NGS応用知識①：ゲノム解析でできること

ゲノム解析では生物が持つ「DNAの設計情報」を調べる

全ゲノム解析（WGS）では、生物が持つゲノムDNA全体を対象に配列を読み取ります。どのような遺伝子を持つか、個体や株の間で配列がどう異なるか、遺伝子がゲノム上のどこに存在するかなどを調べられます。

疾患や形質に関連する変異の探索、微生物の保有遺伝子の比較、品種・系統の関係を調べる研究などに利用されています。ただし、遺伝子を見つけることと、その働きを実証することは別です。

一塩基の違いから、大きなゲノム構造の変化まで捉える

ゲノムを比較すると、一塩基の違い（SNV）や短い配列の挿入・欠失（InDel）を検出できます。さらに、大きな欠失、重複、配列の向きが反転する逆位、別の場所へ移る転座なども解析対象になります。[1]

これらの変異を、疾患の有無や生育特性などの情報と組み合わせることで、性質の違いに関わる候補を探索します。

例えば、ヒトでは患者と対照群、あるいは家族内のゲノムを比較し、疾患に関連する可能性のある変異を調べます。がん研究では、腫瘍組織と同じ患者の正常組織を比較し、腫瘍で生じた体細胞変異を探索します。

変異の検出しやすさは、シーケンス方法や解析条件によって異なります。多数検体の一塩基の違いを比較する場合にはショートリード、反復配列や複雑な構造変異を調べる場合にはロングリードが候補になります。[2]

保有遺伝子から生物の機能を推定する

取得した配列から遺伝子を予測し、既知の配列やデータベースと比較することで、遺伝子の働きを推定できます。このように、配列に遺伝子名や機能などの情報を付ける作業を「アノテーション」と呼びます。

微生物では糖の利用や物質の合成・分解に関わる遺伝子、薬剤耐性や病原性に関連する遺伝子などを探索できます。

例えば、ある糖を利用できる株と利用できない株を比較し、関連する代謝遺伝子の有無や配列の違いを調べる、といった使い方が考えられます。候補を絞り込んだ後、培養試験や遺伝子の機能解析によって、その関与を確かめます。

複数株を比較して、共通する遺伝子と一部の株だけが持つ遺伝子を整理することもできます。こうした「パンゲノム解析」は、同じ種の中にある遺伝子構成の多様性を調べる方法です。

ただし、機能の推定はデータベースや配列の類似性に依存します。 機能不明の遺伝子も残り、既知遺伝子に似ているだけで同じ働きを持つと断定することはできません。

株の近縁性や、遺伝子が存在する場所を調べる

微生物の分類・系統関係を比較する

微生物のゲノムを既知のゲノムと比較すると、分類や系統関係を調べられます。同じ種に属する株同士でも、配列の違いを詳しく比較することで、遺伝的な近縁性を評価できます。

病原菌では、複数の分離株を比較し、感染症の集団発生を調べるためにWGSが利用されています。[3] ただし、ゲノムが近いことだけで感染経路が確定するわけではありません。採取時期や場所、患者間の接触などの疫学情報と組み合わせて解釈します。

染色体とプラスミドを区別する

細菌では、注目する遺伝子が染色体上にあるのか、プラスミド上にあるのかも重要な情報です。

例えば、薬剤耐性遺伝子の周辺配列を調べることで、どのような遺伝因子とともに存在するかを確認できます。これは、耐性遺伝子の広がり方を考える手がかりになります。[4]

ロングリードによって遺伝子とその周辺を連続して読み取れると、こうした配置を解析しやすくなります。ただし、プラスミド上にあるという情報だけで、他の細菌へ伝達できることまで証明されるわけではありません。

品種・系統の比較や、進化・育種の研究に活用する

植物や動物では、品種・系統・集団間のゲノムを比較し、遺伝的な多様性や形質に関連する領域を調べます。

例えば、病害への抵抗性や生育特性が異なる個体群について、ゲノム情報と実際に測定した形質を比較し、関連する変異や遺伝子の候補を探します。こうした情報は、育種研究で選抜に使うDNAマーカーを検討する材料になります。

また、近縁種間で遺伝子の数やゲノム構造を比較すると、進化の過程で生じた変化を調べられます。野生集団や家畜集団の遺伝的な関係を明らかにする研究にも、ゲノム比較が利用されています。[5]

知りたいことに合わせて解析方法を選ぶ

近縁の参照ゲノムに対する一塩基の違いや短い挿入・欠失を調べる場合は、取得した配列を参照配列に照合する「リシーケンス」が有効です。

一方、参照ゲノムに含まれない遺伝子やプラスミド、対象株のゲノム構造も調べたい場合には、配列を一から組み立てる「de novoアセンブリ」が役立ちます。参照ゲノムが存在していても、目的によってはde novoアセンブリを選びます。

必要なデータ量やショートリード・ロングリードの使い分けは、何を調べたいか、どこまで連続した配列が必要かによって変わります。これらの考え方は、NGS基礎知識③・④で解説しています。

ゲノム解析だけではわからないこと

ゲノム解析でわかるのは、主に「どのような遺伝情報を持つか」です。その遺伝子が特定の条件で発現しているかを調べるには、RNA-seqなどの解析が必要になります。

また、薬剤耐性や代謝に関連する遺伝子が見つかっても、実際の性質は薬剤感受性試験や培養試験などと合わせて評価します。変異と形質に関連があっても、それだけで因果関係が証明されるわけではありません。

ゲノム解析は、性質の違いを説明する候補を絞り、次の実験を計画するための基盤になります。bitBiomeでは、対象生物や試料、調べたい内容に応じた解析をご相談いただけます。