遺伝音声の基礎となる言語と読書障害を見つける
イェール大学の研究者は、InfiniumアレイとHiSeqシステムを使用して、発達言語障害や読書障害に関連する遺伝的バリアントを明らかにしています。
遺伝音声の基礎となる言語と読書障害を見つける
はじめに
言語は、家族やコミュニティで人間を結びつける糸を形成します。これにより、私たちは自分のニーズを表現し、助けを呼びかけ、最も内なる欲求や願望を共有することができます。私たちのほとんどは、スピーチはシンプルで率直なコミュニケーション方法だと考えています。しかし、発達言語障害（文法などの言語の基礎を習得するのが困難）や特定の読書障害（正常な知性にもかかわらず読書を習得するのが困難）などの言語障害を持つ人の約10%は、単純ではないものです。1言語障害には、言語の発話や執筆、意味、文法、構文の理解、または読み方や綴りの問題が含まれます。これらの疾患の多くは家族に集まるため、科学者は、遺伝因子が言語障害の発達に重要な役割を果たすと長い間考えてきました。FOXP2遺伝子の変異が一部の家系において言語失行（明瞭な発話の困難）を引き起こすという発見など、いくつかの重要な例外を除き、言語障害の遺伝学は依然として不明です。
イェール大学の遺伝学者であるElena Grigorenko博士は、ロシアのモスクワ州立大学の学部生および大学院生として、神経学と子供の発達の根底にある遺伝学に興味を持ちました。彼女は25年にわたるキャリアのほとんどで、子供の発達、言語障害、その他の障害に関連する遺伝的要因を研究してきました。1990年に心理学の博士号（当時はソビエト連邦）を取得後、イェールに移り、そこで発達心理学と遺伝学の博士号を取得し、その後行動遺伝学と分子遺伝学の研究室（Elena Grigorenko LabまたはEGLAB）を設立しました。現在は、ヒューストン大学およびベイラー医科大学の新しい役職に就いています。
“ロシアでやりたい人間の行動研究ができなかった”とGrigorenko博士は述べました。私が米国に来てイェールで働き始めたとき、この一連の研究を開発する素晴らしい機会に見えました。私の研究室は、言語障害や学習障害（例：読書障害や失読症）、行動（子供や青年における破壊的行動や暴力的行動のパターン）など、いくつかの発達障害に重点を置いています。
彼女のキャリアにより、サンガーシーケンスからアレイ、次世代シーケンス（NGS）への移行を見守り、参加することができました。Grigorenko博士、Sergey Kornilov博士（大学院アソシエイト）、Maria Lee Eastman（研究アソシエイト）、およびラボの同僚は、イルミナのInfiniumアレイとHiSeqシステムを使用して、正常な子供の脳の発達に関与する遺伝子、および子供の正常な言語を理解および/または生成する能力に影響を与える変異を同定しています。
最初は、RFLPとSTRPを使用した遺伝子研究が
遺伝学研究により、発育性言語障害は強い遺伝性があることが明らかになりました。研究者は、これらの疾患は多くの遺伝子が協調して作用した結果であると考えています。言語障害を克服する子供もいますが、そうでない子供もいます。学術的および精神的な障害を示す可能性が最も高いのは、この小児のサブセットです。言語障害の一因となる特定の遺伝子パスウェイを同定することは、脳がどのように言語を発達させ、処理するかを科学者が理解するのに役立ちます。
Grigorenko博士は、イェール大学でEGLABを設立したとき、言語障害と発達障害の複雑な遺伝学を理解するために、制限断片長多型（RFLP）と短い直列反復多型（STRP）を使用したサンガーシーケンスとジェノタイピングに依存していました。その後、DNAマイクロアレイテクノロジーが導入され、科学者が一塩基多型（SNP）を特定の形質に関連付けるのに役立ちました。Grigorenko博士は、マイクロアレイの使用に基づく言語障害を研究するためにNIH助成金を申請した最初の科学者の一人でした。
Infiniumマイクロアレイが現場に飛び散ります
Grigorenko博士は、アレイ研究をKeck Coreラボに委託していました。Keck Coreラボは現在、イェールゲノム解析センターとして知られています。時間が経つにつれて、彼女はより特殊なタイプのジェノタイピング、遺伝子発現、メチル化研究を始めました。
“私たちは、キャンパスでジェノタイピング、遺伝子発現、エピジェネティックな作業を行っている他のラボの4～5人の治験責任医師（PI）と話しました”とGrigorenko博士は付け加えました。イェールには、Infiniumアレイを使用してスピードを上げる際に頼りにできる現地の専門知識がたくさんあり、疑問があればラボに電話したり、ラボに立ち寄ったりできることに気づきました。
Infinium BeadChipsは安価で信頼性が高く、堅牢であると、Eastman氏は述べています。Infiniumアレイを使用して5,000を超えるサンプルを処理しましたが、現在もデータを選別しています。これらのアレイは使いやすく、有益です。
過去10年間にわたり、EGLABはHumanCoreExomeやカスタムInfinium BeadChipsなど、さまざまなInfiniumゲノムワイド関連解析（GWAS）アレイを使用してきました。また、エピジェネティック研究にはHumanMethylation450 BeadChipも使用しています。
Infinium BeadChipは、安価で信頼性が高く、堅牢です。
NGSへの移行
Eastman氏がEGLABに加わって間もなく、NGSはより手頃な価格になり、Grigorenko博士はNGSを活用した研究を社内に持ち込む準備が整っていると判断しました。ラボはすでにイルミナ製品に精通しており、HiSeqシステムを使用した他の多くの研究者も知っていたため、簡単に決断を下すことができました。EGLABはHiSeqシステムと共に小さなパイロットプロジェクトを開始し、さまざまな年齢で新皮質の3つの異なる領域のトランスクリプトームを研究しました。2また、HiSeqシステム上でChIP-Seqエピジェネティック研究も開始しました。
“HiSeq Systemのデータ品質は最高のものです”とGrigorenko博士は述べました。驚いたことに、シーケンスによって、当初は対応できなかった新しい解析とデータ管理の課題が生まれました。NGSの経験豊かな同僚やイルミナと協力して、データを効率的に処理する方法を決定しました。
“HiSeq Systemのデータ品質は最高のものです。”
HiSeqシステムによる遺伝的バリアントの同定
EGLABチームは、HiSeqシステムを使用して、言語や読解能力に影響を与える遺伝子を着実に同定してきました。他の言語障害と同様に、研究者は、読解能力と特定のSNPを関連付ける作業はほとんど行われていなかったものの、遺伝学が失読症に重要な役割を果たしていることを知っていました。2013年の研究で、Yale博士とHaskins Laboratoriesの同僚たちは、カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ（COMT）遺伝子に置換変異を持つ個人が、rs4680で先祖バリンをメチオニンに置換したことにより、読解関連検査でより優れたパフォーマンスを示したことを発見しました。3また、読解スキルの向上に関連する神経活性化パターンも発見しました。他の研究では、この多型が全体的な認知に広範な影響を及ぼすことと関連付けられているため、Grigorenko博士は、前頭葉の機能を介して読影能力を調節する可能性が高いと考えています。これらの多型は、遺伝子発現の発達の変化と組み合わさって、脳の発達と言語障害の発達に重要な役割を果たしていると考えられています。4
最近では、Grigorenko博士と彼女の研究室のメンバーは、小児の言語問題を理解し、障害を発症するために全エクソームシーケンスを開始しました。5彼らは、イェール大学メンデルゲノミクスセンターの研究者から連絡を受け、メンデルの方法で特定の障害が分離された興味深いまたはユニークな家系を持つサンプルが発見されたかどうかを尋ねられました。Grigorenko博士は、彼女のコレクションを調査し、メンデル分離セグメントをいくつか特定し、これらのサンプルの一部をシーケンスしました。Grigorenko博士は、データに目を見張るものを発見しました。
言語の反映は興味深い所見をもたらし、脳の成熟のさまざまな段階で脱線しているように思われる発達的で非常に重要な経路を指し示しています、とGrigorenko博士は述べました。シーケンスデータからリードを収集した後、公開されている脳発現データを調べました。私たちのストーリーをより魅力的で興味深いものにする相互参照を見つけました。この結果のパターンは、文献を通じてほとんど分布しなかった過去の所見とうまくマッピングできるため、わくわくしています。5
“研究でNGSを使い始めた後、シーケンス結果を検証するためにアレイを使用するようになりました。”
アレイとNGSデータの統合
EGLABやその他のイェール研究所のGrigorenko博士らも、さまざまなシーケンス技術と解析を統合した新しい研究を開始しています。Matt State博士の研究室と協力して、この研究室は、発達言語障害と診断された少年のケーススタディを2012年に発表しました。6DNAのシーケンスにより、バランスの取れたt(10;15)(q24.1;q21.1)転座が明らかになりました。15q21.1のブレークポイントでは、発達中の脳における軸索のパスファインディングに関与するセマフォリンと呼ばれるタンパク質ファミリーに属するSEMA6Dの遺伝子コーディングが中断されました。この遺伝子は1人の小児の言語障害と関連付けられているため、Grigorenko博士らは、この遺伝子の多型が他の小児の言語障害に影響を与える可能性があるという仮説を立てています。その結果、彼らは言語障害を持つより大規模な小児グループでSEMA6D遺伝子をシーケンスし、リンクを見つけることができるかどうかを調べるターゲットシーケンス研究を開始しました。
SEMA6D遺伝子は巨大（55,735 bp）であるため、ゆっくりと前進していますが、Grigorenko博士は述べました。
Grigorenko博士は、アレイとNGSデータを研究に統合することが非常に役立っていることを発見しました。ある研究では、マイクロアレイの結果はNGSが提供するリードに直接マッピングされませんでした。5 しかし、より詳細な検査では、それらは非常に補完的で、特定のパスウェイに収束していました。
文献内で文脈化すれば、1つの遺伝子の1つの所見が、収束するすべてのもののためのエンドポイントを提供するという私たちの視点から、すべてがはるかに理にかなっています、とGrigorenko博士は述べました。“この発見に非常に期待しています。”
Eastman氏は、両方のタイプの遺伝子解析データが発見に不可欠であると考えています。“手作業でSNPジェノタイピング解析を実行するよりもスループットが高いため、アレイが好きです”とEastman氏は述べました。“研究でNGSを使い始めた後、シーケンス結果を検証するためにアレイを使用するようになりました。”
前進する
Grigorenko博士らは、多型を検出するために発現量的形質遺伝子座（eQTL）マッピングを使用することに魅了されてきました。eQTLは、1つ以上の遺伝子の発現レベルに影響を与えるDNA配列バリアントを含むゲノムの領域です。“発達障害は複雑で多面的であり、表現型は発達的に変化します”とGrigorenko博士は述べました。NGSデータを用いたeQTLマッピングを使用して、これらの複雑な表現型の遺伝的バリアントを検出する研究を開始しています。とてもワクワクしています。
イルミナの製品とシステムの詳細については、こちらの記事をご覧ください。
Infinium HumanCoreExome BeadChip、www.illumina.com/products/by-type/microarray-kits/infinium-core-exome.html
Infinium HumanMethylation450 BeadChip、www.illumina.com/products/by-type/microarray-kits/infinium-methylation-epic.html
Infinium iSelect カスタムジェノタイピングBeadChips、www.illumina.com/products/by-type/microarray-kits/infinium-iselect-custom-genotyping.html
参考文献
- 発話言語障害。American Speech-Language-Hearing Association。www.asha.org/PRPSpecificTopic.aspx?folderid=8589935327§ion=Incidence_and_Prevalence。2016年2月22日にアクセス。
- Naumova OY, Palejev D, Viasova NV, et al. 新皮質における加齢に伴う遺伝子発現の変化：機能的に異なる3つの皮質領域におけるトランスクリプトームのRNA-Seqに関する予備データ。Dev Psychopathol 。2012;24(4):1427–1442。
- Landi N, Frost SJ, Menci WE, et al. COMT Val/Met多型は、読解に関連するスキルと機能的神経活性化の一貫したパターンに関連しています。開発科学 2013;16(1):13–23。
- Naumova OY, Lee M, Rychkov SY, et al. ヒト脳における遺伝子発現：特異性と空間時間的動態の研究の現状。子開発 2013;84(1):76–88。
- Kornilov S, Rakhlin N, Koposov R et al. 孤立した集団における言語障害のゲノムワイド関連解析とエクソームシーケンス研究。Pediatrics . 2016; pii:peds.2015–2469. ［印刷前に発行］。
- Ercan-Sencicek AG、Davis Wright NR、Sanders SJら 発達言語障害のある男性患者におけるバランスの取れたt（10;15）転座。Eur J Med Genet . 2012;55(2):128–131。