学習:人間の神経細胞の仕組みを再現した多層構造を用いた機械学習の手法。
