CNGA1

CYCLIC NUCLEOTIDE-GATED CHANNEL, PHOTORECEPTOR, cGMP-GATED, 1; CNCG1
CNCG
RETINAL ROD cGMP-GATED CHANNEL, ALPHA SUBUNIT

CNGA1遺伝子は、視覚の光信号を電気信号に変換する過程で重要な役割を果たします。この遺伝子は、眼の網膜にある特定の陽イオンチャネルの一部を作るための指示を持っています。具体的には、光を感じる際の信号伝達の最終段階において、このチャネルが活動することで、私たちが光を見ることができるようになります（Dryjaら、1995年）。

Retinitis pigmentosa 49　　網膜色素変性症49 613756 AR　3　

Kauppらによる1989年の研究では、ウシ網膜からのcGMPゲート陽イオンチャネルのクローニングが初めて行われました。続くDhallanらの1991年の研究では、ウシの配列を基にして、ヒトホモログの全タンパク質コード領域を含むcDNAおよびゲノムDNAが単離されました。これにより、ヒトにおける同様のチャネルの存在とその構造が明らかになりました。

Pittlerらの1992年の研究はさらに進み、ヒトとマウスの網膜桿体cGMPゲート陽イオンチャネルの一次構造をcDNAクローンと増幅DNAの解析を通じて決定しました。この研究により、ヒトとマウスの間で88%の配列類似性があること、また、視覚のcGMPゲートチャネルが嗅覚のcAMPゲートチャネルとも59%の有意な配列類似性を持つことが明らかになりました。

これらの発見は、視覚プロセスにおける分子メカニズムの理解を深めるための基礎を築きました。RNA転写産物の長さがヒト、マウス、イヌで一貫して3.2kbであることも示され、これは遺伝子発現における種間の類似性を示唆しています。

網膜桿体cGMPゲート陽イオンチャネルは、α（CNCG1）とβ（CNCG2；600724）の2つの相同サブユニットから構成されるヘテロオリゴマーです。これらのサブユニットは細胞質のN末端とC末端、6つの推定膜貫通ドメイン、そして孔領域を有しています。この構造は、特定のイオンがチャネルを通過する際の選択性と効率性を決定します。

PittlerらとDhallanらによる1992年の研究では、αサブユニットをコードする遺伝子の構造が詳細に調べられました。この遺伝子は10個のエクソンから構成されており、これらのエクソンは遺伝子のコーディング領域として機能し、最終的なmRNAとタンパク質の合成に直接関与します。この遺伝子構造の明らかになることで、遺伝子発現の調節や突然変異がタンパク質の機能に与える影響についての理解が深まります。

このような詳細な遺伝子構造の解析は、網膜変性や夜盲症などの視覚障害に関連する遺伝的要因の特定に役立ちます。cGMPゲート陽イオンチャネルの機能不全は、これらの疾患の発生に直接的な影響を及ぼす可能性があるため、遺伝子構造への理解は、これらの状態の診断や治療法の開発に対して重要な貢献をします。

Dhallanらによる1991年の研究では、体細胞ハイブリッドを用いてヒトのCNGA1遺伝子が4番染色体に位置することが特定されました。

1992年、Pittlerらは体細胞ハイブリッドDNAを用いたPCRを実施し、CNCG遺伝子をセントロメア近傍の4p14-q13に位置づけました。

種間戻し交配ハプロタイプ解析を通じて、マウスのCncg遺伝子は5番染色体上のKit遺伝子座に0.9cM近接していることがわかりました。

Griffinらは1993年に蛍光in situハイブリダイゼーションを使用し、CNCG1遺伝子を4p12-cenに位置づけました。

桿体cGMP PDEβポリペプチド（PDEB; 180072）もまた4p16.3の4pにマップされています。

これらの遺伝子のマッピングは、遺伝病の研究や治療法の開発において重要な役割を果たしています。遺伝子マッピングは、遺伝子の機能や疾患との関連を理解するための基礎的な手段です。

Zhongらによる2002年の研究では、CNG（環状ヌクレオチドゲート）チャネルの網膜桿体における生化学的特徴に関する重要な発見が報告されました。彼らは、特に「CLZ（carboxy-terminal leucine zipper）」と名付けられた新しいロイシンジッパー相同ドメインを同定しました。このドメインはタンパク質のC末端に位置しているものの、Bサブユニットには見られません。その主な役割は、サブユニット間の相互作用を促進することにあります。

具体的な実験方法として、架橋、非変性ゲル電気泳動、分析的遠心分離が用いられ、これによりCLZドメインが三量体相互作用を媒介することが明らかになりました。さらに、このCLZドメインを標準的な3量体ロイシンジッパーで置き換えた変異型のコーンCNGチャネルAサブユニットは、野生型と非常に似たチャネルを形成します。しかし、2量体や4量体のロイシンジッパーに置き換えると、同様の結果は得られませんでした。

この発見は、ヘテロマーCNGチャネルが3つのAサブユニットと1つのBサブユニットから構成される、つまり3A:1Bの比率で存在することを示唆しています。ウシ網膜桿体から精製されたCNGチャネルの生化学的解析を通じて、この構造が確認されました。

Zhongらの研究は、CNGチャネルファミリーの構造と機能に関する理解を深める新たな基礎を築きました。この改訂された化学量論は、これらのチャネルがどのように組み立てられ、機能するかについての新しい視点を提供します。サブユニット間相互作用のこのような詳細な理解は、視覚シグナル伝達のメカニズムを解き明かす上で貴重な情報を提供します。

分子遺伝学の分野における重要な研究成果として、Dryjaら（1995年）は、常染色体優性遺伝性網膜色素変性症（RP）を持つ94人の患者と常染色体劣性RPを持つ173人の患者を対象に、CNCG1遺伝子の変異をスクリーニングしました。この研究で、常染色体劣性RPを持つ4つの非血縁家族の間で、5つの変異配列が疾患と共に遺伝していることが確認されました。これらの変異のうち3つは、機能的なチャネルをコードしないと予想されており、2つは読み取り枠の初期に発生したナンセンス変異、もう1つは転写単位の大部分を含む欠失でした。残りの2つの変異は、ミスセンス変異と1塩基欠失によるフレームシフトで、後者はC末端の最後の32アミノ酸を切り詰めます。これらの変異は実験室内で発現させた結果、タンパク質が細胞内に留まり、細胞膜に運ばれないことがわかりました。

また、TrudeauとZagotta（2002年）は、Xenopus卵母細胞を用いた実験で、C末端の最後の37アミノ酸を欠くCNGA1サブユニットの変異形態であるCNGA1-RPが、野生型と同様に機能的なホモメリックチャネルを形成することを発見しました。しかし、CNGA1-RPとCNGB1を共発現させた場合、ヘテロメリックチャネルは電流を伝えず、膜表面で検出されないことが確認されました。これは、CNGA1のC末端領域とCNGB1のN末端領域との間のタンパク質間相互作用の欠如によるもので、この相互作用がなければ、CNGB1のN末端領域が露出し、ヘテロメリックチャネルの膜表現が妨げられることが示されました。

Zhangら（2004年）は、染色体4p12にマッピングされた常染色体劣性RPを有するパキスタンの大家族で、疾患と完全に共分離する2塩基の欠失を同定しました。Katagiriら（2014年）は、日本人患者におけるCNGA1遺伝子の変異を初めて報告し、その頻度がヨーロッパ系の人口よりも高いことを指摘しました。また、Gaoら（2019年）は、RPを持つ中国人女性でCNGA1遺伝子の変異の複合ヘテロ接合性を発見し、これらの変異が疾患と共に遺伝していることを明らかにしました。最後に、Kandaswamyら（2022年）は、インドの大家族で早発性RPと関連するCNGA1遺伝子のミスセンス変異を同定しました。これらの発見は、RPの分子遺伝学的基盤の理解を深める上で重要な寄与をしています。

Dryjaらの1995年の研究は、網膜色素変性症（RP）が遺伝的に非常に異質な疾患であることを浮き彫りにしました。RPは、患者や家系によって遺伝のパターンが異なることが知られており、優性遺伝、劣性遺伝、X連鎖性遺伝、さらには二遺伝性遺伝など、複数の遺伝的パターンを示すことがあります。

この疾患の遺伝的な多様性は、連鎖研究によって15以上の異なる遺伝子座が関連していることが示されている点からも明らかです。この中には、光伝達経路に関与するタンパク質をコードする遺伝子（例：ロドプシンとPDEB）、光受容体特異的タンパク質をコードする遺伝子（例：ペリフェリン/RDSとROM1）、そしてアッシャー症候群（網膜色素変性症と難聴を特徴とする）に関与する非従来型ミオシンをコードする遺伝子などが含まれます。

CNCG1遺伝子の変異が特定されたにもかかわらず、RP患者の約80%では特定の遺伝子変異がまだ同定されていません。ロドプシン遺伝子の変異はRP患者の約10%に見られ、残りの5つの遺伝子座の変異も合わせて全RP症例の約10%を占めています。

この情報は、RPの診断、治療、および遺伝カウンセリングにおいて、疾患の遺伝的な複雑さと個々の患者に対する個別化されたアプローチの重要性を強調しています。遺伝的な異質性を理解することは、網膜色素変性症のより効果的な治療法と管理戦略の開発に向けた鍵となります。

Kandaswamyらの2022年の研究では、遺伝的に変異を持つマウスモデルを用いて、特定の遺伝子変異が網膜の機能と構造にどのような影響を与えるかを調べました。この研究の中心となるのは、ヒトのCNGA1タンパク質の特定の点変異（Y513C）に相当する、マウスのCnga1遺伝子にENU（エチルニトロソウレア）によって誘発されたY509C変異です。

研究では、変異を持つマウスの網膜からCnga1の正常な転写レベルは検出されましたが、Cnga1タンパク質自体は見つかりませんでした。さらに、この変異マウスはCngb1タンパク質に対しても反応がなかったことから、Cnga1が存在しない場合、Cngb1タンパク質が分解されてしまうことが示唆されました。これは、CNGチャネルのサブユニットが相互に依存して正常に機能し、安定して存在するためには、両方のサブユニットの存在が必要であることを意味しています。

変異マウスの網膜の機能を評価するために実施された網膜電図検査では、生後3週で桿体反応が消失し、その後徐々に錐体反応も失われ、9ヵ月で完全に失明に至るという進行性の網膜変性が観察されました。スペクトル領域光干渉断層計（OCT）を用いた網膜の縦断的調査では、外分節と外核層の厚さが初期の段階で大きく減少し、時間の経過と共に外分節と外核層がほぼ完全に失われるまで変性が進行する様子が確認されました。12ヵ月時点では、内核層と神経節細胞層のみが残存しており、内核層では核の分布が散在しており、網膜内層にも二次的な形態学的変化が生じていることが示唆されました。

また、錐体視細胞に対する免疫標識の結果は、経時的に変性が進行し、最終的には錐体視細胞が完全に失われるという悲惨な結果を示しました。この研究は、特定の遺伝子変異が網膜の構造と機能に深刻な影響を及ぼすことを明らかにし、網膜変性疾患のメカニズムを理解するための重要な手がかりを提供します。

アレリック・バリアント（11例）：Clinvarはこちら

.0001 網膜色素変性症 49
CNGA1, GLU76TER
Dryjaら(1995)は、劣性網膜色素変性症(RP49; 613756)の6829家族において、CNGA1遺伝子のglu76からter(E76X)へのナンセンス変異を、罹患した2人の姉妹と罹患していない父親においてヘテロ接合状態で発見した。2人の姉妹のCNCG1遺伝子の母方由来の対立遺伝子には変異は検出されなかった。実際、CNCG1多型を用いた解析では、姉妹は母親からこの遺伝子座の異なる対立遺伝子を受け取ったことが示された。チャネルタンパク質の別のサブユニット、あるいはαサブユニットと相互作用する他のタンパク質をコードする遺伝子に病因となる変異があり、この2つの欠陥の組み合わせが網膜色素変性症の原因であることが示唆された。別の可能性としては、この突然変異はこの家系のRPの原因ではないということである。

.0002 網膜色素変性症 49
CNGA1, LYS139TER
常染色体劣性網膜色素変性症(RP49; 613756)の5家族のうち1家族において、Dryjaら(1995)は、罹患者がCNGA1遺伝子のlys139-to-ter(K139X)変異とser316-to-phe変異(S316F; 123825.0003)の複合ヘテロ接合体であることを発見した。

.0003 網膜色素変性症 49
CNGA1、SER316PHE
常染色体劣性網膜色素変性症(RP49; 613756)の2家系において、Dryjaら(1995)は、罹患者がCNGA1遺伝子の突然変異、1家系ではlys139-to-terナンセンス突然変異(K139X; 123825.0002)とser316-to-pheミスセンス突然変異(S316F)の複合ヘテロ接合体であること、2家系ではS316F突然変異と転写単位の大部分または全部を欠失する突然変異であることを見出した。Dryjaら(1995)は、S316F変異をヘテロ接合体で持つ常染色体優性遺伝のRP患者を1人発見した。この家系の5人の罹患者（6003人）は、ロドプシンのミスセンス変異pro347-to-leu（P347L; 180380.0002）のヘテロ接合体を持っていることが以前に見つかっていた。ロドプシン変異のみを持つ兄弟姉妹と、ロドプシン変異とチャネル蛋白質変異の両方を持つ兄弟姉妹の間で、表現型に明確な違いはなかった。著者らは、ロドプシン変異が兄弟姉妹のRPの原因であり、それに加えて、兄弟姉妹は偶然に、明らかな影響もなく、劣性チャネル蛋白質変異S316Fを受け継いだと結論した。Dryjaら（1995年）はこの変異を試験管内で発現させ、コードされたタンパク質が細胞膜に標的化されるのではなく、主に細胞内に保持されることを発見した。

.0004 網膜色素変性症 49
CNGA1、1-bp欠損、FS655TER
常染色体劣性網膜色素変性症(RP49; 613756)とCNCG1遺伝子に変異を持つ5家族のうち1家族において、Dryjaら(1995)は、1家族の罹患者がarg654のコドンに1-bpの欠失を持つホモ接合体であり、その結果、C末端の最後の32アミノ酸がフレームシフトして切断されていることを発見した。

.0005 網膜色素変性症 49
CNGA1、2-bp欠損、626TA
染色体4p12(RP49; 613756)にマッピングされた常染色体劣性網膜色素変性を分離する5世代にわたるパキスタンの大家族において、Zhangら(2004)は2bpの欠失(c.626 627delTA,NM_000087.1)を同定した。この欠失は、CNGA1遺伝子のエクソン8において、6つの膜貫通らせんのうち5つ、環状ヌクレオチド結合ドメイン、調節リン酸化部位を失い、早発終止コドン(Ser209fsTer26)をもたらすと予測されるフレームシフトを引き起こした。この欠失は、7人の罹患家族および15人の非罹患家族において疾患と完全に分離し、89人の無関係なパキスタン人対照者では認められなかった。

.0006 網膜色素変性症 49
CNGA1、1-bp欠失、265c
網膜色素変性症（RP49；613756）の51歳の日本人女性（RP#029）と無関係の46歳の日本人男性（RP#094）において、Katagiriら（2014）は、1-bp欠失（c.265 delC, NM_000087）は、CNGA1遺伝子のエクソン6にフレームシフトを引き起こし、早発終止コドン（Leu89PhefsTer4）をもたらすと予測され、3つの機能ドメインすべてを含むタンパク質構造の大部分を失った。3人目の患者（35歳の日本人女性、RP#019）は、c.265delC変異とCNGA1のエクソン11の1-bpの欠失（c.1429delG; 123825.0007）の複合ヘテロ接合体であり、フレームシフトと早期終止コドン（Val477TyrfsTer17）を引き起こし、第6膜貫通ドメインのヘリックス、cGMP結合部位、コイルドコイルCLZドメインを失った。発端者の両親はそれぞれ1つの欠失に対してヘテロ接合体であったが、他の2人の発端者は両親のDNAが入手できなかった。ハプロタイプ解析の結果、RP#019のc.265delC対立遺伝子とRP#029のc.265delC対立遺伝子は同一のハプロタイプであり、この欠失の共通祖先が示唆された。

.0007 網膜色素変性症 49
CNGA1、1-bp欠失、1429g
Katagiriら(2014)による網膜色素変性症(RP49; 613756)の35歳の日本人女性(RP#019)に複合ヘテロ接合状態で見つかった、早期終止コドン(Val477TyrfsTer17)をもたらすと予測されるフレームシフトを引き起こすCNGA1遺伝子の1-bp欠失(c.1429delG, NM_000087)についての考察は、123825.0006を参照のこと。

.0008 網膜色素変性症49
CNGA1、1-bp欠失、191g
網膜色素変性症（RP49; 613756）を有する血縁関係のない日本人男性2人（RP#002およびRP#021）において、Katagiriら（2014）は、CNGA1遺伝子のエクソン5に1-bpの欠失（c.191delG, NM_000087）のホモ接合性を同定し、早発終止コドン（Gly64ValfsTer29）をもたらすと予測されるフレームシフトを引き起こし、3つの機能ドメインすべてを含むタンパク質構造の大部分が失われた。ハプロタイプ解析の結果、発端者の4つのアレルのハプロタイプは同一であり、この欠失の共通の祖先が示唆された。RP#002の罹患していない母親は欠失に対してヘテロ接合体であった。他の3人の両親、またはRP#021の罹患した姉妹からはDNAが得られなかった。

.0009 網膜色素変性症 49
CNGA1、1-bp欠失、472c
網膜色素変性症（RP49；613756）の26歳の中国人女性において、Gaoら（2019）は、CNGA1遺伝子の突然変異の複合ヘテロ接合を同定した：エクソン5の1bp欠失（c.472delG、NM_001142564.1）は、早期終止コドン（Leu158PhefsTer4）をもたらすと予測されるフレームシフトを引き起こし、エクソン9のc.622 D208N;123825.0010)置換を引き起こし、第2膜貫通ドメインのα-ヘリックス構造内の高度に保存された残基でasp208-asn(D208N; 123825.0010)置換を生じた。サンガー配列決定により、発端者の罹患していない両親におけるヘテロ接合性の変異とその存在が確認された。HEK293T細胞をトランスフェクトした機能解析では、野生型CNGA1と同程度のレベルでD208N変異体の発現が認められたが、野生型タンパク質とは異なり、変異体は細胞の突起に局在しなかった。イムノブロット分析では、突然変異体タンパク質の量は、総タンパク質画分と膜タンパク質画分の両方で減少していた。

.0010 網膜色素変性症 49
cnga1, asp208asn
Gaoら（2019）による網膜色素変性症（RP49; 613756）の26歳の中国人女性において複合ヘテロ接合状態で見つかった、asp208からasn（D208N）への置換をもたらすCNGA1遺伝子のエクソン9におけるc.622G-A転移（c.622G-A, NM_000087.3）に関する考察については、123825.0009を参照のこと。Gaoら（2019）は、この変異が配列NM_001142564.1に従ってc.829G-A, D277Nと番号付けされていることを指摘した。

.0011 網膜色素変性症 49
CNGA1、GLY509ARG（rs544588016）
Kandaswamyら(2022)は、早期発症網膜色素変性症(RP49; 613756)の5世代血族(DKRRP2)に属する22歳のインド人男性を対象とした網膜パネル配列決定により、CNGA1遺伝子のc.1525G-A転移(c.1525G-A, NM_001379270.1)のホモ接合性を同定し、その結果、gly509からargへの置換(G509R)が生じた。著者らは、このバリアントはNM_000087.3の塩基配列によるとc.1537G-A, G513Rであることを指摘している。発端者のいとこである罹患した兄弟姉妹はこの置換型に対してホモ接合であったが、罹患していない両親、兄弟、叔母、甥はこのバリアントに対してヘテロ接合であった。このバリアントは、gnomADデータベースでは非常に低い頻度（エクソームでは0.000008029、ゲノムでは0.00001972）で、ヘテロ接合体でのみ存在した。ヒトのCNGA1タンパク質のY513に相当するCnga1のY509C変異を持つマウスモデルにおいて、Kandaswamyら（2022年）は、変異体網膜にCnga1シグナルを検出しなかった。変異マウスの網膜電図は、生後3週目という早い時期に桿体反応の消失を示し、錐体を介する反応の消失は徐々に進行し、9ヵ月後には完全失明に至った。

www.omim.org/entry/123825