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孤発性ALS患者のエピゲノム解析 ― R-loop & DNAメチローム
February 22, 2024
はじめに ― これまでにALSについて分かっていること
致死性の神経変性疾患である筋萎縮性側索硬化症(ALS: Amyotrophic Lateral Sclerosis)では、脳と脊髄の運動ニューロンが徐々に変性して失われることにより、筋肉の制御や機能が低下していきます。ALSには症状が類似した疾患が多く、分子レベルの原因が解明されていないため（つまり、明確なバイオマーカーが見つかっていません）、現在、その診断には大きな困難が伴います。
家族性ALSに関連する遺伝子変異の数は増加の一途をたどっていますが、孤発性ALS (全症例の90-95％を占める)の病因はほとんどわかっておらず、遺伝的要因と環境的要因の相互作用が関与している可能性が高いといわれています(Cirulli et al., Suzuki et al., and Turner et al.)。興味深いことに、最近の研究においてエピジェネティックな変化が孤発性ALSの発症に重要な役割を果たし、ALSの診断マーカーになる可能性が注目されています。
このような変化には、患者におけるDNAメチロームの変化（Hop et al.）やR-loopの形成 (Kannan et al., Farg et al., and Grunseich et al.）が含まれます。R-loopは、二本鎖DNAと相互作用する一本鎖の新生RNA分子からなる核酸構造で、遺伝子の転写やDNA修復の制御において重要な役割を果たします(Santos-Pereira and Aguilera, 2015)。特に、R-loopの蓄積は、DNA二本鎖切断の頻度上昇と相関しており、ゲノムの不安定性や老化、アポトーシスを誘発する可能性があります(Crossley et al., Santos-Pereira and Aguilera, and He et al.)。
孤発性ALS患者におけるエピゲノムカタログの構築
ALSの研究と治療の現状から、ハンガリーのTamás Arányi (Research Centre for Natural Sciences/Semmelweis University)、およびLóránt Székvölgyi(University of Debrecen)を中心とする研究グループは、確かな臨床記録のある孤発性ALS患者(ALSと診断された家族がいない)と、年齢を合わせた健常者から採取した血液サンプルを用いて、包括的かつ統合的なエピゲノム調査を行い、疾患と関連する可能性のある分子を探りました。具体的には、ALS患者と健常者の全血サンプル1mlからゲノムDNAを抽出し、次世代シーケンシングを用いた3つの解析を同時に行い、後に統合可能なデータベースを構築しました。
彼らはまず、ターゲットキャプチャー・マイクロアレイ・ハイブリダイゼーションによりヒト疾患に共通して関連する4813個の遺伝子について、タンパク質コード領域を濃縮し、DNA変異の存在を臨床的エクソーム解析(CES: Clinical Exome Sequencing)により評価しました(Lee et al.)。
次に、RNA-DNAハイブリッド配列を認識するモノクローナル抗体（Bou-Nader et al.)を用いたDRIP-Seq (DNA-RNA hybrid Immunoprecipitation Sequencing)によりHalász et al.)、遺伝子領域と遺伝子間領域に関連する染色体Rループの分布を評価しました。
さらに、遺伝子の転写に影響を与える遺伝子制御領域における患者のDNAメチロームの変化について、RRBS (Reduced Representation Bisulfite Sequencing)を用いて調べました(Meissner et al.)。この解析では、メチル化された部位(CpGごと)、およびメチル化された領域(1000 bpウィンドウごと)を探索し、プロモーター、エクソン、イントロン、および転写開始部位についてアノテーションを行いました。
著者らは、次世代シーケンサーを用いたデータセットの質の高さを確認した後、研究対象となった孤発性ALS症例に関連する遺伝的およびエピジェネティックな変化のカタログを作成しました。著者らは、広く認知されているソフトウェアを適用することにより、どのようなゲノム解析ワークフローにもデータを統合することが可能になると述べています。
エピゲノムカタログの将来的な意義
この研究は、将来、より多くの孤発性ALS患者から得られた遺伝子変異、DNAメチローム、R-loopの関与に関する包括的な情報を含む膨大なデータベースを構築するための第一歩です。したがって、これを発展させることにより個々の患者、および患者間の遺伝学的要因の相関が明らかになる可能性があり、診断に利用可能なバイオマーカーとなるエピジェネティックなパターンが見出されるかもしれません。総合的に見て、このアプローチはALSの理解を深め、この致命的な神経変性疾患に対する新しいエピジェネティックな治療法の開発にも貢献することでしょう。
これらのエピゲノム解析とALS患者のデータセットの詳細については、Scientific Data, January 2024をご参照ください。
About the author
Stuart P. Atkinson, Ph.D.
Stuart was born and grew up in the idyllic town of Lanark (Scotland). He later studied biochemistry at the University of Strathclyde in Glasgow (Scotland) before gaining his Ph.D. in medical oncology; his thesis described the epigenetic regulation of the telomerase gene promoters in cancer cells. Following Post-doctoral stays in Newcastle (England) and Valencia (Spain) where his varied research aims included the exploration of epigenetics in embryonic and induced pluripotent stem cells, Stuart moved into project management and scientific writing/editing where his current interests include polymer chemistry, cancer research, regenerative medicine, and epigenetics. While not glued to his laptop, Stuart enjoys exploring the Spanish mountains and coastlines (and everywhere in between) and the food and drink that it provides!
Contact Stuart on Twitter with any questions
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