複合遺伝 I

🧠 複合（多因子）疾患は「メンデルMendel メンデル（Mendel）Mendel（メンデル） の法則が効かない」ことそのものが最大の診断的手がかりになる、と読む。 家族集積度familial aggregation家族集積度（familial aggregation）familial aggregation（家族集積度）・双生児研究twin study双生児研究（twin study）twin study（双生児研究）・養子研究adoption study 養子研究（adoption study）adoption study（養子研究） という3つの手法で「遺伝か環境か」を切り分け、連鎖解析linkage analysis連鎖解析（linkage analysis）linkage analysis（連鎖解析）・候補遺伝子関連解析candidate gene association候補遺伝子関連解析（candidate gene association）candidate gene association（候補遺伝子関連解析）・GWASという3つの手法で「どの遺伝子か」を特定する——ただし1つのSNPとの統計的関連は、因果関係bidirectional causal relationship 因果関係（bidirectional causal relationship）bidirectional causal relationship（因果関係） ともその遺伝子の関与とも短絡できない、という10個の「よくある誤解」への警戒が現代の複合疾患 complex disease 複合疾患（complex disease） complex disease（複合疾患） 研究の必須リテラシーになる。

複合（多因子）疾患の定義

多数の遺伝子と環境の相互作用により発症する——通常、微小な効果をもつ多数の遺伝的バリアントが関与する。有病率prevalence 有病率（prevalence）prevalence（有病率） は民族・地域・年齢層・性別により異なる（アレルギー10〜30%、喘息欧州平均8.5%、自己免疫疾患3%［1型糖尿病0.4%］、2型糖尿病は世界4億人超で高齢者の20〜30%、肥満［BMIBMI（body mass index）>30］10〜30%［ナウルでは70%超］、高血圧は成人35%・60歳以上60%超）。

遺伝子数×環境効果のマトリクス

多遺伝子性量的形質

皮膚色・体重・身長・血糖値・血中コレステロール値・血圧・靴サイズ・IQなどは、①多数の遺伝子による（多遺伝子性polygenic多遺伝子性（polygenic）polygenic（多遺伝子性））、②量的形質（連続的）、③相加的 additive 相加的（additive） additive（相加的） 効果（優性・劣性ではない）、④環境因子も関与（多因子性multifactorial (polygenic) 多因子性（multifactorial (polygenic)）multifactorial (polygenic)（多因子性） 遺伝）という4つの性質を共有する。

💡 遺伝子数が増えるほど、表現型は「段階」から「連続体」になる。 集団内の表現型は正常分布（連続分布）を示し、関与する遺伝子数が増えるほど表現型カテゴリーの数も増加する——3つの相加的 additive 相加的（additive） additive（相加的） 遺伝子を仮定した皮膚色モデルでは、離散的な段階がまだ見えるが、実際の身長のように多数の遺伝子（538万人の解析で12,111個の独立SNPが関連）が関わる形質では、事実上連続的な分布になる。²

身長の遺伝的背景 genetic background 遺伝的背景（genetic background） genetic background（遺伝的背景） ： 身長は高度に多遺伝子性 polygenic 多遺伝子性（polygenic） polygenic（多遺伝子性） で、538万人の解析から12,111個の独立した関連SNPが同定された。² 集団の身長は連続分布を示し、遺伝的背景genetic background 遺伝的背景（genetic background）genetic background（遺伝的背景） だけでなく栄養などの環境にも影響される。

閾値モデル：連続形質がどう「疾患」になるか

先天奇形congenital defects先天奇形（congenital defects）congenital defects（先天奇形）・不連続形質（口唇裂・口蓋裂cleft lip and palate口唇裂・口蓋裂（cleft lip and palate）cleft lip and palate（口唇裂・口蓋裂）、股関節脱臼hip dislocation股関節脱臼（hip dislocation）hip dislocation（股関節脱臼）、神経管欠損neural tube defect (NTD)神経管欠損（neural tube defect (NTD)）neural tube defect (NTD)（神経管欠損）、先天性心疾患congenital heart disease (CHD) 先天性心疾患（congenital heart disease (CHD)）congenital heart disease (CHD)（先天性心疾患） 等）は閾値を超えると発症する不連続な表現型として現れる——基礎にあるのは連続的な「素因」分布。成人慢性疾患・連続形質（肥満・糖尿病・躁うつ病・統合失調症schizophrenia統合失調症（schizophrenia）schizophrenia（統合失調症）・自己免疫疾患・高血圧等）も同様に、疾患頻度は民族・性別に依存する。

多因子形質・疾患の特徴

• メンデルMendel メンデル（Mendel）Mendel（メンデル） 型の遺伝パターンを示さない。
• 家族内の罹患者数が増えるほど再発リスクが上昇する。
• 血縁者blood relative 血縁者（blood relative）blood relative（血縁者） の罹患が重症であるほど再発リスクが上昇する。
• 近親婚consanguineous marriage 近親婚（consanguineous marriage）consanguineous marriage（近親婚） により中程度のリスク上昇が見られる。
• 特定の性でより高頻度に発症することがあるが、性連鎖・性限定形質ではない——罹患頻度がより低い性の第一度近親者 first-degree relative 第一度近親者（first-degree relative） first-degree relative（第一度近親者） はより高いリスクを負う。
• 一卵性・二卵性dizygotic 二卵性（dizygotic）dizygotic（二卵性） 双生児の一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） がメンデル Mendel メンデル（Mendel） Mendel（メンデル） 比と矛盾する。
• 環境因子が疾患リスクを増減させる。
• 特定の民族集団でより高頻度に発症することがある。

遺伝的（環境的）背景の同定法

①家族集積度

λ（相対リスクrelative risk, RR 相対リスク（relative risk, RR）relative risk, RR（相対リスク） 比）＝ 血縁者blood relative 血縁者（blood relative）blood relative（血縁者） における疾患頻度 ÷ 集団における疾患頻度

λ=1なら遺伝的背景 genetic background 遺伝的背景（genetic background） genetic background（遺伝的背景） なし、λ>1なら遺伝的背景 genetic background 遺伝的背景（genetic background） genetic background（遺伝的背景） あり。

💡 この3つのλ値の比較から3つのことが読み取れる。 ①嚢胞性線維症は明確に遺伝的に規定される、②1型糖尿病の方が2型糖尿病より遺伝的影響が強い、③両方の糖尿病型で環境の影響も存在する（λが1を大きく超えつつも、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） ほど極端ではない）。

②双生児研究

一致率concordance rate一致率（concordance rate）concordance rate（一致率）＝双生児ペアの両方が同じ形質をもつ割合。不一致率discordance不一致率（discordance）discordance（不一致率）＝片方だけが形質をもつ割合。遺伝要因の寄与が大きければ一卵性（MZ）の一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） が二卵性 dizygotic 二卵性（dizygotic） dizygotic（二卵性） （DZ）より高くなり、環境要因のみが背景にあればMZ・DZの一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） は同程度になる。

⚠️ MZ一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） が100%を大きく下回ることは「遺伝が無関係 unrelated無関係（unrelated） unrelated（無関係）」を意味しない——それどころか「環境も関与する」ことの強い証拠になる。 MZ・DZ間の一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） の差が大きいほど遺伝的要素が強く示唆されるが、MZの一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） が100%未満であること自体が環境因子の関与を示す強い証拠——遺伝要因と環境要因の証拠は互いに排他的ではなく、同じデータから同時に読み取れる。

家族研究の限界：家族内では生活習慣 Lifestyle生活習慣（Lifestyle） Lifestyle（生活習慣）・環境も共有されるため、遺伝と環境の効果を完全には分離できない。

③養子研究

遺伝と環境の影響を分けて評価する重要な研究デザイン study design 研究デザイン（study design） study design（研究デザイン） の1つ——養子の形質を、養親・生物学的親のそれぞれと比較する。養親との強い一致は共有環境の寄与を、生物学的親との強い一致は遺伝的寄与を示唆する。 通常は症例数が少なく、養子縁組に伴う選択や出生前環境を完全には分離できないという限界がある。

⭐ 統合失調症schizophrenia 統合失調症（schizophrenia）schizophrenia（統合失調症） の養子研究 Kety et al., 1994 養子研究（Kety et al., 1994） Kety et al., 1994（養子研究） は、環境よりも遺伝の寄与を明確に示した。 デンマークで養子となった20〜40歳の14,427人のうち47人が慢性統合失調症 schizophrenia 統合失調症（schizophrenia） schizophrenia（統合失調症） と診断され、非罹患の対照養子47人とマッチングされた。統合失調症schizophrenia 統合失調症（schizophrenia）schizophrenia（統合失調症） の頻度は、生物学的血縁者 blood relative 血縁者（blood relative） blood relative（血縁者） で15.8%（44/279）だったのに対し、養親血縁者 blood relative 血縁者（blood relative） blood relative（血縁者） ではわずか1.8%（2/111）——対照群（生物学的血縁者 blood relative 血縁者（blood relative） blood relative（血縁者） 2.1%、養親血縁者 blood relative 血縁者（blood relative） blood relative（血縁者） 1.7%）と比較しても、罹患養子の生物学的血縁者 blood relative 血縁者（blood relative） blood relative（血縁者） だけが際立って高頻度だった。

複合疾患の原因遺伝子の同定

2つの理論： ①多数の遺伝子が小さな効果をもつ、②少数の遺伝子が高い浸透率 penetrance 浸透率（penetrance） penetrance（浸透率） をもつ——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） では後者が、複合疾患complex disease 複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患） の大部分では前者が優勢と考えられている。

連鎖解析linkage analysis 連鎖解析（linkage analysis）linkage analysis（連鎖解析） ： 遺伝マーカーgenetic markers 遺伝マーカー（genetic markers）genetic markers（遺伝マーカー） が原因バリアント・素因遺伝子predisposing gene 素因遺伝子（predisposing gene）predisposing gene（素因遺伝子） と共に遺伝する（連鎖する）かを調べる。

候補遺伝子関連解析candidate gene association 候補遺伝子関連解析（candidate gene association）candidate gene association（候補遺伝子関連解析） ： 後ろ向き（レトロretro レトロ（retro）retro（レトロ） スペクティブ）に検体を収集し、患者群と健常群を比較する。候補遺伝子candidate gene候補遺伝子（candidate gene）candidate gene（候補遺伝子）＝疾患の病態機序への関与が想定される遺伝子（例：既知の代謝経路に関わるタンパクの遺伝子、その変異が単一遺伝子性 monogenic 単一遺伝子性（monogenic） monogenic（単一遺伝子性） の疾患型を起こす遺伝子）。2つの集団間での変異頻度を比較し、患者群でより高頻度なら高リスク、より低頻度なら低リスクと判定する。

リスク計算：オッズ比と相対リスク

OR/RR>1＝リスク増加、<1＝リスク減少。P値は、帰無仮説null hypothesis 帰無仮説（null hypothesis）null hypothesis（帰無仮説） の下で観測結果以上に極端なデータが得られる確率であり、「関連が誤りである確率」ではない。さらにGWASでは多数の検定を行うため、通常のP<0.05ではなく多重検定を考慮したゲノムワイド有意水準を用いる。³

例：アルツハイマー病Alzheimer diseaseアルツハイマー病（Alzheimer disease）Alzheimer disease（アルツハイマー病）とApoE： ApoE4アレルはリスクを高め、ApoE2アレルは最頻のApoE3と比べて概して防御的に働く。ただし効果量は年齢・性別・祖先集団で大きく異なるため、単一のORを一般値として扱わない。⁴

症例：1型糖尿病の遺伝的背景

Th1型自己免疫疾患——膵島 islet 膵島（islet） islet（膵島） 細胞の80〜90%喪失で発症、生存には外因性インスリン exogenous insulin 外因性インスリン（exogenous insulin） exogenous insulin（外因性インスリン） が必須。欧州での有病率 prevalence 有病率（prevalence） prevalence（有病率） 0.4%。

環境因子： ウイルス（風疹・コクサッキーCoxsackievirus コクサッキー（Coxsackievirus）Coxsackievirus（コクサッキー） B4・ロタウイルスrotavirusロタウイルス（rotavirus）rotavirus（ロタウイルス）による自己免疫誘導、またはムンプスmumpsムンプス（mumps）mumps（ムンプス）・コクサッキーCoxsackievirus コクサッキー（Coxsackievirus）Coxsackievirus（コクサッキー） B4・CMVCMV（cytomegalovirus）・風疹による膵島 islet 膵島（islet） islet（膵島） 細胞直接破壊）、食物中の毒素、残留性有機汚染物質persistent organic pollutant (POP)残留性有機汚染物質（persistent organic pollutant (POP)）persistent organic pollutant (POP)（残留性有機汚染物質）、母乳栄養（の欠如）、ビタミンD欠乏、高出生体重high birth weight高出生体重（high birth weight）high birth weight（高出生体重）。

💡 自己免疫疾患には「共通する背景遺伝子」と「疾患特異的disease-specific 疾患特異的（disease-specific）disease-specific（疾患特異的） な遺伝子」の2層構造がある。 複数の自己免疫疾患は共通の遺伝子群を共有し（併発しやすさ、co-occurrence）、どの疾患として顕在化するかは環境因子に依存する部分がある一方、疾患特異的disease-specific 疾患特異的（disease-specific）disease-specific（疾患特異的） な遺伝子も存在する（08-1-genome-and-environmentも参照）。

T1DM関連遺伝子・機序

⭐ T1DMの遺伝的背景 genetic background 遺伝的背景（genetic background） genetic background（遺伝的背景） は多数の感受性座位に分散し、解析集団の拡大に伴って新規座位が追加され続けている。 HLA以外の多くのバリアントの効果量は小さいが、祖先集団によって関連座位やHLAハプロタイプ haplotype ハプロタイプ（haplotype） haplotype（ハプロタイプ） の構成が異なる。⁵ また、1つの遺伝的バリアントが複数の疾患リスクを同時に高める併存疾患 comorbidity併存疾患（comorbidity） comorbidity（併存疾患）という現象も重要——自己免疫甲状腺疾患 thyroid disease甲状腺疾患（thyroid disease） thyroid disease（甲状腺疾患）・セリアック病・若年性Juvenile-onset 若年性（Juvenile-onset）Juvenile-onset（若年性） 関節炎・多発性硬化症multiple sclerosis多発性硬化症（multiple sclerosis）multiple sclerosis（多発性硬化症）・関節リウマチ・1型糖尿病・全身性エリテマトーデスsystemic lupus erythematosus, SLE全身性エリテマトーデス（systemic lupus erythematosus, SLE）systemic lupus erythematosus, SLE（全身性エリテマトーデス）・乾癬・炎症性腸疾患inflammatory bowel disease, IBD 炎症性腸疾患（inflammatory bowel disease, IBD）inflammatory bowel disease, IBD（炎症性腸疾患） は、遺伝的リスクを部分的に共有する。

演習：MTHFR遺伝子多型と葉酸代謝

MTHFRMTHFR（methylenetetrahydrofolate reductase） 677 C>T多型——TT遺伝子型をもつ人は、同量の葉酸摂取でもCC遺伝子型の人より血中葉酸濃度が約16%低い。

PCRPCR（polymerase chain reaction）-RFLP解析の手順： ①PCRによる標的配列増幅、②制限酵素 restriction endonuclease 制限酵素（restriction endonuclease） restriction endonuclease（制限酵素） によるPCR産物消化、③ゲル電気泳動 gel electrophoresis ゲル電気泳動（gel electrophoresis） gel electrophoresis（ゲル電気泳動） ——C対立遺伝子は非切断、T対立遺伝子は切断される、という違いでジェノタイプを判定する（04-4-autosomal-dominant-inheritance-ad-iのRFLP原理も参照）。

よくある誤解を正す：SNP関連解析の正しい読み方

複合疾患complex disease 複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患） 研究で頻出する10の誤解とその訂正——GWAS結果を読む上での必須リテラシー。

まとめ

• 複合疾患complex disease 複合疾患（complex disease）complex disease（複合疾患） は多数の遺伝子×環境の相互作用で発症し、遺伝子数と環境効果の大小関係 zone1-3 大小関係（zone1-3） zone1-3（大小関係） により単一遺伝子疾患 monogenic disease単一遺伝子疾患（monogenic disease） monogenic disease（単一遺伝子疾患）・表現度expressivity 表現度（expressivity）expressivity（表現度） 変動・エコジェネティック疾患ecogenetic diseaseエコジェネティック疾患（ecogenetic disease）ecogenetic disease（エコジェネティック疾患）・一般複合疾患 complex disease 複合疾患（complex disease） complex disease（複合疾患） という4象限 quadrant (breast quadrant) 象限（quadrant (breast quadrant)） quadrant (breast quadrant)（象限） に整理できる。多遺伝子性量的形質Polygenic quantitative traits 多遺伝子性量的形質（Polygenic quantitative traits）Polygenic quantitative traits（多遺伝子性量的形質） は連続分布を示し、先天奇形congenital defects 先天奇形（congenital defects）congenital defects（先天奇形） は閾値モデル threshold hypothesis 閾値モデル（threshold hypothesis） threshold hypothesis（閾値モデル） で不連続な発症を説明する。
• 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） はメンデル Mendel メンデル（Mendel） Mendel（メンデル） 型パターンを示さず、罹患者数・重症度に応じた再発リスク上昇、近親婚consanguineous marriage 近親婚（consanguineous marriage）consanguineous marriage（近親婚） での中等度リスク moderate risk 中等度リスク（moderate risk） moderate risk（中等度リスク） 上昇、性による頻度差（性連鎖ではない）、MZ/DZ一致率 concordance rate 一致率（concordance rate） concordance rate（一致率） の乖離、環境因子の影響、民族差という特徴をもつ。
• 遺伝的背景genetic background 遺伝的背景（genetic background）genetic background（遺伝的背景） の同定には家族集積度 familial aggregation 家族集積度（familial aggregation） familial aggregation（家族集積度） （λ計算）・双生児研究twin study 双生児研究（twin study）twin study（双生児研究） （一致率concordance rate 一致率（concordance rate）concordance rate（一致率） 比較）・養子研究adoption study 養子研究（adoption study）adoption study（養子研究） （統合失調症schizophrenia 統合失調症（schizophrenia）schizophrenia（統合失調症） のKety研究が好例）の3手法があり、いずれも「遺伝の証拠」と「環境の証拠」が同時に得られうる。
• 原因遺伝子causative gene 原因遺伝子（causative gene）causative gene（原因遺伝子） の同定には連鎖解析 linkage analysis連鎖解析（linkage analysis） linkage analysis（連鎖解析）・候補遺伝子関連解析candidate gene association 候補遺伝子関連解析（candidate gene association）candidate gene association（候補遺伝子関連解析） （OR/RR/P値による評価）・GWASがあり、T1DMはHLA・PTPN22・IL2RA・CTLA4を含む多数の感受性座位の集積として理解される。
• GWAS結果の解釈には10の誤解が付きまとう——統計的関連は因果関係 bidirectional causal relationship 因果関係（bidirectional causal relationship） bidirectional causal relationship（因果関係） でも遺伝子機能への直接効果 direct effect 直接効果（direct effect） direct effect（直接効果） でもなく、オッズ比odds ratio, OR オッズ比（odds ratio, OR）odds ratio, OR（オッズ比） の低さは臨床的無関係 unrelated 無関係（unrelated） unrelated（無関係） を意味せず、民族間で結果は一般化できない、という慎重な読み方が必須。