神経変性疾患に関する遺伝学的な洞察を得る

はじめに

Annals of Neurologyの最近の論説では、主要な神経学者が、米国における一般的な神経疾患の推定年間コストが8,000億ドルを超えていると報告しています。アルツハイマー病やパーキンソン病などの一般的な老化関連疾患は、これらの総費用の2,500億ドル以上を占めています。¹ 2050年までに老化人口はほぼ2倍になると予測されており、これらの費用は上昇すると予想されています。これらの疾患の私的および公的負担を管理するため、著者らは世界中の研究者がトランスレーショナル研究を予防療法や疾患修飾療法に拡大することを提案しています。

このような義務は、実行したよりも簡単に言われます。アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症（ALS、ルー・ゲーリッグ病として知られる）などの神経変性疾患には、強い遺伝的要素があることが以前から知られています。しかし、各疾患の発症に関与する特定の遺伝的バリアントや、経時的な神経変性の進行の正確なメカニズムについてはほとんど知られていません。そのため、臨床医が予後の確実性をもって、自信を持って早期診断を行うことは困難です。また、患者さんが症状を示す前と後に、これらの衰弱性疾患と闘うための安全で効果的な治療法を開発する科学者の能力を制限しています。

ゲノムワイド関連解析（GWAS）などのアレイベースの手法では、まれなリスクバリアントを検出することはできません。これらのバリアントを発見するために、Alan Pittman博士などの研究者は、神経変性疾患研究のために独自の次世代シーケンサー（NGS）パネルを開発しました。ロンドン大学神経学研究所（UCL）の分子神経科学のシニア研究員であるPittman博士は、希少な早期発症神経変性疾患を含むパーキンソン病やその他の神経変性疾患を研究しています。イルミナは、他の16名の一流研究者のグループとともに、神経変性疾患の根底にある遺伝学を研究するための新しいツールであるTruSeq Neurodegeneration Panelの設計とテストを支援しました。

iCommunityはPittman博士と、神経変性疾患の病因を理解する上での課題、パネルのテストで学んだこと、将来の臨床試験や治療法の開発に役立つパネルの可能性について話しました。

Alan Pittman博士は、UCL Institute of Neurologyの分子神経科学の上級研究員です。

Q：神経学や早発性神経疾患に興味を抱いたきっかけは何ですか？

アラン・ピットマン（AP）：ほとんどの人は、直接的または間接的に神経疾患に罹患しています。私たちの多くは、アルツハイマー病やパーキンソン病などの疾患を持つ家族や愛する人がいます。これらの疾患の社会への負担は計り知れません。それが私に治療法を見つける動機付けになります。私が何かをして助けられることを願うことが、この一連の研究に私を導いてくれました。

Q：UCLにおける研究研究の焦点は何ですか？

AP：私のグループは、神経変性疾患の原因を見つけることに関心があります。遺伝学とそれが生物学にどのように影響するかを特定できれば、これらの疾患の生物学的基礎を解明し始めることができます。

その有病率にもかかわらず、多くの神経変性疾患は診断が困難です。これらの疾患内および疾患間では、かなりの不均一性があります。一部の症状は似ていますが、根底にある遺伝的原因は異なります。同じ遺伝的原因を持つ人もいますが、症状は異なります。

遺伝学に焦点を当てることで、診断のためのより良いツールを開発することができます。これらのツールが完成すると、臨床医はこれらの疾患に期待できることに関する情報を人々に提供できるようになります。また、これらの疾患を抱えて生きる人々のための効果的な治療選択肢の開発にも情報を提供します。

"TruSeq Neurodegeneration Panelは、長年必要とされてきた製品です。神経変性疾患を研究するための市販のシーケンスパネルはありませんでした。"

Q：神経変性疾患の遺伝学をより深く理解することで、神経病理学の特性評価も改善できるか？

AP：遺伝学を理解することで、単一の神経変性疾患のさまざまなサブタイプをより効果的に特徴づけることができます。典型的な例は前頭側頭型認知症です。これは、さまざまな病理から生じるさまざまな疾患の総称です。その結果、患者ごとに異なる原因、臨床症状、および臨床転帰が生じます。遺伝子研究は、全体的な状態と異なるサブタイプに対する臨床的な理解を高めます。

Q：遺伝子研究は、薬剤やその他の治療法の開発にどのように役立ちますか？

AP：残念ながら、現時点ではほとんどの神経変性疾患に利用できる治療法は多くありません。私たちがやっていることは、必ずしも望むように機能するとは限りません。優れた効果的な治療法の開発において、より良い仕事をすることが最優先事項です。そこで、神経変性疾患の遺伝学を理解することが貴重なのです。遺伝子研究は将来の臨床研究に役立つ可能性があります。例えば、変異を共有する特定の患者グループに対する治療をテストすることができます。リスクにさらされている可能性のある個人を同定したり、障害のある患者を特定のサブグループにグループ化したりすることは、実際に効果のある新しい治療法の開発に役立つ可能性があります。これは、遺伝学とそれに対応する生物学を理解することから始まります。

Q：UCL Institute of NeurologyのNGS施設リーダーを務めています。この種の研究を行うために使用しているシーケンス技術にはどのようなものがありますか？

AP：すべての研究研究に完璧な方法はありませんので、さまざまなテクノロジーを使用しています。サンプルに特定の遺伝子変異があることが確実な場合、サンガーシーケンスを使用します。NGSテクノロジーにより、神経変性疾患に関与する可能性のある幅広い遺伝子をスクリーニングすることができます。質問の種類によっては、ターゲットリシーケンスパネルや全エクソームシーケンス（WES）を使用する場合があります。これらのアプローチでは、私たちが求めている答えが得られない場合は、全ゲノムシーケンス（WGS）技術を使用します。通常、WESで明確な回答を得ることができますが、必ずしもそうとは限りません。MiSeq システムやHiSeq  3000システムなど、さまざまなテクノロジーを自由に組み合わせることができます。2011年以来、イルミナのNGSシステムを一貫して使用しており、いくつかのアップグレードが行われています。

"これらすべての遺伝子を1つのパネルにまとめることは、クロス疾患やクロス表現型の状況にも適しています。"

Q：ターゲットリシーケンスの利点は何ですか？

AP：何を探しているかが分かっている場合、エクソームやゲノムの詳細なリードアウトは望ましくありません。これは、保存および解析すべき膨大な量のデータであり、偶発的な所見の問題もあります。少数の遺伝子群を調べます。ターゲットリシーケンスは、大量のサンプルを非常に迅速にシーケンスしたいラボでは安価です。

Q：TruSeq Neurodegeneration Panelの設計とテストにどのように関与しましたか？

AP：TruSeq Neurodegeneration Panelは、長年必要とされてきた製品です。さまざまな種類のがんを研究するために利用できるターゲットリシーケンスパネルがありますが、神経変性疾患を研究するための市販のシーケンスパネルはありませんでした。神経学研究者は独自のカスタムパネルを設計する必要がありました。市場に深刻なギャップがあり、埋める必要がありました。TruSeq Neurodegeneration Panelの設計とテストを手伝ってほしいと頼まれたとき、喜んでやっていました。

Q：パネルでカバーされる遺伝子は何ですか？

AP：このパネルは、GWASを使用して、以前はアルツハイマー病、パーキンソン病、ALSなどの障害と関連していた118の遺伝子のコーディングセグメントとノンコーディングセグメントを含むようにデザインされました。ノンコーディングセグメントには、イントロン、非翻訳領域（UTR）、プロモーター領域が含まれます。特定の遺伝子バリアントの存在に関するデータのほか、研究の疑問に答えるための追加コンテンツを提供します。例えば、パネルを使用して特定の疾患に関連するスプライシング変異を特定することができます。

これらすべての遺伝子を1つのパネルにまとめることは、クロス疾患やクロス表現型の状況にも適しています。例えば、前頭側頭型認知症とALSは2つの非常に異なる疾患です。しかし、遺伝子の重複はかなり多いのです。このパネルを使用して、1つの疾患またはさまざまな疾患に同時に取り組むことができます。

"高速で、多くのサンプルのシーケンスを同時に行うことができ、大規模な研究を行う際に便利です。また、これは優れたスクリーニング手法でもあり、研究者は変異が見つからないサンプルに対してWGSまたはWES研究を予約することができます。"

Q：X染色体とY染色体にマーカーを含めることの価値は何ですか？

AP：ターゲットパネルには、X染色体とY染色体のコンテンツが不足することがよくあります。大規模な集団研究を実施する場合、サンプルの性別を推測できることが望まれます。サンプルやプレートの混同がないことを保証し、データの完全性を確認する良い方法です。

Q：イントロン/エクソンベースの遺伝子パネルがWESよりも優れているのはなぜですか？

AP：TruSeq Neurodegeneration Panelのようなイントロン/エクソンベースの遺伝子パネルを使用すると、疾患に関連する可能性のあるノンコーディングバリアントをキャプチャし、WESでは見逃される可能性のあるイントロン以外の位置の再構成を検出できます。

Q：パネルのテストにどのくらいの時間がかかりましたか？

AP：私たちは、何のシーケンスを行い、サンプルを採取するかを考えるために多くの時間を費やしました。過去には、パーキンソン病の希少バリアント解析にアレイを使用していました。² 私たちは、TruSeq Neurodegeneration Panelを使用して、パーキンソン病のLRRK2 G2019Sコードの浸透率を詳細に調べることにしました。³ LRRK2には大きなばらつきがあります。私たちの目標は、新しい多民族コホートでG2019S病原性ハプロタイプを特徴づけ、発症早期（AAO）の遺伝子修飾因子を見つけることでした。

我々は、LRRK2 G2019S変異保因者である北アフリカ系、アシュケナージ系ユダヤ人、ヨーロッパ系白人の影響を受けない親族7人およびパーキンソン病を持つ41のサンプルを選択しました。ライブラリーの作成、シーケンス、迅速なデータ解析にわずか2～3日かかりました。

Q：どのようにデータを解析しましたか？

AP：関心のある遺伝子がカバーされていることを確認するために、カバレッジなどの品質メトリクスを調べました。私はバイオインフォマティクスなので、オープンソースソフトウェアやパネルデータ用に修正したゲノム解析ツールキットなど、独自の解析手法を使用しています。

Q：TruSeq Neurodegeneration Panelはどのように機能しましたか？

AP：TruSeq Neurodegeneration Panelの研究結果に満足しました。イルミナの他のシステムやパネルと同じ原理とワークフローを使用しています。標準化された使いやすい方法で、迅速かつ簡単に使用できます。心配する脱落はありませんでした。データの品質に満足しました。

"早期に被験者を同定できれば、臨床試験に情報を提供し、最終的には疾患を予防または治療するための治療を開始する上で非常に重要になる可能性があります。"

Q：TruSeq Neurodegeneration Panelの利点は何ですか？

AP：TruSeq Neurodegeneration Panelの主な利点はコストです。パネルは既知の遺伝子をターゲットにしているため、研究者はゲノム全体のシーケンスにそれほど多くの投資を行う必要はありません。高速で、多くのサンプルのシーケンスを同時に行うことができ、大規模な研究を行う際に便利です。また、これは優れたスクリーニング手法でもあり、研究者は変異が見つからないサンプルについてWGSまたはWES研究を予約することができます。

研究者は、検証できる方法も求めていますが、それは変わりません。データの信頼性と一貫性を望んでいます。TruSeq Neurodegeneration Panelはこれをサポートします。

Q：TruSeq Neurodegeneration Panelは、神経変性疾患の理解をどのように前進させますか？

AP：TruSeq Neurodegeneration Panelは、幅広い神経疾患のための重要な研究ツールです。その使用から恩恵を受ける研究グループは数多くあります。

これにより、研究者は個々の疾患や神経変性の遺伝子構造全体を調べることができます。多くの神経疾患は、いくつかの遺伝的構造を共有していると思います。必ずしも特定の疾患が属しているようには見えない場合があります。しかし、遺伝的観点からもそうです。そのため、個々の疾患と疾患グループを同時に見ることができれば非常に有用です。

このパネルには一般的なリスク因子が含まれており、高リスク集団の素因スクリーニングを改善できる可能性があります。これにより、研究者は、アルツハイマー病などのメンデリア以外のタイプの危険因子を研究できるだけでなく、GWAS研究で見つかった浸透率や上位ヒット率の低下も研究できる可能性があります。

臨床試験に関しては、臨床試験の保因者、特に発症前の保因者を特定することが有利です。そうすることで、事前に介入する方法があるかどうかがわかります。まだ試されていない治療薬の新しいターゲットを試すことができます。神経変性疾患の患者を診断する頃には、損傷が起こり、変化をもたらすことができないことがよくあります。早期に被験者を同定できれば、臨床試験に情報を提供し、最終的には疾患を予防または治療するための治療を開始する上で非常に重要になる可能性があります。

Q：研究の次のステップは何ですか？

AP：パーキンソン病におけるLRRK2変異保因者の乏遺伝子遺伝パターンに関する最近の研究は、パイロット研究にすぎませんでした。多民族コホートにおけるG2019S病原性ハプロタイプの特徴解析に成功しました。LRRK2 G2019S疾患の遺伝子修飾因子の問題に対処するために、より大きなサンプルサイズが必要であったことは明らかでした。現在、TruSeq Neurodegeneration Panelでより大規模な研究を行い、統計的検出力を高めるために、この変異を持つより多くの患者を募集しています。

また、ALSサンプルを用いた2回目の研究も開始します。ALSに関連する特定の変異を持つ人もいるが、この疾患に罹患することはない理由について知りたいと考えています。また、1人が30歳でこの疾患にかかり、同じ変異を持つ別の人がALSに罹患しない理由についても研究します。そこにはいくつかの修飾遺伝因子が存在する必要があり、TruSeq Neurodegeneration Panelを使用してそれらを特定するお手伝いをします。

Q：神経変性疾患の遺伝学について、人々に何を理解してもらいたいですか？

AP：神経変性疾患の遺伝学は複雑です。まだ学ぶべきことがたくさんあり、やるべき研究もたくさんあります。TruSeq Neurodegeneration Panelは、これらの疾患の根底にある遺伝経路をよりよく理解する機会を提供します。そうすることで、これらの疾患の発症と、その予防や治療のためにいつまでもできる可能性があることを理解できるようになります。