認知コントロールの遺伝的寄与を明らかにする

はじめに

注意欠陥多動性障害（ADHD）は、世界中の子供や青年でよく見られる行動障害です。専門家らは、小児集団の約2～7%がこの疾患と診断されていると推定しています。これらの専門家はまた、特に女性や成人において、この疾患は依然として著しく過小診断されていると考えています。¹ADHDに寄与する遺伝子をよりよく理解することで、ADHDに関連する生物学的リスク経路の特定につながる可能性があります。この知識は、臨床医が疾患を発症するリスクのある子供を早期に特定し、革新的な個別化治療パラダイムに情報を提供できるようにする診断検査の基礎となる可能性があります。

Mark Bellgrove博士は、モナッシュ認知臨床神経科学研究所の研究ディレクターであり、モナッシュ大学心理学部の認知神経科学教授です。博士の研究は、注意と認知制御という実行機能の2つの主要な要素の根底にある分子遺伝学的構造と神経化学的な要因を定義することに焦点を合わせています。Bellgrove博士は、システムの神経科学アプローチを取ることで、ADHDに寄与する遺伝子を特定し、障害の行動症状につながる細胞、脳、認知経路の理解を深めたいと考えています。

Bellgrove博士はイルミナと密接に連携し、カスタマイズされたアレイであるCogChipを設計し、遂行機能や認知制御の問題に関連するバリアントを同定しています。彼はiCommunityと、希少な遺伝子変異がいかに実行機能の理解を深められるか、なぜ全ゲノムシーケンス（WGS）が複雑な疾患を調査する未来なのか、次世代シーケンス（NGS）がいかに個別化されたADHD治療や治療法の登場を先導できるかについて話しました。

Mark Bellgrove博士は、Monash Institute of Cognitive and Clinical Neurosciencesの研究部長であり、オーストラリアのメルボルンにあるMonash University of Psychological Sciencesの認知神経科学教授です。

Q：ADHDを勉強することに当初興味があったことは何ですか？

Mark Bellgrove（MB）：私は、常に認知の生物学に興味を持ってきました。例えば、皆さんと私は集中力と注意力に違いがあるかもしれません。それはなぜですか？ なぜ気が散りやすい人もいれば、気が散りやすい状況でも集中力を維持できる人もいるのでしょうか？

私のトレーニングは認知神経科学で、注意力と作業記憶の背後にある神経科学を見ていました。アイルランドのトリニティカレッジでポスドクフェローシップをしていた頃、私はADHDの研究に着手し、アイルランドのADHD集団の遺伝子バリエーションをラボの注意基準に結びつける最初の研究をいくつか実施しました。それが、私の認知神経科学研究を遺伝的アプローチに合わせることに関心を惹きつけました。

それ以来、私の仕事は、ADHDを理解するためのシステムニューロサイエンスアプローチにまで拡大してきました。私は、遺伝子や遺伝子変異が細胞シグナル伝達経路をどのように変化させるか、そしてそれが脳の生理学的反応からADHDの小児における注意や認知の客観的な問題へとどのようにカスケードするかを理解しようとしています。

Q：異なる国でADHDを研究した経験のある人として、他の西洋諸国と比較して、オーストラリアの病気の有病率はどのくらいですか？

MB：驚くべきことに、有病率は世界中でかなり均一です。集団ベースの疫学的サンプルでは、学齢期の子供の約5%がADHDに罹患していることが示唆されています。² 読み上げるかもしれない見出しはいくつかありますが、ADHDの診断率は世界のどこにいても一貫しており、ここ数年で大きな変化はありません。

"NGSにより、ゲノム全体を確認し、コーディング領域とノンコーディング領域の希少バリアントを効率的に同定することができます。研究ではWGSとWESを使用しています。"

Q：この疾患の原因について、私たちは何を知っていますか？

MB：ADHDは、すべての精神疾患の中で最も遺伝性の1つであることがわかっています。遺伝学によって引き起こされる個人差の割合は、自閉症や統合失調症などの他の疾患で見られるものと類似しています。ADHDは遺伝学によって引き起こされることはわかっていますが、リスクをもたらす可能性のあるすべての遺伝子変異を分離しようとしています。

一般的なバリアント（一般集団に存在するバリアント）があり、マイナーなアリル頻度は約5%です。しかし、遺伝子機能を損傷するまれな遺伝子イベントも重要な役割を果たす可能性があります。NGSを使用して、遺伝子機能に重大な影響を与える可能性のある希少変異を同定しています。同様に、自閉症の研究では、シーケンスを使用して、疾患における機能的経路に影響を与えるバリアントを発見しています。

Q：ADHDの遺伝学を研究するためにどのような方法が用いられましたか？

MB：多くの複雑な疾患と同様に、いわゆる候補遺伝子を探し始めました。これらは、生物学的仮説に基づいてADHDの病因に関与している可能性があると考えた遺伝子でした。例えば、刺激薬はADHDを効果的に治療し、脳内のドパミントランスポータータンパク質を阻害することで作用することが分かっています。このタンパク質は、シナプスからのドパミンの再取り込みに関与しています。生物学的仮説の1つは、このトランスポーターが過活動であったことです。研究者は、ADHD症例と対照との間に不均等な頻度があるかどうかを調べるために、ドーパミントランスポーターをコードした遺伝子変異を探し始めました。これらの研究では、少なくともドーパミントランスポーターとD4と呼ばれるドーパミン受容体について、これらの候補遺伝子がわずかなリスクをもたらすことが示唆されました。しかし、これらの研究に対する批判は、チェリーが特定の遺伝子のゲノムを事前に選んでいたが、全ゲノムという文脈におけるADHDの遺伝的リスクの見解を提供していなかったというものでした。

"CogChipには共通のバリアントバックボーンがあり、シーケンスプロトコールから同定した希少バリアントや、大規模なコンソーシアム研究で脳や認知機能に関連すると同定されたバリアントが豊富に含まれることが予想されます。"

全ゲノムを調べるために、研究者はゲノムワイド関連解析（GWAS）に注目しました。長い間、GWASはサンプルサイズが小さいため、ADHDに対して著しく無害でした。しかし、Psychiatric Genomics Consortiumやその他の国際的なコホートは、国際的なADHDデータセットの数を増やしています。現在、ADHDには14のメタ解析で検証されたGWAS遺伝子ヒットがあります。³しかし、これらの研究では、使用する特定の基準に応じて、1%または5%未満のマイナーなアリル頻度を持つ一般的なバリアントのみを対象としています。これらの研究では、希少バリアントや、それらが遺伝子機能にどのように影響するかについては取り上げていません。

Q：研究でNGSの使用を開始した理由は何ですか？

MB：NGSにより、ゲノム全体を表示し、コーディング領域とノンコーディング領域の希少バリアントを効率的に同定することができます。研究ではWGSと全エクソームシーケンス（WES）を使用しています。

当初、文献から抽出したターゲット遺伝子セットを用いて小規模のWES研究を実施し、脳の発達に重要な遺伝子である脳由来神経栄養因子（BDNF）遺伝子内に稀なバリアントのエビデンスが、ADHD症例において対照群と比較して見出されました。⁴これは、より詳細に再現したい小規模の予備的研究でした。

Q：ADHDにおける実行機能は何か、またこれらのプロセスはどのように変化しているか？

MB：エグゼクティブファンクションとは、私たちが生活する複雑で変化し続ける世界と交流し、適応することを可能にする、ユニークで人間的な認知プロセスを指します。実行機能は、重要なことに立ち会い、不適切な内的思考や外的行為など、適切でない行動を抑制する認知プロセスのグループです。これらの種類の認知機能は、ADHDだけでなく、統合失調症や自閉症でも障害されています。実行機能の遺伝学を研究することで、ADHD、自閉症、その他の疾患に対する根底にある遺伝的責任に対する新しい手がかりを発見できるかもしれません。

"CogChipはスクリーニングツールの基盤となりうると考えています。なぜなら、実行機能はさまざまな臨床障害の有用な代用となるからです。"

Q：貴社のエグゼクティブファンクションリサーチの目的は何ですか？

MB：双子の研究から、実行機能は遺伝しやすいことがわかっています。モノ接合性双生児を測定すると、実行機能は二接合性双生児に見られるものよりも似ています。私はイルミナと提携し、モナッシュ大学の大規模なコホートを調べました。このコホートでは、実行機能評価でスクリーニングまたは評価を受けた健康な個人がいます。GWASとWESを使用して、実行機能における個人差の共通バリアントと希少バリアントの両方の関連を見つけています。最終的には、この研究を成功させるために非常に大規模な研究を行う必要があります。

イルミナと提携することで、エグゼクティブ機能の遺伝学を探求する機会が得られます。個人差に関連する遺伝子変異を見つけることができれば、さまざまなゲノム領域に濃縮されたターゲットチップを開発し、ADHDから統合失調症までのエグゼクティブコントロールの問題でマークされたさまざまな症状のスクリーニングツールとして使用できる可能性があります。

Q：実行機能に関連するバリアントを特定するためにNGS研究を開始しましたか？

MB：NovaSeq 6000システムを使用して、2018年にWES研究を開始しました。現在、シーケンスデータが返されるのを待っています。DNAサンプルと1,200人の健康な若年成人からの詳細な表現型情報で構成されるMonash Universityのデータバンクを、ADHDに罹患した子供とその両親の1,800サンプル（600トリオ）のコレクションとともに、通常の対照として使用しています。

並行して、コンソーシアム研究も実施しており、不適切または望ましくない場合に、誰かがその行動をどのように抑制できるかを評価するラボベースのプロトコールを開発しました。国際コンソーシアムでは、その形質のGWASを実施して、応答阻害の遺伝的基質を特定できるかどうかを調べています。約10,000のサンプルがこのコンソーシアムから得られるため、興味深い何かを示す可能性はあります。

Q：この最初の研究でWGSの代わりにWESを使用することを選択した理由は何ですか？

MB：WGSは、ADHD研究の望ましいプラットフォームとなるでしょう。その理由は、これらの疾患にはノンコーディングバリアントの強力な寄与があると信じており、WESよりもWGSの方がノンコーディングバリアントをよりよく調査できるからです。しかし、現在のプロトコールはコストの制約によって決まります。現在のところ、WESはWGSよりも費用対効果が高いです。私たちが使用している手法には、エクソームキャプチャーのほか、イントロンとエクソンの境界や非翻訳領域などのノンコーディング領域のキャプチャーがあります。

コストが下がり、手法が改善するにつれ、WGSは、ノンコーディング領域が極めて重要であると考えるADHDやその他の疾患を研究するための効率的で費用対効果の高いアプローチになります。ENCODEプロジェクトでは、ノンコーディングバリアントが複雑な形質の宿主全体に関連する可能性が高いことが示されています。

"私たちの研究は、遺伝的バリアントに関連する層別化に基づく個別化医療アプローチに情報を提供する可能性があります。"

Q：WESとWGSは、貴社のシステムニューロサイエンスアプローチにどのように統合されますか？

MB：NGSは、ADHDに対する当社のシステムの神経科学アプローチの重要な要素です。NGSに惹かれたのは、原因変異を同定し、それらを細胞株に移植して機能検証を行う可能性でした。ADHD用の人工多能性幹細胞（iPSC）の作成を開始しました。これらの細胞を用いて、ADHDの原因である可能性が高いと考えられる変異をiPSCに操作し、それらをニューロンに分化させたいと考えています。私たちには、ドーパミンニューロンがADHDにとって機能不全であるという生物学的仮説がありますが、実際には、そのことを示す客観的な証拠はありません。iPSC由来のニューロンは、その仮説をとらえ、ドーパミンシグナル伝達に対する遺伝子変異の影響を検査する貴重な方法です。

これからは、ADHD病理のメカニズムアカウントの開発を目指しています。だから私はシーケンスを使っています。iPSCテクノロジーを使用して、機能検証にすぐに対応できる変異を同定できます。バリアントが細胞機能に与える影響がわかります。その後、この遺伝子が脳内の構造的、機能的、または結合パターンを変化させるという証拠を探し、実行機能の客観的な問題を探します。システムの神経科学アプローチは、遺伝リスクと診療所で見られる実際のADHD表現型の間のループを埋めるのに役立ちます。

Q：CogChipにはどのようなバリアントが含まれ、ADHD研究をどのようにサポートしますか？

MB：当社の現在の研究は、CogChipの建設に役立っています。CogChipには共通のバリアントバックボーンがあり、シーケンスプロトコールから同定した希少バリアントや、大規模なコンソーシアム研究で脳または認知機能に関連すると同定されたバリアントが豊富に含まれることが予想されます。イルミナのPsychArrayに似ていると思いますが、実行機能や脳機能で広く見られるバリアントが豊富に揃っています。

Q：CogChipは、ADHD診断と個別化治療の開発にどのように役立つでしょうか？

MB：CogChipはスクリーニングツールの基盤となりうると考えています。なぜなら、実行機能はさまざまな臨床疾患に有用な代用機能だからです。研究に関心のあるあらゆる形質の遺伝責任をスクリーニングするために、このデータを使用する可能性があります。また、早期の検出と診断、および潜在的な薬物治療や個別化医療戦略を研究するための集団の層別化にも役立つ可能性があります。幅広いアプリケーションが存在する可能性があります。

Q：あなたの研究は、ADHDの理解にどのように影響しますか？

MB：ADHDの診断は主観的です。非常に不均一な疾患であり、多くの併存疾患やサブタイプがあります。残念なことに、過去のGWASのデータでは、ADHDを持つすべての個人が、同じ形態の障害を持つかのようにグループ化されました。根底にある病態生理が似ていると想定していましたが、ほぼ間違いありません。ADHD遺伝子研究の利点は、構造的または機能的脳異常に関連するクラスター、症状、認知行動があるかどうかを調べることです。この情報は、症例の層別化を裏付け、疾患の異なるサブタイプに固有の遺伝的特徴を同定する可能性がある。最終的には診断に役立つ可能性があります。

現在、臨床医は、子供が薬に反応するかどうかを自由に話すことはできません。その結果、彼らはADHD薬を試行錯誤して処方しています。私たちの研究は、遺伝的バリアントに関連する層別化に基づく個別化医療アプローチに情報を提供する可能性があります。ADHDの場合、メチルフェニデートやリタリンなどの治療の有効性は、ポリジェニックリスクによって異なる可能性があります。遺伝子スクリーニングはこれらのリスクを特定する可能性があります。

Q：認知神経科学の分野は、ゲノミクスの力をどのように活用していると思いますか？

MB：特定の臨床病理に関係なく、実行機能の遺伝学と認知の明確な側面を理解することで、思考の個人差と、その差を媒介する脳内の回路をよりよく理解することができます。

これらの認知のメカニズムの道をたどることで、さまざまな臨床疾患で何が起こっているのかをよりよく理解することができます。これら2つのアプローチは相互排他的であるとは思えません。お互いに補強し合い、お互いに送り合って、また送り返すことができると思います。

シーケンスは、脳の機能をよりよく理解するための強力なツールです。私たちは、実行機能やADHDの研究にNGSを初めて使用しており、NGSが発見に役立つ可能性に非常に期待しています。