酸素と医学ヘム⽣合成、⾚⾎球分化、酸化ストレス応答東北メディカル・メガバンク計画、宇宙マウス

2020年 12⽉ 16⽇東北⼤学 医学系研究科 医化学分野東北メディカル・メガバンク機構

⼭本 雅之1

n ヘム⽣合成と⾚⾎球特異的な遺伝⼦発現制御n 環境ストレス応答とKEAP1-NRF2制御系n 東北メディカル・メガバンク計画（TMM）n TMMの未来型医療実現への貢献n 未来型医療創成センターn 宇宙マウス

Priestleyの実験（1774年）マウスは熱した酸化水銀の容器からの空気で長生きした

2Hg + ”Air” + heat 2HgO2HgO + intense heat 2Hg+ ”Air”

（Reported to the Royal Society, 1775）

O2

O2

O2 O2

O2

H2O

O2

O2 O2

H2O

HgO

酸素の発見

2

2

好気呼吸 = O2の利⽤とは︖

グルコース１分⼦あたり解糖系でのATP産⽣２分⼦から

ミトコンドリア酸化的リン酸化によりATP38分⼦の合成へ

シトクロムcオキシダーゼによりO2をH2Oに変換可能に

3

酸素の利⽤にはヘムが必要

N

NN

N

HOOC HOOC

タンパク質

鉄（Fe）はFenton反応によりヒドロキシラジカルを⽣成し、DNA切断を引き起こすので⽣体にとって危険な物質

ヘムタンパク質は鉄の性質を穏和に包み込む

Fe

4

ヘムの⽣合成

■ ヘム生合成は大部分の哺乳類細胞で行われる■ ヘム生合成の85％は骨髄中の赤血球系前駆細胞で行われる■ ヘムの生合成は細胞内でミトコンドリアから細胞質にまたがる８段階の酵素反応によって行われる

A Pathway for Heme BiosynthesisDavid Shemin & Goro Kikuchi

赤血球は酸素を運ぶ細胞

5

⾚⾎球 (Red blood cell ; RBC)

1 µm 2~2.5 µm

6~9 µm

■ 成熟赤血球には核やその他の細胞内小器官が存在しない

■ 代謝は活発であり形態の維持などにエネルギーが使われている

ヘモグロビンa２b２の４量体

α鎖は141個のアミノ酸β鎖は146個のアミノ酸

各鎖に１分子のヘムを持つ

赤血球

O2

6

肝臓と⾚⾎球のALA合成酵素のOuchterlony２重拡散解析

L, rat liver E, rat erythroid cells

Yamamoto et al, ABB 1986

⾚⾎球系には独⾃のALA合成酵素アイソザイムが存在する

AbRanti-rat liver ALA synthase antibody

林 典夫 ⼭内広平 渡辺則道 早坂 清吉⽥ 匡 ⿃越冷⼦ ⼭本雅之 野⼝正⼈

（敬称略）

7

⾚⾎球型5-アミノレブリン酸合成酵素Erythroid-specific 5-Aminolevulinate Synthase

(ALAS-E; ALAS2)

Heme

Fe

ALAS-EGlycine+

Succinyl CoA5-Aminolevulinate

Hemoglobin

Yamamoto et al, PNAS 1985

Riddle, Yamamoto et al, 1989 8

動物におけるヘムの⽣合成Two Distinct Gene Regulations for Heme Biosynthesis

Yamamoto et al, PNAS 1985 9

組織・細胞系列特異的エンハンサー誘導的エンハンサー

エンハンサ­プロモーター

+1 転写開始点

Maniatis et al, Science 1987

Tom Maniatis

Doug Engel

Developmental Regulation of β-Globin Gene Switching

Engel et al, Cell 1988

エンハンサーとプロモーターのルーピングが遺伝子発現の制御に重要

遺伝⼦発現制御の様式２種類のエンハンサー機能とエンハンサーとプロモーターのルーピング

10

転写因⼦による細胞の運命決定

Marshalling Yards; Waddington, C. H.Marshalling yards are first used with the analogy of decision-making in the early totipotent egg as a freight wagon moving down a sloping railway track, in this case into a marshalling yard of the London & North Eastern Railway, shown in his 1936 book Order and Life (Needham 1936). The tracks bifurcate. The track taken by the wagon is set by an external switching system.

下垂体（Pit-1）

リンパ球（Ikaros, TCF1/LEF1）

副腎皮質（SF1/AD4BP）

メラノサイト（MITF）

生殖細胞（Oct3）

赤血球・巨核球（GATA1, NF-E2）

MyoD1 convert fibroblasts to myoblasts. Science 242, 405-411 (1988)

筋肉（MyoD）Weintraub et al, 1987

神経細胞(HES, NeuroD)

11

⾚⾎球系の遺伝⼦発現を制御するGATA因⼦群の発⾒

WGATAR

赤血球系遺伝子GATA1

b-Globin

GATA因子群

n LCR（遺伝⼦座制御領域）の発⾒と機能解析

n NF-E1, Eryf1, GF-1 を統⼀してGATA1

n GATA因⼦群の発⾒（GATA1 - GATA6）

Yamamoto et al, Genes Dev 1990

12

GATA因⼦群による細胞の運命決定機構

Satoru Takahashi

Ritsuko Shimizu

Norio Suzuki

Osamu OhnedaMaki OsakiNaoko Minegishi

Kinuko OhnedaHarumi Mukai Takashi MoriguchiXiaoqing Pan

Hematopoietic stem cell

GMP

MEP

CMP

CMLP

MTP

MBP

Erythroid cells

Megakaryocytes

NeutrophilsMonocytes

T cell

B cell

NeutrophilsMonocytes

GATA2

GATA1

GATA3

13

Quantitative deficit of GATA1（GATA1.05）GATA1の発現量低下が赤血球系白血病発症のトリガーとなる

Qualitative defect of GATA1（Down’s AMKL and TMD）GATA1の構造異常が巨核球系白血病のトリガーとなる

Nature Reviews Cancer 2008

ダウン症候群関連白血病

Ritsuko Shimizu

GATA1.05白血病

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環境ストレス応答Environmental Stress Response

環境因子が内包する毒性に対する細胞応答

食 物

エネルギー産生

酸 素

適量 過不足

炎症，老化，がん，生活習慣病 …

病 態

毒性・有害性

ストレスストレスの感知

応答・適応

遺伝⼦発現の変化

赤血球

O2

n 私たちの体は環境由来のストレスを鋭敏に感知し、すばやく遺伝⼦発現をリプログラミングして応答・適応する能⼒を持っている

15

N

NSS

SMe

CH3C-CH=CH2CH3

CH3

CH3COOH

OH

AsO

CH3

N

Oxidation, Reduction, Hydroxylation, etc.基質の活性化

CYP450

Conjugation with Glutathione, Glucuronate, etc.親⽔性の賦与

GST, UGT, etc

第１相反応

第２相反応

MRPs (Multi-drug resistant pumps)細胞外への排出

ABC pumps 第３相反応 環境ストレス応答機構の破綻は様々な病態を引き起こす

親電⼦性分⼦Electrophiles

環境ストレス応答Environmental Response⽣体は環境中の毒性を感知し、遺伝⼦の発現を変化させることにより応答・適応している

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化学発がん

• 煙突掃除人にみられた陰嚢皮膚がんと石炭の煤との関係を報告Percival Pott (1713-1788)

• がんの発生実験を行って，世界で初めて人工タ−ルがん発生に成功山際勝三郎 (1915)

KatsusaburoYamagiwa

17

化学発がんのメカニズム

■発がん物質は親電⼦性物質であることを提唱

Miller EC and Miller JA (1970)

18

DNA との相互作⽤

DNA 共有結合物（DNA adduct）の形成

発がんのイニシエーション

前がん原物質

がん原物質

代謝活性化

解毒代謝物

親電⼦性物質

第１相

第２相抱合反応

細胞外排出第３相ABCトランスポーター

代謝活性化CYP450

抱合反応GST,

UGT, etc

第１相反応

第２相反応

排出ABC

pump

第３相反応

抗酸化剤 BHA は第２相解毒酵素群を誘導する

第２相解毒酵素群の誘導が化学発がん予防に⼤切である

Talalay 1978

Phase 2 Enzymes（GST, UGT, NQO1 etc）

Procarcinogen

Phase 1 Enzymes（Cytochrome p450）

Non-toxic ProductCarcinogen

抗酸化剤 Butylated Hydroxyanisole (BHA) は毒物誘導性の胃発がんを抑制するWattenberg

ラット肝癌モデルでは抗酸化系の遺伝子群が強力に誘導されているSolt & Farbar

抗酸化剤による化学発がん予防Cancer Chemoprevention

抗酸化剤による化学発がん予防抗酸化剤応答性配列 (ARE) / 親電子性物質応答性配列(EpRE)の同定

Daniel, PNAS1990Picket, JBC 1991

残された課題第２相酵素の発現を制御する転写因⼦は何か︖

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Ken Itoh

NRF2

MAFF

MAFG

MAFK

bZIP

bZIP

⽣体防御系遺伝⼦群sMAF

CNC family

sMAF FAMILY

転写因子 NRF2ストレス応答の鍵

NRF2 knockout mouse

NRF2

CNC-sMaf binding element(CsMBE) /ARE /EpREItoh et al. BBRC 1997

Itoh et al. Genes & Dev 1999

生体防御に重要な解毒酵素群や抗酸化酵素群遺伝子の誘導発現は ARE/CsMBE

配列と NRF2-MAF ヘテロ２量体により制御される

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NRF2制御下にある遺伝⼦の代表例︓ChIP-sequence 解析により検証されたもの1. 第２相解毒酵素群

GST (Glutathione S-transferase) familyGSR (Glutathione reductase)Nqo1 (NAD(P)H dehydrogenase, quinone 1)Ephx1 (Epoxide hydrolase 1)

2. 活性酸素種の消去酵素群Prdx1 (Peroxiredoxin 1)Srxn1 (Sulfiredoxin 1)Txnrd1 (Thioredoxin reductase 1)

3. 毒物の細胞外への排泄ポンプABC transporter family

4. グルタチオン合成経路の酵素群Gclc & Gclm(Glutamate–cysteine ligase)

5. NADPH合成酵素群 / ペントースリン酸経路の酵素群G6pdx (Glucose-6-phosphate dehydrogenase)Idh1 (Isocitrate dehydrogenase 1)Tkt (Transketolase)

NRF2の標的遺伝⼦NRF2は⽣体のストレス応答・リプログラミング機構を制御する

Toward clinical application of the Keap1–Nrf2 pathwaySuzuki, Motohashi & Yamamoto ; Trends In Pharmacol Sci 2013

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165614713000667

6. ヘム・鉄代謝関連酵素群Hmox1 (Heme oxygenase 1)Fth1 (Ferritin, heavy polypeptide 1)

7. 転写因⼦MafGAhR (Aryl hydrocarbon receptor)

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NRF2 による化学発がん予防の分⼦メカニズム

親電⼦性分⼦ X＋ 活性酸素DNA損傷

発がん消失 解毒

NRF2

第２相解毒酵素群GST, UGT, NQO1 etc.

坑酸化酵素群HO-1, MSP23 etc.

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CsMBE/ARE ⽣体防御酵素遺伝⼦

MAFNRF2

核移⾏

定常状態

酸化ストレス環境毒物 (E)

核

NRF2

NRF2

Cys

Cys

Cul3Rbx1

E2

Ub

NRF2

NRF2

細胞質

KEAP1制御系KEAP1不活性化によるNRF2の安定化が異物代謝・酸化ストレス応答反応の鍵である

ストレス状態KEAP1 はセンサー機能を持ち、ストレスを受けると不活性化してNRF2を安定化する

ストレス感知ユビキチンリガーゼ

KEAP1はNRF2を効率的にユビキチン化しプロテアソームにおける迅速な分解に供する

NRF2は転写因⼦であり⽣体防御酵素群の発現を誘導制御する 第２相解毒酵素群と

抗酸化酵素群の誘導発現

KEAP1KEAP1

23

Normal condition DEM-treatment

Nrf2

Keap

1

KEAP1 Localizes in Perinuclear Cytoplasm

Keap1

-KO

WT

親電⼦性NRF2誘導剤の添加によりKEAP1は細胞質に留まりNRF2は核に移⾏する

Watai et al, Genes Cells 2007 24

Stress-sensing mechanisms and the physiological roles of the Keap1-Nrf2 system during cellular stress

Suzuki T and Yamamoto M

JBC Mini-Review paperPublished on August 24, 2017

Molecular dynamics of the NRF2-KEAP1-CUL3 complex in cells:

KEAP1 acts as a Floodgate

Absolute Amounts and Status of the Nrf2-Keap1-Cul3 Complex within Cells

Iso et al, MCB 2016

Designed by Miki Yamamoto 25

KEAP1 修飾による NRF2 の安定化

CsMBE/ARE

NRF2 Maf

KEAP1 は Cul3 と酸化ストレスセンサー型 E3 ユビキチンリガーゼを形成する

HSHS

SHSH

HS SH

KEAP1 KEAP1

Keap1 Keap1Ub

UbUb

UbUb

NRF2

ETGE motif（⾼親和性）

DLG motif（低親和性）

ETGEDLG

Neh2

Kobayashi A et al, MCB 2004Tong et al. MCB 2006 Tong et al. MCB 2007

Padmanabhan et al, Mol Cell 2006Suzuki et al, JBC 2008

KEAP1 の反応性システイン残基がセンサー機能に重要

KEAP1 がストレスセンサーとして働く

NRF2 誘導剤親電子性物質と活性酸素

NRF2 誘導剤は構造的には似ていないが SH 基を共有結合修飾するという共通の性質がある

..

..-SHd-

T1/2 = 18 minプロテアソーム分解

Electrophile-S

生体防御遺伝子群抗酸化酵素第2相解毒酵素群

安定化・核移行

NRF2NRF2NRF2

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NRF2は全⾝の細胞のストレス応答に重要

NRF2は肺胞上⽪細胞の保護に重要PM2.5 タバコ煙

NRF2は虚⾎再還流時の酸化ストレス障害の軽減に重要

化学発がん予防胃 肺 ⾷道 ⾆

Ramos-Gomez et al, Proc Natl Acad Sci USA 2001Iizuka et al, Genes

Cells 2005And many more

Liu et al, Kidney Int 2009And many more

Iida et al, Cancer Res 2004

NRF2 欠失マウスは全身の酸化ストレスに起因する疾患に高い感受性を示す

NRF2 誘導剤は有望 !

Bardoxolone (CDDO-m)Diabetic nephropathyClinical trial is ongoing successfully in Japan

Tecfidera (Dimethyl fumarate or BG-12)Multiple sclerosis

Many more will appear !

n KEAP1-NRF2 システムの失調と病態に関する多くの報告

n NRF2 誘導剤は⽣体防御酵素群を誘導するのでストレス関連疾患の治療薬として有望

NRF2 ⽋失マウスは癌になり易い

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東北メディカル・メガバンク計画と未来型医療への挑戦

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https://www.megabank.tohoku.ac.jp/

l 東⽇本⼤震災で⼤きなダメージを受けた東北地⽅の創造的復興の実現に向けて、東北メディカル・メガバンク機構（TMM）を設⽴した

l 私たちは最先端の未来型医療を地震と津波で被災した⽅々に迅速にお届けしたいと願っている

l 未来型医療の代表例は個別化予防と個別化医療である

Established on February 1, 2012

ToMMo = FriendsTMM = ToMMo + IMMIMM = Iwate Medical Megabank

Tohoku Medical Megabank Organization

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n 病気になる前のデータがわかるn 本格的な発症前の微⼩な兆候を探すことも可能になるn 病気にならなかった⼈のデータもわかるn 症状の進⾏を追うことができる

⼤規模前向きゲノムコホート調査と複合バイオバンクで挑む個別化ヘルスケア（個別化医療と予防）

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⼤規模前向きゲノムコホート調査の強み

ゲノムコホート調査は個⼈に合わせた予防医療確⽴の鍵である

⼤規模前向きゲノムコホート調査

年を追うごとに様々な発症

健常な⼈々 多様なデータ等を収集複合バイオバンク

数⼗年の追跡

3年後に病気 15年

後に病気

25年後に病気

⼈体に由来する試料と情報を体系的に収集・保管・分配するシステム

利⽤希望者に提供

*ヘルステック（健康・医療×IT）にも活⽤可*患者コホートでは、病院に来る前の正確な情報はわからない

未来型医療のエビデンスとなるビッグデータを収集

世界の主なコホート・バイオバンクコホートの規模と家系情報の価値

n 患者コホート・バンクは古くより多数存在n 歴史的には①⇒②⇒③と開発されてきたn 前向きコホート・バンクは超⼤規模化

UKバイオバンク（英）住⺠ 50万⼈ 2006年〜

②前向きコホート・バンク

Precision Medicine Initiative (⽶︓NIH)

住⺠ 100万⼈ 2015年〜

東北メディカル・メガバンク計画 (⽇)② 住⺠８万⼈ ＋ ③ 出⽣三世代７万⼈＝計15万⼈ 2012年〜

〇 世界最先端のコホート・バイオバンク〇 継続的・戦略的な投資によって国際的な優位性を維持・発展

LifeLines (オランダ)⾮妊婦三世代 16万⼈ 2007年〜

③家系情報付前向きコホート・バンク

deCODE (アイスランド)家系付コホート27万⼈1998年〜（最も成功した例といわれる）

世界的に⼤規模家系情報付コホート・バンクに期待が集まっている

バイオバンク・ジャパン(BBJ ⽇)患者 20万⼈ 2003年〜

6NC Biobank (⽇)患者・リクルート中 2013年〜

KIバイオバンク (スウェーデン)患者 28万⼈ 2003年〜

①患者コホート・バンク

n ⼤規模化により、多因⼦疾患（認知症、⼼⾎管障害など）や同じ病名の中での多様性（糖尿病など）に対応できる

n 家系情報により、遺伝⼦が疾患にどれくらい関係しているかを精確に算出できる

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■地域住⺠コホート︓

沿岸部を中⼼に８万⼈以上の成⼈の登録⽬標を達成（特定健診共同参加型・地域⽀援センター型）

地域住⺠コホート・三世代コホート

■地域住⺠コホート宮城登録者 52,212名岩⼿登録者 31,861名総計 84,073名（2016年3⽉末で完了 ⽬標達成）

■三世代コホート登録者 73,500名

（2018年7⽉4⽇現在）

■三世代コホート︓

産院などで妊婦さんを中⼼に協⼒依頼。⼦世代、親世代、祖⽗⺟世代の三世代。７万⼈規模での実施※ 家族歴があることで、科学的な質の⾼いデータが得られる

イラスト制作 橋本さと子総計15万⼈以上のリクルート達成

8,823⼈

23,114⼈

22,493⼈

1,657⼈ 4,270⼈794⼈ 1,337⼈

9,462⼈

TMM計画では２種類のコホートを活⽤することにより⼤きな成果を⽬指す

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世界の出⽣から始まる三世代コホートの状況

〇出⽣三世代コホートは難しい

〇東北メディカル・メガバンク機構は

世界最⼤の出⽣三世代コホート

ToMMoは2013–2017年でリクルートを完了⽶国は2014年にNational Childrenʼs Studyを取りやめ

英国はLife Studiesを2015年に取りやめ

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地域住⺠コホート調査は、n ⾃治体の特定健康診査会場等で協⼒のお声がけを⾏い、採⾎・アンケート調査等を実施n 地域⽀援センター、サテライトでも採⾎・アンケート調査・詳細調査を実施

コホートのリクルートの様⼦

三世代コホート調査は、n 産院にGMRCが常駐し、地域⽀援センターで詳細調査を実施

GMRC (Genome Medical Research Coordinator)

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成⼈︓がん、⼼⾎管障害、糖尿病、精神神経疾患（PTSD、うつ病）、認知症、呼吸器疾患（COPD）、妊娠⾼⾎圧症

⼩児︓アレルギー疾患（アトピー性⽪膚炎、喘息）、⾃閉症スペクトラム、低出⽣体重児

コホート調査の対象疾患

n 説明同意⽂書では５⼤疾病として悪性新⽣物、⼼臓病、脳⾎管疾患、糖尿病、認知症・精神疾患を例として挙げ、体質（遺伝⼦）と⽣活習慣の組み合せがどのように病気と関連しているかを明らかにする研究である旨を記載

n 特に、被災地住⺠の間で既に患者数の増加や病状の悪化が確認されている下記の疾患を優先的な解析対象疾患とする

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採⾎︓ 協⼒者全員より34㎖の採⾎

TMM計画コホート調査の調査項⽬

採⾎検査

末梢⾎⼀般⾎液像⾎糖HbA1cGOTGPTγGTP総コレステロールHDLコレステロール中性脂肪尿素窒素Cr（eGFRとして回付）尿酸⾎清ペプシノゲンヘリコバクターピロリグリコアルブミン特異的IgE（5項⽬）総IgEシスタチンC

調査票による⽣活習慣等の把握・標準的な調査項⽬（運動、飲酒、喫煙、⾷事、診療情報、⼈間関係、⼥性の健康に関する項⽬、住所⽒名等）・震災関連項⽬（抑うつ、被災状況、ストレス）・ゲノム関連項⽬（体質、出⽣地等）

参加者の健康づくりに役⽴つことが明らかになっている項⽬について、検査結果を回付中

地域⽀援センタ―における詳細検査特に、⾝体年齢を調べる検査を実施（希望者のみ）眼科的検査（眼底・眼軸⻑・眼圧・網膜断層写真）、MRI検査聴⼒検査 呼吸機能検査 家庭⾎圧 ⼝腔内診察 頸動脈エコー検査体組成計 踵⾻⾻密度 脚伸展⼒検査 タブレットアンケート調査 など

検査項⽬

追跡調査*調査票による追跡（郵送・Web）対⾯型調査（詳細⼆次調査）n 地域⽀援センターに来所いただき、⽣理機能検査、バイオバンク⽤の試料取得（採⾎）等を⾏う

n 企業等の協⼒を得てアドオン（追加）コホート調査を実施する

*追跡調査については参加者からの同意を得ており、2017年度より本格的に実施している

他に、尿・⻭垢、唾液、⺟乳なども採取

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東北メディカル・メガバンク計画における

バイオバンク構築とゲノム・オミックス解析

37

38

優れたAIの実現と活⽤

正確で粒度の⾼いデータ

東北メディカル・メガバンクは複合バイオバンク東北メディカル・メガバンクは地域住⺠15万⼈の信頼と協⼒によって構築された極めて価値の⾼いバイオバンク■東北メディカル・メガバンクは解析センターを併設した複合バイオバンク■⽣体試料の分譲による枯渇を防ぎ、様々な⼈が使えるようにデータ化を積極的に推進■我が国の共⽤資産としてAI・ビッグデータ時代の要望にも対応

l ⽣体試料（DNA、⾎清、⾎漿、⾎液細胞、尿など） 約400万本

l 情報（多様な疾患情報、⾎液・尿検査情報、⽣理学検査情報、脳MRI検査情報、ゲノム配列情報、⾎中代謝物情報、診療・介護情報など）約12ペタバイト

n 膨⼤なデータを多くの研究機関（含⺠間）が活⽤n 分譲審査は外部委員による委員会で実施n 産業界が利⽤しやすい知的財産の制度設計

試料・情報分譲を実施中

これまでに36件の分譲を承認

共同研究も130件以上*共同研究の場合の知財や費⽤分担はケースバイケースで対応

n コホート調査への参加者の⾎液から⾎清、⾎漿、バフィーコート、単核球試料を処理し保存、⼀部の参加者については、尿・⺟乳も保存

バイオバンクの構築

n ⼀部の参加者については DNA 抽出とともに、不死化細胞・増殖細胞の作成を⾏っている

39

ゲノム解析の手法の進歩次世代シークエンサー：NGS

40

ヒトゲノムは多くの違い（多型）がありそれらが個⼈の体質や病気になりやすさを規定している

健常な⽇本⼈の全ゲノム解析を実施する必要性患者のゲノム解析との関係

n 全ゲノム解析にはがんや難病などの病因解明に向けての⼤いなる可能性があるn 患者の全ゲノム解析結果を有効に活⽤するためには健常⼈の解析により⼤規模な

⽐較対照⽤データを整備する必要がある

東北メディカル・メガバンク機構ではこれまでに約8,300⼈分の全ゲノム解析を完了約6,100万個の遺伝⼦多型 / 約3,000万個を越える新規多型を同定

⽇本⼈多層オミックス参照パネル jMorpウェブサイトで公開中https://jmorp.megabank.tohoku.ac.jp/

n⽇本⼈のゲノムは欧⽶⼈のものとは⼤きく異なるn⽇本のゲノム医療のためには、⽇本⼈のゲノム構造を正確に決める必要がある︕

患者のゲノムだけでは、病気との関連はわからない

41

東北メディカル・メガバンクにおけるゲノム解析の成果

n 全ゲノム解析の実施

n ⽇本⼈ゲノムの⼤規模解析に適した解析ツール開発⽇本⼈に最適化した安価なゲノム解析ツールジャポニカアレイ®

を開発し、そのバージョンアップを継続中*参加者15万⼈のうちの13万⼈以上のアレイ解析を完了

１）⽇本⼈ゲノムの多型（個⼈の違い）を収載したデータベースである⽇本⼈全ゲノムレファレンスパネル（8.3KJPN）を構築（2020年）

２）⽇本⼈のゲノム解析のひな型となる⽇本⼈基準ゲノム（JG1）を構築（2019年）

n オミックス解析（⽣体分⼦解析）の実施１）⾎しょう中代謝物等を解析して⽇本⼈多層オミックス参照パネル

jMorp を作成 – 様々な代謝物の平均や分布情報１.5万⼈分を公開（2019年）２）多層オミックス解析のレファレンスDB（iMETHYL）の公開

-100⼈規模のゲノム多型、DNAメチル化情報と遺伝⼦発現情報の平均や分布情報を公開

当時、世界に先駆けて千⼈規模の全ゲノム解析を実施（現在、世界は⼗万⼈規模に）

複数名で構成される⺠族集団別の基準ゲノムは世界初

ゲノム以外のデータの重層化にも先駆的に対応

⺠族別アレイの開発は今や世界の主流昨秋、Nature Medicine誌がアレイを⽤いたゲノム検査の医療への活⽤を提⾔

先端的な解析を実施して価値の⾼いデータベースを作成・公開

42

l ⾼度セキュリティエリアからスパコンへのVPN回線によるリモートアクセスの運⽤

l ゲノム解析データはじめ多様なデータを安全に共有

AMEDスーパーコンピュータ（ToMMo委託管理）

l 東北メディカル・メガバンクの膨⼤なデータと計算資源に⾼度なセキュリティを保って遠隔地からアクセス

l 幅広いデータ利⽤に貢献

ＡＭＥＤゲノム医療研究⽀援機能

ゲノム医療研究の基盤構築開かれた研究基盤の構築を⽀えるスパコン管理の実施

Data Sharingから Data Visitingへ新しいパラダイム

Data

岩⼿医科⼤学

東北⼤学

DBCLS

東⼤医学部

製薬協

神奈川県

企業研究所・⼤学など

理研AIP

沖縄

成育医療セ

⻑崎⼤学中京地区1

東京医科⻭科⼤学

国⽴がん研究センター

九州⼤学

国⽴精神・神経セン

ター

⼤阪⼤学東京地区1

滋賀医⼤

東北医科薬科⼤学

名⼤医学部

26拠点で運⽤中

2拠点程度準備中

遠隔セキュリティエリア設置状況

2020年7⽉⽇本橋三井タワーに拠点オープ

ン共⽤エリア設置

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複合バイオバンク解析センターバイオバンク

ゲノム・オミックス解析

ゲノム・オミックス情報基本属性情報

検体情報検査情報 診療情報調査票

情報

東北メディカル・メガバンク 統合データベースdbTMM

コホートコホート参加者

ゲノム医療研究者分譲⼿続き

質や種類の⼤きく異なる膨⼤なデータの統合

健康調査と解析情報を統合解析をすることで、正確な層別化情報の提供が可能になるゲノム医療実現推進のプラットホームとしての利⽤が期待される

統合データベース dbTMM の開発統合・知識データベースにはゲノムコホート由来のデータが格納・蓄積されているn 定められた登録・審査の⼿続きを経て全国の研究者が利⽤できるn “⼤規模データ向け⾼速検索”や“検索後層別化集団の統計学的⾃動特徴付け”等の新たな機能が搭載されている

ゲノム医療実現推進のためのバイオバンク利活⽤促進に向けたバイオバンク・

ネットワーク構築と運⽤⽀援に関する研究開発事業

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東北メディカルメガバンクにおけるゲノム解析の未来型医療実現への貢献

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ToMMo全ゲノムリファレンスパネルの活⽤法

がんや難治性疾患、未診断疾患に対するクリニカルシークエンス解析に必須の対照配列（リファレンスゲノム）情報となる

個別化予防研究の促進のためのエスニックアレイ作出⽇本⼈向けのゲノム詳細解析⽤アレイを作製して安価な疑似全ゲノムシークエンス解析を可能にする

「層別化創薬」促進⽀援にも活⽤できるゲノム基盤に⽴脚した個別化創薬推進の基盤となる

ToMMo全ゲノムリファレンスパネルは遺伝⼦配列変異（SNPs）の存在場所とその頻度情報をカタログ化して伝えている

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⽇本医療研究開発機構(AMED)の未診断疾患イニシアチブ(IRUD) への協⼒がんや診断がつかなかった病気の治療にゲノム情報で⼤きく貢献

146,302

9,930

患者由来サンプルをエクソーム解析

疾患原因のバリアント候補は 14万 以上も

タンパク質の構造に影響するような意味のある変異

に絞ることで漸く 1万弱 に

40

69世界中のデータベースを駆使して 69 まで絞り込み

疾患遺伝⼦上の多型を除いて最終候補 40 へ

未診断疾患イニシアチブ（IRUD）診断がつかなかった患者に遺伝⼦解析を⾏い病気の原因遺伝⼦を特定し、治療⽅針を⽴てるプロジェクト

原因のバリアント候補を9,930→249 まで絞りこむの

にTMMの2,049⼈分の⼀般住⺠全ゲノムパネルが貢献︕

249

TMMのデータは健常者がほとんどなので健常者が持つバリアントを原因候補から外

すことができる

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ToMMo全ゲノムリファレンスパネルの活⽤法

がんや難治性疾患、未診断疾患に対するクリニカルシークエンス解析に必須の対照配列（リファレンスゲノム）情報となる

個別化予防研究の促進のためのエスニックアレイ作出⽇本⼈向けのゲノム詳細解析⽤アレイを作製して安価な疑似全ゲノムシークエンス解析を可能にする

「層別化創薬」促進⽀援にも活⽤できるゲノム基盤に⽴脚した個別化創薬推進の基盤となる

ToMMo全ゲノムリファレンスパネルは遺伝⼦配列変異（SNPs）の存在場所とその頻度情報をカタログ化して伝えている

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ゲノム・オミックス情報を活⽤した層別化創薬ゲノム・オミックス解析情報を活⽤して⽇本⼈をセグメント（層）に分けることが可能

ある薬物に対しては副作⽤を⽰すセグメント（薬の副作⽤が出る）

ある薬物に対しては⾼感受性を⽰すセグメント（薬がよく効く）

ある薬物に対しては薬効を⽰さないセグメント（薬が効かない）

n 健康調査とゲノム・オミックス解析情報を統合解析することで正確な層別化情報が提供できるn 低分⼦化合物も層別化創薬と組み合わせれば「標的薬」になる（落選した薬剤候補復活の可能性）

最適薬・最適投与量の設定

次世代創薬の⼀つとして層別化創薬実現へ

⽇本⼈集団

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ToMMo全ゲノムリファレンスパネルの活⽤法

ToMMo全ゲノムリファレンスパネルは遺伝⼦配列変異（SNPs）の存在場所とその頻度情報をカタログ化して伝えている

がんや難治性疾患、未診断疾患に対するクリニカルシークエンス解析に必須の対照配列（リファレンスゲノム）情報となる

個別化予防研究の促進のためのエスニックアレイ作出⽇本⼈向けのゲノム詳細解析⽤アレイを作製して安価な疑似全ゲノムシークエンス解析を可能にする

「層別化創薬」促進⽀援にも活⽤できるゲノム基盤に⽴脚した個別化創薬推進の基盤となる

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遺伝⼦から⼀⼈⼀⼈の病気になりやすさを予測し、その情報を医療の枠組みの中で活⽤する構想は世界の潮流となりつつあるn 多遺伝⼦リスクスコア（PRS）研究が⼤きく進展し、多因⼦疾患について発症リスク予測が⽐較的容易に実施できる

ようになりつつあるn 多遺伝⼦リスクスコア算出に使われるマイクロアレイは⽐較的安価（１万円ほど）であり使いやすいn 全ての⼈が医療の枠組みの中でゲノム情報を使える基盤を整備すべきでる

ゲノム医療の重要ターゲットは多因⼦疾患のリスク予測医療の枠組みの中でゲノム情報を活⽤する体制構築に取り掛かることが必須

ジャポニカアレイは個別化予防実現のためのキーテクノロジー⽇本⼈の体質・疾患の関連遺伝⼦を探索するための基盤解析ツールであり⽇本で個別化予防を実現するためのキーテクノロジー

⽇本⼈に最適化したSNP選定 / 全ゲノム情報推定にも対応

ゲノム医療の第１グループ

ゲノム医療の第２グループ

（例：生活習慣病）

薬剤反応性遺伝的要因

先天性疾患

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健診⽤ジャポニカアレイを活⽤した未来型健診（イメージ）

健診クリニックIC取得検査発注

健診⽤ジャポニカアレイ解析実施

健診医師宛のレポート

結果返却個別予防指導

ゲノム医学情報の更新︓新規医学情報の追加

ゲノム情報を活⽤した⽇本の未来型健診モデル

⼀⼈⼀⼈に合った健康管理や⾏動変容へ

⺠族別の健診⽤アレイを開発することにより、未来型健診モデルの海外展開も視野に

52

ゲノム医療実現への取り組み

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CsMBE ⽣体防御酵素遺伝⼦

MAFNRF2

核移⾏

酸化ストレス環境毒物 (E)

核

NRF2

NRF2

Cys

Cys

Cul3Rbx1

E2

Ub

NRF2

NRF2

細胞質

KEAP1-NRF2 制御系

酸化ストレスや毒物ストレスに応答して⽣体を守るシステムn KEAP1 は酸化ストレスなどに対するセンサー機

能を持ち、ストレスを受けると不活性化してNRF2を安定化・誘導する

n NRF2は転写因⼦であり⽣体防御酵素群の発現を誘導制御する

解毒酵素群と抗酸化酵素群の誘導発現

KEAP1KEAP1

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KEAP1-NRF2 制御系酸化ストレスや毒物ストレスに対して⽣体を守るシステム

n KEAP1 は酸化ストレスなどに対するセンサー機能を持つn NRF2は転写因⼦であり⽣体防御酵素群の発現を誘導制御する

ヒト NRF2 遺伝⼦

1 2 3 4 5

AACACGAGC TGCCGGCGC TGTCCACATC

ARE-like motif

/A

-617

-617+1

NRF2遺伝⼦に存在するrSNP

このrSNPは急性肺障害などの重要なリスク因⼦

Yamamoto et al, BBRC 2004Marzec et al, AJMRM 2007 NRF2遺伝⼦の

発現は–617遺伝⼦変異を持つ

⼈では減少

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

C/C C/A A/A

P=0.049

P=0.031

Rel

ativ

e NR

F2ex

pre

ssio

n le

vel

Suzuki & Shibata et al, MCB 2013

Collaborations with Dr Shibata at NCRI-Japan

rSNP –617 のMinor Allele Frequency は

肺がん患者で有意に⾼い

この変異を持つヒトは肺がんに罹患しやすい

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短期⽬標:

指定国⽴⼤学の柱の⼀つとして設⽴がんゲノム解析の実施

l シークエンス・情報解析の体制の構築l 解析実施数

腫瘍組織 38検体⾎液 34検体腫瘍部RNA-Seq 7検体

病院バイオバンクl 2019年3⽉末までに13診療科の⾎液試

料と7診療科の組織サンプルを収集l 5,000を超える液性サンプル、500を

超える組織サンプルを収集済み

クリニカルフェノームl ⾎漿中代謝物の網羅的定量系の構築l ガン検体への適⽤

未来型医療創成センター（INGEM）

中⻑期⽬標:

⽇本⼈のがん患者のために個別化医療を数年の内に東北⼤学病院で実現する。そのために、本年度中にToMMoと連携して、⽇本⼈の基準ゲノムを作成する。また、クリニカルシークエンス解析による変異情報の蓄積、及び各種疾患データや脳MRI等の画像データを組み込んだ臨床データベース構築を⾏う。

⽇本⼈でのエビデンスに基づいた個別化医療・個別化予防を実現。

東北⼤学病院 病院バイオバンク

EXOME シークエンス©2016 DBCLS TogoTV

情報解析

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TMMバイオバンクの成果と構造⽣物学解析を活⽤した個別化医療・創薬研究へのアプローチ

⼤規模ゲノムコホート研究で明らかにされた多数の稀少変異（レアバリアント）の構造解析を⽤いた機能解釈の必要性

NMRやクライオ電顕などタンパク質構造解析が重要n 全ゲノム解析により膨⼤な数のレアバリアントをすでに同定n ⾮同義置換が機能に与える影響の解析には構造⽣物学が重要n クライオ電顕やNMRによる構造解析の加速により、遺伝⼦

変異のもたらす機能変換とその解釈を加速

創薬・個別化医療の実現に貢献

ハイエンドクライオ電⼦顕微鏡2020年度設置

800MHz NMR

2020年度New Console設置

Sample Changer2023年度には次世代放射光施設も稼働予定

BINDS ケミカルシーズ・リード探索

ユニットの⽀援

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JAXAきぼう利⽤テーマ「宇宙ストレスにおける環境応答型転写因⼦Nrf2の役割」

代表研究者 ⼭本雅之 （東北⼤学⼤学院医学系研究科）

宇宙環境

（出典︓JAXA）

⽣体防御機構強化で宇宙ストレスに⽴ち向かう

環境応答型転写因⼦Nrf2

⽣体防御系遺伝⼦群発現活性化

Pol II

Nrf2

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59

NRF2遺伝⼦⽋失マウスの宇宙飼育

n 宇宙環境では微少重⼒と宇宙放射線による⼤きなストレスが存在する微少重⼒による負荷は⾮常に⼩さいので使われない⾻や筋は環境に適応して急速に減少する宇宙放射線は酸化ストレスとDNA障害を惹起する

n このような宇宙ストレスがNRF2活性化により緩和されるのではないかこの仮説を検証する⽬的で、NRF2遺伝⼦⽋失マウスの宇宙滞在実験を企画した

n 鍛えられた宇宙⾶⾏⼠だけではなく⼀般⼈が宇宙旅⾏する時代に備えるn 宇宙ストレス状態は「寝たきり」に似た状態なので、筋や⾻減少に関係する創薬のヒントになるn ⽇本が直⾯している「⾼齢社会」における変化をとらえる加速モデルとなる

Decade of Space Mouse世界中の多くのヒト病態解析⽤の遺伝⼦ノックアウトマウス系統も

宇宙での機能解析ができる時代に︕

Nrf2⽋失マウス

野⽣型マウス

着⽔（カリフォルニア沖）

ISS軌道上飼育（31⽇）

帰還後作業打上前作業

移し替え 取り出し

餌・⽔補給、排泄物回収等の飼育ケージメンテナンス（週1回程度）

打上げ2018.4.2@ ケネディ宇宙センター

マウス受領

SpaceX-14ドラゴン宇宙船

SpaceX-14ドラゴン宇宙船

12匹打上げ

宇宙⾶⾏⼠が作業

(c) Space-X

採⾎

2018.5.7@ San Diego

6匹 6匹

打上げ前作業メンバー

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第3回 ⼩動物飼育ミッション

宇宙ストレスにおける環境応答型転写因⼦NRF2の役割の流れ

12匹全匹⽣存帰還︕

Nrf2⽋失マウスの国際宇宙ステーションでの飼育

野⽣型マウス

Nrf2ノックアウトマウス

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野⽣型対照マウス Nrf2ノックアウトマウス宇宙フライト帰還直後のマウス

地上対照マウス

フライト帰還マウス

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n 遺伝⼦ノックアウトマウスの宇宙旅⾏と全匹⽣存帰還に初めて成功普通（野⽣型）のマウスですら宇宙での⻑期飼育は困難と⾔われていたが、今回は環境由来ストレスに弱い Nrf2遺伝⼦⽋失マウスの宇宙旅⾏と全匹帰還を実現

n マウスの宇宙滞在時にNrf2が活性化されていることをRNA-シークエンス解析により実証n 軌道上の微量採⾎を初めて実施

メタボローム解析から、宇宙滞在によってヒトの加齢時と同じ動きをする⾎漿代謝物が⾒られること、すなわち、宇宙では加齢変化が加速していることを⽰す知⾒を得た

l 宇宙滞在リスク軽減に貢献︓NRF2活性化による宇宙滞在のリスク軽減→ 鍛え抜かれたスーパーマン（宇宙⾶⾏⼠）だけではなく、⼀般の⼈も宇宙に挑戦できる時代を︕

l ⾼齢化・⾼ストレス社会が抱える課題克服への応⽤︓酸化ストレスやメカニカルストレスへの適応戦略の開発は、地上での⾼齢化・⾼ストレス社会の課題克服へ新たな応⽤・展開が期待される→ 元気に歳を取れる戦略は、健康寿命の延伸につながる︕

宇宙ストレスにおける環境応答型転写因⼦のNrf2役割

Decade of Space Mouse世界中の多くのヒト病態解析⽤の遺伝⼦ノックアウトマウス系統も

宇宙での機能解析ができる時代に︕

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東北メディカル・メガバンク機構で活躍する⼈々

他に21名の室⻑や７名の地域⽀援センター⻑合計約380名程度のスタッフ（GMRC / TCFを含む）GMRC: genome medical research coordinatorTCF: ToMMo clinical fellow

機構⻑⼭本 雅之

副機構⻑呉 繁夫⽊下 賢吾布施 昇男

バイオバンク事業部峯岸 直⼦（事業部⻑）鈴⽊ 吉也（副事業部⻑）荻島 創⼀檀上 稲穂中村 智洋

ゲノム解析事業部⽊下 賢吾（事業部⻑）⼩柴 ⽣造（副事業部⻑）⽥宮 元清⽔ 律⼦勝岡 史城櫻井 美佳

ゲノムプラットフォーム連携センター⽊下 賢吾（センター⻑）⽥宮 元（副センター⻑）

総務・企画事業部樋⼝ 晋⼀（事業部⻑）布施 昇男（副事業部⻑）⻑神 ⾵⼆（副事業部⻑）川⽬ 裕橋詰 拓明櫻井 美佳

コホート事業部呉 繁夫 （事業部⻑）栗⼭ 進⼀（副事業部⻑）菅原 準⼀（副事業部⻑）寳澤 篤 （副事業部⻑）布施 昇男富⽥ 博秋

機構⻑特別補佐⼋重樫 伸⽣伊藤 貞嘉⽥中 博佐藤 義幸⼩林 忠雄

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