文献情報
文献番号
202126014A
報告書区分
総括
研究課題名
トキシコゲノミクスとシステムバイオロジーとの融合による新型化学物質有害性評価系の実装研究
課題番号
21KD2001
研究年度
令和3(2021)年度
研究代表者(所属機関)
相崎 健一(国立医薬品食品衛生研究所 安全性生物試験研究センター毒性部)
研究分担者(所属機関)
- 北嶋 聡(国立医薬品食品衛生研究所 安全性生物試験研究センター 毒性部)
- 北野 宏明(特定非営利活動法人システム・バイオロジー研究機構)
- 夏目 やよい(国立研究開発法人医薬基盤・健康・栄養研究所 AI健康・医薬研究センター バイオインフォマティクスプロジェクト)
- 菅野 純(国立医薬品食品衛生研究所 安全性生物試験研究センター 毒性部)
研究区分
厚生労働科学研究費補助金 健康安全確保総合研究分野 化学物質リスク研究
研究開始年度
令和3(2021)年度
研究終了予定年度
令和5(2023)年度
研究費
33,739,000円
研究者交替、所属機関変更
-
研究報告書（概要版）
研究目的
本研究は、化学物質が実験動物に惹起する遺伝子発現等の分子毒性学情報を網羅的に取得する為に開発した独自の短期且つごく小規模の実験の結果からトキシコゲノミクス・データベースを構築し、インフォマティクス、及び、人工知能を融合する事で、科学的根拠に基づく新たな有害性予測評価手法を確立する。これにより、安全係数に依存する従来法を補強しつつ、迅速、高精度、省動物を具現化する新たな評価システムを構築する。
研究方法
先行研究において短期の試験から慢性毒性を予測する基礎検討を行い、遺伝子発現には、①曝露の度に短期的に変化を示す「過渡反応」と、②曝露を反復するに連れて発現値の基線（ベースライン）が移動する「基線反応」の二つの成分があり、①と②の関連性の解析には遺伝子の発現制御機構の情報が必要であると判明した。本研究では、(1)単回曝露及び新型反復曝露実験（4日間反復曝露を行い、次の日に単回曝露を実施し2、4、8、24時間後に肝の網羅的遺伝子解析を行う）をペルフルオロオクタン酸（PFOA）に適用した（国立医薬品食品衛生研究所の「動物実験の適正な実施に関する規程」を遵守）。(2)サリドマイドについて14日間反復曝露後のヒストン修飾解析を次世代シーケンサーを用いて行った。(3)(4)(5)データ解析用のアルゴリズムをPercellome技術やシステムバイオロジーを基に開発し、独自開発の解析プログラムに実装した。
結果と考察
分担研究（1）『短期間「新型」反復曝露実験と単回曝露実験データベースの対比による反復曝露毒性予測技術の開発』では、PFOAの単回曝露、及び、4日間の新型反復曝露実験を実施した。両実験とも2時間目の発現誘導遺伝子数が少なく、24時間目に向けてその数が増加した。2時間目には、NR1I2（PXR）やIEGsの発現機構にかかわるシグナルの関与が、8時間以降は、PPARの下流因子、SCL27A2 などを介した系の動員や、Gadd45bをはじめ、DNA障害、RNA障害、タンパク合成障害、等、を示唆する反応が、さらに24時間目に向けて、癌関連、ユビキチン関連、及びNRF2系が惹起された。反復曝露においては特に、Sirtuinシグナル、ミトコンドリア障害などの系の動員が示唆された。分担研究（2）『反復曝露影響のエピゲノム機構解析』では、サリドマイドの反復曝露によって、Cyp4a10及びCyp4a14のプロモータ領域において、活性型修飾であるH3K4me3が低下し、またCyp7b1のプロモータ領域においては、活性型修飾であるH3K27Acが増加していた。分担研究（3）『システムバイオロジーによる毒性解析のAI化』においては、深層学習を用いて膨大な遺伝子変動データやエピゲノムデータから、有意に変動した遺伝子を高精度で自動同定させる技術開発ならびに解析パイプラインの連動強化を行なった。分担研究（4）『統合ツール“Percellome Integrator”の開発』では、遺伝子発現とエピゲノムのデータ解析ユニットの開発を進めた。分担研究（5）『Percellomeデータベースを利用した解析パイプライン』では、PPARαリガンドであるクロフィブラート、バルプロ酸ナトリウム、エストラゴールの遺伝子発現プロファイルの動的変動を比較し、共通のパターンと個別の固有パターンを検出することにより、Percellomeデータの効果的な活用方法を検討した。
結論
本研究は、ほぼ計画通りに進捗した。分担研究（1）で検討したPFOAは、先行研究で実施した約160化学物質に比較して反復曝露時の毒性が強いものであり、遺伝子発現解析からそれを説明しうる毒性シグナルネットワークが示唆された。反復曝露による明らかな毒性増強の例として注目すべきであり、更に精緻な分子機序解析を進める。PFOAの解析結果は僅か４日間の反復曝露により長期の反復毒性を推測する基礎データが取得可能であること、即ち新型反復曝露実験プロトコルとPercellome法に基づく網羅的解析技術により、短期間の試験による慢性毒性の予測の実現性が高いことが考えらえた。分担研究（2）においては、サリドマイドの反復により、薬物代謝酵素群のプロモーター領域において、ヒストン修飾の活性化シグナルが検出された。分担研究（3）については新たに開始したエピゲノム解析のAI自動化についても順調に推移し、充分な訓練用画像を追加し、精緻かつ網羅的なエピゲノム修飾予測を目指す。分担研究（4）については、必要な機能に対応した主なライブラリについての情報収集を終え、基盤となる情報を整備した。分担研究（5）においては、化学物質の曝露時間情報の有効活用が毒性発現メカニズム推定において重要であることが見出された。
公開日・更新日
公開日
2022-07-13
更新日
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