比較ゲノムハイブリダイゼーション
比較ゲノムハイブリダイゼーション（英: Comparative genomic hybridization, CGH）または染色体マイクロアレイ解析（英: Chromosomal Microarray Analysis, CMA）は、生物試料から抽出されたDNAの量的な変化、すなわちコピー数異常（特定のゲノム領域が増加または減少している状態）を検出・解析するための分子細胞遺伝学的手法です。
この技術は、主に疾患に関連するゲノム異常を明らかにする目的で利用されます。特に、がん細胞ではゲノムの不安定性が高いため、頻繁にコピー数変化が生じ、CGHやCMAは腫瘍細胞の解析に広く適用されています。しかし、本手法が検出できるのは、DNAのコピー数に増減が伴う不均衡型の染色体異常に限られます。染色体の一部分が切断されて別の染色体に結合する「相互転座」や、染色体の一部分が180度回転する「逆位」など、DNAの総量が変わらない均衡型の構造異常は、この方法では捉えることができません。
技術の起源は1990年代に遡ります。トーマス・クレーマーはペーター・リヒターと協力し、分裂中期にある染色体や、特定のゲノム領域に対応するDNA断片を配置したマトリックス（アレイ）を用いた比較ゲノムハイブリダイゼーションの実現に貢献しました。
解析を行う際には、まず調べたい組織（検体）と正常な組織（対照）からそれぞれDNAを抽出します。次に、これらのDNAを異なる種類の蛍光色素で色分けして標識します（例えば、検体DNAは緑色の色素で、対照DNAは赤色の色素で）。標識された検体DNAと対照DNAを混ぜ合わせ、ゲノム中に存在する繰り返し配列が非特異的に結合するのを防ぐために、大量の反復配列を含むヒト由来のCot-1 DNAなどを添加します。この混合液を、正常なヒトの体細胞分裂中期染色体スライド（従来のCGH）または、ゲノム上の様々な場所に対応する数百から数千、あるいはそれ以上の数のDNAプローブが固定されたガラススライド（アレイCGH, aCGH）の上に滴下し、熱を加えてDNAを変性させた後に冷却することで、それぞれのDNAが相補的な配列を持つゲノム領域に結合する反応（ハイブリダイゼーション）を行います。ハイブリダイゼーションが完了したら、スライドを洗浄し、落射蛍光顕微鏡などを用いて各プローブ領域や染色体領域からの蛍光シグナルを測定します。画像解析ソフトウェアを用いて、検体DNAと対照DNAに由来する蛍光強度の比率を算出します。この蛍光比率に局所的な増減が見られる領域は、検体DNAにおいてコピー数の異常（増加または減少）が生じているゲノム領域として特定されます。
技術の進化により、アレイCGHでは解像度が飛躍的に向上しました。かつて用いられたBACアレイでは、プローブの解像度が約10万塩基対程度でしたが、現在のオリゴヌクレオチドを用いたアレイでは、20から80塩基対といった短い配列のプローブを高密度に配置できるようになり、より微細なコピー数変化を捉えることが可能になっています。
CGHやCMAは幅広い分野で応用されています。
がん研究・診断: 腫瘍細胞特有のゲノム構造異常、特に遺伝子増幅や欠失を検出することで、がんの発生メカニズムの解明や診断、予後予測に役立てられます。
遺伝性疾患: 小児における原因不明の異形症、発達遅滞、知的障害、自閉スペクトラム症などの症状を呈する場合、これらの原因となる染色体異常や微細なゲノムコピー数異常を探索する上で非常に有用です。
生殖医療: 人工授精における着床前遺伝子診断（PGD）として、胚の染色体コピー数異常を調べるために用いられることがあります。これにより、着床率の向上や多胎妊娠、流産のリスク低減に貢献することが期待されています。
CGHにはいくつかの限界も存在します。従来の染色体CGHでは、コピー数異常を検出するためには、その領域がある程度の大きさを持っている必要がありました。特にコピー数の減少（欠失）の検出には、一般的に5～10メガ塩基（Mb）以上の比較的大きな領域が必要です。一方、コピー数の増加（増幅）は、1 Mbよりも小さい領域でも比較的感度良く検出できることが知られています。このため、従来のCGHでは、小さな欠失を検出する能力には限りがありました。アレイCGHは、プローブを高密度化することで、この解像度の限界を大幅に克服しています。また、アレイCGHは得られた異常箇所を直接ゲノム配列上の位置にマッピングできる利便性や、より多くの検体を一度に解析できるスループットの向上も実現しています。
ただし、CGHおよびアレイCGHの両方に共通する限界として、ゲノム全体の倍数性（染色体セット数の変化）に関する情報は得られにくいという点があります。これは、解析が常に検体と対照の相対的な蛍光比率を基に行われ、最も頻繁に観測される比率レベルを「正常」として基準化する処理を行うためです。したがって、例えば遺伝子の再配列を伴わない4倍体細胞のような、均衡型のDNA組成を持つ検体は、これらの手法では正常と区別できない可能性があります。
アレイCGH
がん遺伝子
腫瘍抑制遺伝子
* 仮想核型分析
この技術は、主に疾患に関連するゲノム異常を明らかにする目的で利用されます。特に、がん細胞ではゲノムの不安定性が高いため、頻繁にコピー数変化が生じ、CGHやCMAは腫瘍細胞の解析に広く適用されています。しかし、本手法が検出できるのは、DNAのコピー数に増減が伴う不均衡型の染色体異常に限られます。染色体の一部分が切断されて別の染色体に結合する「相互転座」や、染色体の一部分が180度回転する「逆位」など、DNAの総量が変わらない均衡型の構造異常は、この方法では捉えることができません。
技術の起源は1990年代に遡ります。トーマス・クレーマーはペーター・リヒターと協力し、分裂中期にある染色体や、特定のゲノム領域に対応するDNA断片を配置したマトリックス（アレイ）を用いた比較ゲノムハイブリダイゼーションの実現に貢献しました。
方法
解析を行う際には、まず調べたい組織（検体）と正常な組織（対照）からそれぞれDNAを抽出します。次に、これらのDNAを異なる種類の蛍光色素で色分けして標識します（例えば、検体DNAは緑色の色素で、対照DNAは赤色の色素で）。標識された検体DNAと対照DNAを混ぜ合わせ、ゲノム中に存在する繰り返し配列が非特異的に結合するのを防ぐために、大量の反復配列を含むヒト由来のCot-1 DNAなどを添加します。この混合液を、正常なヒトの体細胞分裂中期染色体スライド（従来のCGH）または、ゲノム上の様々な場所に対応する数百から数千、あるいはそれ以上の数のDNAプローブが固定されたガラススライド（アレイCGH, aCGH）の上に滴下し、熱を加えてDNAを変性させた後に冷却することで、それぞれのDNAが相補的な配列を持つゲノム領域に結合する反応（ハイブリダイゼーション）を行います。ハイブリダイゼーションが完了したら、スライドを洗浄し、落射蛍光顕微鏡などを用いて各プローブ領域や染色体領域からの蛍光シグナルを測定します。画像解析ソフトウェアを用いて、検体DNAと対照DNAに由来する蛍光強度の比率を算出します。この蛍光比率に局所的な増減が見られる領域は、検体DNAにおいてコピー数の異常（増加または減少）が生じているゲノム領域として特定されます。
技術の進化により、アレイCGHでは解像度が飛躍的に向上しました。かつて用いられたBACアレイでは、プローブの解像度が約10万塩基対程度でしたが、現在のオリゴヌクレオチドを用いたアレイでは、20から80塩基対といった短い配列のプローブを高密度に配置できるようになり、より微細なコピー数変化を捉えることが可能になっています。
利用分野
CGHやCMAは幅広い分野で応用されています。
がん研究・診断: 腫瘍細胞特有のゲノム構造異常、特に遺伝子増幅や欠失を検出することで、がんの発生メカニズムの解明や診断、予後予測に役立てられます。
遺伝性疾患: 小児における原因不明の異形症、発達遅滞、知的障害、自閉スペクトラム症などの症状を呈する場合、これらの原因となる染色体異常や微細なゲノムコピー数異常を探索する上で非常に有用です。
生殖医療: 人工授精における着床前遺伝子診断（PGD）として、胚の染色体コピー数異常を調べるために用いられることがあります。これにより、着床率の向上や多胎妊娠、流産のリスク低減に貢献することが期待されています。
限界
CGHにはいくつかの限界も存在します。従来の染色体CGHでは、コピー数異常を検出するためには、その領域がある程度の大きさを持っている必要がありました。特にコピー数の減少（欠失）の検出には、一般的に5～10メガ塩基（Mb）以上の比較的大きな領域が必要です。一方、コピー数の増加（増幅）は、1 Mbよりも小さい領域でも比較的感度良く検出できることが知られています。このため、従来のCGHでは、小さな欠失を検出する能力には限りがありました。アレイCGHは、プローブを高密度化することで、この解像度の限界を大幅に克服しています。また、アレイCGHは得られた異常箇所を直接ゲノム配列上の位置にマッピングできる利便性や、より多くの検体を一度に解析できるスループットの向上も実現しています。
ただし、CGHおよびアレイCGHの両方に共通する限界として、ゲノム全体の倍数性（染色体セット数の変化）に関する情報は得られにくいという点があります。これは、解析が常に検体と対照の相対的な蛍光比率を基に行われ、最も頻繁に観測される比率レベルを「正常」として基準化する処理を行うためです。したがって、例えば遺伝子の再配列を伴わない4倍体細胞のような、均衡型のDNA組成を持つ検体は、これらの手法では正常と区別できない可能性があります。
関連技術・用語
アレイCGH
がん遺伝子
腫瘍抑制遺伝子
* 仮想核型分析
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