承認済シンボル：CPT1A
遺伝子名：carnitine palmitoyltransferase 1A
参照：
HGNC: 2328
AllianceGenome : HGNC : 2328
NCBI：1374
Ensembl :ENSG00000110090
UCSC : uc001oog.5
遺伝子OMIM番号600528
●遺伝子のlocus type :タンパク質をコードする
●遺伝子のグループ：
●遺伝子座: 11q13.3
●ゲノム座標：(GRCh38): 11:68,754,620-68,844,277
遺伝子の別名
carnitine palmitoyltransferase I, liver
CPT1
CPT1-L
CPT1A_HUMAN
L-CPT1
遺伝子の概要
CPT1A遺伝子は、脂肪酸酸化過程で重要な役割を果たす肝臓酵素であるカルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIAをコードします。この酵素系には、カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ（CPT; EC 2.3.1.21）、アシル-CoA合成酵素、およびカルニチン/アシルカルニチントランスロカーゼ（613698）が含まれ、これらは長鎖脂肪酸が細胞質からミトコンドリアマトリックスへ移動し、エネルギーを産生するためにβ酸化されるメカニズムを提供します。CPT Iアイソザイム（CPT1AおよびCPT1B; 601987）はミトコンドリアの外膜に位置し、デタージェントに不安定な特性を持ちます。一方、CPT II（600650）はミトコンドリアの内膜に位置し、やはりデタージェントに不安定です。これらの違いは、酵素の位置と構造的特性によるものであり、脂肪酸酸化過程でのそれぞれの役割を反映しています。
遺伝子の発現とクローニング
### Esserら（1993）の研究
Esserらによる研究は、ラットの肝臓からCPT Iに対応するcDNAを単離しました。このプロセスにより、CPT I遺伝子のcDNAクローニングが初めて成功しました。彼らが検出した4.7kbのmRNAは、ラットの肝臓でのCPT Iの発現を示しています。この研究から、de novo合成されたCPT I酵素がミトコンドリア外膜に標的化されること、そして成熟タンパク質がN末端近くの20アミノ酸領域を通じて膜に固定されることが示唆されました。また、CPT IとCPT IIが別々のタンパク質であること、そしてCPT Iの阻害剤が関連する制御成分ではなく、触媒ドメイン内で相互作用することが明らかになりました。
### Brittonら（1995）の研究
Brittonらによる研究は、ラット肝臓ミトコンドリアのCPT IのcDNAをプローブとして使用し、ヒト肝臓cDNAライブラリーからCPT Iの対応するcDNAを単離しました。予測された773アミノ酸からなるタンパク質は、ラットの酵素と86%の同一性を持っていることが分かりました。ノーザンブロット分析では、ヒト肝臓にも同様に4.7kbのmRNAが存在することが確認されました。
これらの研究は、CPT Iの遺伝子とタンパク質の構造、機能、および細胞内局在についての重要な知見を提供しています。CPT Iは脂肪酸のミトコンドリアへの輸送に不可欠な役割を果たし、エネルギー産生の重要なステップを担っています。これらの発見は、代謝疾患の研究や治療法の開発において、基礎を形成するものです。
遺伝子の構造
マッピング
さらに、1997年には、蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）を用いた別の研究で、CPT1A遺伝子が染色体11のq13.1-q13.5に特定されました。この手法は、特定のDNA断片が染色体のどの部分に結合するかを直接観察することにより、遺伝子の正確な位置を特定するものです。
これらの研究により、CPT1A遺伝子の位置がより正確に染色体11の特定の領域にマッピングされ、遺伝子研究や疾患に関連する研究において重要な情報を提供しました。
遺伝子の機能
脂肪酸酸化プロセスにおける主要な制御は、CPT I（カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼI）においてマロニル-CoAによる独自の抑制により行われます。このプロセスは、肝ケトジェネシスとその制御の文脈で初めて認識され、後に多様な組織での代謝の中心的な要素として認識されました（Brittonら、1995年）。
長い間、ミトコンドリアのβ酸化においてCPTタンパク質が2種類存在するかどうかは不明でした。BergstromとReitz（1980年）は、CPT IとCPT IIが物理的特性が似ていることや、片方の酵素に対する抗体がもう片方の酵素と交差反応することを示しました。
Slamaら（1996年）は、CPT IとCPT IIの欠損個体の細胞間での相補性を示し、CPT I欠損とCPT II欠損は異なる遺伝子の原因変異によることを明らかにしました。
Brittonら（1997年）は、肝臓と線維芽細胞がミトコンドリアCPT1の同じアイソフォームを発現していることを証明し、CPT欠損症の「筋肉型」と「肝型」の診断に線維芽細胞を使用することの正当性を示しました。これは、CPT1とCPT2が異なる遺伝子によってコードされる別のタンパク質であることを確認しました。
Obiciら（2003年）は、視床下部における脂質の酸化を特異的に減少させることで、エネルギーバランスの調整メカニズムを調査しました。CPT1の活性の遺伝的または薬理学的な阻害は、食物摂取と内因性グルコース産生を大幅に減少させるのに十分でした。これは、視床下部ニューロンにおける脂質酸化速度の変化が、循環への栄養素の外因性および内因性入力を調節するという結論に至りました。
Schoorsら（2015年）は、CPT1Aの内皮欠損が血管新生障害を引き起こすことを報告しました。内皮細胞における脂肪酸酸化の減少は、エネルギー枯渇や酸化還元恒常性の乱れを引き起こさず、de novoヌクレオチド合成の障害が主な原因でした。CPT1Aのサイレンシングによるアセチル-CoAの代替源として酢酸やヌクレオシドの追加が、内皮細胞の表現型を救済しました。また、CPT1の遮断がマウスにおける病的な眼血管新生を阻害することが見つかりました。
Wongら（2017年）は、脂肪酸β酸化の律速酵素であるCPT1Aをリンパ管内皮細胞特異的に欠損させると、リンパ管の発達が阻害されることを報告しました。LECは脂肪酸β酸化を利用して増殖し、リンパ系マーカーのエピジェネティックな制御を行っています。この代謝依存的なメカニズムにより、PROX1はリンパ管新生を促進するエピジェネティックな変化を媒介します。CPT1酵素の遮断によるリンパ管新生の阻害と、酢酸を補充してアセチル-CoAを補充することでの救済が観察されました。
分子遺伝学
IJlstらによる1998年の研究では、CPT IA欠損症を持つ乳児からCPT1A遺伝子のホモ接合体変異が同定されました。その後、Yamamotoらは2000年に4人の日本人患者から3つのナンセンス変異、1つのミスセンス変異、そして2つのスプライシング変異を報告しました。これらの変異は、CPT1A遺伝子の機能を損ない、CPT IA欠損症の原因となります。
Ogawaらによる2002年の研究では、19人のCPT IA欠損症患者と9人のCPT1A突然変異について報告されています。同年、GobinらはCPT II欠損症が200家系以上で知られているのに対し、CPT IA欠損症は30家系以下しか報告されていないと指摘しました。彼らはまた、4人の患者における6つの新規変異を特徴付け、CPT IA欠損症における遺伝的多様性を示しました。
これらの研究成果は、CPT IA欠損症の遺伝的基盤を理解する上で重要な貢献をしています。CPT IA欠損症に関連する遺伝子変異の同定は、この病気の診断、治療、および管理に役立つ可能性があります。
アレリックバリアント
.0001 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
cpt1a, asp454gly
IJlstら(1998)は、血縁関係にある両親の子供であるCPT IA欠損症患者(255120)におけるCPT1A遺伝子のasp454-to-gly(D454G)ミスセンス変異のホモ接合性について報告した。生後15ヵ月で下痢と摂食障害を呈した。入院時、重篤な低緊張と無気力であった。身体所見では、肝腫大と腱反射の低下がみられた。低ケトン血症性低血糖が認められた。
.0002 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A, GLU360GLY
CPT IA欠損症（255120）の日本人患者において、山本ら（2000）はCPT1A遺伝子に1079A-G変異を同定し、glu360からgly（E360G）への置換をもたらした。SV40で形質転換した線維芽細胞での機能発現研究により、Ogawaら（2002）はE360G変異が酵素活性とタンパク質レベルの低下を引き起こすことを見いだし、この変異が病原性であることを示している。
.0003 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A、GLN100TER
CPT IA欠損症(255120)の患者において、Gobinら(2002)はCPT1A遺伝子のエクソン4におけるホモ接合性の298C-T置換を同定し、gln100-to-ter(Q100X)変異をもたらした。この変異はタンパク質を671アミノ酸切断した。
.0004 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A, ALA414VAL
CPT IA欠損症(255120)の患者において、Gobinら(2002)はCPT1A遺伝子のエクソン11に1241C-T置換を同定し、ala414-to-val(A414V)変異を生じた。発端者と発端者の父親はともにこの変異をヘテロ接合体で有していた。同じ患者にはエクソン13に1493A-Gの置換があり、tyr498-to-cys（Y498C）変異が生じた（600528.0005）。発端者と発端者の母親はともにこの変異をヘテロ接合体で有していた。
Gobinら(2003)は、機能解析と構造解析を用いて、A414V変異はタンパク質の発現を著しく低下させ（野生型の20〜30倍低下）、タンパク質の不安定性を示すとともに、CPT I酵素の触媒活性を98％低下させることを発見した。モデリング研究により、この変異はタンパク質に構造変化を導入していることが示唆された。
.0005 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
cpt1a, tyr498cys
Gobinら(2002)によるCPT IA欠損症(255120)の患者において複合ヘテロ接合状態で発見されたCPT1A遺伝子のtyr498-to-cys(Y498C)変異については、600528.0004を参照。
Gobinら(2003)は、機能解析と構造解析を用いて、Y498C変異がタンパク質のわずかな不安定性と酵素活性の3倍低下をもたらすことを見出した。影響を受けた残基は酵素の活性部位から少し離れたところに位置しており、構造変化を介して間接的な影響を引き起こす可能性がある。
.0006 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A、153bp欠失
CPT IA欠損症(255120)の患者において、Gobinら(2002)はイントロン15のスプライスアクセプター部位のGからAへの置換に起因するCPT1A遺伝子のヌクレオチド1876における153bpの欠失を同定した。この患者の母親はヘテロ接合体であったが、この変異は患者の父親にも20人の健常対照者にも検出されなかった。この変異はコドン626から676までの51個のアミノ酸を欠失させた。この患者にはまた、イントロン13の一部が保持された結果、cDNA（600528.0007）のヌクレオチド1575に113bpのイントロン挿入があった。
.0007 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
cpt1a、113-bp挿入
Gobinら(2002)によるCPT IA欠損症患者において複合ヘテロ接合状態で発見されたCPT1A遺伝子のヌクレオチド1575における113-bpの挿入については、600528.0006を参照。
.0008 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A、8kb欠失
CPT IA欠損症(255120)の患者において、Gobinら(2002)は、CPT1A遺伝子のイントロン14の遠位3分の2からエクソン17のヌクレオチド2107にわたる8kbの欠失のホモ接合性を同定した。この再編成によりアミノ酸581から702が欠失した。
.0009 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CPT1A、Gly709Glu
Schaeferら(1997)によって報告されたCPT IA欠損症(255120)の患者において、Gobinら(2003)はCPT1A遺伝子の2つの変異の複合ヘテロ接合を同定した：2126G-A転移はgly709からgluへの置換(G709E)をもたらし、1bpの欠失(948delG)はエクソン10(600528.0010)の早期終結シグナルをもたらす。
Gobinら(2003)は、機能解析と構造解析を用いて、G709E変異がタンパク質の著しい不安定性と酵素機能の完全な喪失をもたらすことを発見した。著者らは、この変異が酵素の疎水性コアに嵩高く負に帯電した基を導入し、立体反発と好ましくない静電相互作用を引き起こしていることを示唆した。
.0010 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
CTP1A、1-bp欠失、948g
Gobinら(2003)によるCPT IA欠損症(255120)の患者において複合ヘテロ接合状態で発見されたCPT1A遺伝子の1-bp欠失(948delG)については、600528.0009を参照。
.0011 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症
cpt1a, gly710glu
Prip-Buusら(2001)は、CPT IA欠損症(255120)を持つ大規模なHutterite血統の罹患者において、CPT1A遺伝子におけるホモ接合性の2129G-A転移を同定し、その結果、gly710からgluへの置換(G710E)が生じた。発現研究により、G710E変異はミトコンドリア標的性もタンパク質の安定性も変化させないことが示されたが、動力学的研究により、変異型酵素は完全に触媒的に不活性であることが示された。著者らは創始者効果を疑った。
.0012 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA多型
CPT1Aアークティックバリアント
CPT1A, PRO479LEU (rs80356779)
CPT1Aのpro479-to-leu（P479L、c.1436C-T、rs80356779）バリアントは、アラスカ、カナダ、グリーンランド、北東シベリアの北極圏の先住民の間で非常に流行しており、バリアント対立遺伝子の頻度は0.68～0.85である。CPT1Aの触媒活性が低下し、マロニル-CoAによる阻害に対する感受性が有意に低下するこのバリアントは、これらの集団では正の選択下にあり、その根拠の1つとして、海洋哺乳類を多用し、n-3系多価不飽和脂肪酸（n-3 PUFAs）を多く含む伝統的な食生活があると仮定されている（Gessner et al.による要約、2016年）。CPT1A遺伝子は、PUFAの血漿レベルの制御と関連している11番染色体の領域にマッピングされている（612795参照）。
Brownら（2001）は、カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼIA欠損症（255120）の44歳男性（患者6）を報告した。この患者は非典型的な症状を呈し、33歳まで元気であったが、伐採中のアルコール暴飲の後、筋肉のけいれんを一度だけ起こした。その後6年間は良好であったが、筋痙攣のエピソードがエスカレートし始めた。研究以前の5年間に、彼はこの問題で85回入院している。発作と発作の間は元気であった。Brownら（2001）は、CPT1A遺伝子のc.1436C-Tのホモ接合体を検出した。この患者の培養皮膚線維芽細胞を用いたアッセイから、この変異はマロニル-CoAの阻害作用に対して部分的な耐性を与えることが示された。培養皮膚線維芽細胞におけるCPT II活性は正常であったが、CPT I活性は著しく低下していた（正常対照の15％）。
Rajakumarら(2009)は、Brownら(2001)が報告した非典型的な症状を示す患者はカナダの原住民であり、P479L変異は他のファーストネーションやカナダのイヌイットでも同定されていることを指摘した。1,111人のグリーンランド・イヌイット、50人のカナダ・イヌイット、285人の健常非イヌイットのスクリーニングにおいて、Rajakumarら（2009年）は、P479L変異がイヌイット集団に頻繁にみられ、対照集団にはみられないことを発見した。Leu479はグリーンランド人では0.73の頻度で主要対立遺伝子であり、カナダのイヌイットでは0.93の頻度で存在した。P479L置換は血漿HDLおよびアポA-I値の上昇と関連していた。グリーンランドの集団には罹患していないホモ接合体が非常に多いこと、また筋肉にCPT1Aが発現していないことから、Rajakumarら（2009年）は、元の患者の症状はP479L以外の変異によって引き起こされたという仮説を立てた。
極端な寒冷気候適応の表現型に影響を与える候補遺伝子を持つ領域を特定するために、Cardonaら（2014）は、70万以上のSNPについて、シベリアの10個体群から200個体を遺伝子型決定し、その結果を正の選択のシグナルについて分析した。最も強い選択シグナルは、CPT1A遺伝子を含む11番染色体上の3Mbの領域（chr11:66-69 Mb）にマッピングされた。
Cardonaら（2014）の研究に続き、Clementeら（2014）はCPT1AのP479Lバリアント（rs80356779、c.1436C-T）が強い正の選択下にあることを示した。彼らは、この派生対立遺伝子が低ケトン性低血糖症や高い乳児死亡率と関連しているにもかかわらず、カナダやグリーンランドのイヌイットで高い頻度で発生し、彼らの先住民である北東シベリアのサンプルでも68％の頻度で見つかったが、他の一般に利用可能なゲノムデータベースには存在しなかったと述べている。Clementeら(2014)は、ヒトにおいて報告された最も強い選択的掃引の一つである証拠を提示した。この選択的掃引は、おそらく高脂肪食か寒冷な環境に対する選択的優位性の結果として、関連する有害な結果にもかかわらず、過去6,000年から23,000千年の間に北極圏の集団でP479Lバリアントが高頻度になった。北極圏の先住民の伝統的な食事は主に海洋哺乳類から構成されているため、CPT1Aの活性を高めることが知られているn-3系ポリエン脂肪酸が豊富に含まれている。このような背景から、P479L変異によるCPT1A活性の低下は、ケトン体の過剰産生に対して保護的である可能性がある。
Gessnerら（2016）は、1歳前に死亡した110人のアラスカ先住民の乳児と、生存している395人のアラスカ先住民の乳児を対象とした非マッチ症例対照研究において、P479L変異体（彼らはこれを「北極変異体」と命名した）のホモ接合性は、すべての解析において乳児死亡率と関連していることを明らかにした。遺伝子型の全体的な分布は症例と対照で有意差はなかったが（p = 0.06）、死亡した乳児はP479Lのホモ接合体である可能性が高かった（42％対30％）。P479Lの変異はCPT1Aの触媒活性を低下させ、マロニル-CoAによる阻害に対する感受性を著しく低下させる。これは、エネルギー産生に十分な炭水化物（グルコース）が利用可能な場合に脂肪酸酸化が抑制される主要なメカニズムの一つである。北極バリアントが生息する集団の伝統的な食事は、海洋哺乳類を主食としており、n-3系多価不飽和脂肪酸（n-3 PUFA）を多く含んでいる。このような食事の摂取は、CPT1Aの発現を増加させ、バリアントタンパク質の触媒活性低下の影響を減少させると予測される一方、バリアントタンパク質のマロニル-CoA感受性の低下は、脂肪酸酸化の基礎速度の増加をもたらすと考えられる。
AndersenとHansen（2018）は、グリーンランダーにおける代謝形質の遺伝学をレビューし、グリーンランダーとシベリア人で報告された正の選択の最も強いシグナルは、11番染色体上のFADS-CPT1A遺伝子座（PUFAQTL1；612795）であると指摘した。leu479をコードするCPT1AバリアントP479L（rs80356779）のT対立遺伝子は、FADS2にマッピングされたrs174570とともに、これらの2つのバリアントが約7Mb離れているにもかかわらず、祖先イヌイット集団で固定されている（Andersen et al.） この珍しい長距離連鎖不平衡現象は、FADSとCPT1Aの選択シグネチャーが同じシグナルなのか、2つの独立したシグナルなのかを判断することを難しくしている。しかし、P479Lバリアントが単型であるヨーロッパ人では、FADS遺伝子座に選択のシグナルが観察されている。AndersenとHansen（2018）は、CPT1Aのイヌイット特異的なleu479型は、Brownら（2001）などの細胞研究において、酵素機能が著しく低下しているが、マロニル-CoA阻害に対する感受性が低下していることが示されていることに注目した。空腹時には、この結果、β酸化は中程度に低下するが、食後状態ではマロニル-CoA濃度が高いため、抑制感受性の低下はより大きな影響を及ぼす。したがって、細胞研究において、CPT1Aの酵素活性はleu479ホモ接合体ではpro479ホモ接合体に比べて食後で3〜4倍高いことが示されている。それによって、この遺伝子座における正の選択の背景が説明できるかもしれない。
Hale（2020）は、イヌイット集団におけるCPT1Aのleu479型の選択的掃引に関する歴史的知識を、生化学、進化遺伝学、生理学の最新の知識と統合する研究において、この問題に関する文献の再評価を行った。Hale (2020)はデータに基づき、イヌイット集団の低炭水化物・高タンパク質食と寒冷な環境において、leu479がグルコースの良好な保存を可能にすることを示唆した。Hale (2020)は、好ましいグルコース保存効果には、肝グリコーゲン合成の増加、おそらくケトン体の増加による二次的な大脳グルコース消費の減少、および褐色脂肪代謝に利用可能なアシルカルニチンの増加による褐色脂肪を介したグルコース消費の減少が含まれると推論した。
プロフィール
この記事の筆者：仲田洋美（医師）
