集団遺伝学

🧠 集団遺伝学population genetics 集団遺伝学（population genetics）population genetics（集団遺伝学） は「対立遺伝子頻度allele frequency 対立遺伝子頻度（allele frequency）allele frequency（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、受胎時の遺伝的割り当てを利用して交絡 confounding 交絡（confounding） confounding（交絡） を減らすが、妥当な操作変数 variables 変数（variables） variables（変数） の仮定が満たされて初めて因果推論に使える。

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遺伝子頻度 allele frequency 対立遺伝子頻度（allele frequency） allele frequency（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

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）： 少数派対立遺伝子の頻度。

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、実際の観測分布と比較する。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） は代表的だが、対立遺伝子数が少ない場合や遺伝子型頻度が偏る場合にはexact testが重要であり、検定法を一律に固定しない。¹

⚠️ HWEからの逸脱には複数の原因があり、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。 遺伝子型判定genotyping 遺伝子型判定（genotyping）genotyping（遺伝子型判定） の誤り、近親交配などの非無作為交配、集団層別化population stratification集団層別化（population stratification）population stratification（集団層別化）、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）、遺伝的浮動genetic drift遺伝的浮動（genetic drift）genetic drift（遺伝的浮動）、移住・遺伝子流動gene flow遺伝子流動（gene flow）gene flow（遺伝子流動）、自然選択などが候補になる。² 自然選択による逸脱は「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） を調べる代表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）——数十万〜数百万規模のバリアントを全ゲノムで同時に検査し、多数の形質へ応用されている。³ 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

⭐ 「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、HLAHLA（human leukocyte antigen）-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、「関連が偽陽性である確率」そのものではない。GWASのように多数の検定を同時に行う場合は多重検定補正が必要で、基本形の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） では有意水準を0.05 ÷ 検定数とする。実務では連鎖不平衡 linkage disequilibrium, LD 連鎖不平衡（linkage disequilibrium, LD） linkage disequilibrium, LD（連鎖不平衡） も踏まえたゲノムワイド有意水準が用いられる。³

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

OR・RR>1で当該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-CLDL-C（low-density lipoprotein cholesterol）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-C（HDL cholesterol）はリスクを高め高HDL-Cはリスクを下げる、ビタミンD摂取は骨粗鬆症を防ぐ——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、曝露によっては非倫理的で実行不可能——代わりに、受胎時に割り当てられた遺伝的バリアントを曝露の代理となる操作変数 variables 変数（variables） variables（変数） として利用する。ただし、①バリアントが曝露と関連する、②曝露とアウトカム all-or-none outcomes アウトカム（all-or-none outcomes） all-or-none outcomes（アウトカム） の交絡因子 confounding factor 交絡因子（confounding factor） confounding factor（交絡因子） と独立である、③曝露以外の経路でアウトカム all-or-none outcomes アウトカム（all-or-none outcomes） all-or-none outcomes（アウトカム） へ作用しない、という仮定が必要で、集団層別化population stratification集団層別化（population stratification）population stratification（集団層別化）・多面発現pleiotropy多面発現（pleiotropy）pleiotropy（多面発現）・連鎖不平衡linkage disequilibrium, LD連鎖不平衡（linkage disequilibrium, LD）linkage disequilibrium, LD（連鎖不平衡）・選択バイアスselection bias 選択バイアス（selection bias）selection bias（選択バイアス） などは残りうる。⁴

flowchart TD
  A["曝露と関連する遺伝的バリアントを操作<span class='jp-term jp-term-diagram' title='variables'>変数</span>にする"]
  A --> B["関連性・独立性・排除<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Limitations'>制約</span>の3仮定を検討"]
  B --> C["仮定が妥当<br>→ 曝露の因果効果を推定"]
  B --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pleiotropy'>多面発現</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='population stratification'>集団層別化</span>などを認める<br>→ 推定に偏りが生じうる"]

症例：喫煙の遺伝的背景

喫煙開始・継続・本数・禁煙などは、それぞれ多数の遺伝的座位が関与する多遺伝子形質である。大規模genome mutation 大規模（genome mutation）genome mutation（大規模） GWASは遺伝的寄与を支持するが、「喫煙習慣化・禁煙成功率の60%」のような単一値を全表現型・全集団へ共通化することはできない。⁵

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） での扱い： 喫煙行動に関連する複数バリアントを操作変数 variables 変数（variables） variables（変数） として、喫煙曝露cigarette smoke 喫煙曝露（cigarette smoke）cigarette smoke（喫煙曝露） と疾患・寿命の因果関係 bidirectional causal relationship 因果関係（bidirectional causal relationship） bidirectional causal relationship（因果関係） を検討できる。ただし、遺伝的バリアント自体の直接効果 direct effect 直接効果（direct effect） direct effect（直接効果） や多面発現 pleiotropy 多面発現（pleiotropy） pleiotropy（多面発現） を除外し、操作変数 variables 変数（variables） variables（変数） の妥当性 validity 妥当性（validity） validity（妥当性） を感度分析 sensitivity analysis 感度分析（sensitivity analysis） sensitivity analysis（感度分析） で確かめる必要がある。⁴

メンデルランダム化による結論の実例

💡 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） の主目的は、修正可能Modifiable 修正可能（Modifiable）Modifiable（修正可能） な曝露や薬剤標的候補の因果性を検討すること。 遺伝的バリアントを操作変数 variables 変数（variables） variables（変数） として、脂質・血圧・肥満・喫煙などの曝露が疾患へ及ぼす効果を推定し、予防・治療仮説の優先順位づけにつなげる。⁶ 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） 研究と組み合わせることで、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」という橋渡しになる。

まとめ

• 集団遺伝学population genetics 集団遺伝学（population genetics）population genetics（集団遺伝学） は対立遺伝子頻度 allele frequency 対立遺伝子頻度（allele frequency） allele frequency（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） はカイ二乗検定 chi-square test カイ二乗検定（chi-square test） chi-square test（カイ二乗検定） またはexact testで評価し、逸脱には遺伝子型判定 genotyping 遺伝子型判定（genotyping） genotyping（遺伝子型判定） エラー・非無作為交配・集団構造・CNV・遺伝的浮動genetic drift遺伝的浮動（genetic drift）genetic drift（遺伝的浮動）・自然選択など複数の原因がありうる。
• 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） は受胎時の遺伝的割り当てを利用して交絡 confounding 交絡（confounding） confounding（交絡） を減らすが、関連性・独立性・排除制約 Limitations 制約（Limitations） Limitations（制約） の3仮定と多面発現 pleiotropy 多面発現（pleiotropy） pleiotropy（多面発現） などの偏りを検討する必要がある。修正可能Modifiable 修正可能（Modifiable）Modifiable（修正可能） な曝露や薬剤標的候補の因果性評価が主な実践目的となる。