〜 おへその乱読1000本ノック #0040 ～ 環境化学から生命科学へ：エクスポソームが描く健康科学の全体像

　近年、健康や疾患の理解において遺伝と並ぶもう一つの重要な要因として、環境の影響が改めて注目されています。私たちは日々、食品成分や化学物質、大気汚染、生活習慣、さらには社会的ストレスなど、多様な環境要因にさらされています。こうした生涯にわたる環境曝露の総体を捉えようとする概念がエクスポソーム（exposome）です。
　エクスポソームは、外部環境から取り込まれる化学物質だけでなく、炎症や酸化ストレスなど体内で生じる分子変化も含めて、健康に影響を与える非遺伝的要因を包括的に理解しようとする枠組みです。環境要因は多くの慢性疾患の発症や進行に関与すると考えられており、その影響を体系的に理解することは、健康維持や老化の進行を左右する要因を探るうえでも重要な課題となります。
　本論文（Vermeulen, 2020）は、このエクスポソーム研究の背景と現状を概説し、化学分析技術やデータ科学の進展によって、環境要因を体系的に捉える研究がどのように進みつつあるのかを整理したレビュー論文です。

1. イントロダクション

　　生物学における基本的な考え方の一つは、表現型が遺伝と環境の相互作用によって決定されるという点にある。ゲノミクス研究は、ゲノムワイド関連解析（GWAS）などの大規模解析によって、遺伝要因に関する理解を大きく進展させてきた。しかしその一方で、環境要因が表現型に与える影響については、同様の網羅的解析はいまだ十分には行われていない。
　こうした背景のもと、C. P. Wildは2005年にエクスポソーム（exposome）という概念を提唱した。これは、健康や疾患に影響を与える環境、すなわち非遺伝的要因を生涯にわたって包括的に捉えようとする枠組みである。環境要因が健康に影響を及ぼすためには、生体内の分子や細胞、さらには生理機能に変化を引き起こす必要がある。そのため、さまざまな分子レベルで生体試料を解析することにより、体内で生じている生物学的変化と、外部環境からの曝露の双方を把握することが重要となる。
　さらに、曝露は大気や水、食品などを介して体内に入る化学物質だけに限られない。炎症や酸化ストレス、脂質過酸化、感染、腸内細菌などの生体内プロセスによって生じる化学物質もまた、健康に影響を与える要因となる。このように非遺伝的要因は非常に多様かつ動的であるため、その測定や解析には大きな課題が伴う。本レビューでは、エクスポソーム概念の提唱から15年が経過した時点までの研究の進展を概説し、特に化学物質に焦点を当てて、人の健康との関係について論じている。

2. 環境から遺伝子へ

2.1 疾患リスクにおける環境要因の重要性

　ヒトゲノムの解読とゲノムワイド関連解析（GWAS）の発展によって、疾患の遺伝的背景に関する理解は大きく進展した。しかし同時に、多くの一般的な疾患では、遺伝要因だけではリスクの大部分を説明できないことも明らかになってきた。例えば心血管疾患では、遺伝的要因が説明できるリスクは半分未満であるとされている。
　環境要因の重要性は、世界疾病負担研究（Global Burden of Disease: GBD）によっても示されている。この研究では、代謝、環境、職業、生活習慣など84のリスク要因が解析され、これらの修正可能な要因が世界の死亡の約60%に関与していると推定された。また、大気、水、土壌の汚染だけでも、年間約900万人の死亡の原因となっていると報告されている。
　しかし実際には、評価対象となった化学物質や環境要因は限られており、環境要因の影響は依然として過小評価されている可能性がある。この状況は、遺伝研究におけるmissing heritability（説明できない遺伝率）に類似しており、環境側にもmissing exposomeと呼ぶべき未解明の要因が存在すると考えられる。

2.2 化学汚染と社会的インパクト

　環境要因の中でも、化学物質による汚染は特に大きな社会的問題となっている。化学物質による健康影響に伴う医療費や労働損失などの経済的コストは、年間4.6兆ドル（世界GDPの約6.2%）に達すると推定されている。
　こうした問題に対応するためには、単一の化学物質ごとに評価する従来の方法だけでは不十分であり、複雑な環境曝露を体系的に理解する新しい研究枠組みが求められる。エクスポソーム研究は、このような課題に対応するために提案された概念であり、医学、法規制、環境政策など複数の分野が連携して取り組む必要があると指摘されている。

3. 化学物質の網羅的な測定

3.1　エクスポソーム解析を可能にした分析技術

　エクスポソーム研究を進めるうえで重要な役割を果たしているのが、質量分析を中心とした分析技術の進歩である。特に高分解能質量分析（high-resolution mass spectrometry: HRMS）の発展により、生体試料や環境試料中に存在する多数の化学物質を同時に測定することが可能となった。
　HRMSを用いた解析では、単一の測定で数千から数万に及ぶ化学シグナルを検出することができ、従来のように特定の化学物質を対象としたターゲット分析を超えて、未知の化学物質を含む網羅的な解析が可能となる。典型的なHRMS測定では、既知の化学物質に対応づけられるシグナルはごく一部であり、多くは未同定の特徴量として検出される（図1）。このアプローチにより、外部環境由来の化学物質と体内代謝物の双方を同時に捉え、環境曝露による生体応答を包括的に評価することが可能となった。

3.2　外来化学物質の検出と未知化学空間

　HRMSによる解析では、内因性代謝物だけでなく、医薬品、農薬、可塑剤、難燃剤、防腐剤、微生物代謝物など、多様な外来化学物質を検出することができる。従来のメタボロミクス研究では、これらの外来化学物質はしばしばノイズとみなされていた。しかしエクスポソーム研究の視点では、これらのシグナルこそが生体が曝露してきた環境の痕跡を示す重要な情報であると考えられる。
　一方で、HRMSによって検出される多数の化学シグナルのうち、実際に同定できる化学物質はまだ一部に限られている。すなわち、エクスポソーム研究では、測定できるが正体が分からない化学物質が多数存在するという課題がある。

3.3　巨大な化学データ空間

　エクスポソーム研究では、既存の化学データベースを利用して検出された化学シグナルの同定を試みる。たとえば、Human Metabolome Database（HMDB）やNORMAN SusDatなどの専門データベースに加え、PubChemのような巨大データベースには9600万以上の化学物質が登録されている（図1）。
　しかし化学物質は体内や環境中で代謝や変換を受けるため、生成され得る化合物の数はさらに膨大となる。単純な代謝反応を考慮するだけでも、可能な化学構造は数十億規模に達すると推定されており、この巨大な化学空間をどのように整理し解釈するかがエクスポソーム研究の大きな課題となっている。

4. 化学情報の統合

4.1 化学情報統合とデータサイエンス

 　エクスポソーム研究では、膨大な化学情報を統合的に扱うために、学際的なデータ解析アプローチが必要となる。化学物質に関する情報は、文献データベースや化学データベースなど、さまざまな情報源に分散している。そのため、PubMedなどの文献情報をテキストマイニングによって解析し、個々の化学物質と対応付けることで、化学曝露に関する知識を体系的に整理する試みが進められている。
　さらに、MetFragなどの計算化学ツールを用いたin silico解析により、質量分析データから候補化学物質を推定する方法も発展している。こうした手法の自動化と高度化は、HRMSによって得られる複雑で多様な化学データを迅速に同定・注釈付けするうえで重要な役割を果たす。

4.2 曝露の相関構造と化学ネットワーク

　エクスポソームに含まれる多くの化学物質は、同じ曝露源から同時に生じることが多いという特徴を有する。例えば、工業製品、食品、消費財など、共通の起源を持つ化学物質は集団内で相関した曝露パターンを示す。
　このような相関構造は、生物学的ネットワークと同様に、複雑な相関関係を持つ曝露群（exposure communities）として理解することができる。実際に複数の研究では、化学物質同士の相関関係や化学ファミリー間の関連性が報告されており、これらをネットワークとして表現することで、曝露パターンの構造を可視化することが可能となる。
　このような曝露ネットワークは、複数の化学物質がどのような組み合わせで生体に影響を与えるかを理解する手がかりとなる。エクスポソームの概念図では、生活習慣、社会環境、物理・化学環境など多様な外的要因が統合的に作用する様子が示されており（図2）、これらの要因が体内の生物学的変化として現れると考えられている。

4.3 EWAS：環境版GWAS

　従来、化学物質の健康影響に関する知見の多くは、疫学研究や毒性学研究によって得られてきた。しかしこれらの研究では、特定の化学物質と疾患との関係を仮説に基づいて検証する仮説駆動型研究が中心であった。しかし実際の環境曝露は、少数の化学物質の単純な合計ではなく、複数の化学物質の複雑な組み合わせによって構成されている。この問題に対応するために提案されたのが、Environment-Wide Association Study（EWAS）である。
　EWASは、GWASの解析手法を応用し、複数の環境曝露因子を同時に解析して疾患との関連を探索する方法である。例えば、NHANESデータを用いた研究では、543の環境要因と2型糖尿病との関連が解析され、持続性有機汚染物質や農薬など、複数の有意な関連が同定されている。
　ただし、初期のEWAS研究ではあらかじめ選択された化学物質のみが解析対象となっており、遺伝学における候補遺伝子研究と同様の限界を持つ可能性がある。また、多くの研究では化学物質の相互作用や複合曝露（mixture）の影響が十分に検討されていないという課題も指摘されている。そのため現在では、曝露の組み合わせ効果を評価する統計手法や、Adverse Outcome Pathwayなどの枠組みを用いた研究が進められている。

5. エクスポソームの複雑性を理解するためのネットワーク科学

5.1　複雑な曝露を理解するための新しい視点

　エクスポソーム研究の難しさは、私たちが日常的に曝露している化学物質の数が膨大であるだけでなく、それらが生体内で相互作用しながら複雑な影響を及ぼす点にある。従来の研究では、単一の化学物質の影響を個別に解析する還元主義的アプローチが主流であった。しかしこの方法では、多数の曝露が同時に作用する実際の環境を十分に再現することはできない。
　この問題に対して有効な枠組みとして提案されているのがネットワーク科学である。ネットワーク科学は、複雑な相互作用を持つシステムを理解するための方法論であり、すでに医学やシステム生物学の分野でも広く応用されている。エクスポソーム研究においても、多数の化学物質と生体分子の相互作用をネットワークとして捉えることで、曝露が健康に与える影響を体系的に理解することが可能になると考えられている。

5.2 細胞を構成する多層ネットワーク

　細胞内の分子システムは、単一の経路ではなく複数のネットワークが連携する多層ネットワーク（multilayer network）として理解される（図3）。代表的なネットワーク層として、遺伝子制御ネットワーク、タンパク質相互作用ネットワーク、および代謝ネットワークがある。これらのネットワークは互いに独立しているわけではなく、例えばタンパク質の発現は遺伝子制御ネットワークによって調節され、代謝反応はタンパク質として働く酵素によって制御されている。このように細胞は、複数の分子ネットワークが相互に結びついた複雑なシステムとして機能している。

5.3 化学曝露と細胞ネットワークの相互作用

　エクスポソームに含まれる化学物質は、これらの分子ネットワークのさまざまな要素と相互作用することで生体機能に影響を及ぼす。すなわち、化学物質は特定の分子だけに作用するのではなく、複数の分子経路やネットワーク層に同時に影響する可能性がある。
　例えば、緑茶に含まれるポリフェノールであるエピガロカテキンガレート（EGCG）は、多数のタンパク質と結合することが知られており、ネットワーク解析では2型糖尿病に関連するタンパク質群と近接した位置にあることが示されている。このような解析は、食品成分と疾患リスクとの関連を説明する分子メカニズムを理解する手がかりとなる。
　一方、環境汚染物質であるトリクロロエチレン（TCE）は、タンパク質と共有結合することでその機能を変化させるだけでなく、細胞代謝にも影響を及ぼし、ATPの枯渇を引き起こすことが報告されている。この例は、単一の化学物質であっても複数の分子ネットワークに影響を与える可能性を示している。

5.4 エクスポソーム研究における課題

　エクスポソームをネットワーク科学の視点から理解するためには、いくつかの重要な課題がある。第一に、化学物質と生体分子の相互作用に関する体系的なデータがまだ十分に整備されていない点である。現在、米国のNational Toxicology ProgramやEPA、欧州分子生物学研究所（EMBL）などが化学物質と生体分子の相互作用データの整備を進めているが、依然として網羅性は限定的である。
　第二に、統計解析の問題がある。従来の統計手法は、観測される変数が互いに独立していることを前提とすることが多いが、ネットワーク構造を持つ生物システムではこの仮定が成立しない。そのため、ネットワーク構造を考慮した新しい解析手法の開発が求められている。
　第三に、生体ネットワークは静的な構造ではなく、時間とともに変化する動的ネットワークであるという点である。細胞周期や発生段階、さらには生涯にわたる環境曝露の変化によって、分子ネットワークの構造は変化する。このような動的なネットワークをどのようにモデル化するかも、今後の重要な研究課題とされている。

6. エクスポソーム研究の研究デザイン

6.1 エクスポソーム研究に必要な試料と情報

　エクスポソームを体系的に評価するためには、環境曝露、生体内の分子変化、そして健康表現型を結びつける研究デザインが必要となる。そのためには、生体試料を用いて化学曝露の情報を取得すると同時に、生体内で起こっている分子レベルの変化や健康状態に関するデータを収集することが重要である。
　しかし実際には、環境曝露、生物学的変化、そして健康表現型の三つの要素が時間的に必ずしも一致するとは限らない。曝露のタイミングと生体応答の時間スケールが異なるため、これらを同一の研究で完全に捉えることは容易ではない。

6.2 Meet-in-the-middle（MITM）研究デザイン

　この課題に対応する方法として提案されているのが、meet-in-the-middle（MITM）研究デザインである。MITMでは、まず環境曝露の情報を取得し、それと同時に生体内で起こる分子レベルの変化（例えば代謝物やタンパク質の変化）を解析する。そして、それらの変化が最終的に疾患や健康状態の違いとどのように関連するかを比較することで、曝露と疾患の因果関係を推定する。
　このアプローチでは、環境曝露と疾患の間に存在する中間分子指標（biological intermediates）を利用することで、曝露から疾患への経路をより明確にすることが可能となる。

6.3 実際の研究例

　MITMアプローチは、すでにいくつかの研究で応用されている。例えば、HELIXプロジェクトでは、出生コホート研究を用いて幼少期のエクスポソームを解析し、いくつかの環境化学物質が子どもの肺機能と関連することが示された。またEXPOsOMICS研究では、大気汚染への曝露が代謝経路、とくにリノール酸代謝に影響を与え、それが成人発症喘息や心血管疾患のリスクと関連する可能性が示されている。
　このように、曝露データと分子レベルの生体応答を組み合わせることで、環境要因と疾患との関連をより詳細に解析することが可能となる。

7. 研究規模の拡大

7.1　ゲノム研究から学ぶ教訓

　ゲノム研究では、初期のGWASでは数千人規模であった研究が、国際的な共同研究によって数十万〜数百万人規模へと拡大した。その結果、多くの疾患に関連する遺伝的変異が同定され、疾患メカニズムの理解が大きく進んだ。ただし、これらの遺伝的要因の個々の効果は比較的小さく、疾患リスクの説明には多数の遺伝子変異を統合する必要があることも明らかになっている。
　この経験は、エクスポソーム研究にも重要な示唆を与える。すなわち、環境要因の影響を網羅的に解析するためには、大規模な研究集団が必要になるという点である。　

7.2 エクスポソーム研究に必要なサンプルサイズ

　慢性疾患の多くは、個々の環境要因が比較的小さな効果を持ちながら複合的に作用することで発症すると考えられている。そのため、これらの影響を統計的に検出するためには、非常に大きなサンプルサイズが必要となる。
　遺伝研究の経験からは、慢性疾患の遺伝的要因の多くを説明するためには50万〜200万人規模の研究集団が必要であると推定されている。同様に、エクスポソーム研究でも数十万規模の参加者を対象とした研究が必要になると考えられている。
　このような大規模研究を実現するためには、複数のコホート研究を統合した国際共同研究が不可欠である。

7.3 エクスポソーム・リスクスコア（ERS）

　エクスポソーム研究の長期的な目標の一つは、環境要因による疾患リスクを統合的に評価するExposome Risk Score（ERS）の構築である。遺伝研究では、複数の遺伝子変異の効果を統合したPolygenic Risk Score（PRS）が開発され、疾患リスクの予測や個別化医療に利用され始めている。
　同様に、ERSでは複数の環境要因の影響を統合することで、疾患リスクの高い曝露環境を特定したり、個人レベルの予防戦略を立てたりすることが可能になると期待されている。ただし、ERSは遺伝的リスクとは異なり、生活環境や年齢によって変化する動的なリスク指標になる点が特徴である。

8. エクスポソーム研究の今後の展望

　現代社会では膨大な数の化学物質が環境中に存在しており、それらが健康にどのような影響を及ぼすのかは十分に理解されていない。慢性疾患の発症には、遺伝要因だけでなく多くの環境要因が関与していると考えられており、エクスポソームを体系的に理解することは、これらの疾患の予防や管理にとって重要な課題である。
　エクスポソーム研究を発展させるためには、いくつかの重要な課題がある。第一に、外来化学物質とその生体影響をより高効率に検出できる分析技術のさらなる発展である。第二に、化学物質の同定を可能にするデータベースやスペクトル情報などの化学情報基盤の整備である。第三に、複雑な曝露パターンと健康影響を解析するための大規模コホート研究と統計解析手法の発展である。
　将来的には、エクスポソーム研究を大規模コホート研究やゲノム研究と統合することで、環境要因と遺伝要因の相互作用をより包括的に理解できると期待される。本レビューは、化学分析技術、データ科学、ネットワーク科学の進展によって、環境要因と健康の関係を体系的に解明する研究が新しい段階に入りつつあることを示している。