1型糖尿病における血液DNAメチル化、遺伝子変異、循環タンパク質、マイクロRNA、および腎不全の総合的解析

内分泌学 医学 基礎医学 遺伝学 生命科学
1型糖尿病 DNAメチル化 遺伝子変異 循環タンパク質 マイクロRNA 腎不全 個別化医療

I型糖尿病中血液DNA甲基化、遗伝変異、循环蛋白、微小RNAおよび腎機能衰竭の統合分析

研究背景

糖尿病腎病（Diabetic Kidney Disease，DKD）は1型糖尿病（Type 1 Diabetes，T1D）の主要な合併症の一つです。約40％のT1D患者がDKDに進行し、そのうち10％から15％が最終的に透析や腎移植が必要な腎衰竭（Kidney Failure，KF）に至ります。現存の臨床指標では腎衰竭の発生を十分に予測できないため、腎衰竭発生の潜在的なメカニズムを解明し、新たな治療法を開発、早期警戒生物標識を特定して適時に介入する必要があります。

DNAメチル化（DNA Methylation，DNAm）は最も安定したエピジェネティック修飾の一つで、主にシトシンとグアニンの結合点（CpGサイト）で発生します。先行研究から、DNAメチル化の変化と糖尿病及びその合併症との関連が示唆されています。しかし、血液細胞で測定されたDNAメチル化の変化と腎衰竭リスクとの具体的な関連については明らかでなく、この不確実性が血液細胞DNAメチル化に基づく個別化医療の可能性を妨げています。

これらの問題を解決するため、著者はDNAメチル化、遺伝変異、循環蛋白及びmicroRNAsなど多種のオミクスデータを統合分析し、これらの因子と腎衰竭との関連を探究しました。

著者と出典

この論文は、Zhuo Chen、Eiichiro Satake、Marcus G. Pezzolesiらによって執筆され、City of Hope, Joslin Diabetes Center, University of Utah, NIH, Folkhälsan Research Center, Helsinki University, Monash University及びUniversity of Virginiaなど複数の機関から成り立っています。研究結果は2024年5月22日の《Science Translational Medicine》誌に発表されました。

研究方法とプロセス

研究デザイン

研究には277名の1型糖尿病患者が含まれ、これらの患者は研究開始時に糖尿病腎病に罹患しており、追跡期間（7から20年）中に142名（51.3％）が腎衰竭に進行しました。研究者はこれらの患者の血液細胞DNAメチル化レベルをIlluminaのEpicチップを用いて測定し、エピゲノム関連研究（EWAS）で全ゲノム範囲の分析を行いました。また、多オミクスデータを統合してDNAメチル化と遺伝変異、循環蛋白、microRNAs及び腎衰竭リスクとの関連を分析しました。

研究プロセス

  1. サンプル収集とDNAメチル化測定：277名の糖尿病腎病患者の全血サンプルからDNAを抽出し、Illumina Infinium MethylationEpic BeadChipを用いてDNAメチル化レベルを測定しました。

  2. エピゲノム関連研究（EWAS）：まず、単変量Cox比例ハザードモデルを用いて測定された846,816個のCpGサイトのメチル化レベルと腎衰竭リスクとの関連を分析し、潜在的な候補メチル化サイトを選定しました。その後、選定された候補サイトについて多変量Coxモデルを用いて腎衰竭リスクとの独立した関連を検証しました。

  3. 多オミクス統合分析：DNAメチル化、遺伝変異、循環蛋白、microRNAsと腎衰竭の関連を統合分析し、メチル化制御下における遺伝子、蛋白およびmicroRNAの相互作用メカニズムを明らかにしました。同時に、DNAメチル化レベルの時間的安定性を評価し、予測生物標識としての実用性を検証しました。

  4. 予測モデル構築：上述の分析結果に基づき、DNAメチル化データを取り入れた新しい予測モデルを構築し、臨床変数のみを含む従来のモデルとの比較評価を行いました。

研究結果

  1. DNAメチル化と腎衰竭リスクの関連：EWAS分析を通じて、腎衰竭リスクと関連する17個のDNAメチル化CpGサイトを発見しました。これらのサイトのメチル化レベルは時間経過にわたり高度な安定性を示し、潜在的な安定予測生物標識としての可能性を示唆しました。

  2. CpGサイトにおけるDNAメチル化の安定性：68名の患者（そのうち半数が追跡期間中に腎衰竭に進行）の早期および後期血液サンプルにおいて、17個の腎衰竭関連CpGサイトのメチル化レベルの変化には有意差が見られず、これらのサイトの安定性がさらに検証されました。

  3. 遺伝変異とDNAメチル化の関連：遺伝変異データとDNAメチル化データを統合し、7個のCpGサイトのメチル化状態が遺伝変異により有意に影響されることを発見しました。一部の変異サイトは他の研究でも腎機能変化と関連して報告されており、これらの変異がメチル化レベルを調節することで腎衰竭リスクに影響を与える可能性が示されました。

  4. 循環蛋白とmicroRNAsの媒介作用：線形回帰および媒介分析を通じて、DNAメチル化が循環蛋白やmicroRNAsの発現を調節することで間接的に腎衰竭の発生に影響を与えることがわかりました。例えば、cg12075771サイトのメチル化がKIM1やDLL1などの循環蛋白の発現を調節することで腎衰竭リスクを増加させる可能性が示唆されました。

  5. 予測モデルの最適化：DNAメチル化データを取り入れた新しい予測モデルは腎衰竭リスク予測においてより高い精度（C-statistic=0.93）を示し、従来の臨床予測モデル（C-statistic=0.85）に比べて顕著に向上しました。

研究結論

本研究は、多オミクス統合分析を通じて、DNAメチル化が遺伝変異、循環蛋白及びmicroRNAsを介して1型糖尿病患者の腎衰竭発生にどのように影響を与えるかを明らかにしました。本研究は、DKD進展のメカニズム理解を広げるだけでなく、腎衰竭リスクの予測における血液細胞DNAメチル化の潜在的な実用価値を示しました。今後の研究では、これらの発見を更に検証し、これらの生物標識に基づく個別化介入戦略を開発することが期待されます。

研究ハイライト

  • 多オミクス統合：初めてDNAメチル化、遺伝変異、循環蛋白およびmicroRNAsなど多種のオミクスデータを組み合わせ、これらの因子と腎衰竭リスクの関係を系統的に探究しました。
  • 予測モデルの最適化：DNAメチル化データを導入することで、腎衰竭リスク予測モデルの精度が著しく向上し、臨床における早期警戒や介入の新たな可能性を提供しました。
  • 生物標識の安定性：17個の腎衰竭関連CpGサイトのメチル化レベルの時間的安定性を検証し、長期予測生物標識としての適用可能性を向上させました。

本研究は、1型糖尿病患者の腎衰竭の早期警戒と予防に新たな発想とツールを提供し、糖尿病及びその合併症の個別化治療にとって重要な意義を持ちます。