単一遺伝子性代謝異常を示す筋萎縮性側索硬化症(ALS)

筋萎縮性側索硬化症(ALS)の発症は主に55～75歳が
多いとされていますが、13歳未満の子供においても
発症がみられることがあります。
従って、発症の時期には大きな偏差があります(2,3)。
子供も含む若いうちのALSの発症の原因は
単一遺伝子異常の傾向が強いとされています(1)。
従って、その遺伝子の特徴を掴み
精密に薬物などを通して治療を行うことができれば、
リハビリテーションなどを併用した場合において
今まで困難だった症状の段階的改善、完治が
実現できる可能性があります。
ALSで異常が生じる運動神経系やグリア細胞の
細胞内のプロセスは多様でありますが(4-6)
代謝プロセスの単一遺伝性の異常については
今までよくわかっていませんでした。
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Sandra Donkervoort, Museer A. Lone, Matthew Nalls, Kenneth Gable, Sita D. Gupta(敬称略)ら
アメリカ、スイス、ブラジル、イタリア、
ドイツ、イギリス、カナダの医療研究グループは
「人のケースにおいて」ALSの単一遺伝子性の
代謝の異常を明らかにされています。
対象となる患者さんは子供も含む8歳から62歳までの11人です。
人の誘発多能性幹細胞(iPS細胞)などによる分析も含み、
基礎から臨床につながる非常に価値の高い研究です。
本日はその内容の肝となる部分と
その結果から考えられる治療戦略なども含めて
重要な読者の方と情報共有したいと考えております。
ー

//概要(1)//ーーー
(運動系神経細胞およびグリア細胞の?)
セリン-パルミトイルトランスフェラーゼ(以下SPT)に関わる遺伝子
SPTLC1が変異(残基S41,F40,L39,Y23,A20(See Fig.3b))することで
OPMDL3小胞体膜貫通タンパク質の結合状態が変化し、
スフィンゴ脂質の生成量を制御するSPTの作用が
異常に活性化し、スフィンゴ脂質の量が増加します。
ALSに罹患している患者さんの血液から
スフィンゴ脂質の量が高まっている事が確認されました。
このスフィンゴ脂質の量が異常に高まると
神経変性の疾患に繋がることが過去からマウスのケースで
示唆されています。
今回、ALSとの関連が人のケースで確認されました。
従って、ALSにおいては
このスフィンゴ脂質がバイオマーカーになる可能性が考えられます。
ーーー

//SPTの作用機序//ーー
SPTは生成量を制御する機序を有しながら、
スフィンゴ脂質を生合成します。
その際、L-セリンを濃縮し、アシルCoAを活性化し、
長鎖塩基を形成します(7,8)。
-
この長鎖塩基はRef.(1)Fig.3aで示されているように
神経細胞系の細胞質とタンパク質を合成する小胞体の
間にある被膜を貫通する複合タンパク質のうち
OPMDLの結合位置によって生成量が変わり、
ALSの患者さんのケースではOPMDL3型との結合異常によって
その結合位置が小胞体側によっているため
スフィンゴ脂質の生合成に関わる長鎖塩基の合成量が
高まっている状態となっています。
-
スフィンゴ脂質が過剰生成されると
細胞毒性を示すため、その生成量は上述したように
反応レート依存的に制御されています(9)。
-
マウスのケースでスフィンゴ脂質の過形成が
重篤な神経変性の表現型を示したことが報告されています(10)。
しかし、SPTの過剰活性が人のケースで
神経変性の有害事象と関連があるかという報告は
いままでありませんでした。
今回Sandra Donkervoort氏ら国際的な医療研究グループは
初めて子供を含む人のALS発症事例において
神経細胞の代謝系の異常であるSPT異常活性との関連を
報告されています(1)。
ーー

//患者さんの状態(診断、検査、分析等)//ーーー
(臨床症状)
つま先歩行を含む、歩行障害。
感覚神経には異常はない。
ただし下部の運動神経系の弱化がみられる。
-
(遺伝子解析)
SPTLC1の変異、4か所
exon2
p.A20S(1), p.Y23F(2), p.F40_S41del(1), p.L39del(8)
※
SPTLC1の(細胞質-小胞体間の?)膜貫通ドメインである
アミノ酸20-56部位が欠損する(11)。
-
(親子遺伝性：一例)
父親にSPTLC1異常がみられた場合
子供にもこの遺伝子の異常がみられる
-
(筋組織分析)
低エコー領域
拡散性線維束性攣縮
T1 強度異常(MRI)
※組織の異常
-
(血液分析1)
1-deoxysphingolipidsレベルの上昇
※SPT作用がLセリンからLアラニンにシフト
これに対してセリンの補充治療は効果なし。
(血液分析2)
遊離スフィンガニン、セラミドレベルの上昇
ーーー

//人誘発多能性幹細胞(h-iPS細胞)による分析//ーー
SPTLC1にCRISPR技術によって同じ変異を加え
人の下部運動神経様の細胞を作成。
結果、スフィンゴ脂質の生成量が増加したことが
確認されています。
ーー

//SPTの制御機序//ーーー
スフィンゴ脂質の適正な生成の維持のための
SPTの抑制系は
exogenous sphingosine(12)
ceramide synthase  activity(13)
ORMDL proteins(13-15)  
これらが関係していると考えられています。
このうち
SPT/ORMDL3複合タンパク質の結合状態において
ALS特有の遺伝子異常がある場合、
結合状態が変わり、OPMDLの位置が変わることが
構造解析により示唆されています(16,17)。
ーーー

//治療戦略//ーー
配列特異的に遺伝子発現を抑制するsiRNAによる
遺伝子標的治療が考えられます(18,19)。
その他、
L-セリンの生体利用効率を抑制(20)。
SPTの活性を抑制(21)。
--
その他にJayesh A. Kulkarni氏らが総括されている
遺伝子に直接作用する核酸治療が有効です。
上述したsiRNAの他に
Antisense oligonucleotides
脂質ナノ粒子
アデノウィルスベクトルなどが考えられます(22)。
(Ref.(22) See Fig.2)
ただし、神経細胞に作用させる場合には
血液脳関門を超える必要があるため、
脳に向性を持つウィルスや低分子量の薬剤、
あるいは受容体などを介した
血液脳関門組織に対するトランスサイトーシスの
機序を組み込むことが必要です(23)。
ーー

//細胞特異的輸送系統//ーーー
siRNAを含む複合体、ナノ粒子、ウィルスを使う場合には
遺伝子異常が生じている
神経細胞やグリア細胞に特異的な表面構造物エピトープに
特異的親和性のある装飾因子を体外(体内?)で任意に作製し
その輸送効率を高める事が考えられます。
ーーー

(Reference)
(1)
Payam Mohassel, Sandra Donkervoort, Museer A. Lone, Matthew Nalls, Kenneth Gable, Sita D. Gupta, A. Reghan Foley, Ying Hu, Jonas Alex Morales Saute, Ana Lucila Moreira, Fernando Kok, Alessandro Introna, Giancarlo Logroscino, Christopher Grunseich, Alec R. Nickolls, Naemeh Pourshafie, Sarah B. Neuhaus, Dimah Saade, Andrea Gangfuß, Heike Kölbel, Zoe Piccus, Claire E. Le Pichon, Chiara Fiorillo, Cindy V. Ly, Ana Töpf, Lauren Brady, Sabine Specht, Aliza Zidell, Helio Pedro, Eric Mittelmann, Florian P. Thomas, Katherine R. Chao, Chamindra G. Konersman, Megan T. Cho, Tracy Brandt, Volker Straub, Anne M. Connolly, Ulrike Schara, Andreas Roos, Mark Tarnopolsky, Ahmet Höke, Robert H. Brown, Chia-Hsueh Lee, Thorsten Hornemann, Teresa M. Dunn & Carsten G. Bönnemann 
Childhood amyotrophic lateral sclerosis caused by excess sphingolipid synthesis
Nature Medicine (2021)
ー
Author information
Author notes
These authors contributed equally: Sandra Donkervoort, Museer A. Lone, Matthew Nalls, Kenneth Gable, Sita D. Gupta.
Affiliations
Neuromuscular and Neurogenetic Disorders of Childhood Section, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA
Payam Mohassel, Sandra Donkervoort, Matthew Nalls, A. Reghan Foley, Ying Hu, Alec R. Nickolls, Sarah B. Neuhaus, Dimah Saade & Carsten G. Bönnemann
Institute of Clinical Chemistry, University Hospital Zurich, University of Zurich, Zurich, Switzerland
Museer A. Lone & Thorsten Hornemann
Department of Biochemistry and Molecular Biology, Uniformed Services University of Health Sciences, Bethesda, MD, USA
Kenneth Gable, Sita D. Gupta & Teresa M. Dunn
Medical Genetics division and Neurology division, Hospital de Clínicas de Porto Alegre, Porto Alegre, Brazil; Graduate Program in Medicine: Medical Sciences, and Internal Medicine Department; Faculdade de Medicina, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil
Jonas Alex Morales Saute
Neurology Department, Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brazil
Ana Lucila Moreira
Neurogenetics Outpatient Service, Neurology Department, Hospital das Clínicas da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brazil and Mendelics, São Paulo, Brazil
Fernando Kok
Neurology Unit, Department of Basic Medical Sciences, Neurosciences and Sense Organs, University of Bari ‘Aldo Moro’, Bari, Italy
Alessandro Introna & Giancarlo Logroscino
Department of Clinical Research in Neurology, Center for Neurodegenerative Diseases and the Aging Brain, University of Bari at ‘Pia Fondazione Card G. Panico’ Hospital Tricase (Le), Bari, Italy
Giancarlo Logroscino
Neurogenetics Branch, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA
Christopher Grunseich & Naemeh Pourshafie
Department of Paediatric Neurology, Center for Neuromuscular Disorders in Children and Adolescents, University Clinic Essen, University of Duisburg-Essen, Duisburg-Essen, Germany
Andrea Gangfuß, Heike Kölbel, Ulrike Schara & Andreas Roos
Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA
Zoe Piccus & Claire E. Le Pichon
Paediatric Neurology and Muscular Diseases Unit, G. Gaslini Institute and Department of Neurosciences, Rehabilitation, Ophthalmology, Genetics, Maternal and Child Health University of Genoa, Genoa, Italy
Chiara Fiorillo
Department of Neurology, Washington University in Saint Louis School of Medicine, Saint Louis, MO, USA
Cindy V. Ly
John Walton Muscular Dystrophy Research Centre, Translational and Clinical Research Institute, Newcastle University and Newcastle Hospitals NHS Foundation Trust, Newcastle upon Tyne, UK
Ana Töpf, Sabine Specht & Volker Straub
Division of Neuromuscular & Neurometabolic Disorders, Department of Paediatrics, McMaster University, Hamilton Health Sciences Centre, Hamilton, Ontario, Canada
Lauren Brady & Mark Tarnopolsky
Center for Genetic and Genomic Medicine, Hackensack University Medical Center, Hackensack, NJ, USA
Aliza Zidell
Center for Genetic and Genomic Medicine, Hackensack University Medical Center, Hackensack Meridian School of Medicine, Hackensack, NJ, USA
Helio Pedro
Department of Neurology, Hereditary Neuropathy Foundation Center of Excellence, Neuroscience Institute, Hackensack University Medical Center, Hackensack Meridian School of Medicine, Hackensack, NJ, USA
Eric Mittelmann & Florian P. Thomas
Center for Mendelian Genomics, Program in Medical and Population Genetics, Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, MA, USA
Katherine R. Chao
Department of Neurosciences, University of California, San Diego, San Diego, CA, USA
Chamindra G. Konersman
GeneDx, Gaithersburg, MD, USA
Megan T. Cho & Tracy Brandt
Department of Paediatrics, Neurology Division, Nationwide Children’s Hospital, Ohio State University, Columbus, OH, USA
Anne M. Connolly
Department of Neurology, Neuromuscular Division, Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD, USA
Ahmet Höke
Department of Neurology, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA, USA
Robert H. Brown
Department of Structural Biology, St. Jude Children’s Research Hospital, Memphis, TN, USA
Chia-Hsueh Lee
ー
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Author information
Author notes
These authors contributed equally: Jayesh A. Kulkarni, Dominik Witzigmann.
Affiliations
Centre for Molecular Medicine and Therapeutics, Department of Medical Genetics, BC Children’s Hospital Research Institute, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada
Jayesh A. Kulkarni, Sarah B. Thomson & Blair R. Leavitt
NanoMedicines Innovation Network, Vancouver, British Columbia, Canada
Jayesh A. Kulkarni, Dominik Witzigmann & Pieter R. Cullis
NanoVation Therapeutics, Vancouver, British Columbia, Canada
Jayesh A. Kulkarni & Dominik Witzigmann
Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada
Dominik Witzigmann & Pieter R. Cullis
Integrated Nanotherapeutics, Vancouver, British Columbia, Canada
Sam Chen
Laboratory of Chemical Biology, Department of Biomedical Engineering and Institute for Complex Molecular Systems, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands
Roy van der Meel
ー
(23)
Georg C. Terstappen, Axel H. Meyer, Robert D. Bell & Wandong Zhang 
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ー
Author information
Affiliations
Cambrian Biopharma, New York, NY, USA
Georg C. Terstappen
DMPK and Bioanalytical Research, AbbVie Deutschland GmbH & Co KG, Ludwigshafen, Germany
Axel H. Meyer
Rare Disease Research Unit, Worldwide Research, Development and Medicine, Pfizer, Cambridge, MA, USA
Robert D. Bell
Human Health Therapeutics Research Centre, National Research Council of Canada, Ottawa, ON, Canada
Wandong Zhang
Department of Cellular and Molecular Medicine, Faculty of Medicine, Brain and Mind Research Institute, University of Ottawa, Ottawa, ON, Canada
Wandong Zhang
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