Molecular Cell Biology · 4
疾患の病態形成における遺伝的変異の役割；遺伝的因子の研究法
The role of genetic variations in the pathogenesis of diseases; methods to study genetic factors
🧠 「変異」と「多型」の違いは、集団中の頻度が1%を超えるかどうかだけで決まる——同じ塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化）でも頻度次第で呼び名（そして意味合い：疾患そのもの vs 性質・リスク）が変わる。この頻度による線引きを軸に、単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）から多因子疾患polygenic, complex/multifactorial disease多因子疾患（polygenic, complex/multifactorial disease）polygenic, complex/multifactorial disease（多因子疾患）までの遺伝性のスペクトラムを理解する。
疾患の病態形成における遺伝的変異の役割
無関係indifference無関係（indifference）indifference（無関係）な2人のゲノムの違いはおよそ0.1〜0.5%（約300万塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対））——つまりヒトゲノムは他人とも約99.5%同一である。この変異の帰結が表現型（身長・毛髪色・皮膚色など）・疾患・疾患リスク因子などとして現れる→単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）。単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）は1つの遺伝子の変異により引き起こされる（鎌状赤血球貧血、嚢胞性線維症、ハンチントン病Huntington's diseaseハンチントン病（Huntington's disease）Huntington's disease（ハンチントン病）など）。
個体間差の原因には、独立の法則independent assortment法則（independent assortment）independent assortment（法則）、減数分裂中の遺伝子交換（乗換えと組換え、crossing over and recombination）、様々な変異事象が含まれる。
| 変異の種類 | 内容 | 個体間差への寄与 |
|---|---|---|
| 塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化） | 単一ヌクレオチドの改変（挿入/欠失もありうるが通常は置換） | 0.1/0.5%——アレルに影響 |
| 長さ変異 | 2個以上のヌクレオチドにわたる変化。反復単位repeating unit反復単位（repeating unit）repeating unit（反復単位）が0コピーから数百コピーまでありうる | 0.4/0.5%——アレルに影響 |
SNPと点変異の違い（頻度による定義）
- SNP（一塩基多型single-nucleotide polymorphisms, SNP一塩基多型（single-nucleotide polymorphisms, SNP）single-nucleotide polymorphisms, SNP（一塩基多型）、single nucleotide polymorphism）：単一塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化）が集団内で1%以上の頻度で生じるもの
- 点変異：単一塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化）が集団内で1%未満の頻度で生じるもの
多型となる長さ変異
| 種類 | 反復ブロックの長さ |
|---|---|
| マイクロサテライトmicrosatelliteマイクロサテライト（microsatellite）microsatellite（マイクロサテライト） | 2〜10 bp |
| VNTR（縦列反復数多型、variable number of tandem repeats、ミニサテライトminisatelliteミニサテライト（minisatellite）minisatellite（ミニサテライト）） | 10〜100/1000 bp |
| コピー数変異copy number variation, CNVコピー数変異（copy number variation, CNV）copy number variation, CNV（コピー数変異） | 10,000〜100,000 bp |
| 変異 | 多型 | |
|---|---|---|
| 少数アレル頻度minor allele frequency少数アレル頻度（minor allele frequency）minor allele frequency（少数アレル頻度） | <1% | ≥1% |
| 表現型 | 疾患 | 性質・リスク |
| 塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化）型 | 点変異 | SNP |
| 長さ変化型 | 挿入・欠失 | VNTR |
⭐ 変異は通常疾患を引き起こすが、多型（SNPなど）は疾患リスクを増減させるにとどまる。 例：嚢胞性線維症はCFTR蛋白質をコードする単一遺伝子の変異の結果である。CFTRは通常、細胞からCl⁻などのイオンを放出するチャネルとして働くが、機能不全（CFの場合）により塩バランス異常と粘稠な粘液産生（水の輸送不全）を招く。
SNP・点変異の影響（コード領域）
- 何も起こらない（生物学的効果maximal biological effect生物学的効果（maximal biological effect）maximal biological effect（生物学的効果）なし→mRNA安定性への影響のみ）
- スプライシング異常aberrant splicingスプライシング異常（aberrant splicing）aberrant splicing（スプライシング異常）（false splicing、イントロン切除の誤り）
- アミノ酸の変化
- ナンセンス変異nonsense mutationナンセンス変異（nonsense mutation）nonsense mutation（ナンセンス変異）（早期終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン））
挿入・欠失の影響（コード領域）
- フレームシフト変異frameshift mutationフレームシフト変異（frameshift mutation）frameshift mutation（フレームシフト変異）
長さ変異の影響（コード領域）
- 3n塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）：n個のアミノ酸の増減（読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）を保つ）
- 3n+1、3n+2塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）：フレームシフト変異frameshift mutationフレームシフト変異（frameshift mutation）frameshift mutation（フレームシフト変異）
非コード領域における遺伝的変異の影響
- 転写因子・マイクロRNA分子などの結合親和性binding affinity結合親和性（binding affinity）binding affinity（結合親和性）の変化
疾患の病因論
| 遺伝率heritability遺伝率（heritability）heritability（遺伝率） | 内容 |
|---|---|
| 100% | 完全に遺伝的因子による（単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）） |
| 0% | 完全に環境因子による（実際にはこのようなものはほぼ存在しない） |
| 複合疾患complex disease複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患） | 多数の遺伝子変異と環境因子の両方が寄与する（悪性腫瘍、糖尿病、心血管疾患など） |
遺伝的因子を研究する方法
候補遺伝子解析candidate gene analysis候補遺伝子解析（candidate gene analysis）candidate gene analysis（候補遺伝子解析）：選定した遺伝子群について仮説を立て、特定の標的を解析する。重要な標的が見落とされる場合がある。
GWAS（ゲノムワイド関連解析Genome-wide association studyゲノムワイド関連解析（Genome-wide association study）Genome-wide association study（ゲノムワイド関連解析）、genome-wide association study）：ゲノム全体にわたる多型を対象とする。仮説を立てず、あらゆる箇所を調べて関連を探索する。多重検定の補正のため統計解析を要する。
ケース-コントロール研究case-control studyコントロール研究（case-control study）case-control study（コントロール研究）：ケース群・コントロール群のアレル頻度/遺伝子型頻度を比較し、統計的に有意な差があるかを検討する。
伝達不平衡検定transmission disequilibrium test伝達不平衡検定（transmission disequilibrium test）transmission disequilibrium test（伝達不平衡検定）：罹患児がどちらの親からどのアレルを受け継いだかを調べる——ヘテロ接合heterozygousヘテロ接合（heterozygous）heterozygous（ヘテロ接合）の親のみが解析対象となる。単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）であれば、解析対象の子は全員罹患し、100%が父または母いずれか一方からその遺伝子を受け継いでいるはずである。
まとめ
- 遺伝的変異genetic variation遺伝的変異（genetic variation）genetic variation（遺伝的変異）には塩基変化base change塩基変化（base change）base change（塩基変化）（点変異/SNP）と長さ変異（挿入欠失/VNTR/CNV）があり、集団内頻度1%を境界に「変異＝疾患」「多型＝性質・リスク」と呼び分けられる。
- コード領域での変異は無症状・スプライシング異常aberrant splicingスプライシング異常（aberrant splicing）aberrant splicing（スプライシング異常）・アミノ酸変化・ナンセンス変異nonsense mutationナンセンス変異（nonsense mutation）nonsense mutation（ナンセンス変異）・フレームシフトframeshiftフレームシフト（frameshift）frameshift（フレームシフト）など多様な帰結をもたらし、非コード領域では転写因子/miRNA結合親和性binding affinity結合親和性（binding affinity）binding affinity（結合親和性）の変化として現れる。
- 疾患の病因は単一遺伝子疾患monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease）monogenic disease（単一遺伝子疾患）（遺伝率heritability遺伝率（heritability）heritability（遺伝率）100%）から複合疾患complex disease複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患）（遺伝要因＋環境要因）まで連続的なスペクトラムをなす。
- 遺伝的因子の研究法には仮説駆動型hypothesis-driven仮説駆動型（hypothesis-driven）hypothesis-driven（仮説駆動型）の候補遺伝子解析candidate gene analysis候補遺伝子解析（candidate gene analysis）candidate gene analysis（候補遺伝子解析）と非仮説駆動型hypothesis-driven仮説駆動型（hypothesis-driven）hypothesis-driven（仮説駆動型）のGWASがあり、ケース-コントロール研究case-control studyコントロール研究（case-control study）case-control study（コントロール研究）・伝達不平衡検定transmission disequilibrium test伝達不平衡検定（transmission disequilibrium test）transmission disequilibrium test（伝達不平衡検定）と組み合わせて疾患との関連を検証する。