Genetics · 6.1

集団遺伝学

Population genetics

タグ: W11Practice / 実習

🧠 集団遺伝学population genetics集団遺伝学（population genetics）population genetics（集団遺伝学）は「対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子頻度の分布と変化を追う学問」として定義され、この講義は標本収集の設計（後ろ向き vs 前向き）から始まり、ハーディ・ワインベルグ平衡Hardy-Weinberg equilibriumハーディ・ワインベルグ平衡（Hardy-Weinberg equilibrium）Hardy-Weinberg equilibrium（ハーディ・ワインベルグ平衡）→GWAS→メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）という4段階で「相関から因果を切り分ける」技術を積み上げる構成で読む。特にメンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）は、「両親から遺伝子はランダムに配分される」という一点を武器に、交絡因子confounding factor交絡因子（confounding factor）confounding factor（交絡因子）を排除する自然の無作為化randomized無作為化（randomized）randomized（無作為化）実験として位置づけられる。

集団遺伝学の定義

集団遺伝学population genetics集団遺伝学（population genetics）population genetics（集団遺伝学）＝異なる集団における対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子頻度の分布と変化を研究する学問。

標本収集の2つの型

型	内容	問題点Difficulties問題点（Difficulties）Difficulties（問題点）
後ろ向き（retrospective）	患者と健常対照（healthy／control）から標本を収集、臨床・検査データ、環境因子に関するアンケート	環境影響と疾患の関連が追跡困難、死亡者・軽症者が標本から漏れやすい
前向き（prospective）	健常者から標本を収集し、数十年単位で追跡（例：2006〜2010年、50万人、40〜69歳を登録）	長期間・大規模genome mutation大規模（genome mutation）genome mutation（大規模）を要する（倫理承認が必須）

集団遺伝学研究の基本評価指標

SNP： 通常1遺伝子座に2つのヌクレオチドをもつ二値的Quantal / binary二値的（Quantal / binary）Quantal / binary（二値的）バリアント（例：A/G）。遺伝子型： 3通り（例：AA・AG・GG）。MAF（minor allele frequency）： 少数派対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子の頻度。

記号	定義
p	一般的な対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子の頻度
q	稀な対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子の頻度
—	p + q = 1

ハーディ・ワインベルグ平衡

理論的（計算上の）遺伝子型分布を、実際の観測分布とカイ二乗検定chi-square testカイ二乗検定（chi-square test）chi-square test（カイ二乗検定）（オンラインソフトウェア等）で比較する。

⚠️ HWEからの逸脱には4つの原因がありうる——遺伝子型判定genotyping遺伝子型判定（genotyping）genotyping（遺伝子型判定）エラーだけを疑うのは早計。 ①遺伝子型判定genotyping遺伝子型判定（genotyping）genotyping（遺伝子型判定）の誤り（incorrect genotyping）、②サンプリングが無作為でない（近親婚consanguineous marriage近親婚（consanguineous marriage）consanguineous marriage（近親婚）、inbreeding）、③そのSNPがコピー数変異CNVコピー数変異（CNV）CNV（コピー数変異）領域上にある、④対象アレルが調査対象集団study population対象集団（study population）study population（対象集団）の表現型に実際に何らかの役割を果たしている（＝自然選択が働いている）——最後の原因は「エラー」ではなく「発見」でありうる点に注意。

関連解析

例：ある対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子（C）が心疾患と関連する、という発見。

GWAS：ゲノムワイド関連解析

複合疾患complex disease複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患）・形質の遺伝的背景genetic background遺伝的背景（genetic background）genetic background（遺伝的背景）を調べる最も一般的な集団遺伝学的手法population genetics集団遺伝学的手法（population genetics）population genetics（集団遺伝学的手法）——10万SNP以上を同時に検査する。6,000件超のGWAS研究、3,300超の形質が既に報告されている。例：FTO遺伝子（肥満）、PTPN22遺伝子（自己免疫、05-2-complex-inheritance-iも参照）。手法：マイクロアレイmicroarrayマイクロアレイ（microarray）microarray（マイクロアレイ）（既知の一般的バリアントを選択的に検査）、より最近ではWES（エクソームexomeエクソーム（exome）exome（エクソーム）変異）・WGS（全変異）。

「関連する」とは何を意味するか

解釈	内容
直接効果direct effect直接効果（direct effect）direct effect（直接効果）	その対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子が疾患の病態に直接関与する
統計的誤り（statistical error, Type I）	偶然chance偶然（chance）chance（偶然）の関連（偽陽性）
連鎖不平衡linkage disequilibrium, LD連鎖不平衡（linkage disequilibrium, LD）linkage disequilibrium, LD（連鎖不平衡）	検査したマーカーと真の疾患原因遺伝子causative gene原因遺伝子（causative gene）causative gene（原因遺伝子）の間に連鎖がある（03-1-genetic-variations参照）
集団層別化population stratification集団層別化（population stratification）population stratification（集団層別化）	対照群と患者群の民族構成が異なる

⭐ 「箸を使う技術」の遺伝的研究という思考実験が、集団層別化population stratification集団層別化（population stratification）population stratification（集団層別化）の罠を鮮やかに示す。サンフランシスコで箸の使用技術に関するGWASを行うと、HLA-A1アレルが「箸使用技術」と関連するという結果が得られるかもしれない——しかしこれは単に東アジア系集団でこのアレルの頻度が高いという民族的背景の偏りを反映しているにすぎない。対照群の民族構成は患者群と一致させなければならない、という原則を戯画的に示す好例。

P値とボンフェローニ補正

P値＝偽陽性関連が生じる確率。 有意水準は通常P=0.05（20回に1回は誤る計算）。GWASのように多数の検定を同時に行う場合、偽陽性の確率は検定数に応じて増加するため補正が必要——ボンフェローニ補正Bonferroni correctionボンフェローニ補正（Bonferroni correction）Bonferroni correction（ボンフェローニ補正）：P = 0.05 ÷ 検定数。

マンハッタンプロットManhattan plotマンハッタンプロット（Manhattan plot）Manhattan plot（マンハッタンプロット）： GWAS結果を表現する標準的な図法——横軸に染色体上の位置、縦軸にP値の負の対数（−log₁₀P）をプロットする（例：冠動脈疾患に影響するSNPの探索——腫瘍抑制遺伝子tumor suppressor genes腫瘍抑制遺伝子（tumor suppressor genes）tumor suppressor genes（腫瘍抑制遺伝子）・脂質関連遺伝子・O型血液型のわずかなリスク低下等が可視化される）。

リスク計算

指標	使用場面
OR（オッズ比odds ratio, ORオッズ比（odds ratio, OR）odds ratio, OR（オッズ比）、odds ratio）	後ろ向き研究
RR（相対リスクrelative risk, RR相対リスク（relative risk, RR）relative risk, RR（相対リスク）、relative risk）	前向き研究

OR・RR>1で当該対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子がリスクを増加、<1で減少（05-2-complex-inheritance-iも参照）。

メンデルランダム化

⭐ メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）は「なぜ大切か」——過去数十年の膨大な観察データが抱える共通の弱点、交絡因子confounding factor交絡因子（confounding factor）confounding factor（交絡因子）を解決するため。喫煙者は寿命が短い、喫煙は関節リウマチの素因になる、高LDL-Cはアテローム性動脈硬化atherosclerosisアテローム性動脈硬化（atherosclerosis）atherosclerosis（アテローム性動脈硬化）のリスクを高める、低HDL-CHDL cholesterolHDL-C（HDL cholesterol）HDL cholesterol（HDL-C）はリスクを高め高HDL-CHDL cholesterolHDL-C（HDL cholesterol）HDL cholesterol（HDL-C）はリスクを下げる、ビタミンD摂取は骨粗鬆osteoporosis骨粗鬆（osteoporosis）osteoporosis（骨粗鬆）症を防ぐ——こうした観察はすべて交絡因子confounding factor交絡因子（confounding factor）confounding factor（交絡因子）を考慮していない可能性がある。「喫煙者は寿命が短い」の背後には「喫煙者は健康により無頓着」という別の説明がありうる——本当に直接的な因果関係bidirectional causal relationship因果関係（bidirectional causal relationship）bidirectional causal relationship（因果関係）があるのか？

交絡因子をどう除外するか

理想は参加者の無作為化randomized無作為化（randomized）randomized（無作為化）だが、非倫理的で実行不可能——代わりに、「我々は両親から遺伝子をランダムに受け継ぐ、その存在は環境因子に影響されない」という原則を利用する。参加者を遺伝子型に基づいて群分けすることで、環境因子とは独立な「自然の無作為化randomized無作為化（randomized）randomized（無作為化）実験」を構築できる。

flowchart TD
  A["参加者を関連遺伝子型で群分け<br>（遺伝子は環境因子と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='indifference'>無関係</span>にランダムに配分される）"]
  A --> B["各群の環境曝露・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='all-or-none outcomes'>アウトカム</span>を比較"]
  B --> C["遺伝子型による差が見られる<br>→ 環境因子は真に疾患発症に関与する（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='confounding'>交絡</span>ではない）"]
  B --> D["遺伝子型による差が見られない<br>→ 観察された関連は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='confounding factor'>交絡因子</span>による見せかけの可能性"]

症例：喫煙の遺伝的背景

喫煙習慣化・禁煙成功率の60%は遺伝性とされる。

遺伝子	機序
DRD2（ドパミンD2受容体dopamine D2 receptorドパミンD2受容体（dopamine D2 receptor）dopamine D2 receptor（ドパミンD2受容体）、11q23、A1アレル）	受容体密度・脳内ドパミン機能低下（集団頻度36%）——ストレス誘発性の喫煙渇望craving渇望（craving）craving（渇望）を増強
SLC6A3（ドパミントランスポーターdopamine transporter (DAT)ドパミントランスポーター（dopamine transporter (DAT)）dopamine transporter (DAT)（ドパミントランスポーター）遺伝子、5p15.3）	9ヌクレオチド反復が転写を増加（集団頻度17%）——ストレス誘発性渇望craving渇望（craving）craving（渇望）を増強
CYP2A6	ニコチンnicotineニコチン（nicotine）nicotine（ニコチン）分解酵素——欠損（アレル頻度10〜17.6%）は喫煙開始率・喫煙本数を減らし、がん・肺気腫リスクを低下
CHRNA5・CHRNA3・CHRNB4（ニコチン性アセチルコリン受容体nicotinic acetylcholine receptor (nAChR)ニコチン性アセチルコリン受容体（nicotinic acetylcholine receptor (nAChR)）nicotinic acetylcholine receptor (nAChR)（ニコチン性アセチルコリン受容体）サブユニット遺伝子群）	2008年の3つのGWASで喫煙習慣・喫煙本数との関連が同定

メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）による結論conclusion結論（conclusion）conclusion（結論）：重喫煙素因の遺伝的バリアントを保有する喫煙者は最も短い期待余命life expectancy期待余命（life expectancy）life expectancy（期待余命）を示したが、非喫煙者ではこれらの遺伝的バリアントは期待余命life expectancy期待余命（life expectancy）life expectancy（期待余命）に影響しなかった——「遺伝的変異genetic variation遺伝的変異（genetic variation）genetic variation（遺伝的変異）そのものが寿命を縮めるのではなく、喫煙という行動を介して間接的に働く」という因果構造が明確になった。

メンデルランダム化による結論の実例

観察された関連	メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）による評価
高LDL-C→アテローム性動脈硬化atherosclerosisアテローム性動脈硬化（atherosclerosis）atherosclerosis（アテローム性動脈硬化）リスク増加	確認された（真の因果関係bidirectional causal relationship因果関係（bidirectional causal relationship）bidirectional causal relationship（因果関係））——コレステロール低下薬の使用が正当化justification (radiological protection principle)正当化（justification (radiological protection principle)）justification (radiological protection principle)（正当化）される
低HDL-CHDL cholesterolHDL-C（HDL cholesterol）HDL cholesterol（HDL-C）→アテローム性動脈硬化atherosclerosisアテローム性動脈硬化（atherosclerosis）atherosclerosis（アテローム性動脈硬化）リスク増加	否定された——HDL-CHDL cholesterolHDL-C（HDL cholesterol）HDL cholesterol（HDL-C）上昇薬は有効でないと考えられる
高トリグリセリド→リスク増加	確認された——トリグリセリド低下薬が有効
低ビタミンD→骨脆弱性増加	否定された——ただしビタミンD低値は2型糖尿病・高血圧リスク増加と関連する

💡 メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）の本質的な目的は「疾患の遺伝的背景genetic background遺伝的背景（genetic background）genetic background（遺伝的背景）の研究」ではなく「治療可能な非遺伝的要因の特定」。遺伝子そのものを治療標的にするのではなく、疾患発症に真に関与する修正可能Modifiable修正可能（Modifiable）Modifiable（修正可能）な非遺伝的因子を同定し、それを標的とした予防・治療につなげることがメンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）の実践的な目的——05-1-complex-inheritanceで見たGWAS・候補遺伝子candidate gene候補遺伝子（candidate gene）candidate gene（候補遺伝子）研究と組み合わさることで、複合疾患complex disease複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患）研究の「相関から介入へ」という橋渡しが完成する。

まとめ

集団遺伝学population genetics集団遺伝学（population genetics）population genetics（集団遺伝学）は対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子頻度の分布・変化を研究し、後ろ向き（環境-疾患関連の追跡が困難）と前向き（長期・大規模genome mutation大規模（genome mutation）genome mutation（大規模）を要する）という2種の標本収集デザインをもつ。
ハーディ・ワインベルグ平衡Hardy-Weinberg equilibriumハーディ・ワインベルグ平衡（Hardy-Weinberg equilibrium）Hardy-Weinberg equilibrium（ハーディ・ワインベルグ平衡）からの逸脱は遺伝子型判定genotyping遺伝子型判定（genotyping）genotyping（遺伝子型判定）エラー・非無作為サンプリング・CNV上のSNP・自然選択という4つの原因がありうる。
GWASは10万SNP以上を同時検査する仮説フリー型hypothesis-free仮説フリー型（hypothesis-free）hypothesis-free（仮説フリー型）手法で、統計的関連の解釈には直接効果direct effect直接効果（direct effect）direct effect（直接効果）・統計誤り・連鎖不平衡linkage disequilibrium, LD連鎖不平衡（linkage disequilibrium, LD）linkage disequilibrium, LD（連鎖不平衡）・集団層別化population stratification集団層別化（population stratification）population stratification（集団層別化）という4通りの可能性があり、ボンフェローニ補正Bonferroni correctionボンフェローニ補正（Bonferroni correction）Bonferroni correction（ボンフェローニ補正）とマンハッタンプロットManhattan plotマンハッタンプロット（Manhattan plot）Manhattan plot（マンハッタンプロット）が標準的な解析・可視化ツール。
メンデルランダム化Mendelian randomizationメンデルランダム化（Mendelian randomization）Mendelian randomization（メンデルランダム化）は「遺伝子は両親からランダムに配分される」という原則を利用し、交絡因子confounding factor交絡因子（confounding factor）confounding factor（交絡因子）を排除した自然の無作為化randomized無作為化（randomized）randomized（無作為化）実験として機能する——喫煙・寿命の関係、LDL-C/HDL-CHDL cholesterolHDL-C（HDL cholesterol）HDL cholesterol（HDL-C）/トリグリセリド/ビタミンDと疾患リスクの真の因果関係bidirectional causal relationship因果関係（bidirectional causal relationship）bidirectional causal relationship（因果関係）を明らかにし、真に修正可能Modifiable修正可能（Modifiable）Modifiable（修正可能）な治療標的の同定という実践的目的に到達する。