NOTCH3遺伝子：CADASIL・脳血管疾患・脂肪萎縮症の原因遺伝子｜ミネルバクリニック

NOTCH, DROSOPHILA, HOMOLOG OF, 3
CADASIL
CASIL
IMF2
LGDCAD
Notch homolog 3

NOTCH3遺伝子は、細胞間シグナル伝達において中心的な役割を果たす受容体タンパク質をコードする重要な遺伝子です。この遺伝子は、進化的に高度に保存されたNOTCHシグナル伝達経路のメンバーであり、脊椎動物の多くの臓器の発生と成熟において多面的な効果を持ちます。

NOTCH3タンパク質は、2,321アミノ酸からなる単一通過型膜貫通受容体で、細胞外ドメインに34個の連続した上皮成長因子様（EGF様）反復配列を持つ大型の構造を有しています。リガンド結合後、細胞内ドメインが核内に移行し、転写因子を活性化することで遺伝子発現を制御します。

特に重要な点として、NOTCH3は小動脈血管の血管平滑筋細胞とペリサイトにおいて主に発現しています。また、脂肪細胞でも発現が確認されており、これらの細胞における血管壁の正常な機能維持と脂肪組織の代謝に不可欠です。

NOTCH3遺伝子の変異は、部位と種類によって異なる病態を引き起こします。細胞外ドメインのEGF様反復配列におけるシステイン残基に影響する変異は、CADASIL（皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体優性脳動脈症）を引き起こし、若年性脳卒中と血管性認知症の原因となります。一方、へテロ二量体化ドメインの変異は家族性部分性脂肪萎縮症を、最終エクソンの切断変異は側方髄膜瘤症候群を引き起こします。

Cerebral arteriopathy, autosomal dominant, with subcortical infarcts and leukoencephalopathy 1　皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体優性脳動脈症1型（CADASIL1） 125310　AD, AR　3　

Cerebral arteriopathy, autosomal recessive, with subcortical infarcts and leukoencephalopathy 1　皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体劣性脳動脈症1型（CARASIL1） 621295　AR　3　

Lateral meningocele syndrome　側方髄膜瘤症候群 130720　AD　3　

Myofibromatosis, infantile 2　乳児型筋線維腫症2型 615293　AD　3　

Lipodystrophy, familial partial, type 1　家族性部分性脂肪萎縮症1型 608600　AD　3　

1996年、Joutelらは、CADASIL（皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体優性脳動脈症）の原因遺伝子を探索する過程で、NOTCH3遺伝子を同定しました。研究チームは、染色体19番短腕（19p13.2-p13.1）上の約800kbの領域にCADASILの責任遺伝子座を絞り込み、YACおよびBACコンティグを構築しました。

直接cDNA選択法により同定された候補転写産物の中から、マウスNotch3遺伝子の5’コード領域と強い相同性を示す配列が発見されました。ヒトNOTCH3遺伝子の5,615bpの連続コード配列を組み立てた結果、マウスタンパク質と90%の同一性を示すことが明らかになりました。

Joutelら（2000年）の研究では、NOTCH3の発現が血管平滑筋細胞の細胞質膜に限局しており、顆粒状好オスミウム物質（GOM）の近傍に存在することが示されました。NOTCH3は、タンパク質分解により210kDの細胞外断片と97kDの細胞内断片に切断されることが明らかになりました。CADASIL患者の脳では、210kDのNOTCH3切断産物の蓄積が認められました。

Ezrattyら（2011年）のマウス胚（胚齢15.5日）の表皮を用いた免疫蛍光解析により、Notch3が分化した基底上層角化細胞の一次繊毛全長に沿って発現していることが示されました。プロセシングされたNotch3細胞内ドメインは、繊毛を持つ基底上層細胞の核にも局在していました。

NOTCH3遺伝子がコードする2,321アミノ酸のタンパク質は、細胞外ドメインに34個の連続した上皮成長因子様（EGF様）反復配列を含む単一通過型膜貫通受容体です。

Joutelら（1996年）は、利用可能なゲノム配列をcDNAコンティグにアラインメントすることにより、NOTCH3遺伝子に少なくとも29個のエクソンが存在することを確認しました。

Joutelら（2001年）の報告では、NOTCH3遺伝子は33個のエクソンから構成されることが明らかにされました。この構造情報は、遺伝子変異の解析や病態理解において重要な基盤となっています。

Larssonら（1994年）は、体細胞雑種解析とFISH法を用いて、NOTCH2（600275）およびNOTCH3遺伝子をそれぞれ1p13-p11および19p13.2-p13.1にマッピングしました。これらの領域は、いずれも腫瘍関連転座に関与する部位として知られています。

Gaoら（1998年）は、マウスNotch3遺伝子を染色体17番にマッピングしました。この比較ゲノム情報は、進化的保存性と遺伝子機能の理解に寄与しています。

現在のゲノム座標（GRCh38）では、NOTCH3遺伝子は19番染色体短腕13.12領域（19:15,159,038-15,200,995）に位置することが確認されています。

NOTCH3遺伝子は、Notchシグナル伝達経路の重要な構成要素として、多様な生物学的機能を担っています。

細胞運命決定における役割

Joutelら（1996年）は、Notchがショウジョウバエの発生における細胞運命決定において重要な役割を果たすことを指摘しました。Rebayら（1993年）の解析に基づくと、Notchは異なる機能ドメインを持つ受容体として機能し、細胞内ドメインが完全なタンパク質のシグナル伝達活性を担い、細胞外ドメインがリガンド結合と調節活性を持つことが示唆されています。

神経系における機能

Tanigakiら（2001年）は、活性化されたNOTCH1およびNOTCH3が、ラット成体海馬由来の多能性前駆細胞からアストログリアへの分化を促進することを示しました。Notchの一過性の活性化により、成体海馬由来前駆細胞の不可逆的なアストログリアへの分化誘導が可能であることが明らかになりました。

重要な点として、NotchによるアストログリアL誘導は、毛様体神経栄養因子（CNTF）によるアストログリア誘導の主要な転写制御因子であるSTAT3（102582）とは独立していました。この発見は、Notchが中枢神経系の多能性前駆細胞において、CNTF非依存性のアストログリア分化指示シグナルを提供することを示唆しています。

肺血管系における機能

Liら（2009年）は、ヒト肺高血圧症が小肺動脈平滑筋細胞におけるNOTCH3の過剰発現を特徴とし、疾患の重症度がヒトとげっ歯類の両方で肺のNOTCH3タンパク質量と相関することを示しました。

Notch3ノックアウトマウスは低酸素刺激に反応して肺高血圧症を発症せず、DAPT（ガンマセクレターゼ阻害剤）による治療により、マウスにおいて肺高血圧症と右室肥大の両方が改善されました。この研究により、NOTCH3受容体シグナル伝達からHES5タンパク質（607348）を経て平滑筋細胞の増殖と未分化平滑筋細胞表現型へのシフトに至る機構的連鎖が明らかになりました。

脂肪細胞分化における役割

Nuedaら（2018年）は、4つのNotch受容体のいずれの過剰発現も3T3-L1前駆脂肪細胞の脂肪形成を促進することを発見しました。さらなる解析により、Dlk1（176290）とDlk2（621120）が4つすべてのNotch受容体の活性を異なる程度で阻害することが示されました。

Notch1の過剰発現は3T3-L1細胞の褐色脂肪細胞様表現型への分化を刺激する一方、Notch2、Notch3、またはNotch4（164951）の過剰発現、あるいはDlk1またはDlk2の過剰発現は、白色脂肪細胞様表現型への分化を促進しました。NotchおよびDlk遺伝子間には、それらの発現制御において複雑なフィードバック機構が存在することが観察されました。

血管発生と糖尿病性血管症

Wimmerら（2019年）は、多能性幹細胞から自己組織化する3次元ヒト血管オルガノイドの開発を報告しました。これらのオルガノイドは、内皮細胞と基底膜に包まれた毛細血管網に自己組織化するペリサイトを含んでいます。

血管オルガノイドを高血糖と炎症性サイトカインに曝露すると、血管基底膜の肥厚が誘導されました。糖尿病環境下でマウスに移植されたヒト血管も、糖尿病患者に見られる微小血管変化を模倣しました。DLL4（605185）とNOTCH3が、ヒト血管における糖尿病性血管症の主要な駆動因子として同定されました。

皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体優性脳動脈症1型（CADASIL1）

CADASIL1（125310）に関連するNOTCH3遺伝子変異は、NOTCH3受容体の細胞外ドメインを構成する34個のEGF様反復配列（EGFR）全体に分布しています。ほとんどはミスセンス変異で、これらのEGFR内のシステイン残基の喪失または獲得をもたらします。変異の大部分はEGFR2-5に局在しています（Joutelら、2004年）。

Joutelら（1996年）は、CADASIL患者58家系のパネルをスクリーニングし、NOTCH3遺伝子の14エクソン中の7エクソンにおいて11の立体構造変異体を検出しました。このうち10変異体が14家系の患者に観察され、200対照染色体には認められませんでした。各変異は塩基置換によるアミノ酸変化を引き起こすことが配列決定により示されました。

Joutelら（1997年）は、CADASIL患者50例のNOTCH3全コード配列をSSCP、ヘテロ二重鎖、配列解析によりスクリーニングし、45例において細胞外ドメインのEGF様反復配列内に高度にステレオタイプ化されたミスセンス変異を検出しました。最初の5個のEGF様反復配列をコードする2つのエクソンに変異が集中しており、32例に認められました。すべての変異がシステイン残基の喪失または獲得をもたらし、特定のEGFドメイン内に不対のシステイン残基が生じます。

Tuominenら（2001年）は、フィンランドの血族結婚から生まれた54歳のCADASIL1患者において、NOTCH3遺伝子のホモ接合性R133C変異（600276.0008）を同定しました。彼の2人の息子は両方とも変異のヘテロ接合体で、片頭痛と軽度の白質異常を呈していました。ホモ接合患者の表現型はCADASILの臨床スペクトラム内にありましたが、ヘテロ接合患者のほとんどと比較して重症でした。

Ruttenら（2020年）は、UKバイオバンク（50,000人）および認知的に健常な高齢者コホート（751人）のエクソームおよびゲノム配列データを調査し、一般集団におけるNOTCH3遺伝子のシステイン改変変異を同定しました。108人（1000人あたり2.2人、平均年齢64.9歳）が同定され、そのうち75%がCADASIL患者で以前に報告された変異を持っていました。

103例において、システイン改変変異はEGFRドメイン7から34に位置していました。これらの個人は、対照群と比較してより多くの白質高信号病変を示しましたが、CADASIL患者と比較すると少ない病変でした。約半数の未発症個人は70歳まで神経画像異常を認めず、脳卒中の増加も認められませんでした。この研究により、CADASILはNOTCH3関連小血管疾患の重症かつ稀な端であり、システイン改変NOTCH3変異を持つ大部分の個人はより軽症で発症が遅いことが結論づけられました。

皮質下梗塞と白質脳症を伴う常染色体劣性脳動脈症1型（CARASIL1）

Pippucciら（2015年）は、血族結婚から生まれた24歳男性のCARASIL1（621295）患者において、NOTCH3遺伝子のホモ接合性ナンセンス変異（C966X; 600276.0020）を同定しました。全エクソーム解析により発見された変異は、臨床的に未発症の両親がヘテロ接合体でした。患者骨格筋細胞の転写産物解析により、NOTCH3の発現低下と一部のNOTCH3標的遺伝子の発現異常が示されました。

Greiseneggerら（2021年）は、血族結婚から生まれた2姉妹のCARASIL1患者において、NOTCH3遺伝子のホモ接合性ナンセンス変異（R735X; 600276.0021）を同定しました。未発症の母親はヘテロ接合体でした。

Iruzubietaら（2024年）は、NOTCH3遺伝子の両アレル性推定機能喪失（LOF）変異を伴う早期発症血管性白質脳症の大規模コホートを報告しました。このコホートには、新規に同定された10家系18患者と、以前に報告された5家系8患者が含まれました。家系は中東、ヨーロッパ、メキシコ、モロッコなど様々な民族的起源を持ち、血族結婚率が高い（88%）特徴がありました。

側方髄膜瘤症候群

Grippら（2015年）は、側方髄膜瘤症候群（LMNS; 130720）の無関係な6患者において、NOTCH3遺伝子のエクソン33に5つの異なるde novoヘテロ接合性切断変異（600276.0013-600276.0017）を同定しました。変異は全エクソーム解析により発見され、サンガー法で確認されました。

1患者の細胞研究により、NOTCH3タンパク質の発現低下と切断転写産物の発現が示されました。これらの変異から予測される切断NOTCH3タンパク質は、機能的なPESTドメインを欠くため、半減期が延長され、シグナル伝達効果が増加する可能性があります。

乳児型筋線維腫症2型

Martignelliら（2013年）は、常染色体優性乳児型筋線維腫症2型（IMF2; 615293）の罹患家系メンバーにおいて、NOTCH3遺伝子のヘテロ接合性変異（L1519P; 600276.0012）を同定しました。エクソーム解析とサンガー法により確認された変異は、疾患と共分離し、複数の大規模対照データベースには存在しませんでした。機能解析は実施されませんでしたが、著者らは変異がNOTCH3の過剰活性化をもたらすと予測しました。

家族性部分性脂肪萎縮症1型

Gargら（2025年）は、家族性部分性脂肪萎縮症1型（FPLD1; 608600）の女性と彼女の3人の娘（家系FPL143）において、NOTCH3遺伝子のヘテロ二量体化（HD）ドメイン内のヘテロ接合性ミスセンス変異（D1603Y; 600276.0028）を同定しました。変異は家系内の罹患女性と共分離し、1人の未発症男性家系員も保有していました。

全エクソーム解析データから、FPL患者222例の解析により、HDドメインの保存残基に影響を与える2つの追加のヘテロ接合性NOTCH3ミスセンス変異が同定されました：家系FPL414のC1600Y（600276.0029）と家系FPL340のQ1552P。これらの変異はいずれもgnomAD（v4.0.0）には認められませんでした。

3つすべてのNOTCH3変異は、細胞外領域の負の調節領域（NRR）内のHDドメインの高度に保存された残基に影響を与えていました。in silicoモデリングに基づき、著者らは変異がHD領域を不安定化し、S2部位でのタンパク質分解切断の増加を可能にすることで、リガンド非依存性シグナル伝達と機能獲得効果をもたらすと示唆しました。

家系FPL143とFPL414の患者線維芽細胞の転写産物解析により、細胞周期進行、DNA複製、DNAメチル化、転写に関与する遺伝子の広範な下方制御と、対照群と比較して細胞老化に関与する遺伝子の活性化が示されました。患者細胞はまた、NOTCH3発現の増加、特にNOTCH細胞内ドメイン（NICD）の発現増加を示しました。

NOTCH3遺伝子の変異は、変異の位置と種類によって明確に異なる表現型を引き起こします。これらの遺伝子型-表現型相関は、NOTCH3タンパク質の機能ドメインの理解と臨床診断において重要です。

CADASIL1の遺伝子型-表現型相関

CADASIL1を引き起こすNOTCH3変異は、主に細胞外ドメインのEGF様反復配列（EGFr）におけるシステイン残基に影響するミスセンス変異です。これらの変異はタンパク質の誤った折り畳みを引き起こし、血管平滑筋細胞周囲に顆粒状好オスミウム物質（GOM）の蓄積をもたらすと仮説されています。この仮説は、毒性獲得機能効果を示唆しています。

注目すべきは、システイン残基に影響する両アレル性ミスセンス変異を持つ患者も同定されており、通常はヘテロ接合変異を持つ患者と同様の表現型を示すことです（一部の患者ではわずかに重症な表現型も報告されています）。これらの知見は、ヘテロ接合患者とホモ接合（または複合ヘテロ接合）患者の表現型が区別できないという常染色体優性の古典的定義と一致しています（Zlotogoraら、1997年、Tuominenら、2001年、Soongら、2013年、Ragnoら、2013年、Iruzubietaら、2024年、Gargら、2025年）。

CADASIL1内でも、EGFr1-6に影響する変異とEGFr7-34に影響する変異との間で表現型に差異があります。Ruttenら（2019年）は、664人のCADASIL1患者を対象とした研究で、EGFr1-6に病原性変異を持つ患者は、EGFr7-34に病原性変異を持つ患者と比較して、脳卒中発症が12年早く、全生存率が低く、脳画像上の高信号白質病変の量が多いことを発見しました。さらに、EGFr7-34に影響する変異は、一般集団でより高頻度に見られました。

CADASIL1患者では、同じ変異を持つ患者間でも家族内および家族間で表現型の多様性が認められます。この表現型の多様性は、不完全浸透率や追加の遺伝的・非遺伝的要因によるものと考えられています。

機能ドメイン特異的な表現型

側方髄膜瘤症候群（LMS; 130720）は、ANKドメインの下流でC末端近傍のNOTCH3遺伝子エクソン33におけるde novoヘテロ接合性フレームシフト変異と関連しています。これらの変異は、ナンセンス変異依存mRNA分解を回避し、PESTドメインを欠く切断タンパク質を産生すると考えられています。PESTドメインの欠失により、NOTCH3細胞内ドメインの過剰活性化が誘導されると推測されています。

CARASIL1（621295）は、NOTCH3遺伝子全体の様々なドメインに位置する両アレル性機能喪失（LOF）変異により引き起こされます。LOF NOTCH3変異のヘテロ接合保因者は臨床的に未発症です。特定の変異と臨床重症度との間に明確な相関は認められず、家族内多様性も存在します（Iruzubietaら、2024年）。

家族性部分性脂肪萎縮症1型（FPLD1; 608600）は、タンパク質の負の調節領域（NRR）内のヘテロ二量体化（HD）ドメインに位置する機能獲得型ヘテロ接合変異により引き起こされます。この領域の破壊により、S2タンパク質分解部位が露出し、リガンド非依存性NOTCH3シグナル伝達が生じ、下流遺伝子発現に影響を与え、特に脂肪細胞における早期細胞老化を活性化すると考えられています（Iruzubietaら、2024年、Gargら、2025年）。

機能解析と病態メカニズム

Joutelら（2004年）は、CADASIL変異がNOTCH3活性に与える影響を調査しました。リガンド結合ドメインEGFR10-11に位置するC428S変異（600276.0011）と、EGFR13に位置するC542Y変異を含む5つの自然発生変異を研究しました。C428SとC542Y変異受容体は、野生型Notch3と比較して、Jagged1誘導性のRBPJK応答性ルシフェラーゼレポーターの転写活性が有意に低下していました。

これらの2つの変異体のシグナル伝達活性の障害は、異なるメカニズムを介して生じていました：C428S変異体はJagged1結合能を失っていましたが、C542Yは結合能を保持しているものの細胞表面への提示が障害されていました。したがって、これらの変異は機能喪失をもたらしました。対照的に、R90C、C212S、R1006C変異体はJagged1結合能を保持し、正常レベルのシグナル伝達活性と関連していました。

Monet-Leprêtreら（2009年）は、C428S変異がトランスジェニックマウスにおいて優性阻害効果を発揮し、共発現時に野生型Notch3の機能を拮抗することを発見しました。99の異なるNOTCH3変異を持つ350のCADASIL家系の解析により、350家系中14家系（4%）にEGFR10またはEGFR11領域の11（11%）の異なる変異が見出されました。

リガンド結合ドメインに変異を持つ10患者（C428S変異を持つ6患者を含む）のさらなるレビューにより、これらの患者はより軽症な表現型を持つことが示唆され、認知機能がより良好に保たれていました。これらの患者は、EGFR2-5領域に変異を持つCADASIL患者と比較して、ラクナ梗塞の容積は低い傾向にありましたが、白質高信号の容積は大きい傾向にありました。

マウスモデル

Domengaら（2004年）は、Notch3ノックアウトマウスにおいて、血管平滑筋細胞（VSMC）の生後成熟段階が欠損していることを発見しました。成体Notch3ノックアウトマウスでは、遠位動脈が拡大し、弾性板の蛇行が減少していました。アンジオテンシンIIまたはフェニレフリンに反応して、Notch3ノックアウトマウスは正常な動脈血圧上昇を示しましたが、脳血流反応性と脳血管抵抗が障害されていました。

対照マウスにおける急性誘導性高血圧により引き起こされる脳血流のわずかな増加は、Notch3ノックアウトマウスでは増悪していました。さらに、Domengaら（2004年）は、Notch3がVSMCの動脈仕様に必要であるが、内皮細胞には必要でないことを示しました。これらの結果から、NOTCH3はVSMCの動脈分化と成熟に必要であると結論づけられました。

Arboleda-Velasquezら（2008年）は、成体マウス脳において平滑筋細胞が実質的にNotch3を発現する唯一の細胞であることを発見し、Notch3ノックアウトが虚血負荷に対するマウスの感受性を増加させることを示しました。Notch3ヌルマウスは、野生型マウスと比較して、より大きな虚血性病変、より多くの神経学的欠損、死亡率の増加、より重度の脳血流欠損、より頻繁な自発的傍梗塞脱分極を示しました。

マイクロアレイ解析により600以上の差次的に制御された遺伝子が明らかになり、筋収縮を制御するすべての遺伝子が下方制御されていました。これらの知見は、Notch3が脳血管の構造的・機能的完全性を維持する上で重要な役割を果たしていることを示唆しています。

Eikermann-Haerterら（2011年）は、Notch3遺伝子にCADASIL関連R90C変異を持つトランスジェニックマウスが、野生型マウスと比較して、皮質拡延性抑制（CSD）の閾値が10分の1に低下し、CSDの伝播速度が上昇していることを発見しました。雌マウスは雄マウスよりも低い閾値を示す傾向がありました。

これらの変化はNotch3ヌルマウスではさらに顕著でした。この報告は、CADASIL患者における前兆を伴う片頭痛の頻度増加と一致していました。

Liら（2025年）は、Notch3 R170C変異（ヒトR169C変異、600276.0002に相当）のホモ接合マウスが、脳血管における顆粒状好オスミウム物質の沈着とNOTCH3細胞外ドメイン凝集体の蓄積を示すことを発見しました。グリンパティック流入と流出は、ホモ接合変異マウスとヘテロ接合変異マウスの両方で障害されていました。

R170C変異マウス由来のアストロサイトは、AQP4（600308）の転写低下、アストロサイト終足におけるAQP4タンパク質発現の低下、およびRUNX1（151385）-CMYB（MYB; 189990）-AQP4シグナル伝達経路の下方制御を示しました。変異マウスの脳組織は、老化マーカーの増加、神経細胞死、重度の白質損傷を示し、進行した老化を示唆していました。

変異マウスのアストロサイトにおけるAAV介在性AQP4発現により、老化マーカーの発現が軽減され、グリンパティック活性が改善されました。著者らは、変異R170C Notch3がアストロサイト終足におけるAQP4発現の下方制御を引き起こし、グリンパティック機能を障害し、脳細胞の老化を促進すると仮説を立てました。

アレリック・バリアント（29例選択）：Clinvarはこちら

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