分子細胞遺伝学は、分子生物学と細胞遺伝学という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がん細胞を区別します。ヒト細胞遺伝学は、正常なヒト細胞に 46 本の染色体があ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的観察は、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、数十年にわたって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、造血悪性腫瘍、脳腫瘍、その他のがんの前駆症状など、さまざまな悪性腫瘍の診断と治療に役立てることができます。この分野は、全体として染色体の進化、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、 DNAプローブに異なる色の蛍光タグを標識して、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。
一般的なテクニック
蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）
蛍光 in situ ハイブリダイゼーションは、特定の核酸の局在標識を介して、単一コピーまたは反復 DNA 配列をマッピングします。この技術は、ゲノムの 1 つ以上の特定の領域に結合する蛍光タグでラベルされたさまざまな DNA プローブを使用します。[3]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、特定の核酸の局在標識を介して単一コピーまたは反復 DNA 配列をマッピングします。この技術は、ゲノムの 1 つ以上の特定の領域に結合する蛍光タグでラベルされたさまざまな 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見ることができ、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破壊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。蛍光プローブは新たな水素結合を形成し、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により、細胞周期のさまざまな段階における染色体のさまざまな部分を可視化できます。FISHは、中期染色体または間期核への直接的なアプローチとして実行できます。あるいは、仮想核型分析を用いてゲノム全体のコピー数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からなるマイクロ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。[4]
比較ゲノムハイブリダイゼーション（CGH）
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標識します。[5] CGHでは、DNAは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]標識されたDNAサンプルは、コピー数変動を観察するための最も情報に富む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存在量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、比較的迅速にゲノム全体をスキャンし、様々な染色体不均衡を検出することができます。これは、基礎遺伝学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。これは血液がんにおいてよく見られます。
アレイ比較ゲノムハイブリダイゼーション（aCGH）
アレイ比較ゲノムハイブリダイゼーション（aCGH）は、細胞培養と単離を必要とせずにCGHを実施できる手法です。代わりに、小さなDNA断片を含むガラススライド上で実施されます。[9]細胞培養と単離のステップを省くことで、プロセスは劇的に簡素化され、迅速化されます。CGHと同様の原理を用いて、サンプルDNAを単離し、蛍光標識した後、一本鎖プローブと共ハイブリダイズさせてシグナルを生成します。これらのシグナルは一度に数千個検出できるため、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]サンプルシグナルとリファレンスシグナル間の蛍光比を測定し、それぞれのシグナル量の差の平均値を表します。これにより、サンプルDNAがリファレンスから予想される量よりも多いか少ないかがわかります。
アプリケーション
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における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用いられています。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、個体の染色体の変化を特定します。これはかつては核型分析によって行われていましたが、現在ではFISHが用いられています。この方法は、がんにしばしば関連する染色体の欠失や転座の検出に広く用いられています。FISHはメラノサイト病変にも用いられ、非定型メラノサイト病変と悪性黒色腫を区別します。[5]
がん細胞は、染色体の構造変化（例えば、染色体の欠失、重複、逆位、あるいは染色体移動など）を複雑に蓄積することが多い。[11] FISH法を用いると、蛍光標識されたがん染色体と健常染色体との間の差異を通して、染色体の変化が可視化される。[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、潜在的な治療標的を見つける可能性を秘めている。[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用いられます。 [13]患者の染色体構造を解析することで、原因となる変化を明らかにすることができます。過去20年間に開発された次世代シークエンシングやRNA-seqといった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、近年ではマルチカラーFISHやマルチカラーバンディング（mBAND）といったFISHの派生法の医療応用が拡大しています。[14]
がんプロジェクト
分子細胞遺伝学に関わる現在のプロジェクトの一つに、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、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用いて、一部の希少がんの遺伝子異常を解明することを目指しています。これらの遺伝子異常は、最終的にはがんの病因に関与する可能性があると考えられています。[15]現在、CGCIは髄芽腫とB細胞非ホジキンリンパ腫において、これまで解明されていなかった遺伝子変異を解明しています。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CHIPなどがあります。[16]
参考文献
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- ^ 「GenomeOC Research」.がんゲノミクス局. 2013年2月4日. 2019年10月5日閲覧。
外部リンク
- 細胞遺伝学リソース
- ヒト細胞遺伝学 - 染色体と核型
- 遺伝子技術者協会
- 臨床細胞遺伝学者協会
- 細胞遺伝学 - 技術、市場、企業
