牛のMHC領域のシークエンシングによる乳房炎抵抗性遺伝子の探索と新規防除法の開発

• 研究課題/領域番号: 22K05978
• 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42010:動物生産科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所 (2023); 国立医薬品食品衛生研究所 (2022)
• 研究代表者: 福永 航也 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 研究員 (50506722)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: ウシ / 乳房炎 / ゲノム / MHC / 遺伝的多様性 / WGS / CNV / ロングリードシークエンシング

研究開始時の研究の概要

牛の乳房炎は、防除する方法や根治させる治療薬は現在までに存在しない克服が急務の疾患である。乳房炎原因菌に感染抵抗性牛と感受性牛の遺伝的背景の違いを調べるために全ゲノム関連解析（GWAS）や主要組織適合遺伝子複合体（MHC）領域の次世代シークエンシングを行い、牛白血球抗原（BOLA）-DRB3*11:01アリルの関連の可能性を明らかにした。しかしながら、黄色ブドウ球菌以外の乳房炎原因菌の感染抵抗性牛の遺伝的背景は明らかではない。本研究では乳房炎原因菌に感染抵抗性である牛の遺伝的背景をMHC領域のシークエンシングを用いて明らかにし、感染のメカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

ウシのmajor histocompatibility complex（MHC）クラスⅡ遺伝子のBoLA-DRB3は牛白血病や乳房炎などと関連があることが報告されているが、その他のBoLAクラスII遺伝子では遺伝子間の相同性が極めて高度であるなどの問題から詳細なアリル情報が不足しており正確な関連を精査することができていなかった。そこで2022年度において127頭のホルスタインのゲノムDNAを用いてBoLA-DQA2 (DQA2)、BoLA-DQB (DQB2)、BoLA-DQA5 (DQA5)、BLA-DQB (DQB1)、LOC100848815 (DQA1)および BoLA-DRB3 (DRB3)におけるコピー数、アリル同定、さらに公的データベースに登録されている全ゲノムシークエンシング(WGS)データを参照ライブラリーとしたSNPアレイからのアリルインピュテーション法を確立した。2023年度において、このインピュテーション法の精度を検証したところ99.8％の一致率を示した。不一致検体を詳細に調べたところインピュテーション法のアリルが正解であった。そのため完全な参照ライブラリーを作成するために本研究で採取されたゲノムのロングリードシークエンシングを実施し、完全なバリアントデータベースの作成を目指した。またBoLA遺伝子の抗原提示部位に結合する乳房炎原因細菌である黄色ブドウ球菌のペプチドを同定するためドッキングシュミレーションによって行った。黄色ブドウ球菌のアミノ酸をそれぞれ９残基にランダムに切断しBoLAの6遺伝子との相互作用を解析した。その結果、BoLA-DRB3の抗原提示部位に結合する自由エネルギーが最も小さい９残基のアミノ酸が同定された。今後これらの手法ならびに参照ライブラリーを用いて、効率的に乳房炎抵抗性遺伝子の探索を行い新規防除法の開発を進めていく。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ロングレンジPCRを用いたロングリードシークエンシングを実装することができたため。

今後の研究の推進方策

MHC領域のシークエンシングの困難性のため研究領域として進捗が非常に遅い。申請者はヒトのMHC領域で主に用いられ革新的な結果をもたらしたシークエンシング手法とインピュテーション法をウシのゲノムのジェノタイピングに移植することで本課題だけでなく、ウシのMHC領域を研究しているすべての研究者に汎用性の高い手法を提供することを前年度から引き続き本研究の目的の１つとしている。結果としてNGSシークエンシング法、リアルタイムPCR法を用いたコピー数多型測定法、SNPアレイデータを用いたBoLAアリルのインピュテーション法、さらに本年度にはロングリードシークエンシング法も開発した。MHCのクラス1領域のシークエンシングを実施したがその正確性の検証が終わっていない。最終年度はこれらの正確性を検証し、IPD-MHCデータベースへ登録し、世界中の研究者にこれらのデータを使用可能にする。引き続き、ホルスタイン種だけでなくウシのすべての種のMHCゲノム構造を明らかにすることでウシのすべてのMHC領域を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Differential Effects of HLA-B8727;15:11 and HLA-A8727;31:01 on Carbamazepine-Induced Cutaneous Adverse Reactions. (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga K, Tsukagoshi E, Kurata M, Mizukawa Y, Niihara H, Morita E, Watanabe Y, Yamaguchi Y, Watanabe H, Nakajima S, Nomura T, Kabashima K, Tohyama M, Azukizawa H, Asada H, Hasegawa A, Hama N, Ozeki T, Mashimo Y, Sekine A, Matsunaga K, Tanaka Y, Nakamura R, Abe R, Mushiroda T, Saito Y.
  • 雑誌名: J Invest Dermatol. 巻: 144（４） 号: 4 ページ: 908-911
  • DOI: 10.1016/j.jid.2023.09.282
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Genotyping, characterization, and imputation of known and novel CYP2A6 structural variants using SNP array data (2023)
  • 著者名/発表者名: Langlois Alec W. R.、El-Boraie Ahmed、Pouget Jennie G.、Cox Lisa Sanderson、Ahluwalia Jasjit S.、Fukunaga Koya、Mushiroda Taisei、Knight Jo、Chenoweth Meghan J.、Tyndale Rachel F.
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: in press 号: 8 ページ: 533-541
  • DOI: 10.1038/s10038-023-01148-y
• [雑誌論文] Accuracy and applications of sequencing and genotyping approaches for CYP2A6 and homologous genes (2022)
  • 著者名/発表者名: Langlois Alec W.R.、El-Boraie Ahmed、Fukunaga Koya、Mushiroda Taisei、Kubo Michiaki、Lerman Caryn、Knight Jo、Scherer Steven E.、Chenoweth Meghan J.、Tyndale Rachel F.
  • 雑誌名: Pharmacogenetics and Genomics 巻: 32 号: 4 ページ: 159-172
  • DOI: 10.1097/fpc.0000000000000466
• [学会発表] ウシおよびヒトのMHCゲノムの多様性と感染症・食物性/薬物性アレルギーとの関連 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福永航也
  • 学会等名: 第166回 日本獣医学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] corePGseq: a targeted sequencing panel of 18 pharmacogenes including 4 HLA genes and essential non-coding regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Koya Fukunaga,Taisei Mushiroda
  • 学会等名: 日本人類遺伝学会第67回大会