A systems biology approach to identify intelligence quotient score-related genomic regions and pathways relevant to potential therapeutic treatments

IQ-related genes are enriched in multiple regions of chromosomes 7 and X

IQ scoreの遺伝的複雑性に取り組むため、IQ関連ヒト遺伝子探索データベースIQdb (http://IQdb.cbi.pku.edu.cn)を一般に開発しました7。 IQdbでは、文献から実験的に検証された158遺伝子をコアデータセットとしており、そのうちIQ関連遺伝子の約16％がX染色体上に位置している。 ヒトの全遺伝子のうちX染色体に属する遺伝子は3.4%に過ぎないと報告されている12。 このことは、IQ関連遺伝子がX染色体に多く存在することを示しているのかもしれない。 そこで、どのゲノム領域にIQ関連遺伝子が多く存在するかをより詳細に明らかにするために、ヒトゲノムの各サイトバンドに含まれる遺伝子量をもとに、超幾何学的検定を採用した。 さらにエンリッチメント解析を行った結果、IQ関連遺伝子を有意に多く含むゲノム領域が10個同定された。 10領域のうち、4領域はX染色体に属しており、Xp、Xq、Xq28、Xp11が含まれる。 過去の遺伝子発現研究では、X染色体上の遺伝子は、脳領域や生殖器系で発現しやすいことが示されている13。 今回の結果は、X染色体上の遺伝子が量的IQスコアと関連する可能性があるという考えと一致する可能性がある12。 X染色体は性分化に重要であることから、X染色体上のIQ関連遺伝子の濃縮は、男女間のIQスコアの違いを探る動機付けになるかもしれない14,15。

これまでの研究で、連鎖法を用いてIQに関連する46のゲノム領域が同定されている7。 これらの領域はいずれもX染色体上に存在しないが、そのうち6つはヒトの7番染色体由来の領域である（13.04％）。 IQ関連遺伝子が濃縮されている10のゲノム領域のうち、6つはX染色体上になく、7q、7q11、7q31、8p12、15q14、17p13が含まれる。 8p1216を除き、これらのゲノム領域はいずれも先行する連鎖研究のゲノム領域と重複していない。 6つの領域のうち3つは7番染色体からで、158のIQ関連遺伝子の8.86%を占めている（表1）。 ある先行研究では、361人のオーストラリアとオランダの双子に基づき、7q31-36が言語性IQと関連している可能性が示された17。

以上のことから、我々の解析では、ゲノム領域がいくつかの可能性のある候補に絞られ、IQ関連ゲノムの理解が深まり、性別などの違いを解釈する非常に合理的な方法となることが明らかにされた。 注目すべきは，これまでの連鎖研究では見逃されていたX染色体の複数のゲノム領域が，遺伝子濃縮に基づくアプローチにより同定されたことである。 この違いは、連鎖研究における母集団のサンプルサイズに起因している可能性がある。 また、IQdbのX染色体上の遺伝子の多くは、単一遺伝子に基づく機能研究に基づいて収集されたものであることも理由の一つであると考えられる。 遺伝子連鎖は大規模なスクリーニングツールとして台頭しつつある。 このようにゲノム領域の割合が少ないため、より大きな集団でのゲノム／プロテオームのグローバルな検討が可能になった。

IQ関連158遺伝子の中で精神障害に関連する転写因子やmiRNAのエンリッチターゲット遺伝子

生物系における基本問題は、候補遺伝子に対する制御因子を発見し、遺伝情報の全体量を理解するのに役立つと期待されている。 濃縮されたIQ関連遺伝子と比較して、調節は物理的な染色体との線形関係ではなく、根底にある環境変化の動的なメカニズムを教えてくれる。

いくつかのタイプの調節遺伝子の修飾作用は広く研究されており、その潜在的標的遺伝子の配列特徴に基づいて予測することが可能である。 転写因子（TF）は、プロモーター領域における結合効率の違いにより、標的遺伝子の転写活性化または抑制を通じて、遺伝子発現に影響を与えることができる18。 もう一つの主要な制御因子群であるマイクロRNA（miRNA）は、小さな相補的配列で標的遺伝子に結合することにより、分解や翻訳抑制など転写後レベルでmRNAの発現を制御することができます19。 158遺伝子の制御因子として可能性のある上流TFとmiRNAを同定するために、TFとmiRNAの両方の標的について濃縮分析を行った。 その結果、IQ関連遺伝子のセットを制御している可能性が高い7つのTFが同定された。 それらは、FOXF2、FOXO4、MAZ、MEF2A、NFIL3、TCF3、TFAP4である。 NFIL3は神経細胞疾患と関係があることが報告されている20。 最も注目すべきは、MEF2が学習による構造可塑性と記憶形成を負に制御することが示されていることである21。 158の遺伝子セットには、ATXN1, BDNF, BRAF, DBH, DMD, DMPK, DRD3, GNAS, GRIN2B, IL1RAPL1, IL6R, NR3C2, PHOX2B, SNAP25, TMEM67 and TSC1といった16のMEF2の標的遺伝子が含まれていた。 パスウェイアノテーションに基づき、そのうちの6つ（BDNF, BRAF, DRD3, GNAS, GRIN2B, SNAP25）が神経系で機能することを見出した。 また、DRD3、GNAS、GRIN2Bはドーパミン作動性シナプスに関連する遺伝子であった。 IQ関連遺伝子群に含まれるこれらのMEF2標的は、IQに関連する記憶形成に影響を与える中核的な転写回路を形成している可能性があり、さらなる実験的検証が求められている。

同様のアプローチで、16のヒトmiRNAがIQ関連遺伝子を制御する傾向があることを見いだした。 それらはhsa-let-7i, hsa-mir-15b, hsa-mir-16, hsa-mir-181d, hsa-mir-195, hsa-mir-30a-3p, hsa-mir-30e-3p, hsa-mir-330, hsa-mir-374, hsa-mir-424, hsa-mir-429, hsa-mir-497, hsa-mir-515-5p, hsa-mir-519e, hsa-mir-522 そして hsa-mir-96 であった． そのうち、hsa-let-7i, hsa-miR-15b, hsa-miR-195, hsa-miR-330の4つは疾患アノテーションに基づき精神障害と関連していた。 hsa-miR-15bとhsa-miR-195は共にmiR-15ファミリーに属し、統合失調症患者では上側頭回と背外側前頭前野で発現が増加している22。 これら2つのmiRNAは、細胞内の幅広い遺伝子沈黙を媒介することができる。 158のIQ関連遺伝子のうち、これら2つのmiRNAの標的は、ADRB2, ATXN2, BDNF, GHR, IL1RAPL1, KCNJ2, MAP2K1, PAFAH1B1, RAF1, RELN, RPS6KA3, SIGMAR1, SLC6A4 およびSTX1Aである。 このセットをMEF2ターゲットのセットと比較すると、BDNFだけが精神障害関連TFとmiRNAの両方のターゲットセットに含まれており、これは、人間の知能に関連するシグナル伝達経路における中心的役割とIQ関連遺伝子の制御回路のハブとしての潜在的役割を強調しているのかもしれない23。

既知の生物学的経路を用いたIQ関連遺伝子のコア経路の再構築

現在、IQ表現型の決定要因となりうるいくつかのゲノム領域と調節因子を特定することができる。 より複雑な生物学的プロセスを、連結した生化学反応やシグナル伝達のカスケードという形で記述するために、経路再構築のアプローチを採用した。 一般に、分子生物学的実験技術により、細胞内の分子間の物理的・機能的な相互作用を同定することができます。 多くのシグナル伝達ネットワークやパスウェイが、信頼できる実験的証拠に基づいてまとめられている。 一般に、生物パスウェイは多くのデータベースに散在し、図式化されていることが多い。 最近、Pathway Commons が一般的なパスウェイデータベースを統合し、パスウェイのマイニングと再構築のための平文ベースの便利なフォーマットを提供するようになった24。 利用可能なデータを活用するため、我々は Klein-Ravi Steiner アルゴリズムを採用し、統合されたヒト経路データからコアとなる相互作用を抽出した（方法参照）。 再構築されたコア経路には、97の遺伝子と合計129の完全に接続された経路接続が含まれています（図1A）。 97個のノードのうち、62個は158個のIQ関連遺伝子である。

生物パスウェイ濃縮分析は、複雑な細胞プロセスにおける基礎的な分子メカニズムを掘り起こす最も実用的な方法の一つである25。 さらに機能エンリッチメント解析を行った結果、我々の再構築したマップの97の遺伝子が30の生物学的パスウェイに濃縮されていることがわかった（表2）。 神経細胞関連の機能については、3つのパスウェイが同定されている。 「ニューロトロフィンシグナル」、「長期増強」、「GnRHシグナル」である。 興味深いことに、残りの27本のパスウェイの大部分は、癌におけるシグナル伝達、ErbB受容体、TRAIL、プロテオグリカン・シンデカン、IFN-γ、PI3K、MAPK、TSH、Kit受容体、TCR、IL-3、肝細胞増殖因子受容体などの様々なシグナル伝達事象に関するパスウェイである。 神経細胞で産生され、その神経末端で放出される神経ホルモンGnRHの他に、さらに5つのホルモンが影響を及ぼす可能性を地図は示していた。 それらは、アンドロゲン、エンドセリン、グリピカン、レプチン、プロラクチンである。 要約すると、我々の再構成したマップは、いくつかの既知のシグナル伝達経路に関連する複数のパスを明らかにし、我々が知る限り、シグナル伝達の話題で発表されていない潜在的な細胞メカニズムを示唆しているのである。

生物ネットワークのような複雑系におけるノードの配置と構造は、しばしばこの系における機能に密接に関連すると考えられる特定の規則に従っている11。 再構成されたマップを分解するために、トポロジー解析が行われた（図1B-D）。 一般に、ネットワークでは、各ノードの接続数を次数として表現する11。 図1Bに示すように、再構成されたマップのすべての分子の次数は、べき乗分布に従う。 ここで、P(k)はある分子がk個の分子と結合する確率であり、bは1.602と推定される。 したがって、このマップの分子の大部分はまばらに結合しています。 一方、ごく一部の分子は結合している可能性が高い。 合計で、少なくとも5つの接続を持つ分子は11個ある。 それらはPRKACA (14), CREB1 (9), TP53 (8), SOS1 (8), JAK2 (7), PTPN11 (7), PIK3CA (6), CREBBP (6), CDC42 (6), RAF1 (5), GNAI3 (5), である。 このうち、SOS1、PTPN11、CREBBP、RAF1の4つは158 IQ関連遺伝子セットに含まれている。

ネットワークにおけるハブノードは、短い経路での情報伝達を仲介する共通の接続点として機能することが多い。 したがって、それらはしばしば生物学的ネットワークにおいて重要な役割を果たす。 我々のマップでは、遺伝子PRKACAが最も接続されており、14の接続を示している。 PRKACA (protein kinase, cAMP-dependent, catalytic, alpha) は、細胞周期、アポトーシス、シグナル伝達、ギャップジャンクション、HIVや免疫系との相互作用など、76のKEGGおよび59のREACTOMEパスウェイに関連する様々な細胞機能で基本的な役割を担っています。 さらに、PRKACA は、長期増強、GnRH シグナル、ドーパミン作動性ニューロンに対するニコチン活性、中毒（アンフェタミン、コカイン、モルヒネ）、シナプス活性（コリン作動性、ドーパミン作動性、グルタミン酸作動性、セロトニン作動性シナプス）など多くの神経系プロセスに関与していると考えられています。 これまでの研究で、ショウジョウバエの連合学習にcAMP依存性プロテインキナーゼが関与していることが示されている26。 また、海馬領域のcAMP/cAMP依存性プロテインキナーゼは、ラットの回避的動機づけ学習における記憶の定着の後期に関係していることが報告されています27。 さらに、cAMP依存性プロテインキナーゼは、H3受容体のCaMKIIと協同して、ヒスタミンの合成と放出を制御することもできる28。 PRKACAに加え、我々の再構築した地図で2番目に多く連結しているCREB1（cAMP response element-binding protein 1）もDNA中のcAMP応答エレメントに結合することができる。 この遺伝子は、長期記憶の形成を促進することが報告されている。 さらに、CREB1はBDNFやNTRK2と相互作用し、うつ病の中核的な経路を形成している29。 このように、cAMP依存性プロテインキナーゼやcAMP応答配列結合タンパク質の認知関連過程における役割を示す証拠は数多く存在するにもかかわらず、cAMP依存性プロテインキナーゼやcAMP応答配列結合タンパク質とIQとの関連は示されていない。 IQ関連遺伝子と多くの既知のシグナル伝達カスケードと重なり、IQdbにあるPRKACA/CREB1を中心とした複雑なシグナル伝達クロストークの手がかりとなるかもしれない。

cAMP関連分子に加えて、我々のパスウェイ再構成アプローチで同定した少なくとも二つの癌関連遺伝子も存在する。 1つは、最もよく知られた腫瘍抑制因子TP53である。 実際、統合失調症のようなIQに関連した精神障害に関与している証拠がある30。 さらに、もう一つの癌遺伝子であるPIK3CAも我々の最終マップに含まれ、いくつかの精神医学的プロセスに影響を与えることが知られている31,32,33。 次に関連性の高い3つの遺伝子（JAK2、CDC42、GNAI3）もまた、認知障害や関連する神経機能に関連することが報告されています。 JAK2はマウスモデルにおける認知機能障害と関連している34。 CDC42は、神経線維腫症や精神遅滞と関連している35。 また、GNAI3は、認知過程での役割を示す直接的な証拠はないが、KEGGパスウェイアノテーションによると、シナプス伝達、長期抑制、軸索誘導の負の調節に関与していることが示されている。 以上、IQに関連する7つのハブ分子のうち、少なくとも6つ（85.71％）がIQや他の認知プロセスに関連する可能性があると文献で報告されている。 この高い関連性は、重要な分子を同定するための経路ベースの再構成アプローチの精度を示すだけでなく、さらなる調査に値する完全に接続されたシグナル伝達経路を提供する。

我々の再構成マップは無方向性のシグナル伝達経路であるが、認知プロセスに関わる典型的な小世界ネットワークにおいて多くのテスト可能な分子を提供し、それらの程度はべき乗分布に従った。 さらに、短経路（図1C）と近接中心性（図1D）のトポロジー解析を行った結果、再構成されたマップは比較的コンパクトであることがわかった。 経路長とは、あるノードと他のノードとの間に何歩の距離があるかを表すものである11。 図1Cに示すように、マップ内の大部分のノードは、他のノードから3～6歩で容易に到達することができる。 近接中心性は、あるノードから別のノードへの最短ステップを明らかにするために使用される11。 図1Dに示すように、より多くの隣接ノードは、より高い閉鎖中心度を有する傾向がある。

A connected drug-target network in the core pathway of IQ-related genes

再構成した経路マップに基づき、このマップにおいて、さらに富化した薬物標的を同定した。 濃縮された薬物標的を入力として、薬物とその標的を結合して薬物-標的ネットワークを形成した。 図2Aに示すように、濃縮された薬物は、ドーパミン、一酸化窒素、L-チロシン、メタンフェタミン、ノルエピネフリン、グルタチオン、アンフェタミン、テトラヒドロバイオプテリン、アポモーフィン、ソマトロピン組換えの10種類であった。 DrugBank36のPharmacodynamicsのアノテーションによると、Somatropin recombinantを除いて、すべて神経系や精神機能に活性があることが報告されている。 興味深いことに、これらのうち6つは、気分や行動を制御する2つの重要な神経伝達物質（ドーパミンとノルエピネフリン）系と相互作用する。 アンフェタミン、アポモルフィン、ドーパミン、L-チロシン、ノルエピネフリンなどである。 ドーパミンは、報酬駆動型学習システムなど、様々な行動や認知をつかさどる神経伝達物質です。 また、ドーパミンは、パーキンソン病、精神病、統合失調症など、多くの神経疾患との関連が指摘されています37。 ノルエピネフリンは、意思決定において重要な役割を果たし、注意に影響を与えることができます。 L-チロシンはドーパミンとノルエピネフリンの合成における前駆体の1つであり、DrugBankの注釈によれば、うつ病の治療、記憶力の向上、精神的覚醒の増強に使用することができる36。 アンフェタミンは中枢のアドレナリン受容体を刺激してノルエピネフリンを放出することができ、アンフェタミンを大量に摂取すると、ドーパミンを放出しやすくなると報告されています。 関連物質であるメタンフェタミンは、ドーパミントランスポーターに対して神経毒性があり、ドーパミンの末端実験動物の標識としてよく使用される。 ドパミン系に関与するため、メタンフェタミンは運動機能の低下や記憶の劣化と関連することが報告されています40。 Apomorphineはドパミンアゴニストであり、DrugBankのアノテーションによると、パーキンソン病の治療に使用されている36。

二つの重要な神経伝達物質ドーパミンとノルエピネフリンに影響を与える6つの薬剤は、薬剤-ターゲットマップの標的遺伝子（32遺伝子）の66.7%をカバーしていた(図2A)。 このマップはエンリッチされた薬剤によって構築されたので、このドラッグターゲットマップはほとんど薬剤によって中心が決められている。 したがって、図2Bに示すように、薬剤のコネクティビティは薬剤のターゲット遺伝子よりも高い。 トポロジー解析では、ほとんどのノードが2〜4ステップで別のノードに到達できる（図2C）。 また、標的遺伝子と薬剤の多くはドーパミンやノルエピネフリン系に関連しているため、このネットワークも近接中心性から非常にコンパクトであることがわかります（図2D）。 要約すると、我々の濃縮とネットワークに基づく解析は、ドーパミンとノルエピネフリン系がIQ関連遺伝子に重要であることを示しており、IQの側面から認知過程についてより深い洞察を与える可能性がある

。