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ナショナルセンター・バイオバンクネットワーク(NCBN)の試料を使った全ゲノムシークエンス解析

2023年12月8日
国立研究開発法人 国立国際医療研究センター(NCGM)
国立研究開発法人 国立循環器病研究センター(NCVC)
国立研究開発法人 国立精神・神経医療研究センター(NCNP)
国立研究開発法人 国立成育医療研究センター(NCCHD)
国立研究開発法人 国立長寿医療研究センター(NCGG)

研究成果のポイント

• 国立研究開発法人 国立国際医療研究センター（略称：NCGM）、国立研究開発法人 国立循環器病研究センター(略称：NCVC)、国立研究開発法人 国立精神・神経医療研究センター(略称：NCNP)、国立研究開発法人 国立成育医療研究センター(略称：NCCHD)、国立研究開発法人 国立長寿医療研究センター(略称：NCGG)は、ナショナルセンター・バイオバンクネットワークのバイオバンクの試料の全ゲノムシークエンス解析(WGS解析)^*1を実施しました。WGS解析を５つのナショナルセンターが同一のプロトコル（手法）で実施することにより、均質なゲノム情報を取得できました。

• 今回のWGS解析で得られたゲノム情報はがんや難病/希少遺伝性疾患の研究のために必須なコントロール（対照）データとなります。

• 一方、今回のWGS解析で得られたゲノム情報は集団遺伝学^*2の貴重な研究対象でもあるため、ゲノム情報を解析して日本人集団の遺伝的な特徴を研究しました。

• その成果の一つとして、ゲノム情報から過去の人口の変化を推定し、沖縄と沖縄以外の地域（本土）では人口変化のパターンが異なることを明らかにしました。

• もう一つの成果として、東アジア人において正の自然淘汰を受けていると考えられるアルコール代謝、メラニン代謝、脂肪酸代謝の遺伝子の過去の遺伝子頻度を推定し、2万5000年から1万年前の異なる時期に遺伝子頻度の上昇が始まったことを示しました。

研究の背景

　近年、一人の人間のすべての塩基配列を読み取る全ゲノムシークエンス解析(WGS解析)が発展し、解析で得たゲノム情報から病気の原因を突き止め、その治療法を開発しようという研究がさかんになっています。我が国では2019年に「全ゲノム解析等実行計画」が策定され、がんと難病を対象としたプロジェクトが進行中です。
　ただし、ゲノムに潜むがんや難病の原因を探るには、がんや難病にかかっている人と、そうではない人のゲノム情報を比べる必要があります。そこで、ナショナルセンター・バイオバンクネットワーク（略称：NCBN）は国の計画に協力し、「がんや難病ではない人」（コントロール群）のゲノム情報を取得しました。この解析で得られたゲノム情報はがんと難病のゲノム研究のコントロール（対照）データとして利用される予定です。
　その一方で、多数の日本人のゲノム情報は、集団遺伝学の研究対象としても貴重なものです。特に、NCBNの6つのNCは東京都、愛知県、大阪府にあることから、WGS解析の対象者の出身地は全国に広がっており、そのゲノム情報は日本国内の遺伝的多様性を解析するのに適していると期待されます。
　そこで今回の研究は、

1. WGS解析で得られたゲノム情報の品質を確認すること、

2. ゲノム情報の詳細な解析を行い、日本人の集団遺伝学的な特徴を明らかにすること

を目的としました。

研究内容

NCBNは全国に6か所ある国立高度専門医療研究センター（ナショナルセンター、NC）が参加するネットワーク型・連邦型のバイオバンクの運営組織です。NCBNのバイオバンクにはこれまで137,236人（11月24日現在）の参加者から提供された試料や情報が保管されています。これらのうち、がんや難病の病歴のない9,850人のDNA試料を対象としてWGS解析を行いました(表)。

表: 本研究で実施したWGS解析数と提供元バイオバンク

バイオバンク	WGS解析数
国立循環器病研究センター(NCVC)	2043
国立精神・神経医療研究センター(NCNP)	1758
国立国際医療研究センター(NCGM)	2044
国立成育医療研究センター(NCCHD)	2115
国立長寿医療研究センター(NCGG)	1890
合計	9850

　この解析は、NCBNのバイオバンクが連携して行った初めてのゲノム解析であり、5つのNCのバイオバンクがそれぞれの保有試料を解析する際に、同一の解析プロトコルを用いました。こうして得たゲノム情報について、以下の研究を行いました。

1. WGS解析で得られたゲノム情報の品質チェックを行いました。様々な手法でチェックした結果、どの手法でもエラー率はかなり低いことがわかりました。また、5つのバイオバンク間でのばらつきは少ないことが明らかになり、同一のプロトコルを使用したことが奏功したと考えられました。さらに、NCBNのDNA試料には血液由来のものと唾液由来のものがあるので、その違いによる影響がないかを検討しました。唾液には口腔内の雑菌など様々な由来のDNAの影響が認められましたが、以後の解析への影響はほとんどありませんでした。

2. 個人間の塩基配列の違いを調べました。ヒトゲノムは30億塩基からなっていますが、標準的な配列と比べると、塩基の種類が異なっていたり、抜けていたり、余分に入っていたりする箇所が誰でもあります（これを「バリアント」と呼びます）。本研究で得たゲノム情報を解析したところ、合計で約１億573万か所のバリアントが見つかりました。そのうち45.8%は公的データベースに登録のない新規のバリアントで、そのほとんど(99.99%)は頻度が低く（集団中のアリル頻度が0.5%以下）、67.5%はただ一人にしか見つからない非常に稀なバリアントでした。このように稀なバリアントが見つかったのは、WGS解析の精度が高かったためと考えられます。

3. 本研究で解析した対象者集団の遺伝学的な特徴を明らかにするために、国際1000人ゲノム計画^*3の2,504人のデータと統合して集団遺伝学的解析を行いました。主成分分析（変数を減らすことでデータ分布の特徴を抽出しやすくする統計解析方法）によって、一人を一つの点としてプロットし、どのような集団構造が見られるかを解析しました。その結果、NCBNの集団は独自のクラスター（構造）を形成しており、国際1000人ゲノムのうちの東アジアの大陸集団（漢民族、ベトナムのキン族、シーサンパンナのダイ族）とは遺伝的に分化していることを再確認しました（図１）。

1. NCBNの解析対象者（黒）のクラスターと、国際1000人ゲノムのうちの東アジア集団（青）のクラスターは近いが、国際1000人ゲノムのうちのアフリカ、西ユーラシアなどの集団とは離れている。

2. Aのうち、赤丸で囲んだ部分をさらに主成分分析で分析したもの。NCBNの解析対象者（黒）と国際1000人ゲノムのうちの日本人（JPT、オレンジ）がクラスターをなしている。東アジア集団は別のクラスターを形成しているが、そのクラスターがさらに、中国北部の漢民族（CHB、ブルー）、中国南部の漢民族（CHS、緑十字）、ベトナムのキン族（KHV、黄色）、シーサンパンナのダイ族（CDX、青）のクラスターに分かれている。このような集団構造は、先行研究でも確認されていた。

雑誌名

PLOS Genetics

論文タイトル

Exploring the genetic diversity of the Japanese Population: Insights from a Large-Scale Whole Genome Sequencing Analysis

掲載日

日本時間12月8日（金）午前4:00（米国東部時間12月7日午後2:00）オンライン版に掲載。

DOI

10.1371/journal.pgen.1010625

URL

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1010625

研究助成

本研究は日本医療研究開発機構・臨床ゲノム情報統合データベース整備事業(JP19kk0205012),文部科学省・新学術領域研究（18H05505）の支援を受けて行われました。

用語解説

• *1 全ゲノムシークエンス解析（WGS解析）
  ゲノムの全長の塩基配列を次世代シークエンサーで解析する手法。　本文へ戻る

• *2 集団遺伝学
  ある集団の遺伝情報を統計的に解析することで、その集団の遺伝的な特徴の時間的変化や、他の集団との違いを明らかにする学問分野。　本文へ戻る

• *3 国際1000人ゲノム計画
  世界の主要な集団を対象とした全ゲノム解析を行う国際共同研究。International 1000 Genomes Project.　本文へ戻る

• *4 人口ボトルネック
  人口が減少してその後増加する現象。　本文へ戻る

• *5 SNP
  一塩基多型。スニップと読む。DNAの塩基配列における一塩基の違いのこと。rs1229984などは各SNPに固有の番号。　本文へ戻る