背景

ゲノムワイド関連解析（GWAS）は、過去数十年にわたり、関節リウマチや炎症性腸疾患などの主要な自己免疫疾患に関連する数千もの遺伝子変異を発見してきた。疾患感受性を高める変異の90%以上は、タンパク質のアミノ酸を直接変化させない非コード領域に位置する。多くの研究者は、これらの変異が原因遺伝子の発現を調節するエンハンサーやプロモーターに影響を与えると推定してきた。

問題は、1次元の塩基配列情報だけでは、特定の変異がどの標的遺伝子と物理的に接触しているかを明らかにするのが困難な点である。線形ゲノムマップにおいて、変異と遺伝子が数十万塩基対（bp）以上離れているケースが珍しくないためである。従来の3次元クロマチン立体構造解析技術であるHi-Cなどは、解像度が数キロベース（kb）単位に留まっており、精度が不足していた。また、母系および父系に由来する2つのアレル（対立遺伝子）のうち、変異が発生した側のみに現れる微細な折り畳み変化を分離して観察することも、不可能に近い状態であった。その結果、統計的に発見された数多くのリスク変異の中から、実際に炎症反応を引き起こす原因変異を特定する作業は、長期間の停滞期を迎えていた。

主な発見

研究チームは、超高解像度のクロマチン3次元構造捕捉技術とアレル特異的な解析法を組み合わせ、炎症性疾患患者の免疫細胞ゲノムをサブキロベースレベルで詳細に解析した。一塩基多型（SNP）が発生したアレルと野生型アレルのクロマチンループ形成を精密に比較した結果、特定の疾患変異が、クロマチン構造維持タンパク質であるCTCFの新たな結合部位を形成している事実を確認した。

新たに生成された新規CTCF結合部位（neo-CTCF site）は、従来には存在しなかった異常なクロマチンループを作り出していた。本来、絶縁体（インシュレーター）として機能していた境界が崩れ、遠隔地の炎症促進遺伝子のプロモーターと活性エンハンサーが直接接触する構造的な再編が起こったのである。研究チームが免疫細胞株においてゲノム編集技術を用いて当該変異配列を修復したところ、異常なループ形成が消失し、過剰に分泌されていた炎症性サイトカインの発現量も基底レベルへと正常化した。

従来の研究が、変異による転写因子の結合親和性の変化にのみ注目していたのに対し、今回の成果は、非コード領域の単一変異が3次元的な構造的絶縁境界を完全に再編し、疾患を誘発することを明確な分子メカニズムとして証明した。

意義と展望

本研究は、GWASで発見された変異の機能解釈の手法を、1次元配列ベースから高解像度の立体ゲノムトポロジー（位相幾何学）次元へと転換させた。非コード変異が単一塩基レベルでどのように空間的なゲノム位相を変化させ、自己免疫の連鎖反応を引き起こすのか、その分子レベルの因果関係を完成させたためである。

今後は、慢性炎症性疾患だけでなく、複合遺伝疾患全般において原因変異を選別し、標的遺伝子をマッピングするための標準的な解析体系として定着する可能性が高い。ただし、高解像度クロマチン立体構造解析に要する高コストと膨大な計算量は、大規模な患者群への適用に向けて解決すべき先行課題である。また、組織別、細胞分化段階別に動的に変化するクロマチンループの多様性を完全に反映できる、追加のデータベース蓄積も求められる。