全ゲノムシーケンス

DNAの完全なコピーを含むほぼすべての生物学的サンプル（ごく少量のDNAや古代DNAであっても）は、全ゲノム配列決定に必要な遺伝物質を提供することができます。そのようなサンプルには、唾液、上皮細胞、骨髄、毛髪（毛包が含まれている限り）、種子、植物の葉、その他DNAを含む細胞を持つものなら何でも含まれます。

混合細胞集団から選択された単一細胞のゲノム配列は、単一細胞ゲノムシーケンス技術を用いて決定することができる。これは、形態学的特徴やその他の識別特性に基づいて、特定の微生物種の単一細胞を混合集団から顕微鏡で分離できる場合、環境微生物学において重要な利点がある。このような場合、通常必要な微生物の分離と培養による増殖のステップを省略できるため、はるかに広範囲の生物ゲノムのシーケンスが可能になる。^{[ 27 ]}

単一細胞ゲノムシーケンスは、体外受精によって作られた胚から細胞を採取し、胚を子宮に移植する前に分析する着床前遺伝子診断法として試験されている。 ^{[ 28 ]}着床後、母親から簡単な静脈穿刺によって無細胞胎児DNAを採取し、胎児の全ゲノムシーケンスに使用することができる。^{[ 29 ]}

ほぼヒトゲノム全体の配列決定は、ショットガンシーケンス技術の使用もあって、2000 年に初めて達成されました。小さな (4000 ～ 7000塩基対) ゲノムの全ゲノムショットガンシーケンスは1979 年にすでに使用されていましたが、^{[ 30 ]}より広範な応用は、ダブルバレルショットガンシーケンスとして知られるペアワイズエンドシーケンスの恩恵を受けました。シーケンスプロジェクトがより長く複雑なゲノムに取り組むようになると、複数のグループが、DNA 断片の両端をシーケンスすることで有用な情報が得られることに気づき始めました。同じ断片の両端をシーケンスしてペアのデータを追跡することは、2 つの異なる断片の片方の端をシーケンスするよりも面倒でしたが、2 つの配列が反対方向に配向しており、断片の長さほど離れているという知識は、元のターゲット断片の配列を再構築する上で貴重でした。

ペアエンドの使用に関する最初の発表は、1990 年にヒトHPRT遺伝子座のシーケンスの一部として行われましたが、^{[ 31 ]}ペアエンドの使用は、従来のショットガン シーケンス アプローチを適用した後のギャップを閉じることに限られていました。一定の長さの断片を仮定した純粋なペアワイズ エンド シーケンス戦略の最初の理論的記述は、1991 年に行われました。^{[ 32 ]} 1995 年に、さまざまなサイズの断片を使用するという革新が導入され、^{[ 33 ]}大きなターゲットでも純粋なペアワイズ エンド シーケンス戦略が可能であることが実証されました。この戦略はその後、 1995 年にThe Institute for Genomic Research (TIGR) によって細菌Haemophilus influenzaeの全ゲノムのシーケンスに採用され、^{[ 34 ]}その後、Celera Genomicsによって2000 年にショウジョウバエの全ゲノムのシーケンスに採用され、^{[ 35 ]}その後、ヒトの全ゲノムのシーケンスに採用されました。現在ライフ・テクノロジーズと社名変更したアプライド・バイオシステムズは、セララ・ゲノミクスとヒトゲノムプロジェクトの両方で使用された自動キャピラリーシーケンサーを製造した。

キャピラリーシーケンシングは、ヒトゲノムのほぼ全体をシーケンスすることに成功した最初のアプローチでしたが、商業目的にはまだ高価で時間がかかりすぎます。2005 年以降、キャピラリーシーケンシングは、イルミナ色素シーケンシング、パイロシーケンシング、SMRT シーケンシングなどのハイスループット(以前は「次世代」) シーケンシング技術に徐々に取って代わられてきました。^{[ 36 ]}これらの技術はすべて、基本的なショットガン戦略、つまり、並列化とゲノム断片化によるテンプレート生成を引き続き採用しています。

ナノポア技術を含むロングリードシーケンス技術が登場しました。ナノポア技術のシーケンス精度は上記のものより低いものの、リード長は平均してはるかに長くなっています。^{[ 37 ]}この世代のロングリードは、特にde novo全ゲノムシーケンスアプリケーションで価値があります。 ^{[ 38 ]}

原理的には、全ゲノム配列決定によって、ある時点における個体生物のDNAの生のヌクレオチド配列が得られる。しかし、この配列の生物学的または医学的な意味、例えば、この知識を疾病予防にどのように活用できるかなどを明らかにするためには、さらなる解析が必要となる。配列決定データの解析手法は現在も開発・改良が進められている。

シーケンス解析では膨大なデータが生成されるため（例えば、ヒトの二倍体ゲノムには約60億塩基対が存在する）、その出力は電子的に保存され、膨大な計算能力とストレージ容量が必要となる。

WGSデータの解析は時間がかかる場合があるが、専用ハードウェアを使用することでこのステップを高速化できる。^{[ 43 ]}

2006 年 10 月、X Prize 財団はJ. Craig Venter Science Foundation と協力し、Archon X Prize for Genomicsを設立しました。 ^{[ 60 ]}これは、「10 日以内、またはそれ以下の期間で 100 個のヒトゲノムをシーケンスできるデバイスを構築し、それを使用してシーケンスできる最初のチームに 1,000 万ドルを授与すること」を目的としていました。その際、シーケンスされた 1,000,000 塩基ごとに 1 つ以下のエラーの精度、ゲノムの少なくとも 98% を正確にカバーするシーケンス、およびゲノムあたり 1,000 ドル以下の継続コストが条件となります。^{[ 61 ]} Archon X Prize for Genomics は、正式な開始日前に 2013 年に中止されました。^{[ 62 ] [ 63 ]}

2007年、アプライドバイオシステムズはSOLiDシステムと呼ばれる新しいタイプのシーケンサーの販売を開始しました。^{[ 64 ]}この技術により、ユーザーは1回のランで60ギガベースのシーケンスを行うことができました。^{[ 65 ]}

2009年6月、イルミナは、ゲノムあたり48,000ドルで30倍の深度で独自の個人向け全ゲノムシーケンスサービスを開始すると発表した。 ^{[ 66 ] [ 67 ]} 8月、ヘリコス・バイオサイエンスの創設者であるスティーブン・クエイクは、同社のシングル分子シーケンサーを使用して、50,000ドル未満で自身の全ゲノムをシーケンスしたと述べた。^{[ 68 ]} 11月、コンプリート・ゲノミクスは、1,700ドルで完全なヒトゲノムをシーケンスできることを示す査読付き論文をサイエンス誌に発表した。^{[ 69 ] [ 70 ]}

2011 年 5 月、イルミナは全ゲノムシーケンスサービスをヒトゲノム 1 つあたり 5,000 ドル、50 個以上注文する場合は 4,000 ドルに値下げしました。^{[ 71 ]} ヘリコス バイオサイエンス、パシフィック バイオサイエンス、コンプリート ゲノミクス、イルミナ、セクエノム、ION トレント システムズ、ハルシオン モレキュラー、NABsys、IBM、GE グローバルは、全ゲノムシーケンスの商業化競争で真っ向から競い合っているようです。^{[ 36 ] [ 72 ]}

シーケンスコストの低下に伴い、多くの企業が自社の機器でゲノム解析を1,000ドルで実現できると主張し始めた。これらの企業には、2012年1月のLife Technologies ^{[ 73 ]} 、2012年2月のOxford Nanopore Technologies ^{[ 74 ]} 、 2014年2月のIllumina ^{[ 75 ] [ 76 ]}などが含まれる。2015年、NHGRIは全ゲノム配列を取得するコストを約1,500ドルと見積もった。^{[ 77 ]} 2016年、Veritas Geneticsは、シーケンスに含まれる情報の一部に関するレポートを含めた全ゲノムシーケンスを999ドルで販売し始めた。^{[ 78 ]} 2019年夏、Veritas GeneticsはWGSのコストを599ドルに引き下げた。^{[ 79 ]} 2017年、BGIはWGSを600ドルで提供し始めた。^{[ 80 ]}

しかし、2015年には、全遺伝子配列決定を効果的に利用するには1000ドルをはるかに超える費用がかかる可能性があると指摘する声もあった。^{[ 81 ]}また、2017年までに完全に配列決定されていないヒトゲノムの一部が残っているとも報告されている。^{[ 82 ] [ 83 ]}

全ゲノムシーケンス解析は、従来の遺伝子型判定技術のリーダーであったDNAアレイよりも桁違いに大きなゲノム情報を提供する。

ヒトの場合、DNAアレイは現在、最大100万の遺伝子変異に関する遺伝子型情報を提供しますが、^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]}全ゲノムシーケンスでは、ヒトゲノムの60億塩基すべてに関する情報、つまり3,000 倍のデータが得られます。このため、全ゲノムシーケンスはDNAアレイ市場に対する破壊的イノベーションと考えられています。両者の精度は99.98%から99.999%（非反復DNA領域）に及び、消耗品コストは60億塩基対あたり5,000ドルで、（一部の用途では）DNAアレイ（100万塩基対あたり500ドル）と競争力があります。^{[ 48 ]}

全ゲノムシーケンスにより、ヒトゲノム全体の突然変異頻度が確立されました。ヒトの世代間（親から子へ）の全ゲノムの突然変異頻度は、1世代あたり約70個の新しい突然変異です。^{[ 87 ] [ 88 ]} 100歳の一卵性双生児の血液細胞における全ゲノムシーケンスを比較すると、さらに低いレベルの変異が見つかりました。^{[ 89 ]}血液細胞の20%未満で発生する体細胞変異は検出されないものの、体細胞の違いはわずか8個しか見つかりませんでした。

ヒトゲノムのタンパク質コード領域では、親世代と子世代の間でタンパク質配列を変化させる変異は約0.35個（1世代あたり1個未満の変異タンパク質）と推定されている。^{[ 90 ]}

がんでは、ゲノムの不安定性により、突然変異の頻度がはるかに高くなります。この頻度は、患者の年齢、DNA損傷因子（紫外線照射やタバコの煙の成分など）への曝露、およびDNA修復機構の活性/不活性によってさらに左右される可能性があります。^{[ 91 ]}さらに、突然変異の頻度はがんの種類によって異なる可能性があります。生殖細胞では、突然変異率はメガベースあたり約0.023回の突然変異ですが、乳がん（1 Mbあたり1.18～1.66回の体細胞突然変異）、肺がん（17.7）、またはメラノーマ（約33）では、この数値ははるかに高くなります。^{[ 92 ]} 半数体ヒトゲノムは約3,200メガベースで構成されているため、^{[ 93 ]}これは生殖細胞系DNAでは世代あたり約74個の変異（主に非コード領域）に相当しますが、乳がんでは半数体ゲノムあたり3,776～5,312個の体細胞変異、肺がんでは56,640個、メラノーマでは105,600個になります。

ヒトゲノム全体における体細胞変異の分布は非常に不均一であり、^{[ 94 ]}遺伝子が豊富な早期複製領域は、遺伝子が乏しい後期複製ヘテロクロマチンよりも変異が少なく、これはおそらくDNA修復活性の差によるものと考えられる。^{[ 95 ]}特に、ヒストン修飾H3K9me3は高い変異頻度と関連しており、^{[ 96 ]} H3K36me3は低い変異頻度と関連している。^{[ 97 ]}

研究では、全ゲノムシーケンスは、疾患やその他の表現型に関連する遺伝子変異を特定することを目的としたプロジェクトであるゲノムワイド関連研究（GWAS）に使用できます。^{[ 98 ]}

2009年、イルミナは研究専用ではなく臨床使用が承認された初の全ゲノムシーケンサーを発売し、大学病院の医師たちは、標準的なアプローチでは治療できなかった人々の病気を診断するために、ひっそりとそれらを使用し始めた。^{[ 99 ]}

この技術が臨床応用された最初の例は2009年7月に起こりました。ミルウォーキー小児病院で治療を受けていた、発症が早く難治性の炎症性腸疾患（IBD）を患い、3歳になるまでに約100回の手術を必要とした子供の診断を試みたものでした。担当医のアラン・メイヤー医師は、全ゲノムシーケンスを用いて問題を特定できるかどうかをMCWの遺伝学者ハワード・ジェイコブ博士に相談しました。主任計算生物学者のウォーシー博士は、少数のソフトウェア開発者チームが迅速に開発したソフトウェアを活用し、問題の原因となっているXIAPの稀な変異を特定することができました。この診断により患者の治療方針が変更され、命が救われました。^{[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]} 2010年初頭までに、ジェイコブ博士とウォーシー博士は、デビッド・ディモック博士とともに、全ゲノムベースの遺伝子クリニックと分子診断ラボを設立し、診断未確定疾患の患者のゲノムを日常的にシーケンスおよび分析しました。この診断ラボは、今日に至るまで、世界中から何千人もの希少疾患患者を診断しています。

2010年、 Euan Ashley率いるスタンフォード大学のチームが、生物工学者Stephen Quakeの全ヒトゲノムの解析を行った。^{[ 102 ]} 2011年、Ashleyのチームは全ゲノム分子解剖を報告し^{[ 103 ]}、同年、解釈フレームワークを、Illuminaプラットフォームで初めてシーケンスされた家族であるWest家という、全ゲノムがシーケンスされた家族に拡張した。^{[ 104 ]}当時、ゲノムのシーケンス費用は19,50米ドルで、患者に請求されたが、通常は研究助成金から支払われた。当時、保険会社に払い戻しを申請した人が1人いた。^{[ 99 ]}

最近のコスト削減（上記参照）により、全ゲノムシーケンスはDNA診断において現実的な応用となっています。2013年、3Gb-TESTコンソーシアムは、DNA診断におけるこれらの革新に対応するための医療システムの準備のため、欧州連合から資金を獲得しました。^{[ 105 ] [ 106 ]}品質評価スキーム、医療技術評価、ガイドラインを整備する必要があります。3Gb-TESTコンソーシアムは、シーケンスデータの分析と解釈を診断プロセスの中で最も複雑なステップとして特定しました。^{[ 107 ]} 2014年9月にアテネで開催されたコンソーシアム会議で、コンソーシアムはこの重要なステップをジェノトランスレーションと名付けました。このステップにより、いわゆるジェノレポートが作成されます。これらのレポートに必要な内容を決定するためのガイドラインが必要です。

ブリガム・アンド・ウィメンズ病院とハーバード大学医学部のイニシアチブである Genomes2People (G2P) は、成人および小児の臨床ケアへのゲノムシーケンスの統合を調査するために 2011 年に設立されました。^{[ 108 ]} G2P のディレクターであるRobert C. Green 氏は、以前は、アルツハイマー病のリスク評価と教育に関する REVEAL 研究を主導していました。これは、アルツハイマー病の遺伝的リスクに関する知識に対する患者の反応を調査する一連の臨床試験です。^{[ 109 ] [ 110 ]}

2018年、サンディエゴのラディ小児病院ゲノム医学研究所の研究者らは、迅速全ゲノムシーケンス（rWGS）が、急性期の医療または外科的管理を変更するのに十分な時間内に遺伝性疾患を診断し（臨床的有用性）、急性期の乳児の転帰を改善できると判断した。2016年7月から2017年3月にかけて地域の小児病院に入院した急性期の乳児を対象とした後向きコホート研究では、42家族が遺伝性疾患の原因診断のためにrWGSを受けた。rWGSの診断感度は43%（42人の乳児のうち18人）であり、標準的な遺伝子検査の診断感度は10%（42人の乳児のうち4人）であった（P = .0005）。 rWGSの臨床的有用性の割合（31%、42人の乳児のうち13人）は、標準的な遺伝子検査（2%、42人のうち1人、P = .0015）よりも有意に高かった。診断的rWGSを受けた乳児のうち11人（26%）は罹患を回避し、1人は死亡の可能性が43%減少し、1人は緩和ケアを開始した。11人の乳児のうち6人では、管理の変更により入院費用が80万ドルから200万ドル削減された。この結果は、急性疾患の入院乳児におけるrWGSの臨床的有用性に関する以前の研究を再現し、転帰の改善、純医療費の節約、およびこの状況における第一選択検査としての検討を示した。^{[ 111 ]}

2018年に発表された36件の論文のレビューによると、全ゲノムシーケンスの費用は1,906米ドルから24,810米ドルまで幅があり、診断率は患者グループによって17%から73%まで大きく変動することがわかった。^{[ 112 ]}

全ゲノムシーケンス解析により、ゲノム全体にわたる複雑な形質とコーディング領域および非コーディング領域の希少変異（マイナーアレル頻度（MAF）< 1%）との関連性を評価することが可能になります。単一変異解析では、希少変異との関連性を特定する能力が一般的に低く、複数の希少変異の特定のセットの影響を共同でテストするために、変異セット検定が提案されています。 ^{[ 113 ]} SNPアノテーションは、希少な機能的変異の優先順位付けに役立ち、これらのアノテーションを組み込むことで、全ゲノムシーケンス解析における希少変異の遺伝的関連性解析の検出力を効果的に高めることができます。^{[ 114 ]}遺伝子型データとその機能アノテーションの統合、関連性解析、結果の要約と視覚化など、全ゲノムシーケンスデータに対するオールインワンの希少変異関連性解析を提供するように特別に開発されたツールもあります。^{[ 115 ] [ 116 ]}

全ゲノムシーケンス研究のメタ解析は、複雑な表現型に関連する希少変異を発見するための大規模なサンプルサイズの収集という問題に対する魅力的な解決策を提供する。要約統計の保存に効率的なアプローチを使用して、バイオバンク規模のコホートで機能的に情報に基づいた希少変異関連解析を可能にするいくつかの方法が開発されている。^{[ 117 ]}

この分野では、全ゲノムシーケンスは、血流中の循環腫瘍DNA （ctDNA）を分析、定量化、特徴付けることができるため、科学界が直面する大きな進歩と課題を表しています。これは、早期がん診断、治療選択、再発モニタリングの基礎となるだけでなく、がんの進化における耐性、転移、系統発生パターンのメカニズムを決定するためにも役立ちます。また、この病態に苦しむ患者に対する個別化治療の選択や、治療の進行中に既存の薬剤がどのように作用するかを観察するのにも役立ちます。ディープ全ゲノムシーケンスは、血漿中のctDNAに基づくサブクローン再構築を伴い、完全なエピゲノムおよびゲノムプロファイリングを可能にし、各症例における循環腫瘍DNAの発現を示します。^{[ 118 ]}

2013年、グリーンと研究者チームは、新生児のDNA配列決定の倫理的および医学的影響を研究するためにBabySeqプロジェクトを開始しました。^{[ 119 ] [ 120 ]} 2015年時点で、新生児スクリーニングツール としての全ゲノムおよびエクソーム配列決定が検討され^{[ 121 ]}、2021年にはさらに議論されました。^{[ 122 ]} 2021年、NIHはBabySeqプロジェクトを拡大した実施研究であるBabySeq2に資金を提供し、多様な家族から500人の乳児を登録し、ゲノム配列決定が小児医療に与える影響を追跡しました。^{[ 123 ]}

2023年にランセット誌は、英国では「短期的には標的遺伝子パネルのアップグレードによるスクリーニングの改善に注力する方が賢明かもしれない。長期的には全ゲノムシーケンスは徹底的な検討と普遍的な注意が必要である」と意見を述べた。^{[ 124 ]}

最初にほぼ完全なヒトゲノムが配列決定されたのは、2007年に主に北西ヨーロッパ系の祖先を持つ2人のアメリカ人（J. Craig Venter、 7.5倍のカバー率、^{[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]}、およびJames Watson、 7.4倍）であった。^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}これに続いて2008年には、匿名の漢民族男性（36倍）、^{[ 141 ]}ナイジェリアのヨルバ族男性（30倍）、^{[ 142 ]}オランダの女性臨床遺伝学者（Marjolein Kriek ）（7～8倍）、および50代半ばの女性白血病患者（腫瘍組織と正常組織でそれぞれ33倍と14倍のカバー率）のゲノム配列が決定された。 ^{[ 143 ]}スティーブ・ジョブズは、全ゲノム配列決定を受けた最初の20人のうちの1人で、費用は10万ドルだったと伝えられている。^{[ 144 ]} 2012年6月現在 当時、ほぼ完全なヒトゲノムが69個公開されていた。^{[ 145 ]} 2013年11月、スペインのある家族が、クリエイティブ・コモンズのパブリックドメインライセンスの下で、自分たちのゲノムデータを公開した。この研究はマヌエル・コルパスが主導し、データは23andMeと北京ゲノム​​研究所による消費者向け遺伝子検査で得られた。これは、家族全員のゲノムデータセットとしては初めての公開例と考えられている。 ^{[ 146 ]}

Scienceによると、全ゲノムの主要なデータベースは次のとおりです。^{[ 147 ]}