カテゴリー: 研究紹介

A novel causative repeat expansion for amyotrophic lateral sclerosis has been identified.

【Key points of this research results】

・Repeat expansion disease is a disease caused by elongation of genomic DNA repeat sequences. Although a part of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) was known to be caused by repeat expansion disease, we have newly discovered that CGG repeat expansion in the 5′ untranslated region of the LRP12 gene is a cause of ALS.

・CGG repeat expansion in LRP12 causes ALS when CGG repeats, which are normally 10 to 20 repeats in normal individuals, are expanded to 61 to 100 repeats and oculopharyngo distal myopathy (OPDM) when the number of CGG repeats exceeds 100 repeats. This study clarified the difference of pathogenesis between ALS and OPDM.

・The results of this research are expected to clarify one aspect of the pathogenesis of ALS and lead to the development of new treatment methods.

【Summary】

A research group led by Professor Hidefumi Kawakami and Associate Professor Kodai Kume at the Department of Molecular Epidemiology, Hiroshima University Research Institute for Radiation Medicine and Science, chief physician Takeshi Kurashige at the Department of Neurology, National Hospital Organization Kure Medical Center, and Professor Keiko Muguruma at the Department of iPS and Stem Cell Medicine, Kansai Medical University, has identified a CGG repeat expansion mutation in the 5′ untranslated region of the LRP 12 gene as a novel cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Note 1). Motor neurons differentiated from ALS-derived iPS cells showed more RNA foci (Fig. 2). RNA foci (Note 3) and subcellular localization of phosphorylated TDP-43, a pathological hallmark of ALS, were observed in motor neurons differentiated from iPS cells derived from ALS patients. On the other hand, motor nerves derived from OPDM patients showed no abnormal localization of phosphorylated TDP-43, and co-localization of MBNL1 and RNA foci was observed in the muscle of OPDM patients. These results indicate that differences in CGG repeat length cause ALS and OPDM through different molecular mechanisms. It is hoped that this study will shed light on the pathogenesis of ALS and lead to the development of new therapies.

This research was conducted in collaboration with Professor Masashi Aoki, Tohoku University Graduate School of Medicine, Professor Yuishin Izumi, University of Tokushima, Professor Hiroyuki Morino, University of Tokushima, and others.

　The research results were published in the American Journal of Human Genetics on Tuesday, June 20, 2023, at 1:00 a.m. (Japan time).

【Published Paper】

・Title: CGG repeat expansion in LRP12 in amyotrophic lateral sclerosis

・Authours: Kodai Kume,^1,* Takashi Kurashige,^2,* Keiko Muguruma,^3,* Hiroyuki Morino,^1,14 Yui Tada,¹ Mai Kikumoto,^1,4 Tatsuo Miyamoto,^5,15 Silvia Natsuko Akutsu,⁵ Yukiko Matsuda,¹ Shinya Matsuura,⁵ Masahiro Nakamori,⁴ Ayumi Nishiyama,⁶ Rumiko Izumi,⁶ Tetsuya Niihori,⁷ Masashi Ogasawara,⁸ Nobuyuki Eura,⁸ Tamaki Kato,⁹ Mamoru Yokomura,⁹ Yoshiaki Nakayama,¹⁰ Hidefumi Ito,¹⁰ Masataka Nakamura,¹¹ Kayoko Saito,⁹ Yuichi Riku,¹² Yasushi Iwasaki,¹² Hirofumi Maruyama,⁴ Yoko Aoki,⁷ Ichizo Nishino,⁸ Yuishin Izumi,¹³ Masashi Aoki,⁶ Hideshi Kawakami^1,**

*These authors contributed equally.　**Corresponding author

¹Department of Molecular Epidemiology, Research Institute for Radiation Biology and Medicine, Hiroshima University, Hiroshima, Japan

²Department of Neurology, National Hospital Organization Kure Medical Center and Chugoku Cancer Center, Hiroshima, Japan

³Department of iPS Cell Applied Medicine, Graduate School of Medicine, Kansai Medical University, Osaka, Japan

⁴Department of Clinical Neuroscience and Therapeutics, Hiroshima University Graduate School of Biomedical and Health Sciences, Hiroshima, Japan

⁵Department of Genetics and Cell Biology, Research Institute for Radiation Biology and Medicine, Hiroshima University, Hiroshima, Japan

⁶Department of Neurology, Tohoku University Graduate School of Medicine, Miyagi, Japan

⁷Department of Medical Genetics, Tohoku University Graduate School of Medicine, Miyagi, Japan

⁸Department of Neuromuscular Research, National Institute of Neuroscience, National Centre of Neurology and Psychiatry, National Centre Hospital, Tokyo, Japan

⁹Institute of Medical Genetics, Tokyo Women’s Medical University, Tokyo, Japan

¹⁰Department of Neurology, Wakayama Medical University, Wakayama, Japan

¹¹Department of Neurology, Kansai Medical University, Osaka, Japan

¹²Department of Neuropathology, Institute for Medical Science of Aging, Aichi Medical University, Nagakute, Japan

¹³Department of Neurology, Tokushima University Graduate School of Biomedical Sciences, Tokushima, Japan

¹⁴Present address: Department of Medical Genetics, Tokushima University Graduate School of Biomedical Sciences, Tokushima, Japan

¹⁵Present address: Department of Molecular and Cellular Physiology, Graduate School of Medicine Yamaguchi University, Ube, Japan

・Journal: American Journal of Human Genetics online

・DOI: https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2023.05.014

・You can access the full text until August 8, 2023 from here.

【Background】

　ALS is a neurodegenerative disease that causes muscle weakness in the extremities, dysarthria, dysphagia, and respiratory paralysis due to degeneration of the motor nerves. Although more than 30 causative genes have been reported so far, many ALS patients do not have these causative gene mutations, and it is believed that there are many causative genes that have not yet been identified. The cytoplasmic localization of phosphorylated TDP-43, a pathological hallmark of ALS, is considered central to the pathogenesis of the disease and has been actively studied, but the pathogenesis of ALS is not fully understood.

【Results】

We performed whole genome analysis of two families with familial ALS using long read sequencing. We found that ALS patients have a CGG repeat elongation in the 5′-untranslated region of the LRP12 gene. We screened 1039 ALS patients for this repeat elongation and found that three patients had repeat elongation. In addition, screening of 40 familial ALS families in the Tohoku University cohort revealed that two families had repeat elongation. Furthermore, we found that these patients had CGG repeat lengths of less than 100 repeats, which is shorter than that of OPDM patients, who usually have more than 100 repeats.

　To clarify the mechanism by which the difference in repeat length causes the difference between ALS and OPDM, they analyzed muscle and motor neurons differentiated from iPS cells, and found that LRP12 RNA expression tends to increase in muscle of ALS patients, and that ALS forms more RNA foci in muscle and motor neurons than OPDM formed more RNA foci than OPDM (Fig. 1). In addition, phosphorylated TDP-43 in the cytoplasm was found only in motor nerves derived from ALS patients (Fig. 2). On the other hand, MBNL1 protein, which is thought to be important for maintaining muscle function, accumulated with repeat RNA in muscle from OPDM patients. This finding was not observed in muscle from ALS patients.

　As described above, we clarified that CGG repeat elongation of the LRP12 gene causes ALS and that the difference in repeat length causes ALS and OPDM by different mechanisms (Fig. 3).

Note 1: This work was supported by JSPS KAKENHI (JP20K16580, 18H02535, 19K22983, and 21H04818), the Taiju Life Social Welfare Foundation, Takeda Science Foundation, Tsuchiya Memorial Medical Foundation, Uehara Memorial Foundation, the Serika Fund, the SENSHIN Medical Research Foundation, and NOVARTIS Foundation for the Promotion of Science. We acknowledge the assistance of Dr. Alessandro Rosa, who provided the plasmid epB-Bsd-TT-NIL. We also thank Ms. Eiko Nakajima, Dr. Mayumi Miyamoto, and Ms. Naoko Yasumura for their excellent technical assistance.

Note 2: Oculopharyngeal distal myopathy (OPDM)

A muscle disorder that causes ptosis, external ophthalmoplegia, pharyngeal muscle disorder, and distal limb muscle disorder.

Note 3: iPS cells

Induced pluripotent stem cells. By introducing a very small number of factors into somatic cells such as skin and blood and culturing them, they have the ability to differentiate into cells of various tissues and organs (pluripotency) and can grow almost indefinitely in culture in vitro in an undifferentiated state.

Note 4: RNA foci

RNA with abnormal repeat expansion aggregated in the cell nucleus.

Fig 1. RNA foci in iPS cell-derived motor neurons

Fig 2. Cytoplasmic pTDP-43 in iPS cell-derived motor neurons

Fig 3. Summary of this study

筋萎縮性側索硬化症の新規原因リピート伸長を同定しました。

【本研究成果のポイント】

• リピート伸長病はゲノムDNAの繰り返し配列が長くなることが原因となる疾患です。筋萎縮性側索硬化症(ALS)の一部がリピート伸長病であることが知られていましたが、今回新たにLRP12遺伝子の5’非翻訳領域のCGGリピート伸長がALSの原因となることを発見しました。
• 健常人では通常10から20リピートであるCGGリピートが61から100リピートに伸長するとALSを引き起こし、100リピート以上では眼瞼下垂、外眼筋麻痺等といった症状がみられる眼咽頭遠位型ミオパチーを発症させる分子メカニズムの違いを明らかにしました。
• この研究成果は、ALSの病態の一端を明らかにし、新たな治療法の開発につながることが期待されます。

【概要】

広島大学原爆放射線医科学研究所分子疫学研究分野 川上秀史教授、久米広大准教授、独立行政法人国立病院機構呉医療センター脳神経内科 倉重毅志医長、関西医科大学iPS・幹細胞応用医学講座 六車恵子教授らの研究グループは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）の新規原因としてLRP12遺伝子の5’非翻訳領域のCGGリピート伸長変異を同定しました(注1)。このリピートが100リピート以上の時、眼咽頭遠位型ミオパチー (OPDM, 注2)を引き起こすことは知られていましたが、ALS患者では61から100リピートとOPDMより短いリピート伸長を認めました。ALS患者由来のiPS細胞から分化させた運動神経では、より多くのRNA foci(注3)が形成され、ALSの病理学的特徴であるリン酸化TDP-43の細胞質内局在を認めました。一方、OPDM患者由来の運動神経では、リン酸化TDP-43の異常局在を認めず、OPDM患者の筋でMBNL1とRNA fociの共局在を認めました。以上より、CGGリピート長の違いが、異なる分子機序によってALSとOPDMの原因となることが明らかになりました。本研究によりALSの病態の一端が明らかとなり、新規治療法の開発につながることが期待されます。

なお本研究は、東北大学医学研究科神経内科学 青木正志教授、徳島大学臨床神経科学 和泉唯信教授、同遺伝情報医学 森野豊之教授他との共同研究として行われました。

　本研究成果は、日本時間2023年6月20日（火）午前1時に、American Journal of Human Genetics誌に掲載されました。

【掲載論文】

・タイトル：CGG repeat expansion in LRP12 in amyotrophic lateral sclerosis

・著者：Kodai Kume^1*, Takashi Kurashige^2*, Keiko Muguruma^3*, Hiroyuki Morino^1,14, Yui Tada¹, Mai Kikumoto^1,4, Tatsuo Miyamoto^5,15, Silvia Natsuko Akutsu⁵, Yukiko Matsuda¹, Shinya Matsuura⁵, Masahiro Nakamori⁴, Ayumi Nishiyama⁶, Rumiko Izumi⁶, Tetsuya Niihori⁷, Masashi Ogasawara⁸, Nobuyuki Eura⁸, Tamaki Kato⁹, Mamoru Yokomura⁹, Yoshiaki Nakayama¹⁰, Hidefumi Ito¹⁰, Masataka Nakamura¹¹, Kayoko Saito⁹, Yuichi Riku¹², Yasushi Iwasaki¹², Hirofumi Maruyama⁴, Yoko Aoki⁷, Ichizo Nishino⁸, Yuishin Izumi¹³, Masashi Aoki¹⁴, Hideshi Kawakami^1**

 *共同筆頭著者、**責任著者

１：広島大学原爆放射線医科学研究所分子疫学研究分野

２：独立行政法人国立病院機構呉医療センター脳神経内科

３：関西医科大学iPS・幹細胞応用医学講座

４：広島大学大学院医系科学研究科脳神経内科学

５：広島大学原爆放射線医科学研究所放射線ゲノム疾患研究分野

６：東北大学医学研究科神経内科学

７：東北大学医学研究科遺伝医療学分野

８：国立精神神経医療研究センター神経研究所疾病研究第一部

９：東京女子医科大学遺伝子医療センター

10：和歌山県立医科大学脳神経内科

11：関西医科大学神経内科学講座

12：愛知医科大学加齢医科学研究所神経病理部門

13：徳島大学大学院臨床神経科学分野

14：徳島大学大学院遺伝情報医学分野

15：山口大学大学院分子細胞生理学講座

・掲載雑誌：American Journal of Human Genetics online

・DOI: https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2023.05.014

・こちらより2023年8月8日まで全文アクセスできます。https://authors.elsevier.com/c/1hHB3geX6Kn~

【背景】

　ALSは、運動神経の変性により、四肢の筋力低下、構音障害、嚥下障害、呼吸筋麻痺をきたす神経変性疾患です。これまでに30個以上の原因遺伝子が報告されていますが、これらの原因遺伝子変異を持っていないALS患者は多く、まだ同定されていない原因遺伝子は多く存在すると考えられています。またALSの病理学的な特徴であるリン酸化TDP-43の細胞質局在は病態の中心とされ、盛んに研究されてきましたが、ALSの病態は完全には解明されていません。

【研究成果の内容】

　私達は、家族性ALSの2家系を対象にロングリードシーケンサーによる全ゲノム解析を行いました。そして、ALS発症者がLRP12遺伝子の5’非翻訳領域のCGGリピート伸長を有していることを見出しました。このリピート伸長をALS患者1039名に対してスクリーニングを行い、3名にリピート伸長を認めました。また、東北大学コホートの家族性ALS40家系を用いたスクリーニングでは、2家系がリピート伸長を有していることが明らかになりました。さらに、これらの患者のCGGリピート長が100リピート以下であり、通常100リピート以上であるOPDM患者より短いリピート伸長であることを発見しました。

　リピート長の違いがどのような機序でALSとOPDMの違いを生み出すのかを明らかにするため、筋およびiPS細胞から分化させた運動神経を用いた解析を行いました。ALS患者の筋では、LRP12のRNA発現量は増加する傾向にあり、筋および運動神経では、ALSがOPDMより多くのRNA fociを形成していました(図1)。また、ALS患者由来の運動神経のみに細胞質内のリン酸化TDP-43を認めました(図2)。一方、OPDM患者由来の筋では、筋の機能維持に重要と考えられているMBNL1タンパクがリピートRNAと共に蓄積していました。この所見はALS患者の筋では認めませんでした。

　以上のように、LRP12遺伝子のCGGリピート伸長がALSの原因となること、リピート長の違いがALSとOPDMそれぞれを異なる機序で発症させることを明らかにしました(図3)。

【今後の展開】

　本研究で同定したLRP12のCGGリピート伸長に対する遺伝子治療の開発を行うことにより、ALSの一部が治療可能となる可能性があります。また、CGGリピート伸長がリン酸化TDP-43の細胞質内局在をきたす機序を解明すれば、LRP12以外の原因によるALSの病態の解明や治療法の開発につながる可能性があると考えます。

注1:

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学技術研究費助成事業　基盤研究(A)「筋萎縮性側索硬化症の新規原因遺伝子の同定と解析（研究代表者：川上秀史、研究分担者：六車恵子）」、同基盤研究（B）「変性疾患における小脳・大脳神経細胞の脆弱性の解析（研究代表者：六車恵子）」、同挑戦的研究（萌芽）「複合オルガノイドによるヒト脳領域間ネットワークの形成（研究代表者：六車恵子）」、大樹生命厚生財団、武田科学振興財団、土谷記念医学振興基金、上原記念生命科学財団、せりか基金、先進医薬研究振興財団、ノバルティス科学振興財団研究奨励金「複雑系脳オルガノイドによるヒト脳発生の解明と中枢神経疾患への応用（研究代表者：六車恵子）」による助成を受けて行われました。

【参考資料】

図1. iPS細胞由来運動神経のRNA foci

図2. iPS細胞由来運動神経の細胞質内リン酸化TDP-43

図3. 本研究の概要

【用語解説】

注２　眼咽頭遠位型ミオパチー (Oculopharyngodistal myopathy; OPDM)

　眼瞼下垂、外眼筋麻痺、咽頭筋障害、四肢遠位筋障害をきたす筋疾患。

注3　iPS細胞

人工多能性幹細胞（induced pluripotent stem cell）のことを指す。皮膚や血液などの体細胞に、ごく少数の因子を導入し、培養することで、様々な組織や臓器の細胞に分化する能力（多能性）をもち、未分化なまま試験管内で培養してほぼ無限に増殖することができる細胞。

注4　RNA foci

　異常なリピート伸長をもつRNAが細胞核内で凝集したもの。

～本疾患に対する新たな治療法や創薬へ期待～

【本研究成果のポイント】

• 日本人家系において脊髄小脳変性症（spinocerebellar degeneration; SCD）（※1）の原因遺伝子として、CACNA1G遺伝子（※2）を同定しました。
• CACNA1G遺伝子変異を有する患者さんから得られた皮膚線維芽細胞を用いてiPS細胞を樹立し、小脳プルキンエ細胞への分化に世界で初めて成功しました。
• 本疾患に対する新しいアプローチに基づく治療法や創薬に結びつくことが期待されます。

【概要】

　広島大学原爆放射線医科学研究所 森野豊之准教授、松田由喜子研究員、川上秀史教授らの研究グループは、本学大学院医歯薬保健学研究院 橋本浩一教授、理化学研究所らとともに、日本人家系において脊髄小脳変性症（spinocerebellar degeneration; SCD）の原因遺伝子を同定し、カルシウムチャネルをエンコードするCACNA1G遺伝子の変異により常染色体優性遺伝（※3）性脊髄小脳変性症が発症することを突き止めました。
　また、CACNA1G遺伝子変異を有する患者さんから得られた皮膚線維芽細胞を用いてiPS細胞を樹立し、小脳プルキンエ細胞への分化にも世界で初めて成功しました。
　今回の結果は、本疾患に対する新しいアプローチに基づく治療法や創薬に結びつくことが期待されます。
本研究成果は、平成27年12月29日21時（日本時間）、英国国際学術誌“Molecular Brain”に掲載されました。

＜発表論文＞

著者
Hiroyuki Morino*, Yukiko Matsuda, Keiko Muguruma, Ryosuke Miyamoto, Ryosuke Ohsawa, Toshiyuki Ohtake, Reiko Otobe, Masahiko Watanabe, Hirofumi Maruyama, Kouichi Hashimoto, Hideshi Kawakami*
* Corresponding author（責任著者）
論文題目
A mutation in the low voltage-gated calcium channel CACNA1G alters the physiological properties of the channel, causing spinocerebellar ataxia.
掲載雑誌
Molecular Brain　2015 8:89

DOI
10.1186/s13041-015-0180-4

【背景】

　脊髄小脳変性症（spinocerebellar degeneration; SCD）は根本的治療法の確立されていない難病で、遺伝的に多様性があることが知られています。これまでに多くの病型が報告され、常染色体優性遺伝性のものとして36病型が報告されており、そのうち31病型で原因遺伝子が同定されています。多くの神経変性疾患では、遺伝性の病型から得られた知見が病態の解明や治療法の開発に貢献しています。SCDでも遺伝子の繰り返し配列が異常伸長することによって発症する病型が最初に報告され、一部の発症メカニズムが明らかにされました。
　しかし、2,000人以上のSCD症例の遺伝学的検討[1]から、優性遺伝が推測される症例のうち約30%で原因遺伝子が不明で、依然として未解明な部分も多く、さらに詳細な病態の解明が求められています。

【研究成果の内容】

　本研究では、東京都保健医療公社荏原病院神経内科 大竹敏之医長と共同で収集した発症者10人を含む優性遺伝性SCDの大家系を遺伝学的に解析しました（図1）。まず、高密度一塩基多型（single nucleotide polymorphism; SNP）の結果から連鎖解析を行い、第17番染色体と第21番染色体に高確率で原因遺伝子が存在することが推測されました。さらに、遺伝子のうち蛋白質をコードしている領域のみを選択的に増幅し、次世代シーケンサを用いて塩基配列を決定するエクソームシーケンスという手法を用いて、原因となる変異を同定しました。原因変異が存在する遺伝子はCACNA1Gというカルシウムチャネルの1つをエンコードしているものでした。さらに、同一の変異は優性遺伝性SCDの別の1家系でも認められました。平成27年11月にフランス人のSCD家系で同じ変異が報告されました[2]。本研究は日本人家系を対象とし、独立した研究として原因遺伝子を同定しました。
　CACNA1Gがエンコードしているカルシウムチャネルは、低電位活動型電位依存性カルシウムチャネル（T-type voltage-dependent calcium channel; T-type VDCC）の1つであるCaV3.1で、6回の膜貫通部位を4回繰り返す構造をしており、それぞれの繰り返し配列の中で4回目の膜貫通部位に電位センサーとしての役割があります。今回同定された変異は、この電位センサーに存在する重要なアミノ酸を変化させることから、生理学的な特性を変化させることが推測されました（図2）。
　実際に、変異に伴うチャネル機能の変化をとらえるために、本学の橋本浩一教授とともに、培養細胞に野生型と変異型のCaV3.1を発現させ、パッチクランプ法にて解析しました。その結果、変異型のCaV3.1ではプレパルスによる電流変化が陽性電位方向にシフトしていました（図3）。
　また、近年マウスおよびヒトのES細胞から小脳プルキンエ細胞への分化に成功した[3]理化学研究所多細胞システム形成研究センター六車恵子専門職研究員とともに、CACNA1Gの遺伝子異常を有する患者さんから提供していただいた皮膚から得られた皮膚線維芽細胞を用いてiPS細胞を樹立し、前述の分化方法を応用して小脳プルキンエ細胞へ分化させることにも成功しました（図4）。患者由来のiPS細胞から小脳プルキンエ細胞への分化は世界で初めてです。正常対照のiPS細胞から誘導した小脳プルキンエ細胞と比べて、免疫組織学的にも形態学的にも差は認められず、今後この疾患モデル細胞を用いて創薬への応用も期待されます。

【今後の展開】

　これまでにも同様のイオンチャネル遺伝子としてCACNA1A、KCNC3、KCND3がSCDの原因遺伝子として報告され、類縁疾患である周期性失調症の原因遺伝子としてKCNA1、CACNA1A、CACNB4が知られています。臨床的に小脳失調症を呈する原因として、イオンチャネルの異常が非常に重要であると考えられ、今回の発見により新しいアプローチに基づく治療法や創薬に結びつくことが期待されます。

【その他】

　本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究（A）（川上秀史; 26242085）、新学術領域研究（川上秀史; 23111008）、挑戦的萌芽研究（森野豊之; 15K15083）、iPS細胞を活用した研究については、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)および国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)再生医療実現拠点ネットワークプログラム「疾患特異的iPS細胞を活用した難病研究」事業「高品質な分化細胞・組織を用いた神経系および視覚系難病のin vitroモデル化と治療法の開発」（六車恵子）として行ったものです。

【参考資料】

図1：遺伝性SCDの家系図
家系1は発端者（矢印）を含む10人の発症者を3世代にわたって認める。家系2では発端者（矢印）を含む5人の発症者を3世代にわたって認める。発症者のみ原因変異の遺伝型がヘテロ接合性変異を示すA/Gになっている。

図2：CaV3.1の構造と変異の部位
同定した変異はカルシウムチャネルの電位センサーとして重要な部分に存在していた。

図3：変異による電気生理学的特性変化
変異によってプレパルスによる電流変化が陽性電位方向にシフトする。

図4：患者由来iPS細胞から分化誘導した小脳プルキンエ細胞
正常対照（左）と患者由来（右）iPS細胞から誘導したプルキンエ細胞。特徴的な樹状突起が認められる。

【参考文献】

[1] Sugihara K, Maruyama H, Morino H, et al. The clinical characteristics of spinocerebellar ataxia 36: a study of 2121 Japanese ataxia patients. Mov Disord. 2012;27:1158–63.
[2] Coutelier M, Blesneac I, Monteil A, et al. A Recurrent Mutation in CACNA1G Alters Cav3.1 T-Type Calcium-Channel Conduction and Causes Autosomal-Dominant Cerebellar Ataxia. Am J Hum Genet 2015;97:1–12.
[3] Muguruma K, Nishiyama A, Kawakami H, et al. Self-Organization of Polarized Cerebellar Tissue in 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cells. Cell Rep. 2015;10:537–50.

＜用語説明＞

（※1）脊髄小脳変性症（spinocerebellar degeneration; SCD）
　SCDはふらつきやしゃべりにくさ、手のふるえなどを主な症状とする神経疾患で、根本的な治療法のない難病です。約1/3に遺伝歴を認め、遺伝性のものは常染色体優性遺伝および劣性遺伝、X連鎖性のものが知られている。

（※2）CACNA1G遺伝子
　細胞の脱分極によって開口する電位依存性カルシウムチャネルのうち低電位活動型（T型）のものの1つであるCaV3.1をエンコードしている遺伝子。主に脳や心臓で発現し、ペースメーキングなど反復性の活動に関係している。

（※3）常染色体優性遺伝
　1対の相同遺伝子のうち少なくとも片方に変異がある場合に発症する遺伝形式。

＜要約＞

広島大学原爆放射線医科学研究所の川上秀史教授、丸山博文准教授らの研究グループは、筋萎縮性側索硬化症^注１）の新たな原因遺伝子を解明しました。遺伝子Optineurin (OPTN)の変異により筋萎縮性側索硬化症が発症します。この成果は学術誌 “Nature ” （2010年5月13日号 Volume 465 Issue 7295）に掲載されました。

これまでに筋萎縮性側索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis: ALS）の原因遺伝子はいくつか解明されましたが、遺伝性のものでもほとんどが原因遺伝子は不明のままです。今回、常染色体潜性（劣性）遺伝性^注２）の家系に注目し、高密度Single Nucleotide Polymorphism (SNP) ^注３）を解析することにより候補領域をしぼりこみ、その塩基配列を決定することによりOPTNの遺伝子変異を発見しました。この遺伝子はもともと正常眼圧緑内障の原因遺伝子として報告されています。OPTNの働きの１つとして、細胞内シグナル伝達系のNF-κBを抑制しますが、遺伝子変異によりその抑制機能が失われることがわかりました。NF-κBは炎症や発癌に関与していることが知られており、OPTNの機能喪失によりNF-κBの過剰な活性化がおこり、運動神経に影響を与えていることが考えられます。これまで筋萎縮性側索硬化症とNF-κBとの関連は注目されていませんでした。NF-κBの抑制剤は治療薬の候補となりますが、今後はこのような発症メカニズムに基づいた治療法の開発をめざします。

＜主な共同研究者＞

徳島大学大学院神経情報医学分野　和泉唯信
関西医科大学神経内科学（現京都大学神経内科）　伊東秀文
埼玉医科大学病院呼吸器内科　萩原弘一

＜詳細説明＞

これまでに発見されている筋萎縮性側索硬化症の原因遺伝子は遺伝性のもののうち10〜20％を占めるのみです。根本的な治療法を開発するためには新たな原因遺伝子を発見し、共通の発症機序を解明する必要があります。
今回、遺伝性のもののうち血族結婚の家系で発症し、常染色体潜性（劣性）遺伝が考えられる症例に注目しました。６症例を選択し、それぞれ高密度Single Nucleotide Polymorphism (SNP)を解析し、共通するホモ接合^注４）が連続する領域を見つけることにより、原因遺伝子の候補領域を抽出しました。この抽出には共同研究者である埼玉医科大学萩原弘一教授の考案した方法を用いました。その領域に存在する遺伝子の塩基配列を決定することにより、OPTNの遺伝子変異を発見しました。このOPTN遺伝子はもともと常染色体顕性（優性）遺伝性正常眼圧緑内障の原因として報告されています。緑内障とは別の部位に３種類の異常を常染色体潜性（劣性）遺伝の２家系３症例、遺伝歴のない１症例、常染色体顕性（優性）遺伝の２家系４症例に見いだしました。いずれも変異によりタンパク質の機能が低下することが予測されました。OPTNの働きの１つとして、細胞内シグナル伝達系のNF-κBを抑制しますが、これらの遺伝子変異によりその抑制機能が失われることがわかりました。また緑内障の変異では抑制機能は失われず、発症機序が両者では異なることが予測されました（図１）。

図１．NF-κBの活性をルシフェラーゼで測定。ALSの顕性（優性）変異と潜性（劣性）変異では活性が抑制されません。

　培養細胞でOPTNの分布を調べたところ、正常では顆粒状物質がゴルジ装置に近接していましたが（図２a）、常染色体顕性（優性）遺伝の変異を有する場合顆粒の数が減少しゴルジ装置への近接も減少していました（図２b）。緑内障の変異を有する場合、顆粒の大きさが大きくなり、ゴルジ装置に近接していました（図２c）。OPTNはさまざまなタンパク質と結合しており、OPTNの細胞内分布が変化することにより、これらのタンパク質複合体の機能が障害されることが予測されます。

図２．OPTNの細胞内分布はALS変異により減少しています。

　OPTNの分布を常染色体顕性（優性）遺伝の変異を有する筋萎縮性側索硬化症の患者剖検脊髄で調べると、細胞質に抗OPTN抗体で染まる凝集体をつくっていました（図３a）。さらにOPTN変異を有しない孤発性の患者脊髄（図３b）およびSOD1遺伝子変異を有する家族性の患者脊髄（図３c）においても細胞質内にOPTN陽性の凝集体を認めました。これらのことはOPTNが一般的な筋萎縮性側索硬化症の発症メカニズムに深く係っていることを示していると考えられます。

図３．剖検脊髄．いずれも抗OPTN抗体で染まる凝集体を認めます。

　OPTNの変異により細胞内蛋白複合体の機能やNF-κBの働きが異常をきたし、運動細胞が死滅することが予測されます。今回の成果は筋萎縮性側索硬化症の原因遺伝子の１つを解明したことにとどまらず、本疾患に共通する発症機序にOPTNが関与していることを示しています。今後はこの機序を解明するとともにNF-κBの抑制剤など発症機序に基づいた治療法の開発をめざします。

＜用語説明＞

注１） 筋萎縮性側索硬化症
　　ルーゲーリック病とも呼ばれます。筋肉を支配する運動神経が変性・脱落することにより、筋力低下・筋萎縮をきたす疾患です。根本的な治療法はなく、人工呼吸器などのサポートがなければ３〜５年で死に至ります。
注２）常染色体潜性（劣性）遺伝
　　異常な遺伝子が常染色体上にあり、２つの変異アレルをもつ場合に発症する遺伝形式。
注３）Single Nucleotide Polymorphism (SNP)
　　ヒトの遺伝子は30億塩基対のDNAで構成されていますが、一人一人を比較するとそのうち約0.1％に塩基配列の差があります。これを遺伝子多型と呼びますが、このうち１つの塩基が他の塩基に変わるものを一塩基多型(SNP)と言います。
注４）ホモ接合
　　一対の相同染色体上のある特定の遺伝子座の塩基配列が同一であること。

＜論文名・著者名＞

Mutations of optineurin in amyotrophic lateral sclerosis
H Maruyama, H Morino, H Ito, Y Izumi, H Kato, Y Watanabe, Y Kinoshita, M Kamada, H Nodera, H Suzuki, O Komure, S Matsuura, K Kobatake, N Morimoto, K Abe, N Suzuki, M Aoki, A Kawata, T Hirai, T Kato, K Ogasawara, A Hirano, T Takumi, H Kusaka, K Hagiwara, R Kaji, H Kawakami
Nature, doi: 10.1038/nature08971

＜共同研究機関＞

広島大学原爆放射線医科学研究所分子疫学研究分野
　丸山博文、森野豊之、鎌田正紀、川上秀史
徳島大学大学院神経情報医学分野
　和泉唯信、野寺裕之、梶　龍兒
関西医科大学神経内科学
　伊東秀文、木下芳美、日下博文
埼玉医科大学病院呼吸器内科
　萩原弘一
広島大学大学院医歯薬学総合研究科統合バイオ研究室
　渡辺康仁、内匠透
埼玉医科大学ゲノム医学研究センター発生・分化・再生部門
　加藤英政
広島文教女子大学人間科学部
　鈴木秀規
南大阪脳神経外科
　小牟礼修
広島大学原爆放射線医科学研究所放射線ゲノム疾患研究分野
　松浦伸也
小畠病院
　小畠敬太郎
岡山大学大学院医歯薬学総合研究科脳神経内科学
　阿部康二、森本展年
東北大学医学部神経内科
　青木正志、鈴木直輝
東京都立神経病院脳神経内科
　川田明広、平井健
山形大学医学部内科学第三講座
　加藤丈夫
滋賀医科大学病理学講座
　小笠原一誠
モンテフィオーレメディカルセンター病理部門
　平野朝雄