DNMT1

AIM
CXXC finger protein 9
CXXC-type zinc finger protein 9
CXXC9
DNA (cytosine-5)-methyltransferase 1
DNA (cytosine-5-)-methyltransferase 1
DNA methyltransferase HsaI
DNA MTase HsaI
DNMT
DNMT1_HUMAN
HSN1E
m.HsaI
MCMT

DNMT1遺伝子はDNAメチルトランスフェラーゼ1という酵素を作る指示を提供します。この酵素はDNAメチル化に関与しており、DNAメチル化はDNA分子にメチル基（1つの炭素原子と3つの水素原子で構成される）を加える過程です。特に、この酵素はシトシンというDNAの構成要素（ヌクレオチド）にメチル基を加えることに役立ちます。

DNAメチル化は、多くの細胞機能にとって重要です。これには、特定のDNAセグメントの指示が実行されるか抑制されるか（遺伝子の沈黙化）、タンパク質や脂質が関与する反応の調節、神経系でのシグナル伝達物質の処理の制御などが含まれます。DNAメチルトランスフェラーゼ1は成人の神経系で活発に活動していますが、その具体的な機能はまだ完全には理解されていません。しかし、この酵素は神経細胞（ニューロン）の成熟と特化（分化）、ニューロンの移動と相互接続の能力、およびニューロンの生存に関与している可能性があります。

Cerebellar ataxia, deafness, and narcolepsy, autosomal dominant　小脳性運動失調-難聴-ナルコレプシー, 常染色体優性 604121 AD　 3

Neuropathy, hereditary sensory, type IE 遺伝性感覚ニューロパチー1E　614116 AD　 3

Bestorら(1988)は、マウスのDnmt cDNAが細菌のII型制限メチルトランスフェラーゼと密接に関連する500アミノ酸のC末端ドメインをコードしており、5-メチルシトシンを形成することを明らかにしました。この触媒ドメインは、1,000アミノ酸のN末端ドメインと連結しており、Bestor(1990)によれば、このN末端ドメインには制御機能があるとされています。

El-Deiryら(1991)は、ヒトのDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子の一部をクローニングし、その遺伝子の発現が正常ヒト細胞では低く、ウイルスによって形質転換された細胞やヒトの癌細胞では有意に増加していることを発見しました。この発現の増加は、大腸新生物の進行と一致していました。

Yenら（1992）は、ヒトDNMTの5,194bpの転写産物をコードする重複cDNAクローンを単離し、このクローンがマウス細胞からクローニングされたDnmt cDNAとヌクレオチドレベルで80％、アミノ酸レベルで74％の相同性を持つことを示しました。

Tuckerら(1996)は、公表されているDnmt配列がN末端切断タンパク質をコードしており、この切断型タンパク質は胚性幹細胞で安定に発現させると非常に低いレベルでしか許容されないことを示しました。しかし、Rouleauら(1992)によって以前に定義された開始部位の上流に171アミノ酸までのコード能力を持つORFを含む構築物では、正常な発現レベルが得られました。

Yoderら(1996)は、マウスとヒトのDNMT遺伝子の5′末端のコード配列を調査し、ORFが以前考えられていたよりも長いことを発見しました。完全なORFのin vitro転写/翻訳とCOS-7細胞へのトランスフェクションは、内因性タンパク質と同じ見かけの質量を持つ活性酵素を生産しました。

DNMT1酵素は、脊椎動物の体細胞でのde novoメチル化活性および維持活性の大部分を担っていると考えられています。哺乳類のDNAメチル化酵素として、DNMT2、DNMT3A、DNMT3Bが同定され、クローニングされています。Hsuら(1999)は、ヒトの様々な体組織や細胞株で豊富に発現しているCpG MTaseの別の主要形態を偶然に発見しました。このmRNAは、DNMT1の一次転写産物のalternative splicingに由来しており、DNMT1タンパク質のエクソン4と5の間に、ヒトAluファミリーリピートによってコードされる16個のアミノ酸が挿入されています。

Bonfilsら（2000）は、DNMT1Bスプライスバリアントを独自に同定し、クローニングしました。RNアーゼ保護アッセイを用いて、いくつかの癌細胞株と正常線維芽細胞でDNMT1Bの発現レベルが全長DNMT1に比べて低いことを推定しました。

Mertineitら（1998）は、5′-RACEを用いてマウスDnmt1の2つのスプライスバリアントを同定しました。これらは、それぞれ劣性精母細胞や成長中の卵母細胞に特異的に発現しており、体性Dnmt1 mRNAと比較して、代替的な最初のエキソンを含んでいます。

Xie et al. (1999) は、精巣、胎盤、脾臓、骨髄、末梢血白血球の後に、ユビキタスなDNMT1発現が高いことをノーザンブロット解析を用いて検出しました。

Robertsonら(1999)は、小腸を除くすべての成体および胎児の組織でDNMT1の発現を検出し、DNMT1、DNMT3A、およびDNMT3Bの発現パターンが多くの組織で類似していることを見出しました。

Galetzkaら（2007）は、リバースRNAドットブロット解析を用いて、ヒト胎児精巣の有糸分裂停止精原細胞におけるDNMT1とDNMT3Aの発現が妊娠21週頃にピークに達すること、また胎児卵巣ではDNMT1とDNMT3AのmRNAが妊娠16週に卵母細胞が減数分裂前置期に進む短い期間にアップレギュレーションされることを発見しました。この結果は、男性および女性の生殖腺における出生前の再メチル化プロセスにDNMT1、DNMT3A、MBD2、およびMBD4の同時アップレギュレーションが関与していることを示唆しています。

この研究群の成果は、DNAメチル化が細胞の遺伝情報を調節する重要な機構であり、特にがんなどの病気の発生や進行、そして生殖細胞の発達において重要な役割を果たしていることを示しています。DNAメチルトランスフェラーゼは、このプロセスにおける中心的な酵素であり、その遺伝子の発現や活性の変化が病態の理解や治療の開発につながる可能性があります。

Di Ruscioらによる2013年の研究では、活発な転写活動がゲノムのメチル化レベルに影響を与えることが示されました。彼らはCEBPA遺伝子から産生される新しいタイプの核内ノンコーディングRNA（ncRNA）を同定しました。このRNAはecCEBPAと呼ばれ、DNMT1と結合してCEBPA遺伝子のメチル化を防ぎます。さらに、転写産物の深層シーケンスとゲノムスケールでのメチル化・発現プロファイルの解析を通じて、これらの発見が多くの遺伝子にも当てはまることが示されました。この研究は、DNMT1とRNAとの相互作用が、ヒト疾患治療における新たな標的選定に役立つ可能性を示唆しています。

西山らの2013年の研究では、UHRF1によるヒストンH3のユビキチン化がDNAメチル化の維持に不可欠であることが明らかにされました。彼らはXenopus卵抽出物を使い、DNAメチル化の維持メカニズムをin vitroで再現しました。DNMT1の不在では、UHRF1依存のヒストンH3ユビキチン化が増加し、DNMT1はユビキチン化されたH3と優先的に結合します。この発見は、DNAメチル化とDNA複製のメカニズム的関連性を示す最初の証拠です。

Liらによる2018年の研究では、マウスの卵母細胞におけるStella（DPPA3）の欠損が、DNAメチル化制御因子UHRF1の核内での異所性蓄積を引き起こし、DNMT1の核内での誤局在につながることが示されました。これにより、DNAメチルームの異常な形成が引き起こされることが明らかにされました。Stellaが独自の卵子エピゲノムを保護していることが結論づけられました。

Wangらの2020年の研究では、脱メチル化酵素Tet1、Tet2、Tet3、およびデノボDNAメチル化酵素Dnmt3aおよびDnmt3bを同時に欠損させたマウス胚性幹細胞（mESC）で、DNAメチル化が自己複製と多能性に必須ではないことが発見されました。さらに、これらの細胞のメチロームはDnmt1によって維持され、分化の過程でDNAメチロームを伝播する能力を保持していますが、メチル化の制御可塑性の喪失により分化不全が生じました。

Bestor（2000）とBaylin（1997）の総説では、DNAメチル化の構造、機能、進化的側面、および癌やインプリンティングとの関連について詳述されています。これらの総説は、DNAメチル化が複雑な生物のゲノム構造において果たす重要な役割に光を当て、特に癌細胞におけるメチル化パターンの変化がゲノムの不安定性にどのように寄与するかを説明しています。

Bigeyらによる2000年の研究では、DNMT1遺伝子に少なくとも37個のエキソンが存在することが示されました。彼らはDNMT1内にP1〜P4と呼ばれる4つの転写開始点クラスターを特定しました。P1クラスターは主要なクラスターで、エクソン1のCGリッチ領域内に位置しています。一方、P2、P3、P4クラスターはそれぞれエクソン2、3、4のCGに乏しい領域に位置しています。機能解析により、これらのクラスターが独立した上流プロモーターやエンハンサー配列と関連していることが明らかになりました。特に、P2、P3、P4は上流のJUNエンハンサーと関連していることが判明しています。さらに、El-Maarriらは2009年に、DNMT1遺伝子が40個のエキソンを含むと指摘しています。

また、Mertineitらは1998年に、マウスのDnmt1遺伝子における性特異的な最初のエクソンを体細胞Dnmt1が使用する最初のエクソンに対して5プライムで同定しました。精母細胞特異的エクソン（エクソン1s）はプロモーター領域を含み、複数の小さな上流オープンリーディングフレーム（ORF）を導入しています。卵巣特異的エクソン（エクソン1o）は、エクソン4のATGから翻訳が開始され、同様に小さな上流ORFを導入します。

El-Deiryら(1991)の研究により、ヒトとハムスターの体細胞ハイブリッドDNAパネルを用いた解析を通じて、DNMT1遺伝子は19番染色体に位置していることが明らかにされました。その後、Yenら（1992）は蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）技術を用いて、ヒトのDNMT遺伝子をより具体的に19番染色体の短腕のp13.3からp13.2の区間にマッピングしました。これらの研究は、DNMT1遺伝子の正確な染色体上の位置を特定することに成功し、この遺伝子が持つ機能や、遺伝的疾患におけるその役割を解明するための基盤を提供しました。

Songら（2011年）の研究によれば、マウスとヒトのDNMT1がメチル化されていないCpG部位を含むDNAに結合する構造が明らかにされました。このDNMT1は、CXXCドメイン、タンデムブロモ隣接相同性（BAH1/2）ドメイン、およびメチルトランスフェラーゼドメインから構成されています。特に、CXXCドメインはメチル化されていないCpGジヌクレオチドに特異的に結合し、CXXC-BAH1リンカーを介してDNAとDNMT1の活性部位の間に位置することで、de novoメチル化を阻害します。加えて、BAH2ドメインから伸びるループが、メチル化酵素の標的認識ドメイン（TRD）と相互作用し、TRDをDNAの主要溝への挿入を防ぐように引っ込んだ位置に安定化させます。

2012年のSongらの別の研究では、中央にヘミメチル化CpG部位を含む、活性が高いマウスDNMT1(731-1602)-DNA複合体の結晶構造が報告されました。この構造では、メチルシトシンのメチル基が浅い疎水性の凹面に位置し、標的鎖上のシトシンはループ状構態で取り出され、触媒ポケット内で共有結合によって固定されています。DNAはヘミメチル化CpGステップで歪み、触媒ループと認識ループからの側鎖によって、両方の溝を通過し、パートナー鎖上の二塩基のフリップアウトに関連するインターカレーション型の空洞を満たす形で挿入されます。この研究により、DNMT1による維持DNAメチル化が、活性メカニズムと自己抑制メカニズムの組み合わせにより、高い忠実度で行われることが構造および生化学的データを通じて示されました。

Tuckerらの1996年の研究では、N末端が切断されたDNMTタンパク質をコードするcDNAを細胞に導入した以前の試みが機能的なDNMTの発現に失敗したことが指摘されています。しかし、N末端配列全体を含むDNMTタンパク質を発現させると、トランスフェクトされた細胞でメチル化活性が回復することが発見されました。これは、高度に脱メチル化されたゲノムDNAを持ち、正常に分化できなかったDNMT変異胚性幹細胞を機能的にレスキューすることによって示されました。さらに、DNMTミニ遺伝子構築物をトランスフェクトすると、ゲノムDNAが再メチル化され、細胞は様々な分化細胞型を示す奇形腫を形成する能力を取り戻しました。これらの結果から、哺乳類DNMT酵素のN末端ドメインが生体内での安定な発現と機能に重要であることが明らかにされました。

一方、Chuangら（1997）は、新しく複製されたDNAをメチル化するDNA（シトシン-5）-メチルトランスフェラーゼ、MCMTの活性を制御する因子を分析しました。彼らはMCMTがDNA複製と修復の補助因子であるPCNAと結合することを発見しました。この結合はMCMTのアミノ酸163から174が必要であり、新しく複製されたDNAの病巣で発生し、MCMTの活性に変化をもたらしませんでした。さらに、細胞周期制御因子p21(WAF1)に由来するペプチドがMCMT-PCNA相互作用を阻害することが示され、p21(WAF1)がMCMTのPCNAへのアクセスを阻害することによってメチル化を制御する可能性を示唆しました。

Bonfilsら（2000）は、昆虫細胞で組換えタンパク質として発現させた全長DNMT1とDNMT1Bスプライスバリアントのシトシン-5DNAメチルトランスフェラーゼ活性を比較しました。両タンパク質のヘミメチル化DNAと非メチル化DNA、および補酵素S-アデノシル-L-メチオニンに対するミカエリス定数はほぼ同じで、これはネズミのDnmt1酵素の動態と類似していました。

Rountreeら（2000）は、DNMT1がヒストン脱アセチル化酵素HDAC2、DMAP1とともに抑制性転写複合体を構築できることを示しました。DNMT1の非触媒アミノ末端はHDAC2およびDMAP1に結合し、転写抑制を媒介します。DMAP1はS期を通じてDNMT1のN末端と相互作用し、HDAC2はS期後期にのみDNMT1と結合することで、複製後のヘテロクロマチンにおけるヒストンの脱アセチル化のメカニズムに光を当てました。

これらの研究は、DNMT1の複雑な機能と、遺伝子の発現調節におけるその役割を浮き彫りにし、生体内でのDNAメチル化の精緻な調節メカニズムの理解を深めました。

CpGアイランドのメチル化は、遺伝子の転写をサイレンシングし、低アセチル化ヒストンに富む、ヌクレアーゼに対して抵抗性のあるクロマチン構造を形成する過程に関与しています。MeCP2のようなメチルCpG結合タンパク質は、メチル化されたDNAと低アセチル化ヒストンとの間に橋渡しをする役割を果たし、ヒストン脱アセチル化酵素をリクルートしてこのプロセスを支援します。このメカニズムは、抑制的なクロマチンの構築においてDNAメチル化がどのように機能するか、または転写的にサイレントなクロマチンの特徴がメチル化酵素のターゲットとなるかについての理解を深めます。

哺乳類のDNAメチル化酵素は、in vitroではほとんど配列特異性を示さないが、in vivoでは染色体の反復エレメント、セントロメア、インプリンティング遺伝子座など特定の領域をメチル化のターゲットとします。しかし、腫瘍細胞では、これらのターゲット化メカニズムがしばしば機能しなくなり、CpGアイランドに関連する癌抑制遺伝子が不適切にサイレンシングされることがあります。これは、哺乳類の主要なDNAメチル化酵素であるDNMT1が、RB1、E2F1、HDAC1と相互作用し、これらの因子と協力してE2F結合部位を含むプロモーターからの転写を抑制することを示しています。

DNMT1はメチルCpG結合ドメインを持たないため、ヘミメチル化DNAにどのように結合し、細胞分裂中にメチル化パターンをどのように複製するのかは不明でした。しかし、木村と塩田による2003年の研究では、ネズミのDNMT1がヒト胚性腎臓細胞で発現された際にMECP2と直接相互作用することが明らかにされました。DNMT1はMECP2だけでなくHDACとも複合体を形成し、MECP2との相互作用があるDNMT1はHdac1とは結合しませんでした。この相互作用により、MECP2複合体はヘミメチル化DNAに対してDNAメチルトランスフェラーゼ活性を示し、細胞分裂中に維持メチル化を行うことが示唆されました。

さらに、Rheeらの研究では、HCT116ヒト大腸がん細胞におけるDNMT1の特定のエクソンを標的とした破壊が、細胞内のDNAメチル化酵素活性の著しい低下をもたらしたにもかかわらず、ゲノム全体のメチル化レベルはわずか20％しか低下しないことが示されました。これは、DNMT1以外のメチル化活性がゲノムの広範囲のメチル化を維持できることを示唆しています。また、DNMT1とDNMT3Bの両方を遺伝子破壊することで、メチルトランスフェラーゼ活性はほぼ消失し、ゲノムDNAのメチル化は95％以上減少しました。これらの顕著な変化は、反復配列の脱メチル化、インスリン様成長因子IIのインプリンティングの消失、癌抑制遺伝子p16(INK4)のサイレンシングの消失、および成長抑制をもたらしました。これらの結果は、DNMT1とDNMT3Bがヒト癌細胞においてDNAメチル化と遺伝子サイレンシングを協調的に維持し、このようなメチル化は最適な腫瘍増殖に必須であると結論づけました。

Vireら（2006年）の研究では、ポリコームグループ（PcG）とDNAメチルトランスフェラーゼ系の間に機械的な連結が存在することが示されました。特に、PcGタンパク質の一つであるEZH2が、ポリコーム抑制複合体2および3（PRC2/3）内でDNAメチル化酵素DNMT1、DNMT3A、およびDNMT3Bと相互作用し、in vivoでDNMT活性と結合することが明らかにされました。この発見は、EZH2の存在に依存するいくつかのEZH2抑制遺伝子へのDNMTの結合をクロマチン免疫沈降法で確認し、さらにEZH2がEZH2標的プロモーターのDNAメチル化に必要であることをバイサルファイトゲノム配列決定によって示しました。これは、EZH2がDNAメチル化酵素のリクルートメントプラットフォームとして機能し、これまで認識されていなかった2つの重要なエピジェネティック抑制システムの間の直接的なつながりを提供することを強調しています。

Smallwoodら（2007年）の研究では、ヒト結腸癌細胞株において、DNMT1がHP1-α、HP1-β、HP1-γと相互作用し、DNMT1のメチル化酵素活性を刺激することが実証されました。HP1タンパク質はin vivoでDNMT1活性を標的化するのに十分であり、HP1依存性の抑制にはDNMT1の存在が必要であることが示されました。また、HP1-αとHP1-βがDNMT1依存的にサバイビンプロモーターにリクルートされることが実証され、HP1タンパク質とDNMT1の直接的な相互作用が真性遺伝子のサイレンシングを媒介すると結論付けられました。

Gazinら（2007年）は、Kras形質転換NIH 3T3細胞で行われたゲノムワイドRNA干渉（RNAi）スクリーニングを通じて、プロアポトーシスFas遺伝子のRas媒介エピジェネティックサイレンシングに必要な28遺伝子を同定しました。これらのRasエピジェネティックサイレンシングエフェクター（RESE）の中で、少なくとも9つは、Kras形質転換細胞ではFasプロモーターの特定領域と直接結合していましたが、形質転換していない細胞では結合していませんでした。この研究は、Rasが介在するエピジェネティックサイレンシングが、完全に形質転換した表現型の維持に必要な特異的で複雑な経路を介して起こるという新たな理解を提供しました。

Bostickら（2007年）は、UHRF1（NP95/ICBP90）がDNAメチル化の維持に必要であることを明らかにしました。UHRF1は、S期を通じてDNMT1と共局在し、DNMT1との直接的な相互作用を通じてDNMT1をクロマチンに繋ぎ止める役役を果たします。さらに、UHRF1はSRA（SET- and RING-associated）ドメインというメチルDNA結合ドメインを持ち、DNMT1の生理的基質であるヘミメチル化CG部位と強い優先的結合を示します。Bostickらの研究は、UHRF1がDNMT1をヘミメチル化DNAに誘導し、これによってDNAメチル化の忠実な維持を促進するという重要な役割を果たしていることを示唆しています。このメカニズムは、細胞のエピジェネティック継承の基礎をなし、遺伝情報の安定性と特異性の維持に寄与します。

Sharifら（2007年）の研究では、Np95（UHRF1のマウスでの名称）の役割がさらに掘り下げられています。彼らは、複製ヘテロクロマチンへのNp95の局在がヘミメチル化DNAの存在に依存していることを実証しました。Np95はDnmt1と複合体を形成し、この複合体が複製ヘテロクロマチン領域へのDnmt1のローディングを仲介します。これにより、生体内で全体的および局所的なDNAメチル化を維持し、レトロトランスポゾンやインプリンティング遺伝子の転写を抑制することが可能となります。Sharifらの研究は、Np95がエピジェネティックな情報の継承において中心的な役割を果たしていることを示し、ヘミメチル化DNA、Np95、Dnmt1間の相互作用によってDNAメチル化のエピジェネティック継承メカニズムの重要なステップが確立されることを示唆しています。

Baladaら（2008年）の研究は、全身性エリテマトーデス（SLE）患者におけるDNAメチル化の変化とその影響を探求しています。彼らは、精製CD4陽性T細胞のDNAデオキシメチルシトシン含量が、SLE患者では対照群よりも低いことをELISAで明らかにしました。このメチル化の減少は、補体数の低下、リンパ球減少、抗二本鎖DNAの高力価、SLE疾患活動性指数の高さと関連していました。これらの結果は、活動性のSLE患者で観察されるDNAのメチル化パターンの変化が、疾患の病態生理に重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。

これらの研究は、DNAメチル化とその調節が生物学的プロセスおよび疾患の発生において中心的な役割を果たしていることを示しています。エピジェネティックな修飾の研究は、これらのプロセスを理解し、新たな治療戦略を開発するための基盤を提供します。

遺伝性感覚神経障害IE型

Kleinらによる2011年と2013年の研究は、遺伝性感覚神経障害IE型（HSN1E; 614116）という疾患において、DNMT1遺伝子の異常が重要な役割を果たしていることを明らかにしました。この疾患は常染色体優性遺伝の形態をとり、中枢神経系と末梢神経系の両方に影響を及ぼす神経変性疾患です。

2011年の研究では、4家系における血縁関係のない患者からDNMT1遺伝子の2つの異なるヘテロ接合体変異（126375.0001と126375.0002）が同定されました。in vitroでの機能発現研究により、これらの変異はDNMT1の正しいフォールディングに影響を与え、細胞周期のG2期におけるタンパク質の早期分解、メチルトランスフェラーゼ活性の低下、ヘテロクロマチンへの結合障害を引き起こし、結果としてグローバルなメチル化の低下と部位特異的なメチル化の亢進が起こることが示されました。これはエピジェネティックな調節の異常を示唆しています。

2013年の研究では、HSN1Eの別の2家系からDNMT1遺伝子のエクソン20に位置する同じコドンを変異させる2つの異なるヘテロ接合体変異（Y495C、126375.0001およびY495H、126375.0006）が同定されました。これらの変異は難聴と認知症を伴う末梢神経障害の表現型に特異的であり、難聴や認知症を伴わない感覚神経障害や家族性前頭側頭型認知症の患者では見つかりませんでした。また、遅発性アルツハイマー病患者364人の中でもこれらの変異は発見されなかったため、染色体19p13.2に関連するアルツハイマー病（AD9; 608907）におけるDNMT1遺伝子の役割はないと考えられます。

これらの発見は、DNMT1遺伝子の変異が特定の神経変性疾患の発生に直接関連していることを示し、神経細胞の生存におけるDNMT1の役割の理解を深めるものです。

小脳失調症、難聴、ナルコレプシー

Winkelmannら（2012年）の研究では、常染色体優性小脳失調症、難聴、ナルコレプシー（ADCADN；604121）を持つ4家系の患者において、DNMT1遺伝子のエクソン21（126375.0003-126375.0005）に3つの異なるヘテロ接合体変異が同定されました。これらの変異は、最初にエクソーム配列決定を通じて発見されました。この症状群は、成人になってから進行する小脳失調症、ナルコレプシー/カタプレキシー（突然の筋力喪失）、感音性難聴、そして認知症に特徴づけられます。さらに、視神経の萎縮、感覚神経の障害、精神病、うつ病といった、より多様な症状が見られる場合もあります。

Winkelmannらは、これらのDNMT1の変異が、特定の神経細胞における遺伝子の異常な発現やサイレンシングを引き起こす可能性があると推測しました。DNMT1はDNAメチル化を介して遺伝子の発現を調節する酵素であり、この変異が遺伝子発現の調節異常を引き起こし、結果として上記のような多様な症状が現れると考えられます。また、DNMT1は免疫細胞でも発現しており、この事実がナルコレプシーの発症に関与している可能性があるとも指摘しています。この研究は、特定の遺伝子変異が複数の神経系疾患を引き起こすメカニズムの理解を深めるものです。

HSN1EおよびADCADN患者におけるDNMT1バリアント機能

Marescaらによる2020年の研究では、ADCADN患者4人（A570V, 126375.0004; E575K; G605A, 126375.0005; V606F, 126375.0003）とHSN1E患者2人（P507RとK521del）の合計6人の患者の線維芽細胞で見られるDNMT1の変異が分析されました。これらの変異は、タンパク質の三次元構造に影響を及ぼすと予測されています。実験の結果、ADCADN患者の変異タンパク質は野生型に比べてDNMT1の酵素活性が低下していることが確認されました。一方、HSN1E患者の変異タンパク質では酵素活性が効率的でなく、またタンパク質自体が検出されない事態が明らかになりました。さらに、これらの患者の線維芽細胞を用いて行われたミトコンドリア機能の研究では、E575KとK521delを除くすべての変異体で酸化代謝が顕著に高まっており、細胞内のATPレベルは一般的に低下していることが示されました。線維芽細胞のメタボローム・プロファイリングを通じて、プリン、グルタミン酸、アルギニン／尿素サイクル経路の変化も確認されました。

KawasakiとTaira（2004）は、特定の短鎖干渉RNA（siRNA）によってDNMT1またはDNMT3B（602900）の発現を破壊すると、siRNAを介したDNAのメチル化が消失することを報告しましたが、この報告は撤回されました。

MillerとSweatt（2007）の研究は、成体ラットの学習と記憶の定着の過程でDNMTを介したDNAメチル化が動的に制御されることを発見しました。彼らは、海馬CA1領域のDnmt3a mRNAとDnmt3b mRNAが、コンテキストのみの動物に比べて増加すること、およびシナプス可塑性に関与する遺伝子であるリーリンの脱メチル化とmRNAレベルの増加を観察しました。これらの変化は迅速かつダイナミックであり、DNMT阻害剤を投与すると、メチル化の変化が阻害され、恐怖条件学習の記憶の定着が阻害されましたが、阻害剤が切れた後に記憶の定着が再確立されました。この研究は、DNAメチル化が成人の中枢神経系でも、特に学習と記憶のプロセスにおいて、重要な役割を果たしていることを示唆しています。

Hutnickら（2009）の研究は、前脳背部の皮質細胞と海馬細胞の約90％がメチル化されていないコンディショナルDnmt1変異マウスを作製し、これらの変異マウスがE14.5から生後3週間の間に重度の神経細胞死を示すことを発見しました。成体のDnmt1変異マウスは学習と記憶における神経行動学的欠陥を示し、変異型表現型は、神経細胞層の特定、細胞死、イオンチャネルの機能に関与する遺伝子の調節異常と関連していました。この研究は、DNAメチル化が中枢神経系における細胞の生存と神経細胞の成熟を制御する複数の役割を果たしていることを示しています。

Beckら（2021）は、表皮特異的Dnmt1欠失マウスが生後早期に重篤な皮膚病理を発症し、死亡することを発見しました。この変異マウスは、表皮細胞におけるDNAメチル化の大幅な減少、自然免疫反応の亢進、および表皮のホメオスタシスの崩壊を示しました。この研究は、DNAメチル化が皮膚の健康と病理における重要な調節因子であることを示しています。

これらの動物モデルを通じて行われた研究は、DNAメチル化が発生、学習と記憶、免疫応答、細胞の生存と分化に至るまで、生物学の多岐にわたる側面に影響を与えることを示しています。DNAメチル化研究の進展は、疾患のメカニズムの解明や新たな治療法の開発に貢献する可能性があります。

これらの研究は、DNAメチル化が学習と記憶、神経系の発達、表皮の維持といった生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たすことを示しています。

MillerとSweatt（2007）による研究は、成体の海馬における学習と記憶のプロセス中にDNAメチル化が動的に変化することを明らかにしました。特に、海馬CA1領域のDnmt3aとDnmt3b mRNAの増加や、シナプス可塑性に関与するリーリン遺伝子の脱メチル化とmRNAレベルの増加が観察されました。これらの変化は迅速かつダイナミックで、記憶の定着に必要な遺伝的プログラムの変更を反映している可能性があります。また、DNMT阻害剤による介入が恐怖条件付け学習の記憶の定着に影響を及ぼすことから、このプロセスが可逆的であることも示唆されています。

Hutnickら（2009）の研究は、中枢神経系におけるDNAメチル化の役割をさらに探求し、Dnmt1の欠損が神経細胞の生存と成熟にどのように影響するかを示しました。Dnmt1変異マウスは、生後早期に神経細胞死を示し、成体では学習と記憶に関連する行動学的欠陥が見られました。これは、DNAメチル化が中枢神経系の発達と機能の両方で重要な役割を果たすことを示しています。

Beckら（2021）による研究は、表皮におけるDNAメチル化の重要性を示しました。Dnmt1の表皮特異的な欠損は、生後早期に重篤な皮膚病理を引き起こし、変異マウスは早期に死亡しました。この研究は、DNAメチル化が表皮のホメオスタシスと免疫応答の調節に重要であることを示し、特に細胞質DNAが免疫系の活性化にどのように関与するかを明らかにしました。

これらの研究は、DNAメチル化が幅広い生理学的プロセスと疾患状態において中心的な役割を果たすことを示しており、これらのメカニズムの理解が疾患の予防や治療に役立つ新たなアプローチを提供する可能性があることを示唆しています。

Chenら（2007年）の研究では、ヒト癌細胞におけるDNMT1の役割が探求されました。彼らは相同組換えを利用して、触媒ドメインをコードするDNMT1遺伝子のいくつかのエクソンをloxP部位で挟んだコンディショナルアレルをHCT116細胞に導入しました。このコンディショナルアレルをCreリコンビナーゼで破壊すると、ゲノム中のCpG-CpGダイアドの約20%がヘミメチル化され、G2/Mチェックポイントが活性化され、細胞周期のG2期に停止しました。この結果は、DNMT1がヒト癌細胞においてDNAメチル化パターンの忠実な維持に必須であり、その増殖と生存に重要な役割を果たしていることを示しています。

Guidottiら（2000年）の研究では、統合失調症におけるGABA作動性皮質介在ニューロンの機能障害が示されました。彼らは統合失調症死後脳のGABA作動性皮質介在ニューロンにおいてリーリンとグルタミン酸デカルボキシラーゼ-1（GAD1）のmRNAがダウンレギュレーションされていることを発見しました。これは、統合失調症皮質におけるGABAとリーリンの利用可能性の減少を示唆しています。Veldicら（2004年）は、統合失調症脳の皮質GABA作動性介在ニューロンではDNMT1 mRNAの発現が増加しているが、錐体ニューロンでは増加していないことを発見しました。これらの所見は、統合失調症患者の終脳GABA作動性介在ニューロンにおけるDNMT1発現の増加が、リーリンやGAD67、そしておそらくこれらの介在ニューロンで発現する他の遺伝子のプロモーター過剰メチル化を引き起こすという仮説と一致します。

Veldicら（2005年）の別の研究では、精神分裂病患者と精神病を伴う双極性障害患者において、DNMT1 mRNA陽性GABA作動性介在ニューロンのレベルが増加していることが発見されました。この増加は層特異的で、GAD67 mRNA陽性ニューロンの有意な減少と関連していました。DNMT1の発現増加は、死後間隔、抗精神病薬、喫煙とは無関係であったことが指摘されています。しかし、抗精神病薬とヒストン脱アセチル化酵素を阻害し、DNAメチル化に影響を及ぼすバルプロ酸の併用を受けている患者のサブセットでは、DNMT1発現の増加はみられませんでした。

Guoら（2004年）は、ブルーム症候群タンパク質（Blm）欠損胚性幹細胞を用いて、DNAミスマッチ修復（MMR）に欠陥のある細胞についてのスクリーニングを行いました。彼らは、DNMT1を新規MMR遺伝子として同定し、Dnmt1欠損の胚性幹細胞がマイクロサテライト不安定性を示すことを確認しました。これは、がんにおけるDNMT1の役割についてのメカニズム的な説明を提供します。

Gaudetら（2004年）は、より短い卵子特異的Dnmt1アイソフォームが、開裂期のマウス胚でIAPのメチル化を維持することを発見しました。これは、レトロトランスポゾンのサイレンシングを維持するためのメカニズムを示しています。

これらの研究は、DNMT1の多様な生物学的役割と、特定の病態におけるその機能の変化を示しており、遺伝子の発現調節におけるエピジェネティックなメカニズムの理解を深めています。

アレリック・バリアント（6例）：ClinVar はこちら

.0001 遺伝性感覚性ニューロパチー I型
DNMT1、TYR495CYS
感音性難聴と早発性痴呆を伴う遺伝性感覚神経障害IE型（HSN1E; 614116）の常染色体優性遺伝をするアメリカの2大血統と日本の1血統の罹患者において、Kleinら（2011年）は、DNMT1遺伝子のエクソン20におけるヘテロ接合性の1484A-G転移を同定し、tyr495からcys（Y495C）への置換をもたらしました。この変異は、タンパク質の標的配列ドメイン、酵素機能に必要なN末端制御領域で発生。1,500人以上の対照群ではこの変異は認められませんでした。このうち2つの近縁種は、それぞれWright and Dyck（1995）とHojo et al. 大腸菌とHeLa細胞を用いたin vitroの機能発現研究では、この変異がDNMT1の適切なフォールディングに影響を及ぼし、早期のタンパク質分解、メチルトランスフェラーゼ活性の低下、G2細胞周期期のヘテロクロマチン結合障害をもたらし、グローバルなメチル化低下と部位特異的なメチル化亢進を引き起こしたことが示されました。これらの変化は、エピジェネティックな調節不全を示唆するものでした。

Kleinら(2013)は、スコットランド出身のHSN1E家族においてヘテロ接合性のY495C変異を同定。同じ表現型を持つノルウェー出身の家族では、同じコドンに影響を及ぼす別の変異（Y495H; 126375.0006）を有することが判明し、変異のホットスポットが示唆されました。

.0002 遺伝性感覚性ニューロパチー I型
DNMT1、Asp490GluおよびPro491TYR
感音性難聴と早発性痴呆を伴う常染色体優性遺伝性感覚神経障害IE型（HSN1E; 614116）を持つヨーロッパ人家族の罹患者において、Kleinら（2011年）は、DNMT1遺伝子のエクソン20の連続する3塩基：1470_1472TCC-ATAにヘテロ接合性の変化を同定し、その結果、1対立遺伝子にasp490-glu（D490E）およびpro491-tyr（P491Y）置換が生じたことを明らかにしました。この置換は、酵素機能に必要なN末端制御領域の標的配列ドメインで発生。この変異は1,500人以上の対照群では見られず。大腸菌およびHeLa細胞を用いたin vitroの機能発現研究により、変異はDNMT1の適切なフォールディングに影響を及ぼし、早期の分解、メチルトランスフェラーゼ活性の低下、G2細胞周期期におけるヘテロクロマチン結合障害をもたらし、グローバルなメチル化低下および部位特異的なメチル化亢進を引き起こしたことが示されました。これらの変化はエピジェネティックな調節異常を示唆。

.0003 小脳失調症、難聴、ナルコレプシー、常染色体優性遺伝
DNMT1, VAL606PHE
Winkelmannら（2012年）は、Melbergら（1995年）によって最初に報告された常染色体優性小脳失調症、難聴、ナルコレプシー（ADCADN；604121）を有するスウェーデン家系の罹患者において、DNMT1遺伝子のエクソン21におけるヘテロ接合性のc.1816C-A転座を同定し、その結果、複製病巣標的配列（RFTS）ドメインの高度に保存された残基においてval606-phe（V606F）置換が生じたことを明らかにしました。この変異はエクソームシークエンシングで発見され、サンガーシークエンシングで確認されましたが、507の対照エクソームや1000 Genomes Projectのデータベースでは見つかりませんでした。機能研究は行われませんでしたが、変異の位置から、DNA結合の認識や他のタンパク質との相互作用に影響を及ぼす可能性が示唆されました。

.0004 小脳失調症、難聴、ナルコレプシー、常染色体優性遺伝
DNMT1, ALA570VAL
Winkelmannら（2012）は、小脳失調症、難聴、ナルコレプシー（ADCADN; 604121）を有するアメリカ人家族の罹患者において、DNMT1遺伝子のエクソン21におけるヘテロ接合性のc.1709G-A転移を同定し、RFTSドメインの高度に保存された残基におけるala570-to-val（A570V）置換をもたらしました。血縁関係のないイタリアの患者もヘテロ接合性のde novo A570V置換を有していました。この変異は、エクソームシークエンシングで発見され、サンガーシークエンシングで確認されましたが、507の対照エクソームや1000 Genomes Projectのデータベースでは見つかりませんでした。変異の機能研究は行われませんでしたが、変異の位置から、DNA結合の認識や他のタンパク質との相互作用に影響を及ぼす可能性が示唆されました。

.0005 小脳失調症、難聴、ナルコレプシー、常染色体優性遺伝
DNMT1, GLY605ALA
イタリアの小脳失調症、難聴、ナルコレプシー（ADCADN; 604121）家系の罹患者において、Winkelmannら（2012年）は、DNMT1遺伝子のエクソン21にヘテロ接合性のc.1814C-G転座を同定し、その結果、RFTSドメインの高度に保存された残基にgly605-to-ala（G605A）置換が生じたことを明らかにしました。機能研究は行われませんでしたが、変異の位置から、DNA結合の認識や他のタンパク質との相互作用に影響を及ぼす可能性が示唆されました。

.0006 遺伝性感覚性ニューロパチー I型
DNMT1, TYR495HS
遺伝性感覚神経障害IE型（HSN1E; 614116）のノルウェー系家系の罹患者において、Kleinら（2013年）は、DNMT1遺伝子のエクソン20にヘテロ接合性のc.1483T-C転移を同定し、その結果、標的配列ドメインにtyr495からhis（Y495H）への置換が生じました。同じコドンにおける別の変異（Y495C; 126375.0001）が、同様の表現型を持つ他の数家族で同定されており、変異のホットスポットが示唆されています。

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