KMT2D遺伝子

ALL1-related gene
ALR
histone-lysine N-methyltransferase 2D
KMT2D_HUMAN
lysine (K)-specific methyltransferase 2D
MLL2
MLL4
myeloid/lymphoid or mixed lineage leukemia 2
myeloid/lymphoid or mixed lineage leukemia 4
trithorax homolog 2

KMT2D（リジン特異的メチルトランスフェラーゼ2D）は、ヒストンH3リジン4位（H3K4）のメチル化を触媒する重要なエピジェネティック調節因子です。この酵素は特に、H3K4のモノメチル化（H3K4me1）および二メチル化（H3K4me2）を促進し、遺伝子発現の活性化に重要な役割を果たします。

KMT2D遺伝子によってコードされるタンパク質は、SET（Su(var)3-9、Enhancer-of-zeste、Trithorax）ドメインを持つ大型のクロマチン修飾酵素で、5,262アミノ酸から構成されています。この酵素は、PHDフィンガードメイン、亜鉛フィンガードメイン、そして長いグルタミン反復配列を含む複雑な構造を持ちます。

KMT2DはMLLファミリーのメンバーとして、エンハンサー領域において特に重要な機能を持ちます。細胞分化の過程で、系列特異的転写因子と共に活性エンハンサーに局在し、H3K4のメチル化を通じて転写活性化を促進します。この過程は、細胞の運命決定や組織形成において極めて重要です。

KMT2Dの機能不全は、遺伝子発現の異常を引き起こし、発生異常や疾患の原因となります。特に、この酵素の変異は歌舞伎症候群をはじめとする先天異常症候群や、一部のがんにおいて重要な役割を果たしています。

Branchial arch abnormalities, choanal atresia, athelia, hearing loss, and hypothyroidism syndrome　分岐弓異常、後鼻孔閉鎖、無乳頭症、難聴、甲状腺機能低下症症候群 620186　AD　3　

1997年、Prasadらによる研究で、KMT2D遺伝子（当時はALR：ALL1-related geneと命名）が初めて発見されました。この遺伝子は、急性白血病に関連するALL1（現在のKMT2A）遺伝子のSETドメインを探索プローブとして用いることで同定されました。

KMT2D遺伝子は、約18kbの転写産物を生成し、ALL1と同様に肝臓を除くほとんどの成人組織で発現しています。また、造血細胞を含む様々な細胞でも発現が確認されています。初期マウス胚での全胚in situハイブリダイゼーション解析により、類似したマウス遺伝子が複数の組織で発現していることが示されました。

この遺伝子の構造と発現パターンの類似性から、KMT2DはALL1やショウジョウバエのtrithoraxと同様の役割を果たしていることが示唆されました。これらの知見は、KMT2Dがクロマチン修飾と遺伝子発現制御において重要な機能を持つことを初期から予見させるものでした。

Prasadら（1997）による研究で、げっ歯類/ヒト雑種細胞の解析およびGenebridgeラディエーションハイブリッドパネルの解析により、ALR遺伝子（現在のKMT2D）が12p13.1-qter領域にマッピングされました。より詳細には、D12S1401近傍の約340kbの物理的サイズに対応する13-cR染色体領域内に位置することが明らかにされました。

3つのデータベースの情報に基づいて、ALRは12q12-q14に位置するビタミンD受容体（VDR; 601769）とグリセロール-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GPD1; 138420）の間に位置すると判定されました。注目すべきは、12q12-q13領域ががんに関連する重複や転座に関与することが知られていることです。

この遺伝子座の位置は、後の研究で12q13.12と精密化され、現在のゲノム座標では12:49,018,978-49,060,794（GRCh38）に位置することが確認されています。この位置情報は、KMT2D変異に関連する疾患の遺伝的解析や診断において重要な基盤となっています。

KMT2Dの生化学的特徴に関する重要な知見は、複数の研究によって明らかにされています。

Karlinら（2002年）の研究では、KMT2D（当時はMLL2）が24のアミノ酸反復配列を持つ特徴的なタンパク質であることが示されました。これらの反復配列のうち22個がグルタミン反復であり、このような長いアミノ酸反復を持つ遺伝子は疾患との関連が示唆されています。特に、これらの反復配列を持つ82のタンパク質の多くが転写、翻訳、発生制御に関与していることが明らかになりました。

Leeら（2013年）による重要な研究では、KMT2D（MLL4）がH3K4のモノおよび二メチル化を触媒する主要な哺乳類酵素であることが実証されました。この研究により、KMT2Dが細胞分化中のエンハンサー活性化に必須であることが明らかになりました。クロマチン免疫沈降解析により、KMT2Dが系列決定転写因子と共に活性エンハンサーに共局在することが示され、この共局在がH3K4のメチル化とH3K27のアセチル化を促進し、mediator複合体とRNAポリメラーゼIIの結合を増強することが明らかになりました。

Liら（2016年）の構造生物学的研究では、RBBP5-ASH2Lヘテロ二量体がMLLファミリーヒストンメチルトランスフェラーゼ（KMT2Dを含む）の活性化における構造的単位であることが示されました。この研究により、MLLファミリータンパク質の2段階活性化メカニズムが明らかになり、これらの酵素の共通テーマと機能的可塑性に関する前例のない洞察が提供されました。

Toskaら（2017年）の研究では、KMT2DがPI3K-alphaとエストロゲン受容体（ER）の相互作用において重要な役割を果たすことが示されました。AKTがKMT2Dに結合してリン酸化し、メチルトランスフェラーゼ活性とER機能を減弱させる一方、PI3K-alpha阻害はKMT2D活性を増強することが明らかになりました。この発見は、ER陽性乳癌におけるエピジェネティック治療の合理的根拠を提供しています。

KMT2Dは、エピジェネティック制御において極めて重要な機能を担うヒストンメチルトランスフェラーゼです。その主要な機能は以下の通りです。

エンハンサー活性化機能

KMT2Dの最も重要な機能は、細胞分化過程でのエンハンサー活性化です。系列決定転写因子と共に活性エンハンサーに局在し、H3K4のモノメチル化と二メチル化を触媒します。この修飾により、転写活性に必要なクロマチン環境が形成され、細胞の運命決定が促進されます。

免疫システムにおける役割

Danielら（2010年）の研究により、KMT2DがPTIP構成要素と共にMLL3-MLL4複合体を形成し、免疫グロブリン重鎖（IGH）遺伝子座での抗体クラススイッチ組み換えに重要な役割を果たすことが示されました。活性化B細胞において、この複合体はH3K4me3と転写開始を制御し、免疫グロブリンクラススイッチに必要なクロマチン変化を促進します。

がん関連機能

Zhuら（2015年）の研究では、機能獲得型p53変異体がKMT2Dを含むクロマチン調節遺伝子に結合し、これを上方制御することでゲノムワイドなヒストンメチル化とアセチル化の増加をもたらすことが示されました。この発見は、機能獲得型p53変異を持つ腫瘍の進行における新たなクロマチンメカニズムを明らかにし、組み合わせクロマチンベース治療の可能性を示唆しています。

発生・分化制御

KMT2Dは胚発生と細胞分化において不可欠な役割を果たします。特に、筋肉や脂肪組織の分化において、系列特異的遺伝子発現プログラムの活性化を制御します。この機能の障害は、歌舞伎症候群に見られる多臓器発生異常の原因となります。

これらの機能により、KMT2Dはクロマチンリモデリング、遺伝子発現制御、細胞分化、免疫応答など、多様な生物学的プロセスにおいて中心的な役割を担っています。

歌舞伎症候群1

Ngら（2010年）は、歌舞伎症候群患者10人のエクソーム解析を行い、7人にKMT2D（当時はMLL2）のナンセンスまたはフレームシフト変異を同定しました。追加の解析により、53家系中35家系（66%）でKMT2D変異が見つかりました。両親のDNAが利用可能な12例すべてで、変異はde novoで生じていることが確認されました。

Hannibalら（2011年）は、歌舞伎症候群110家系中81家系（74%）でKMT2D遺伝子の70の変異を同定しました。変異の大部分はナンセンスまたはフレームシフト変異で、ハプロ不全を引き起こすと予測されました。変異は遺伝子全体に分布していましたが、特にエクソン39と48に集中していました。腎異常が変異保有者の47%に見られたのに対し、変異を持たない患者では14%でした。

Liら（2011年）は、歌舞伎症候群患者34人のKMT2D全54エクソンを解析し、19人で18の異なる変異を同定しました。変異には3つのナンセンス変異、2つのスプライス部位変異、6つの小欠失または挿入、7つのミスセンス変異が含まれていました。

Miyakeら（2013年）は、81人の歌舞伎症候群患者をスクリーニングし、50人（61.7%）でKMT2D変異を同定しました。変異の70%は蛋白質切断型で、切断変異はコーディング領域全体に分布していましたが、非切断変異は機能ドメイン内またはその隣接領域に多く見られました。

Micaleら（2014年）は、303人の歌舞伎症候群患者をスクリーニングし、133のKMT2D変異を同定しました。このうち62は新規変異でした。多くのKMT2D切断変異がナンセンス変異依存mRNA分解を通じてmRNAの分解を引き起こし、蛋白質ハプロ不全に寄与することが示されました。

分岐弓異常症候群

Curvertinoら（2020年）は、分岐弓異常、後鼻孔閉鎖、無乳頭症、難聴、甲状腺機能低下症症候群の7家系9患者で、KMT2D遺伝子のエクソン38または39にヘテロ接合性変異を同定しました。これらの変異を持つリコンビナントKMT2DはH3K4三メチル化活性に異常はありませんでしたが、二次構造に変化が認められました。

体細胞変異

Parsonsら（2011年）は、小児髄芽腫の約10%でKMT2D遺伝子の不活性化変異を同定しました。

Morinら（2011年）は、びまん性大細胞型B細胞リンパ腫の32%と濾胞性リンパ腫の89%でKMT2Dの体細胞変異を発見しました。これらの発見は、KMT2Dが様々な血液悪性腫瘍において腫瘍抑制因子として機能していることを示唆しています。

Miyakeら（2013年）の研究により、KMT2D変異を持つ歌舞伎症候群患者の表現型の特徴が明らかになりました。KMT2D切断変異を持つ患者は、原著で報告された歌舞伎症候群患者により典型的な顔貌を示しました。高いアーチ状眉毛、短い第5指、乳児期の筋緊張低下がKMT2D変異患者でより一般的に見られ、KDM6A変異患者との相違が認められました。

一方で、KMT2D変異患者の半数のみが低身長と出生後発育遅延を示したのに対し、KDM6A変異患者では全例に見られました。この違いは、2つの遺伝子が歌舞伎症候群において異なる役割を果たしていることを示唆しています。

Curvertinoら（2020年）の研究では、KMT2D遺伝子のエクソン38-39のミスセンス変異を持つ患者が、従来の歌舞伎症候群とは異なる表現型を示すことが明らかになりました。これらの患者は分岐弓異常、後鼻孔閉鎖、無乳頭症、難聴、甲状腺機能低下症を特徴とする独特の症候群を呈し、歌舞伎症候群の診断基準を満たしませんでした。メチル化プロファイル解析により、これらの患者は歌舞伎症候群やCHARGE症候群とは異なるエピジェネティック特徴を示すことが確認されました。

この発見は、KMT2D変異の位置と種類が表現型の重症度と特徴に大きく影響することを示しており、遺伝子型-表現型相関の重要性を強調しています。特に、機能ドメインの特定部位の変異が、従来知られていた疾患スペクトラムを超えた新たな症候群を引き起こす可能性があることを示唆しています。

KMT2D遺伝子の機能解析において、動物モデルは重要な知見を提供しています。

マウスモデル

Leeら（2013年）は、Mll4（Kmt2d）ノックアウトマウスが胚発生9.5日目に致死となることを発見しました。体節前駆細胞でMll4を条件的に欠失させたマウスは、褐色脂肪組織（BAT）と骨格筋の著明な減少を示し、呼吸機能不全により出生直後に死亡しました。

クロマチン免疫沈降解析により、Mll4が脂肪細胞と筋細胞の分化中に、系列決定転写因子と共に活性エンハンサーに共局在することが示されました。Mll4の欠失により、H3K4のモノおよび二メチル化、H3K27のアセチル化、そしてメディエーター複合体とRNAポリメラーゼIIのエンハンサーへの結合が減少し、細胞特異的遺伝子発現と細胞分化に重篤な欠陥が生じました。

この研究により、MLL4（KMT2D）が哺乳類の主要なH3K4モノおよび二メチルトランスフェラーゼであり、細胞分化中のエンハンサー活性化に必須であることが実証されました。

ゼブラフィッシュモデル

Van Laarhovenら（2015年）は、モルフォリノアンチセンスオリゴヌクレオチドを用いてゼブラフィッシュのKmt2dをノックダウンし、受精後5日目に重篤な頭蓋顔面欠損を観察しました。これには、鰓弓3-7の完全欠失、メッケル軟骨と角舌骨軟骨の重篤な低形成が含まれていました。骨性のクレイトゥラムと鰓蓋も一般的に欠損しており、存在する場合も不完全な形成や裂隙を示していました。

受精後48時間のKmt2dモルファントは、心房および/または心室の異常な発達と心筋壁の顕著な膨隆を示しました。さらに、心臓ループ形成の進行が野生型と比較して有意に低下していました。

脳の断面積は著明に減少し、視床下部、視蓋、中脳被蓋の細胞層厚の減少が認められました。神経前駆細胞（NPC）マーカーの解析により、モルファントのNPCは前脳と中脳での分化能力に欠陥があることが示されました。興味深いことに、この分化欠陥は後脳では観察されませんでした。

これらの動物モデルの研究により、KMT2Dが胚発生、特に頭蓋顔面発生、心臓発生、神経発生において極めて重要な役割を果たしていることが明確に実証されました。

アレリック・バリアント（11例選択）：Clinvarはこちら

www.omim.org/entry/602113