分子細胞遺伝学

分子細胞遺伝学は、分子生物学と細胞遺伝学の2 つの分野を組み合わせたもので、染色体構造の分析によって正常細胞と癌細胞を区別します。ヒト細胞遺伝学は、正常なヒト細胞に 46 本の染色体が含まれていることが発見された 1956 年に始まりました。しかし、染色体の最初の顕微鏡観察は、1800 年代後半にアーノルド、フレミング、ハンゼマンによって報告されました。彼らの研究は、ヒトの実際の染色体数が 46 であることが発見されるまで、何十年も無視されていました。1879 年、アーノルドは非常に大きな核を持つ肉腫と癌細胞を調べました。今日、分子細胞遺伝学の研究は、血液悪性腫瘍、脳腫瘍、その他の癌の前駆症状など、さまざまな悪性腫瘍の診断と治療に役立ちます。この分野は全体的に染色体の進化、より具体的には染色体異常の数、構造、機能、および起源の研究に重点を置いています。^{[1] [2]これには}蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）と呼ばれる一連の技術が含まれており、 DNAプローブに異なる色の蛍光タグをつけて、ゲノムの1つまたは複数の特定領域を視覚化します。1980年代に導入されたFISHでは、相補的な塩基配列を持つプローブを使用して、特定のDNA領域の有無を特定します。FISHは、中期染色体または間期核への直接アプローチとして実行できます。あるいは、仮想核型分析を使用してゲノム全体のコピー数の変化を評価する間接的なアプローチをとることもできます。仮想核型は、数千から数百万のプローブで作られたアレイから生成され、計算ツールを使用してコンピューター内でゲノムを再現します。

蛍光 in situ ハイブリダイゼーションは、特定の核酸の局在化ラベル付けによって、単一コピーまたは反復 DNA 配列をマッピングします。この技術では、ゲノムの 1 つ以上の特定領域に結合する蛍光タグでラベル付けされたさまざまな DNA プローブを使用します。^[3]この技術では、細胞分裂の各段階ですべての個別の染色体をラベル付けして、サイクル全体で発生する可能性のある構造的および数値的異常を表示します。これは、遺伝子座特異的、セントロメア、テロメア、および全染色体のプローブを使用して行われます。この技術は通常、間期細胞とパラフィンブロック組織で実行されます。 FISH は、特定の核酸の局在化ラベル付けによって、単一コピーまたは反復 DNA 配列をマッピングします。この技術では、ゲノムの 1 つ以上の特定領域に結合する蛍光タグでラベル付けされたさまざまな DNA プローブを使用します。蛍光タグからの信号は顕微鏡で確認でき、これらの信号を健康な細胞と比較することで突然変異を確認できます。これが機能するには、熱または化学物質を使用して DNA を変性させて水素結合を切断する必要があります。これにより、2 つのサンプルを混合するとハイブリダイゼーションが起こります。蛍光プローブは新しい水素結合を作成し、相補的な塩基で DNA を修復します。これは顕微鏡で検出できます。FISH を使用すると、細胞周期のさまざまな段階で染色体のさまざまな部分を視覚化できます。FISH は、中期染色体または間期核への直接アプローチとして実行できます。または、仮想核型分析を使用してゲノム全体のコピー数の変化を評価する間接的なアプローチを取ることもできます。仮想核型は、数千から数百万のプローブで作られたマイクロアレイから生成され、計算ツールを使用してゲノムをコンピューターで再現します。^[4]

FISHから派生した比較ゲノムハイブリダイゼーション（CGH）は、生物学的サンプルと参照との間のコピー数の変動を比較するために使用されます。CGHはもともと、腫瘍細胞の染色体異常を観察するために開発されました。この方法では、サンプルとコントロールの2つのゲノムを使用し、それらを区別するために蛍光ラベルを付けます。^[5] CGHでは、DNAが腫瘍サンプルから分離され、ビオチンが結合されます。別の標識タンパク質であるジゴキシゲニンが参照DNAサンプルに結合します。^[6]ラベル付けされたDNAサンプルは、コピー数変動を観察するのに最も有益な時間である細胞分裂中にプローブと共ハイブリダイズします。 ^[7] CGHは、DNAと染色体の数の相対的な豊富さを示すマップを作成します。サンプルと参照の蛍光を比較することにより、CGHは染色体領域の増加または減少を指摘できます。^{[6] [8]} CGHは、特定のターゲットや分析対象の遺伝子領域に関する事前の知識を必要としない点でFISHとは異なります。 CGH は、比較的迅速にゲノム全体をスキャンして、さまざまな染色体の不均衡を検出することができます。これは、根本的な遺伝的問題を抱えている患者や正式な診断が不明な患者に役立ちます。これは、血液がんの場合によく発生します。

アレイ比較ゲノムハイブリダイゼーション（aCGH）により、細胞培養や単離を行わずにCGHを実施できます。代わりに、小さなDNA断片を含むガラススライド上で実施します。^[9]細胞培養と単離のステップを省くことで、プロセスが大幅に簡素化され、迅速化されます。CGHと同様の原理を使用して、サンプルDNAを単離して蛍光標識し、一本鎖プローブと共ハイブリダイズさせて信号を生成します。一度に何千もの信号を検出できるため、このプロセスはパラレルスクリーニングと呼ばれます。^[10]サンプル信号と参照信号間の蛍光比が測定され、それぞれの量の平均差を表します。これにより、サンプルDNAが参照で予想される量より多いか少ないかがわかります。

FISH染色体in-situハイブリダイゼーションは、出生前および出生後のサンプルの細胞遺伝学の研究を可能にし、がんの細胞遺伝学的検査にも広く使用されています。細胞遺伝学は染色体とその構造の研究ですが、細胞遺伝学的検査では、血液、組織、骨髄、または体液中の細胞を分析して、個人の染色体の変化を特定します。これは、以前は核型分析によって行われることが多かったのですが、現在はFISHで行われています。この方法は、がんによく伴う染色体の欠失や転座の検出によく使用されます。FISHは、メラノサイト病変にも使用され、非定型メラノサイト性または悪性黒色腫を区別します。^[5]

がん細胞は、多くの場合、染色体の喪失、重複、反転、またはセグメントの移動などの複雑な構造変化を蓄積します。^[11] FISHを使用すると、蛍光標識されたがん染色体と健康な染色体との間の不一致を通じて、染色体の変化が可視化されます。^[11]これらの細胞遺伝学的実験の結果は、がんの遺伝的原因を明らかにし、潜在的な治療ターゲットを見つけることができます。^[12]

分子細胞遺伝学は、疾患の根本的な遺伝的原因が不明な先天性症候群の診断ツールとしても使用できます。 ^[13]患者の染色体構造を分析すると、原因となる変化が明らかになります。過去20年間に開発された次世代シーケンシングやRNA-seqなどの新しい分子生物学的手法は、診断において分子細胞遺伝学に大きく取って代わりましたが、最近では、マルチカラーFISHやマルチカラーバンド（mBAND）などのFISHの派生法の使用が医療用途で増加しています。^[14]

分子細胞遺伝学に関わる現在のプロジェクトの1つに、希少がんのゲノム研究があり、がんゲノム特性評価イニシアチブ（CGCI）と呼ばれています。^[15] CGCIは、がんの発症に最終的に関与する可能性のあるゲノム、エクソーム、トランスクリプトームの高度なシーケンシングを採用して、いくつかの希少がんの遺伝子異常を記述することに関心を持つグループです。 ^{[15]現在、CGCIは}髄芽腫とB細胞非ホジキンリンパ腫におけるこれまで解明されていなかった遺伝子変異を解明しました。CGCIの次のステップは、HIV陽性腫瘍とバーキットリンパ腫におけるゲノム変異を特定することです。

CGCIで使用されているハイスループットシーケンシング技術には、全ゲノムシーケンシング、トランスクリプトームシーケンシング、ChIPシーケンシング、イルミナ・インフィナム・メチル化EPICビーズチップなどがある。^[16]

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