人間の体細胞変異

ヒトの体細胞変異は、発達の初期段階と成体細胞の両方で起こる体細胞突然変異（体細胞で起こる突然変異）です。これらの変異は、健康な状態での機能はまだ完全には明らかになっていませんが、病原性の表現型につながる場合とそうでない場合があります。 ^[1]

モザイク（中世ラテン語のmusaicumから来ており、「ミューズの作品」を意味する）^[2]という用語は、装飾用の石、ガラス、宝石、またはその他の貴重な素材の芸術的なパッチワークを指すために古代から使用されてきた。離れて見ると、集合的なイメージは絵画のように見えるが、近づいて観察して初めて個々の構成要素が認識できるようになる。^{[2]生物系では、モザイクは単一の}生物に複数の遺伝的に異なる細胞株が存在することを意味する。この現象の発生は、大きな表現型の変化をもたらすだけでなく、そうでなければ致命的な遺伝子変異の発現を明らかにする。^[3]

モザイクに関与する遺伝子変異は、トランスポゾンや倍数性変化などの内因性因子、または紫外線やニコチンなどの外因性因子によるものである可能性がある。^[4]

体細胞モザイクは、体細胞突然変異の結果として生じる。体細胞突然変異は、単一のヌクレオチドから体細胞内の染色体の増加または減少まで、さまざまな規模のゲノム（またはミトコンドリア）の変化である。体細胞内のこれらの変化は、初期段階（着床前または受胎前）に始まり、老化の間も継続し、細胞内に表現型の異質性を引き起こし、がんなどの疾患の発症につながる可能性がある。^[4]ゲノム全体のコピー数変異と単一細胞におけるヘテロ接合性の喪失をスクリーニングするための新しいアレイベースの技術により、染色体異数性、片親性二染色体、部分的欠失、重複、および増幅が胚発生中に頻繁に発生することが示された。^[5]しかし、細胞競合現象のため、すべての体細胞突然変異が成人個体に伝播するわけではない。^[6]

染色体全体の増加または喪失を伴う遺伝子変異は、主に細胞分裂の終末期に発生します。しかし、これらは体細胞ではまれです。なぜなら、有害な結果をもたらすため、通常は淘汰されるからです。 ^[7]胚発生中の体細胞変異は、一卵性双生児によって表されます。なぜなら、一卵性双生児は異なるコピー数プロファイルと、加齢とともに増加し続けるエピジェネティックなマークを持っているからです。 ^[8]

老化における体細胞変異に関する初期の研究では、遺伝物質の欠失、逆位、転座は老化マウスでよく見られ、老化ゲノムには目に見える染色体変化、有糸分裂組換え、全遺伝子欠失、遺伝子内欠失、点突然変異が含まれる傾向があることが示されました。その他の要因には、メチル化の喪失、ゲノム異常と相関する遺伝子発現の異質性の増加、^[4]およびテロメアの短縮などがあります。^[9]転写に基づくDNA修復が老化組織における体細胞変異の維持に関与しているかどうかは不明です。^[4]

いくつかの細胞では、体細胞変異が復帰モザイク現象によって野生型アレルに戻ることがある。これは相同組換え、コドン置換、第2部位抑制変異、DNAずれ、可動性要素などの内因性メカニズムによるものである可能性がある。^[10]

次世代シークエンシング技術の登場により、変異検出の解像度が向上し、高齢者は染色体異常だけでなく、がんのドライバー遺伝子の変異も豊富に蓄積していることが明らかになりました。^[11]

加齢に伴う染色体異常の蓄積は、染色体ペインティングから一塩基多型（SNP）アレイまで、さまざまな細胞遺伝学的アプローチによって文書化されている。 ^[12]

多くの研究により、クローン集団は組織の機能低下や癌などの病気の進行を促し、生物の健康を損なう可能性があることが実証されています。これが、癌関連変異に起因する異常なクローン増殖（ACE）が非癌組織で一般的であり、加齢とともに蓄積する理由です。これはほとんどの生物に共通しており、複数の組織に影響を及ぼします。^[11]

造血コンパートメントの突然変異には、染色体の大きな構造変化と、がん関連遺伝子に影響を及ぼす点突然変異の両方が含まれます。転座の中には、人生の非常に早い時期に発生するものもあります。これらのイベントの頻度は50歳未満の人では低い（0.5％未満）のですが、この頻度は70代と80代の人では2％から3％に急速に増加します。この現象はクローン造血と呼ばれています。喫煙、ウイルス感染、農薬への曝露などの多くの環境要因は、突然変異の誘発だけでなく、クローン増殖の調整によっても寄与している可能性があります。^[13]

そうでなければ、正常固形組織における体細胞変異の検出は歴史的に困難であることが証明されている。主な理由は、一般的に複製指数が遅いこと、クローンに制限のある組織構造、組織へのアクセスの難しさ、および変異発生頻度が低いことである。最近、腫瘍に隣接する良性組織における体細胞変異の分析により、サンプルの80％にクローン変異があり、高齢、喫煙、およびDNA修復遺伝子の同時変異に関連して頻度が増加することが明らかになった。NGSの出現により、癌のない個人であっても、正常組織で加齢とともに体細胞変異が蓄積することがますます明らかになっている。^[11]

これは、がん遺伝子によって引き起こされるクローンの拡大が老化のほぼ普遍的な特徴であることを示唆しています。NGS技術により、がん関連変異のクローンの拡大は体細胞組織で非常に一般的な状態であることが明らかになりました。^[11]

最近のいくつかの研究を通じて、病的な神経系と健康な神経系の両方において、体細胞変異の蔓延が強調されている。^{[14] [15]}

SNV（一塩基変異）やCNV（コピー数変異）などの体細胞異数性は、特に胎児期の​​脳の発達中に発生すると脳機能障害と関連していることが観察されています。いずれにせよ、これらの体細胞異数性は1.3～40%の割合で観察されており、加齢とともに増加する可能性があり、このため、ニューロン間で正常な遺伝的多様性を生み出すメカニズムとして提案されています。^[16]

この仮説は、単一細胞シーケンシングの研究によって裏付けられており、単一神経細胞ゲノムを直接評価できるため、これらの細胞の体細胞異数性と染色体下CNVの体系的な特徴付けが可能となっている。健康な人間と病気の人間の両方の死後脳を使用して、これら2つのグループ間でCNVがどのように変化するかを研究することが可能になった。健康な脳の体細胞異数性は非常にまれであるが、体細胞CNVはそうではないことが明らかになった。^[17]

これらの研究は、クローンCNVが病的な脳と健康な脳の両方に存在することも示した。これは、リンパ芽球などの他の細胞型で発生するCNVと比較すると、脳のCNVはよりプライベートであることが多いにもかかわらず、一部のCNVは病気を引き起こすことなく発達初期に発生する可能性があることを意味する。この証拠は、リンパ芽球は増殖を続けるにつれて長期間クローンCNVを生成できるが、成体のニューロンはもはや複製しないため、それらが持つクローンCNVは発達初期段階で生成されたに違いないという事実によって示される可能性がある。^[17]

データは、リンパ芽球と比較した場合、ニューロンではコピーの増加よりも減少の傾向があることを明らかにした。これらの違いは、2つの細胞型で発生するCNVの分子メカニズムが完全に異なることを示唆している可能性がある。^[17]

レトロトランスポゾンLINE-1 (long interspersed element 1、L1) は、哺乳類の生殖細胞に定着した転移因子です。L1 のレトロトランスポジションは、体細胞でも発生し、モザイク (SLAV – L1 関連変異) を引き起こしたり、がんに発生したりします。レトロトランスポジションは、RNA テンプレートが DNA に逆転写され、ゲノムにランダムに組み込まれるコピー アンド ペースト プロセスです。ヒトには約 500,000 個の L1 コピーがあり、ゲノムの 17% を占めています。そのmRNA は2 つのタンパク質をコードしており、そのうちの 1 つは特に逆転写酵素とエンドヌクレアーゼ活性を持ち、シスでのレトロトランスポジションを可能にします。いずれにしても、これらのコピーの大部分は突然変異または 5' 切断によって不動化され、ヒトゲノムあたり約 80～100 個の可動性 L1 が残り、約 10 個が効率的に可動性を持つホット L1 と見なされています。^[18]

L1転位はTPRT（標的プライム逆転写）と呼ばれるメカニズムを使用して、L1エンドヌクレアーゼモチーフ、標的部位重複（TSD）、およびシス優先のポリAテールを挿入することができます。 ^[19]

過去には胎児期および成人期の神経発生中に神経前駆細胞でL1の可動化が見られ、脳がL1モザイクのホットスポットである可能性を示唆しています。さらに、いくつかの研究では、分裂していないニューロンもL1の可動化をサポートできることが示唆されています。これは単一細胞ゲノム研究によって確認されています。 ^[18]

単一細胞ペアエンドシーケンシング実験により、SLAV は海馬と前頭皮質のニューロンとグリア細胞の両方に存在することが判明しました。どの神経細胞にも SLAV が含まれる可能性は同程度であり、体細胞変異は特定の細胞群に集中するものではなく、ランダムな現象であることを示唆しています。脳における SLAV の発生は、細胞あたり 0.58～1 個と推定され、脳細胞の 44～63% に関係しています。^[要出典]

実験により、解析された SLAV の半分は標的部位重複(TSD) を欠いていることが示されたため、別の種類の L1 関連変異体が発生する可能性がある。実際、これらの配列にはエンドヌクレアーゼ活性はないが、エンドヌクレアーゼ モチーフが残っているため、トランスでレトロトランスポジションされる可能性がある。^{[引用が必要]}

脳における体細胞モザイクの研究の応用として、特定の脳細胞の追跡が考えられます。実際、体細胞 L1 挿入が前駆細胞で発生した場合、その固有の変異を使用して、前駆細胞の発達、局在、脳内での拡散を追跡できます。逆に、体細胞 L1 挿入が発達後期に発生した場合、それは単一の細胞または小さな細胞群にのみ存在します。したがって、体細胞変異を追跡することは、発達のどの時点で発生したかを理解するのに役立ちます。小さな細胞群、または単一の細胞でさえもネットワーク活動に影響を与える可能性があるため、脳機能における体細胞モザイクの役割を理解するには、さらなる実験が必要です。[ 20 ^]

ヒト体細胞変異（HSM）は、免疫システムによって抗体の生産のために集中的に利用されています。HSM、特に組み換えは、抗体が非常に高い特異性と感度でエピトープを識別できる理由です。 ^[21]

抗体はB細胞によってコード化される。各抗体は2つの重鎖（IGH遺伝子によってコード化されるIgH）と2つの軽鎖（IGL遺伝子またはIGK遺伝子によってコード化されるIgL）から構成される。各鎖は定常領域（C）と可変領域（V）から構成される。重鎖上の定常領域（C）はBCRシグナル伝達において重要であり、免疫グロブリンの種類（IgA、IgD、IgE、IgG、またはIgM）を決定する。可変領域（V）は標的エピトープの認識を担い、関連遺伝子座における組み換えプロセスの産物である。^[22]

抗原にさらされると、B細胞が発達し始める。B細胞ゲノムは、エピトープの認識が完了するまで、Ig遺伝子の組み換え処理を繰り返す。組み換えは、まずIGH遺伝子座に関係し、次にIGL遺伝子座とIGK遺伝子座に関係する。IGL、IGK、IGH遺伝子はすべて、V(D)J組み換えプロセスの産物である。この組み換えには、可変（V）、多様性（D）、結合（J）セグメントが関係する。3つのセグメント（V、D、J）はすべて重鎖の形成に関与しているが、軽鎖をコードするのはVとJの組み換え産物のみである。^[23]

これらの領域間の組み換えにより、10 ¹²～ 10 ¹⁸の異なる配列が形成される可能性があります。しかし、この数は過大評価です。なぜなら、B細胞レパートリーの多様性を制限する要因は数多くあり、まず第一に生物体内のB細胞の実際の数です。^[23]

体細胞モザイクは心臓で確認されている。配列解析により、15人中3人の患者でギャップ結合タンパク質コネキシンのモザイク変異が心房細動に寄与している可能性が示唆されたが^[24]、その後のより多数の患者に関する報告では、大規模な遺伝子パネルの中に例が見つからなかった。^[25]スタンフォード大学では、ユーアン・アシュリー率いるチームが、生命を脅かす不整脈を呈する新生児の心臓で体細胞モザイクを実証した。家族ベースのゲノム配列解析、組織RNA配列解析、および単一細胞ゲノミクス技術が、この発見を検証するために使用された。偏微分方程式と常微分方程式を、遺伝子変異の異種単一チャネル電気生理学実験からの入力と組み合わせたモデルは、臨床症状の特定の側面を再現した。^[26]

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