治疗基因组异常引起的脑功能不全的可能性 - -推进克莱夫斯特拉综合征的治疗方法开发-
物理化学研究所 帝京大学
理化学研究所(理研)开拓研究总部真贝细胞记忆研究室的山田亚夕美研究员、真贝洋一主任研究员、帝京大学理工学院生物科学学科的平泽孝枝副教授等组成的联合研究小组，表明了用老鼠治疗遗传性精神神经疾病之一的“克莱夫斯特拉综合征( KS )”的脑功能不全在出生后也能得到治疗的可能性。 本研究成果可望对KS的治疗方法开发做出贡献。 KS是一种罕见的遗传性精神神经疾病，可出现发育迟缓、智力障碍、自闭症样症状。 人们认为“基因组调控[1]”发生异常，基因表达不正常，从而引起脑功能不全，但其分子机制尚不清楚。 此次，联合研究小组将编码KS致病基因组蛋白甲基化酶GLP的Ehmt1基因作为异质缺失的小鼠进行分析，结果显示，通过补充出生后减少的GLP的量，可以改善活动量的降低和不安感的上升等行为异常 。另外，研究人员还表明，在Ehmt1杂合缺损小鼠的脑内，由于微胶质细胞[2]的活化而引起炎症状态，这是KS模型小鼠脑内表现型的原因之一。 本研究在科学杂志《iScience》( 7月23日号)刊登之前，刊登在了在线版( 6月17日)上。
向克莱夫斯特拉综合征的模型小鼠补充(重新表达) GLP后，行为异常得到改善
背景克莱夫斯特拉综合征( KS: Kleefstra Syndrome )是一种罕见的遗传性精神神经疾病，可出现发育迟缓、智力障碍、自闭症样症状。 作为KS的致病基因，编码组蛋白[3]甲基化酶GLP的EHMT1基因已被鉴定出来。 该基因是生存必需的基因，细胞内有两个基因中缺失一个EHMT1基因，或者EHMT1基因发生变异，就会引起KS。 在细胞内，GLP与其伴侣G9a结合，使染色质上组蛋白H3的第9位赖氨酸残基( H3K9 )甲基化，调节基因的表达。 这种不伴随DNA碱基序列变化，通过DNA和组蛋白甲基化等修饰调节基因表达的机制被称为“基因组控制”。 KS患者的脑内，由于GLP的减少和功能下降，导致基因组控制发生异常，基因表达不正常，从而引起脑功能不全，其分子机制尚不清楚。 因此，对KS的治疗目前以对症治疗为主，出生后能否进行根本性治疗尚不清楚。
研究方法和成果 此次，联合研究组以明确KS在出生后是否也可以治疗、发病机理为目的，将与KS患者同样只缺失Ehmt1基因单侧(用杂合)的小鼠( Ehmt1杂合缺失小鼠: Ehmt1∆/+小鼠)称为KS。首先，在Ehmt1∆/+小鼠中，细胞内的GLP比野生型小鼠减少，与此相伴，大脑内的H3K9甲基化也出现了减少(图1A )。 使用Ehmt1∆/+小鼠进行行为分析时，与野生型小鼠相比，开放场试验[4]中活动的距离变短，而明暗箱试验[5]中去明亮场所的时间变短(图1B、c )。 从这些可以看出，Ehmt1∆/+小鼠出现了活动量降低和不安感上升这种行为异常的症状。
理化学研究所(理研)开拓研究总部真贝细胞记忆研究室的山田亚夕美研究员、真贝洋一主任研究员、帝京大学理工学院生物科学学科的平泽孝枝副教授等组成的联合研究小组，使用老鼠，研究了遗传性精神神经疾病之一的“克利福斯特拉综合征( KS )”的脑功能不全之后 本研究成果可望对KS的治疗方法开发做出贡献。 KS是一种罕见的遗传性精神神经疾病，可出现发育迟缓、智力障碍、自闭症样症状。 人们认为“基因组调控[1]”发生异常，基因表达不正常，从而引起脑功能不全，但其分子机制尚不清楚。 此次，联合研究小组将编码KS致病基因组蛋白甲基化酶GLP的Ehmt1基因作为异质缺失的小鼠进行分析，结果显示，通过补充出生后减少的GLP的量，可以改善活动量的降低和不安感的上升等行为异常 另外，研究人员还表明，在Ehmt1杂合缺损小鼠的脑内，由于微胶质细胞[2]的活化而引起炎症状态，这是KS模型小鼠脑内表现型的原因之一。 本研究在科学杂志《iScience》( 7月23日号)刊登之前，刊登在了在线版( 6月17日)上。
图1 Ehmt1杂合缺失小鼠( Ehmt1∆/+小鼠)表现型的脑内和行为分析
( a ) Ehmt1∆/+小鼠脑内的GLP量少，H3K9甲基化的组蛋白的量也有所减少。 ( b )在野外试验中，Ehmt1∆/+小鼠的移动距离短。 ( c )在明暗箱试验中，Ehmt1∆/+鼠标在明亮房间的停留时间短。
因此，对Ehmt1∆/+小鼠进行了基因重组，使其出生后通过给药可以表达外源性的GLP，通过补充GLP的量，调查了行为异常是否得到改善。 首先，为了能够用脑内的神经细胞和起到辅助神经细胞作用的神经胶质细胞[2]两者补充GLP的量，尝试了在身体的所有细胞中表达外源性GLP。 在相当于人类幼儿期的出生后3周龄进行用药，用药后约1个月的8周龄进行行为分析。 但是，活动量的下降和不安感的上升都和Ehmt1∆/+老鼠一样，行为异常没有得到改善(图2 )。 给药后1个月可能恢复不充分，因此再等2个月，16周龄再次进行行为分析。 于是，虽然不完全，但活动量和不安感都出现了改善的趋势(图2 )。 由此表明，KS模型小鼠通过补充GLP，出生后也可以改善行为异常，但是症状的改善需要时间。
| 野生型小鼠 | ehm T1/+小鼠 | Ehmt1∆/+マウス+神経でのGLP補充 | |
| 脑内状态 |
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| 神経 | 正常 | 炎症状态 | 正常 |
| 微神经胶质 |
少 静止型 |
多 活性型 | 少 静止型 |
| スパイン | 多 | 少 | 多，但是小 |
图3 Ehmt1∆/+小鼠脑内状态和神经补充GLP的效果 在Ehmt1∆/+小鼠的脑内，由于活性型微胶质细胞，神经处于炎症状态，スパイン的数量也很少。 补充其Ehmt1∆/+小鼠的GLP后，活性型微胶质减少，神经炎症状态恢复正常。 但是，关于スパイン，虽然数量增加了，但形状小，不成熟。
为了进一步分析上述KS模型小鼠中所见的脑内症状和炎症的关系，将在ehm T1/+小鼠中发现表达上升的炎症相关基因Il1b缺失的小鼠( Il1b)和ehm T1/+小鼠进行交配，制备了双重变异小鼠 对这种双重变异小鼠进行分析的结果表明，Il1b基因的缺失对Ehmt1杂合缺失小鼠具有神经特异性和补充GLP同样的效果。 以上结果表明，由Ehmt1杂合缺失引起的行为异常，(1)出生后也可以通过补充GLP得到改善，(2)其改善需要神经细胞和非神经细胞都补充GLP，(3)炎症是KS样症状发病的原因之一
今后的期待 此次的研究只不过是在KS模型小鼠中使用基因重组的结果，不能马上适用于KS的治疗。 但是，对于KS患者来说，显示出脑功能不全在出生后也有改善的可能性，可以说有很大的意义。 如果KS患者脑内也发现了类似此次在模型小鼠中看到的病情，控制炎症可能会成为新的治疗战略之一，有待于今后的研究。
补充说明 1 .基因组控制 通过DNA和组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化等化学修饰而不改变DNA碱基序列，来调节基因表达的机制。 这种修饰维持在细胞分裂之外，有些甚至会跨越世代传给后代。 2 .微胶质、小胶质细胞 神经胶质细胞是神经系统中神经细胞以外的细胞的总称，起着辅助神经的作用。 在中枢神经系统中，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和微胶质细胞。 其中，微胶质细胞与其他胶质细胞不同，来源于末梢造血干细胞，负责在脑内进行免疫防御。 它吞噬侵入脑内的细菌和死细胞等(后述)，对维持脑内恒常性起作用。 3 .组蛋白蛋白质 是构成真核生物染色体的碱性蛋白质，有H1、H2A、H2B、H3、H4五种。 其中的H2A、H2B、H3、H4各聚集2分子形成8聚体，DNA缠绕在其周围，使DNA紧凑地容纳在核内。 4 .开放式现场试验 行为分析试验之一，是分析小鼠自发活动能力的测试。 将鼠标放入大小50cm左右的明亮箱子中，在那里自由搜索一定时间。 测量移动距离、新站起来的次数、在中央部位的停留时间等，评价新奇环境下的自发活动性和不安样行为。 5 .明暗箱试验 行为分析试验之一，是分析小鼠焦虑样行为的测试。 在亮箱子和暗箱子之间不停地使用开有鼠标可以穿过的孔的箱子。 由于老鼠喜欢暗处，所以用出现在明箱的时间、在明箱的停留时间、来往两个箱子的次数等来评价不安感。 6 .スパイン、突触 从大脑神经细胞延伸出长轴突和枝上的树突，这个突起与其他神经细胞连接，构成神经回路。 这个神经细胞的连接部位称为突触，作为其接受方的树上突起上的刺状结构体称为スパイン。 通过スパイン上的受体接收突触前部释放的神经递质来传递电信号。 7 .吞噬能力 是指细胞吸收、分解、去除死亡细胞、细菌、细胞的分泌物和废物的作用。 在大脑中，微神经胶质承担着这个作用。