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けんじえいさか
5 years ago
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1 肝疾患診療連携拠点病院研修会 2011 年 7 月 15 日疾患関連遺伝子のゲノムワイド関連解析 (GWAS) とその意義東京大学大学院医学系研究科人類遺伝学分野徳永勝士

2 ( 多因子病 )

3 疾患遺伝子を検出する統計遺伝学的方法連鎖解析 (linkage analysis) パラメトリック連鎖解析単一遺伝子疾患ロッド値法 <ポジショナルクローニング> ノンパラメトリック連鎖解析多因子疾患罹患同胞対法 (affected sib pair method) ゲノム全域をスクリーニング検出力は低い関連解析 (association analysis) 症例 - 対照関連解析 (case-control association analysis) 非血縁患者と非血縁対照者検出力が高い層別化による偽陽性の問題候補遺伝子アプローチとゲノム全域スクリーニング伝達不平衡検定 (TDT: transmission disequilibrium test) 患者と両親異質性高い集団に適する検出力は中程度

4 連鎖分析と関連分析連鎖連鎖不平衡多数世代を通して生じた組換えの結果疾患遺伝子のごく近傍だけに元の構造 (ancestral haplotype) が残っている関連分析ゲノムワイド探索 : 関連分析においては連鎖分析より格段に高密度な多型マーカーが必要

5 試料ペアの数症例 - 対照関連解析法は罹患同胞対法 ( ノンパラメトリック連鎖解析 ) より検出力が高い ( 連鎖分析 ) 検出率 80% のために必要な試料数 Risch N, Nature (2000) GRR: 遺伝子型の相対危険率 ( 関連分析 ) 対立遺伝子頻度連鎖分析の前提 : 完全連鎖 informative 関連分析の前提 : 第一義関連 multiplicative

6 症例 - 対照関連解析法 (case-control association analysis) ー利点と弱点利点非血縁の患者健常者試料が得られやすい親兄弟の試料が必要ないので高齢発症疾患にも適するより狭い領域に候補領域を絞り込める (< 数十 kb) 検出力が高い : 比較的弱い疾患遺伝子も検出し易い弱点集団の異質性による見かけ上の関連が生じやすいサンプリングがランダムでないための偽陽性関連が出やすいゲノムワイド関連解析では多重比較の補正に耐えるため (p<10-8 ) 多数検体が必要

7 疾患関連遺伝子をゲノム全域から探索ゲノムワイド連鎖解析法 (2006 年より急速に進展高い検出力 ) ゲノムワイド関連解析法 (GWAS) 全ゲノムシークエンシングによる解析 : まずは家族性疾患に関わる変異の特定頻度の高い疾患に関わる多型続いて sequencing-based GWAS など

8 Published Genome-Wide Associations through 12/2010, 1212 published GWA at p<5x10-8 for 210 traits NHGRI GWA Catalog

9 ゲノムワイド関連研究 (GWAS) への潮流ー 2 型糖尿病を例としてー ( 日本の中村猪子グループが先駆けをなしたが数十万 SNPs を同時並列タイピングする技術の実現で一挙に状況が変化した ) A genome-wide association study identifies novel risk loci for type 2 diabetes. Sladek R et al. Nature Feb Genome-wide association analysis identifies loci for type 2 diabetes and triglyceride levels. Saxena R et al. Science Jun (DGI) A genome-wide association study of type 2 diabetes in Finns detects multiple susceptibility variants. Scott LJ et al. Science Jun (FUSION) Replication of genome-wide association signals in U.K. samples reveals risk loci for type 2 diabetes. Zeggini E et al. Science Jun (WTCCC) Genome-wide association study of 14,000 cases of seven common diseases and 3,000 shared controls. Wellcome Trust Case Control Consortium, Nature Jun 特徴 :4,800 検体から 13,800 検体に及ぶ大規模多施設共同研究 11 の感受性座位を同定 (7 個の新規遺伝子 4 個の既知遺伝子 ) 再現性あり (p 値 : )

10 アジア系集団に特徴的な 2 型糖尿病遺伝子の同定 Nature Genetics (2008)

11 2 型糖尿病感受性遺伝子にみる集団差遺伝子集団オッズ p 値マイナーアリル比頻度 TCF7L2 ヨーロッパ x / 0.25 日本人 * x / 0.02 *Miyake K et al. J Hum Genet (2008) KCNQ1 ヨーロッパ x / 0.05 日本人 x / 0.40 Yasuda K et al. Nat Genet (2008) 異なる集団に共通する遺伝要因しかし大きな頻度差!! ( 注 ) ヨーロッパ系集団で報告された感受性遺伝子のおよそ半数が日本人でも 2 型糖尿病と関連相加的効果 (Miyake K et al. J Hum Genet 2009)

12 2 型糖尿病の 11 個の感受性座位リスクアリルの相加的効果 Miyake K et al. J Hum Genet (2009)

13 糖尿病家系を対象とした連鎖解析によって非肥満 2 型糖尿病の候補領域が検出された Iwasaki N et al. Diabetes (2003) 非肥満型でより高いピーク!

14 Log P LOD core 連鎖分析で検出された候補領域からの絞り込み 21 番染色体 2 連鎖解析でのピーク次スクリーニング Iwasaki et al. (2003) 遺伝子座 KCNJ15 2 次スクリーニング 3 次スクリーニング確認 Okamoto K et al. Am J Hum Genet (2010)

15 KCNJ15 は非肥満 2 型糖尿病と関連する試料数頻度 (%) オッズ比アリル遺伝子型アリル遺伝子型健常者 1, つの試料セットの総計全患者 1, 非肥満患者 A 非肥満患者 B 非肥満患者 A: 診断時に肥満でなかった患者 (BMI<24) 非肥満患者 B: これまで肥満になったことがない患者 (BMI<24) 非肥満患者は東アジアに多く欧米ではまれ! KCNJ15 のリスクアリルもデンマーク人でまれであった Okamoto K et al. Am J Hum Genet (2010)

16 ネフローゼ症候群に共通する感受性遺伝子 GPC5 の同定 3 セット genotype minor p 値オッズ比合計試料数 GG/AG/AA allele freq. (genotype) (genotype) 患者 /239/ x ( ) 健常者 6,405 4,451/1,750/ ネフローゼ症候群 : 膜性腎症 IgA 腎症糖尿病性腎症など : 腎臓の糸球体の異常により尿中に大量の蛋白質が漏れる蛋白尿とそれが原因で低蛋白血症をきたす腎疾患の総称 Okamoto K et al. Nat Genet (2011)

17 ヒトのナルコレプシー代表的な過眠症日中の強い眠気情動脱力発作夜間熟眠障害有病率 % ヒトでは多因子疾患日本人患者は全員 HLA-DRB1*1501-DQB1*0602 陽性 (Juji et al. 1984; Matsuki et al. 1985) HLA-DQB1*0602 陽性患者において脳脊髄液のオレキシン ( ヒポクレチン ) 量が減尐 (Nishino et al. 2000) オレキシンオレキシンレセプター 1, 2 遺伝子に疾患に関連する変異がない (Peyron et al., 2000) λs=12, λs(hla)=5 HLA 以外の遺伝要因の存在が推定される

-log 10 (P value) 50 万 SNP を用いたナルコレプシーの GWAS により新規遺伝要因を同定 8 HLA は既知 6 4 2 Chr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

18 -log 10 (P value) 50 万 SNP を用いたナルコレプシーの GWAS により新規遺伝要因を同定 8 HLA は既知 Chr 個の SNP を選び独立な試料で再現性を検証 CPT1B / CHKB の多型 : オッヅ比 =1.79 p 値 =4.4x10-7 Miyagawa T et al. Nat Genet (2008)

19 CPT1B mrna relative expression CHKB mrna relative expression 感受性アリルは CPT1B および CHKB の低発現レベルと関連する CPT1B CHKB P = P = P = P = P = 0.01 n.s TT TC CC TT TC CC ( 末梢血白血球中のmRNA 発現レベルをリアルタイムPCR 法で定量 ) Miyagawa T et al. Nat Genet (2008) 0

20 新規ナルコレプシー感受性遺伝子 T 細胞リセプター α (TCRA) T cell TCR HLA APC CD4/8 ナルコレプシー感受性 SNPs ヨーロッパ系 :OR= , p= アジア系 : OR= , p= HLA 分子 : 抗原ペプチドを T 細胞に提示 TCR 分子 :HLA- ペプチド複合体を認識免疫機序の関与? Hallmayer J et al. Nat Genet (2009)

21 ナルコレプシーの新規感受性遺伝子 P2RY11 も免疫系の制御に関わる Cohort Associated Allele Freq. Cases (n) Freq. Controls (n) OR (95% CI) P value Caucasians A (1311) (1802) 1.33 ( ) 5.19x10-8 Asians A (1105) (1249) 1.20 ( ) African Americans A (106) (116) 1.32 ( ) All samples A (2522) (3167) 1.28 ( ) 6.14x10-10 P2RY11 (purinergic receptor P2Y11): リンパ球単球多形核顆粒球の増殖アポトーシス走化性に関わる Kornum BR et al. Nat Genet (2010)

22 Anti-TRIB2 antibody index ナルコレプシーにおける TRIB2 自己抗体 P = 4.8 x 10-6 TRIB2 (Tribbles homolog 2) % (23 of 88) 2.3% (2 of 87) mean + 2SD TRIB1, B2, B3 pseudo-serine/threonine kinase? AKT の制御? 脂肪組織形成における重要な因子自己免疫性ぶどう膜炎の自己抗体視床下部における特異的発現 (Cvetkovic-Lopes et al & this study) 50 Narcolepsy NA w/o Cataplexy Other Hypersomnia Healthy Toyoda H et al. Sleep (2010)

23 C 型肝炎の治療応答性遺伝子の同定 Nature 461: , 2009 Nat. Genet. 41: , 2009 Nat. Genet. 41: , 2009

24 19 番染色体上の SNP が GWAS 段階でゲノムワイド有意水準の関連を示した GWAS: 不応答群 78 名応答群 64 名のみで p<10-12 ( ゲノムワイド有意水準 : 8x10-8 ) Tanaka Y et al. Nat Genet (2009)

25 C 型肝炎の治療不応答患者の8 割はIL28B マイナー型をもつ応答性遺伝子検査 Duke U: OR=5-7 Euro: OR=2 Tanaka Y et al. Nat Genet (2009)

26 インターフェロン α および λ は JAK-STAT 系により抗ウイルス活性を誘導新たな治療標的 O Brien, Nat. Genet. 2009

27 治療応答性 : ITPA 多型と Hb レベル低下治療応答性 : ITPA 多型と血小板数減尐 Tanaka Y et al. Hum Mol Genet (2011)

28 パーソナルゲノム時代の到来日本人全ゲノム塩基配列決定 Fujimoto A et al. Nat Genet (2010)

29 No. of papers 増大する GWAS データ!! ヒトゲノムの配列決定ゲノム多型データの充実 HapMap 計画大規模 SNP タイピング技術の発達多数の大規模 GWAS が実施進行中 Large amount of raw data Data management? (1000 検体 100 万 SNPs からの生データ : 10TB) GWAS 関連論文の増加 all journal Nature series year

30 ゲノムバリエーションデータベースの構築統合データベースプロジェクト ( < 目的 > (1) 健常者ゲノムワイド関連解析データを受け入れ保存管理 (2) GWAS 実施グループ以外の研究者にもデータを提供することにより疾患研究を促進 (3) 膨大なデータを対象とする情報処理統計解析法の開発を促進 < 内容 > (1) 健常対照者の SNP 解析データ (2) さまざまな疾患についての SNP-GWAS データ (3) 健常対照者の CNV 解析データ (4) さまざまな疾患についての CNV-GWAS データ Koike A et al. J Hum Genet (2009); BMC Genet (2011)

31 ヒトゲノムバリエーション DB GWAS database Control SNP database Control CNV database CNV case-control database Koike et al. J Hum Genet (2009); BMC Genet (2011)

32 GWAS-DB 俯瞰図閾値を変えて表示可能モデルを変えて表示可能ボックスをクリックするとその領域の拡大表示マンハッタン図 Koike A et al. J Hum Genet (2009)

33 GWAS-DB 領域図 P-value Odds ratio エクソンイントロン遺伝子 CNV 連鎖不平衡その他 permutation の P 値 OMIM 情報マイクロサテライト情報などの情報も表示可能

34 CNV Control DB 領域図ボックス高 : 個体数ボックス色 :CNV 数遺伝子 DGV データ CNV 詳細情報 Koike A et al. BMC Genet (2009)

35 GWAS データ公開共有方針 ( 統合 DB プロジェクト疾患解析 DB 開発倫理検討委員会 ) レベル 1 頻度データ ( 遺伝子型アリルハプロタイプ ) SNP および CNV 統計解析結果データウェブサイトにおいて閲覧可能 ( 公開データ ) アクセス * 但しデータを大量取得する場合はレベル2と同様の申請を要するレベル2 個体のCNVデータ大量のレベル1データデータ氏名職名連絡先使用目的アドレスアクセス ( 原則所属機関から発行されたアドレス ) を記入して申請するレベル3 個体の遺伝子型および生データ ( 共有データ ) ( 適切な説明同意が得られていることが前提 ) データデータアクセス申請書を提出し許可を受けるアクセス使用期間に応じてデータ使用報告書を提出する

36 結論ゲノムワイド探索により多数の疾患感受性遺伝子および治療薬剤応答性遺伝子が同定されている集団差がしばしば見られる臨床亜型に関連する遺伝子多型がある異なる疾患に共通する感受性遺伝子がある複数の発症機序パスウェイが示唆される新たな治療法薬剤開発の標的が見出される治療法選択のための新たな検査法が開発されるゲノムワイド探索の今後の課題 : 各々の集団で解析する必要性詳細正確な臨床情報の有用性遺伝子ゲノムの機能解析法の発展データベースを介する成果の共有と研究の促進新たな統計インフォマティクス手法の開発特に sequencing-based GWAS のために

37 謝辞ゲノムワイド SNP 解析西田奈央提嶋恵美石橋良美小笠原有子馬場菜津美 ( 東京大学医学系研究科 ) 2 型糖尿病ネフローゼ症候群岡本好司野入英世 ( 東京大学医学系研究科 ) 岩﨑直子 ( 東京女子医科大学 ) 春日雅人安田和基 ( 国立国際医療センター ) 前田士郎鎌谷直之 ( 理研ゲノム医科学研究センター ) ほか多施設共同研究グループの先生方ナルコレプシー宮川卓宮寺浩子川嶋実苗嶋多美穂子 ( 東京大学医学系研究科 ) 本多裕 ( 神経研究所 ) 本多真 ( 東京都精神医学総合研究所 ) Emmanuel MIGNOT, Ling LIN, Juliette FARACO, Joachim HALLMAYER (Stanford University, School of Medicine) 肝炎溝上雅史 ( 国立国際医療センター ) 田中靖人 ( 名古屋市立大 ) ほか多施設共同研究グループの先生方ゲノムワイド多型解析データベース小池麻子 ( 日立製作所中央研 ) 辻省次 ( 東京大学医学系研究科 ) 井ノ上逸朗 ( 東海大学医学 )

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HLA/MICA imputation 法による MHC 領域内遺伝リスクの fine-mapping 岡田随象 Paul IW de Bakker Soumya Raychaudhuri SNP2HLA working group 東京医科歯科大学疾患多様性遺伝学分野テニュアトラック講師 MHC 領域における疾患罹患リスク関節リウマチ (RA) におけるゲノムワイド関連解析結果 (19,234