ナノポアシークエンサーを用いた遺伝性神経疾患の解明

• 研究課題/領域番号: 19K07977
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分52020:神経内科学関連
• 研究機関: 東京医科歯科大学 (2020-2021); 横浜市立大学 (2019)
• 研究代表者: 三橋 里美 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 准教授 (40466222)
• 研究分担者: Frith Martin 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40462832)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: ナノポアシークエンサー / 遺伝性神経疾患 / ロングリードシークエンサー / 単純反復配列 / リピート病 / ゲノム構造異常

研究開始時の研究の概要

ナノポアシークエンサーは、1万塩基以上の長いDNA(ロングリード)の塩基配列を決定できるシークエンサーである。本研究では、ナノポアシークエンサーを用いて、遺伝性疾患の原因となりうる、ゲノム構造異常を検出する解析システムを確立する。申請者らは、これまで独自に、ナノポアシークエンスデータから、単純反復配列とゲノム構造異常を網羅的に解析する手法を開発してきた。本研究ではこの手法を用い、従来の手法では変異を見つけることができなかった遺伝性疾患のロングリード全ゲノムシークエンスを行い、疾患原因を探索する。さらに、単純反復配列について比較ゲノム解析を行い、ヒトゲノムにおける単純反復配列の意義を解明する。

研究成果の概要

本研究では、20kb以上の塩基配列を連続して読むことのできるナノポア・ロングリード・シークエンサーを用いて、遺伝性疾患の原因となりうる単純反復配列やゲノム構造異常を検出する解析システムを構築し、比較的実験・解析コストが少なく疾患ゲノムを解析し、病的な変化を見出す解析系を構築した。この方法を用いて、従来の手法では未解決だった複数の疾患の原因を解き明かすことができた。ヒトゲノムの半分は反復する配列であり、まだその機能がわかっていない部分も多い。本研究によって、疾患の克服へとつながる疾患ゲノムの解明と、ヒトゲノムの未知の機能についての新たな知見が得られる一歩となったと考えている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来型のシークエンサーは長い反復配列の検出に弱く、ヒトゲノムに100万以上存在すると言われる単純反復配列を網羅的に解析することは難しいと考えられており、ロングリードシークエンサーを用いたゲノム解析の開発に期待がもたれていた。本研究では、実際の疾患患者の解析にロングリードシークエンサーを用いて、未解決課題を解決することができるというproof of conceptを示すことができた。さらに、誰もが難治性疾患の診断や研究に使うことができるように、コストを抑えたターゲットシークエンスによる解析系を立ち上げたことは意義が大きいと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Detecting the NOTCH2NLC repeat expansion in neuronal intranuclear inclusion disease (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi S, Fujita A, Matsumoto N
  • 雑誌名: Genomic Structural Variants in Nervous System Disorders 巻: 7
• [雑誌論文] Father-to-offspring transmission of extremely long NOTCH2NLC repeat expansions with contractions: genetic and epigenetic profiling with long-read sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukuda H, Yamaguchi D, Nyquist K, Yabuki Y, Miyatake S, Uchiyama Y, Hamanaka K, Saida K, Koshimizu E, Tsuchida N, Fujita A, Mitsuhashi S, Ohbo K, Satake Y, Sone J, Doi H, Morihara K, Okamoto T, Takahashi Y, Wenger AM, Shioda N, Tanaka F, Matsumoto N, Mizuguchi T
  • 雑誌名: Clin Epigenetics 巻: 13 号: 1 ページ: 204-204
  • DOI: 10.1186/s13148-021-01192-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanopore direct RNA sequencing detects DUX4-activated repeats and isoforms in human muscle cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Satomi、Nakagawa So、Sasaki-Honda Mitsuru、Sakurai Hidetoshi、Frith Martin C、Mitsuhashi Hiroaki
  • 雑誌名: Human Molecular Genetics 巻: in press 号: 7 ページ: 552-563
  • DOI: 10.1093/hmg/ddab063
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide survey of tandem repeats by nanopore sequencing shows that disease-associated repeats are more polymorphic in the general population (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Satomi、Frith Martin C.、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: BMC Medical Genomics 巻: 14 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1186/s12920-020-00853-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] lamassemble: Multiple Alignment and Consensus Sequence of Long Reads (2020)
  • 著者名/発表者名: Frith Martin C.、Mitsuhashi Satomi、Katoh Kazutaka
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 2231 ページ: 135-145
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1036-7_9
  • ISBN: 9781071610350, 9781071610367
• [雑誌論文] A pipeline for complete characterization of complex germline rearrangements from long DNA reads (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Satomi、Ohori Sachiko、Katoh Kazutaka、Frith Martin C.、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: Genome Medicine 巻: 12 号: 1 ページ: 67-67
  • DOI: 10.1186/s13073-020-00762-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-read DNA sequencing fully characterized chromothripsis in a patient with Langer?Giedion syndrome and Cornelia de Lange syndrome-4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Lei Ming、Liang Desheng、Yang Yifeng、Mitsuhashi Satomi、Katoh Kazutaka、Miyake Noriko、Frith Martin C.、Wu Lingqian、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: - 号: 8 ページ: 667-674
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0754-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Long-read sequencing for rare human genetic diseases (2020)
  • 著者名/発表者名: Satomi Mitsuhashi, Naomichi Matsumoto
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 65 号: 1 ページ: 11-19
  • DOI: 10.1038/s10038-019-0671-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-read Sequencing Identifies the Pathogenic Nucleotide Repeat Expansion in RFC1 in a Japanese Case of CANVAS (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruko Nakamura, Hiroshi Doi, Satomi Mitsuhashi, Satoko Miyatake, Kazutaka Katoh, Martin C Frith, Tetsuya Asano, Yosuke Kudo, Takuya Ikeda, Shun Kubota, Misako Kunii, Yu Kitazawa, Mikiko Tada, Mitsuo Okamoto, Hideto Joki, Hideyuki Takeuchi, Naomichi Matsumoto, Fumiaki Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 65 号: 5 ページ: 475-480
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0733-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-read sequencing identifies GGC repeat expansions in NOTCH2NLC associated with neuronal intranuclear inclusion disease (2019)
  • 著者名/発表者名: Sone Jun、Mitsuhashi Satomi et al.
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 51 号: 8 ページ: 1215-1221
  • DOI: 10.1038/s41588-019-0459-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ロングリードシークエンサーによる伸長リピートの検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三橋里美
  • 学会等名: 脳神経内科医のためのバイオインフォマティクスハンズオンセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] ナノポアダイレクトRNAシークエンスによる骨格筋でのDUX4誘導転写産物の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三橋里美, 中川草, 本田充, 櫻井秀俊, マーチン・フリス, 三橋弘明
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Finding complex pathogenic variants using nanopore long reads (2019)
  • 著者名/発表者名: Satomi Mitsuhashi
  • 学会等名: American Society of Human Genetics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] ロングリードシークエンスによるタンデムリピート領域の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三橋里美
  • 学会等名: 第60回日本神経学会学術大会
• [学会発表] Finding complex mutations using long reads (2019)
  • 著者名/発表者名: 三橋里美
  • 学会等名: 第13回国際ゲノム会議
  • 国際学会
• [図書] 実験医学別冊ロングリード・シークエンス解析ガイド (2021)
  • 著者名/発表者名: 三橋里美
  • 総ページ数: 230
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 4758122539
• [産業財産権] 神経核内封入体病患者の検出方法 (2019)
  • 発明者名: 祖父江元、曽根淳、松本直通、三橋里美、藤田京志
  • 権利者名: 祖父江元、曽根淳、松本直通、三橋里美、藤田京志
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
  • 外国