2026年9月9日
「Multiomics Explained」シリーズでは、一回に一つのオームを解説していきます。全体像を把握するには、まず最初の記事「マルチオミクスとは？生物学の未来を解説するシンプルガイド」をお読みください。今回は、さまざまなオームがどのように連携し、人の健康に関する最も困難な課題の解決に貢献しているのかをご紹介します。さらに理解を深めるには、プロテオミクスとトランスクリプトミクスについてもご覧ください。それでは、エピゲノミクスとは何か、そして研究者たちがそれをどのように活用して生物学、疾患研究、プレシジョンメディシンの発展を進めているのかを見ていきましょう。
ゲノムが細胞や生物の機能を規定する設計図であるのに対し、エピゲノムはその設計図をどのように読み取るかを決定する仕組みです。エピゲノムはコントロールパネルとして機能し、DNA配列を変えることなく、どの遺伝子が発現するかを決定します。この遺伝子のオン・オフを制御する能力により、エピゲノムは生物学において重要な役割を担っています。
ゲノムの変化と同様に、エピゲノムの変化も疾患の発見につながる可能性があります。場合によっては、こうした変化は遺伝的変異よりも前に生じることがあり、健康上の問題が近づいていることを検知する早期警告シグナルとなる可能性があります。
エピゲノムとは？
最も基本的なレベルでは、エピゲノムは細胞の機能を決定します。体内のほぼすべての細胞は同一のゲノムを持っていますが、遺伝子発現は筋肉、皮膚、肝臓、脳をはじめとするさまざまな細胞種の間で大きく異なります。エピゲノムは、こうした違いを制御する上で重要な役割を果たしています。
同様に重要なのは、エピゲノムが一種のサーモスタットとして機能し、空気や水の質、食事、運動などの環境条件に対する細胞の応答を助けることです。例えば、脂肪細胞のエピゲノムは運動に反応し、遺伝子発現を変化させることで、それらの細胞がエネルギーを蓄積する方法や消費する方法を調節します。
エピジェネティックな変化は、加齢、がん、神経学的疾患、その他の疾患に関与していることから、エピゲノムは疾患メカニズムの解明や創薬ターゲットの発見に不可欠な情報層となっています。
エピゲノミクスからわかること
エピゲノミクスは、エピジェネティックタグと呼ばれる主要な分子プレーヤーを研究する学問であり、これらは遺伝子発現を促進または抑制する分子スイッチとして機能します。重要なエピゲノミクスのプロセスの一つにDNAメチル化があり、これはメチル基と呼ばれる分子がDNAに結合して特定の遺伝子をサイレンシングする過程です。
もう一つの重要なメカニズムはヒストン修飾です。1つの細胞内のDNAを伸ばすと約2メートルにもなるため、DNAは細胞核内に収まるように密に収納されなければなりません。ヒストンと呼ばれるタンパク質複合体はこの収納を助け、染色体を利用可能な空間に収まるように凝縮します。しかし、特定の遺伝子をオンにする必要がある場合には、メチル基やその他のエピジェネティック分子によってヒストンが緩められ、遺伝子発現が可能になります。
異常なDNAメチル化は、がん、代謝機能障害、神経発達障害を含む多くの疾患との関連が示されています。メチル化やその他のエピジェネティックなメカニズムを研究することで、科学者は複雑な疾患において遺伝子がどのように制御されているのかについて貴重な知見を得ることができ、診断バイオマーカーを発見し、有望な治療標的を特定できる可能性があります。
イルミナのエピゲノミクスへの取り組み
イルミナは、次世代シーケンス（NGS）やメチル化マイクロアレイを含む先進的なエピジェネティクス技術を開発しており、多様な研究アプリケーションにおけるDNAメチル化のゲノムワイドなプロファイリングを可能にしています。イルミナの技術は、DNAメチル化パターンと表現型、環境曝露、疾患との関連を調べるエピゲノムワイド関連解析（EWAS）の基盤となっており、生物学的経路や複雑な形質の基盤となる可能性のあるメカニズムについての洞察を提供しています。さらに縦断研究では、エピジェネティックプロファイリングを活用して時間の経過に伴うDNAメチル化の動的変化を解析し、加齢、環境曝露、疾患進行がエピゲノムにどのような影響を与えるのかを研究しています。NGSとマイクロアレイ技術は、エピゲノミクス研究において相補的なアプローチを提供するとともに、イルミナのバイオインフォマティクスエコシステムと統合されることで、スケーラブルで高品質なエピジェネティックデータの生成と解析を可能にしています。
NGSベースの手法は、包括的な生物学的発見を可能にし、ゲノムワイドなメチル化情報を提供するとともに、領域特異的およびアレル特異的なパターンを明らかにすることができます。また、これらのシーケンシングベースの手法は、さまざまなサンプルタイプや少量サンプルに対応できるという利点もあります。
イルミナの5塩基ソリューションは、がんやその他の疾患がどのように発症し進行するのかを調べる研究に向けて、全ゲノムシーケンスと全メチロームシーケンスを可能にするNGS解析ワークフローです。これは、DNAの4つの塩基であるアデニン、グアニン、チミンと並ぶシトシンのメチル化型であるメチル化シトシンを同定すると同時に、DNAバリアントも検出し、そのすべてのデータを単一のサンプルから取得します。酵素によってメチル化シトシン（5mC）はチミンに変換されますが、非メチル化シトシンには影響を与えません。その結果、この技術ではヒトゲノム内の5種類の塩基、すなわちA、G、C、T、および5mCのすべてを読み取ることができます。
5塩基ソリューションは、遺伝的バリアントと、それらがどのように制御されているかを明らかにするためのゲノムデータとエピゲノムデータを同時に提供します。遺伝情報とエピジェネティック情報を重ね合わせることで、がんや希少疾患を含む幅広い研究分野において発見力が向上します。この新しいアプローチは、ゲノム研究単独と比較して、新たでより深い生物学的洞察をもたらす可能性があります。
もう一つの一般的なNGSベースのエピジェネティクス手法であるChIP-seqは、タンパク質がDNAとどのように相互作用して遺伝子発現を制御しているかを明らかにするのに役立ちます。ChIP-seqでは、抗体を用いて特定のタンパク質に結合したDNA断片を回収した後、NGSによってそのタンパク質の結合部位をゲノム全体にわたって同定しマッピングします。このバイアスのないアプローチにより、ヒストン修飾、遺伝子制御ネットワーク、およびその他のメカニズムに関する包括的な情報を取得でき、それらと疾患との潜在的な関連性を明らかにすることができます。
マイクロアレイ技術も、DNAメチル化研究において依然として広く利用されている強力なツールです。Illumina Infinium Methylationアレイは、手頃なコストと高いスケーラビリティで知られており、Million Veterans ProgramやUK Biobankのような大規模コホート研究におけるメチル化プロファイリングを支えています。メチル化アレイは、個々のメチル化部位において再現性の高いメチル化データを提供できることでも評価されており、CNS腫瘍分類器、希少疾患分類器、エピジェネティック加齢時計など、トランスレーショナル研究向けのメチル化分類器の開発を支えてきました。
研究者によるエピゲノミクスの活用
5塩基ゲノムは、希少疾患に関する新たな遺伝的およびエピジェネティックなマーカーの発見や、これまで診断がつかなかった疾患に関する洞察をもたらす可能性があります。メチル化解析は、全ゲノムシーケンスおよび全エクソームシーケンスを補完し、遺伝性疾患研究における発見を加速します。希少疾患に加え、研究者たちは150を超える神経発達障害におけるエピシグネチャーを同定しています。DNAメチル化の影響は、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病といった神経変性疾患にも及びます。これらの疾患は、遺伝子発現を形作る特徴的なメチル化パターンによって特徴づけられます。
ポーランドのシュチェチンにあるPomeranian Medical Universityの研究者らは、ゲノムとエピゲノムの統合プロファイリングを通じて腫瘍分類を理解するために5塩基ソリューションを活用しています。これらの2種類の情報を同時に取得することで、これまで別々に検討されていた問いに取り組めるようになりました。単一のデータセットには、スモールバリアント、構造変化、コピー数変化、メチル化パターン、そしてそれらのシグナル間の相互作用に関する情報が含まれる可能性があります。
エピジェネティックタグは環境変化に非常に敏感であるため、健康状態、疾患、有害物質への曝露を評価する優れた指標となります。研究により、鉛、カドミウム、ヒ素、水銀をはじめとする有害物質への曝露歴を検出することができます。
プレシジョンメディシンにおけるエピゲノミクスの未来
エピゲノミクスは、真の個別化医療を実現する鍵であることは間違いありません。これらの研究は、DNA配列自体はまったく変化していない場合でも、遺伝子がどのように働いているかの違いを明らかにできるため、例えば、がん患者が類似したゲノム変異を有していても治療効果に大きな違いが生じる理由の解明に役立つ可能性があります。遺伝子発現を制御するメカニズムは、強力な役割を果たし得ます。
さらに、前述のように、エピジェネティクス技術は早期検出技術を飛躍的に進歩させる可能性があります。その究極的な成果は、心血管リスクの評価に用いられるものと同様の日常的な血液検査によって、患者のがん発症リスクを判定できるようになることです。
しかし、その恩恵は腫瘍学の領域をはるかに超える可能性があります。エピゲノミクスは、多くの疾患に対するバイオマーカーを特定し、疾患の進行や治療効果を追跡し、さらには初期発生に関する新たな知見を明らかにすることができます。多くの点で、エピゲノムはゲノムのオペレーティングシステムであり、その全体像を理解することは何百万人もの人々の健康に恩恵をもたらすでしょう。
