PUS3遺伝子とは？tRNAを整える酵素と、その変化が起こす神経発達症を遺伝専門医が解説

私たちの細胞の中では、DNAの情報がRNAという形に写し取られ、そこからタンパク質が作られています。その主役の一つが、アミノ酸を運ぶ「運び屋」であるtRNA（トランスファーRNA）です。PUS3（ピーユーエスさん）遺伝子は、このtRNAに小さな化学的な目印を付けて、正しく働けるように整える酵素の設計図です。ふだんは意識されることのない、いわば裏方の遺伝子ですが、両親から受け継いだPUS3に変化があると、知的障害・小頭症・てんかんなどを特徴とする神経発達症が起こることがわかっています。この記事では、PUS3遺伝子とは何か、どんな働きをしていて、その変化がなぜ発達に影響するのかを、臨床遺伝学の観点から解説します。

1. PUS3遺伝子とは ─ tRNAを整える裏方の酵素

PUS3遺伝子は、正式名称をpseudouridine synthase 3（シュードウリジン合成酵素3）といい、第11番染色体の長腕、11q24.2という場所に位置しています。この遺伝子から作られるPUS3タンパク質は、細胞の中でtRNA（トランスファーRNA）という分子に、ある化学的な目印を付ける酵素として働きます。

遺伝子の情報がタンパク質になるまでには、DNAの情報をRNAに写し取る「転写」と、そのRNAをもとにアミノ酸をつないでいく「翻訳」という2つの段階があります。tRNAは、この翻訳の場面で欠かせない部品です。ところが、できあがったばかりのtRNAは、そのままでは十分に働けません。多くの場所に化学的な修飾（目印）が加えられて、はじめて安定して正確に機能するようになります。PUS3は、その修飾のうちの一つを担当しています。

PUS3が作り替える相手は、tRNAのアンチコドン・ステムループにある38番目・39番目のウリジンです。ウリジンをシュードウリジン（Ψ）という別の形に変えることで、tRNAの局所的な構造や、遺伝暗号を読み取るときのふるまいが微調整されます[1]。派手な働きではありませんが、翻訳の品質を保つための地道な調整役だと考えると、その大切さが見えてきます。

2. シュードウリジン化（Ψ化）という修飾 ─ 「5番目の塩基」

PUS3の仕事を理解するには、まずシュードウリジン化（Ψ化）という現象を知る必要があります。RNAは、A・U・G・Cという4種類の部品（ヌクレオチド）がつながってできています。シュードウリジン（Ψ、プサイと読みます）は、このうちのウリジン（U）を作り替えた特別な形で、あまりに広く存在するため「5番目のヌクレオシド」とも呼ばれてきました。

こうしたRNAへの化学修飾をまとめて研究する分野をエピトランスクリプトミクスと呼びます。RNAには、シュードウリジン化のほかにもm6A（メチルアデノシン）など170種類以上の修飾が知られており、Ψ化はその中でも最も豊富なものの一つです。PUS3は、この豊富な修飾のうち、tRNAのアンチコドン近くのΨ38／Ψ39を専門に担当する酵素、というわけです。

では、この目印は何の役に立っているのでしょうか。酵母（イースト）を使った古典的な研究では、アンチコドン付近のΨ38／Ψ39が失われると、遺伝暗号を読み取る効率（リコーディング効率）が下がることが示されています[6]。さらに、特定のtRNAでは、他の修飾との組み合わせによって、温度に依存した機能の乱れが強まることも報告されています[7]。つまりPUS3が付ける目印は、単なる化学的な飾りではなく、翻訳の正確さと効率を保つための品質管理に関わっていると理解できます。

3. PUS3という酵素のかたちと働き

PUS3は、tRNAの38番・39番のウリジンをΨに作り替える反応（EC 5.4.99.45）を担う酵素です。この反応は、他の多くの酵素と違って、ATPやビタミン由来の補酵素を必要としません。塩基のつなぎ目を組み替えるだけの反応なので、外から材料を持ち込む必要がないのです。この点は、PUS3が単独で働ける「スタンドアロン型」のシュードウリジン合成酵素であることと合っています[1]。

2024年には、ヒトのPUS3がtRNAをどのように認識しているのかを、原子レベルで示した研究が発表されました[1]。この研究では、単粒子クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）という手法で、PUS3がtRNAと結びついた瞬間の立体構造がとらえられています。最も分解能の高い構造は2.66オングストロームという細かさで、PUS3がどのようにtRNAを抱え込むのかが、はっきりと見えるようになりました。ここで大切なのは、現在確立しているヒトPUS3の実験構造はX線結晶構造ではなく、クライオ電子顕微鏡の構造だという点です。文献を調べるときには、この違いに注意が必要です。

この研究が明らかにした最も重要な仕組みは、PUS3が左右対称の二量体（にりょうたい：同じタンパク質が2つ組んだ複合体）として、tRNAを一つの認識装置のように読み取っている、ということです[1]。片方のサブユニットが標的のウリジンを活性中心へ導き、もう片方がtRNAの遠い部分を認識します。この幾何学的な「物差し」のおかげで、数あるウリジンの中から、ちょうど38番・39番の位置を正確に選び出せるのです。しくみを図で整理すると、次のようになります。

さらにこの研究では、成熟したtRNAだけでなく、まだ加工途中の前駆体tRNA（pre-tRNA）にもPUS3が結合できることが示されました[1]。これは、PUS3による修飾の少なくとも一部が、tRNAが作られる比較的早い段階で起きている可能性を示しています。細胞内でのPUS3タンパク質は、主に核の中（核質）に存在し、加えて細胞質にも見られます。これは、核で作られる途中のpre-tRNAと、細胞質で働く成熟tRNAの両方に近づける位置にいることと合っています。

PUS3の触媒の中心は、タンパク質のおよそ67番目から329番目にかけての「シュードウリジン合成酵素ドメイン」と呼ばれる領域にあります。ただし、tRNAを正しく認識したり、二量体を組んだり、タンパク質の形を安定に保ったりする働きは、この中心部分だけでなく、その周りの領域も担っています。そのため、ある変異が病気につながるかどうかを考えるときには、「触媒の中心部分に入っているかどうか」だけでなく、tRNAの認識や二量体形成、タンパク質の安定性に関わる周辺の領域への影響も、あわせて見ていく必要があります。この視点は、後の章で紹介するミスセンス変異の理解にもつながります。

PUS3のような酵素は、生き物の進化の中で古くから保たれてきました。ヒトのPUS3と、マウス、ショウジョウバエ、酵母（Deg1と呼ばれます）、植物、さらには細菌や古細菌のTruAというタンパク質まで、触媒の中心部分や重要なRNA結合の要素がよく似ています。実際、酵母のDeg1／Pus3がtRNAのΨ38／Ψ39を作る酵素であることは1998年に、マウスのPus3が同じ働きを持つことは2000年に、それぞれ実験で示されています。触媒活性を捨てずに長く保たれてきたという事実そのものが、この酵素がいかに基本的で大切な役割を担っているかを物語っています。

4. PUS3はどこで働いているのか ─ 脳だけの遺伝子ではない

PUS3関連の病気が神経に強く現れることから、「PUS3は脳で特別にたくさん働いている遺伝子なのだろう」と考えたくなります。ところが実際は、そうではありません。ヒトの正常な組織を調べたデータベース（Human Protein AtlasやGTEx）によると、PUS3のRNAは特定の組織にかたよらず、全身に広く、比較的低いレベルで発現しています。脳の中の各領域を比べても、特にどこかに集中しているわけではありません。

むしろ、細胞の種類ごとに見ると、肝臓の細胞（肝細胞）や膵臓の一部の細胞で相対的に高めに検出されます。タンパク質のレベルでも、リンパ組織や卵管の細胞、卵巣の顆粒膜細胞、肝細胞、卵母細胞などで比較的多いと報告されています。つまり、PUS3欠損が主に重い神経発達の症状を引き起こす理由を、「脳だけにたくさんある遺伝子だから」という単純な説明で片づけることはできないのです。この「なぜ神経に症状が偏るのか」という問いは、後の章であらためて取り上げます。

5. PUS3に関連する病気 ─ 常染色体劣性の神経発達症

現在わかっているPUS3関連の病気は、原則として両アレル性（りょうアレルせい）の変異による、常染色体劣性（潜性）の神経発達症です。両アレル性とは、父由来・母由来の2本の遺伝子の両方に変化がある状態を指します。ホモ接合型（両方が同じ変化）と複合ヘテロ接合型（2本それぞれ別の変化）のどちらも報告されています。最初のヒトの症例が、血族結婚のある家系から見つかったこともあり、当初は同じ変化を2本持つホモ接合型の報告が中心でしたが、その後、それぞれ別の変化を持つ複合ヘテロ接合型の患者さんも複数報告され、変異の組み合わせは多様であることがわかってきました。一方で、片方のPUS3にだけ変化を持つ人（ヘテロ接合の保因者）が、それだけで発症したという確立した報告は、これまでのところ主要な文献からは見あたりません。つまり、現在の臨床的な証拠は、劣性遺伝のモデルを強く支持しています。この病気は、MRT55、PUS3関連神経発達症、NEDMIGS（小頭症と灰色強膜を伴う神経発達症）など、いくつかの名前で呼ばれてきました。国際的な遺伝性疾患のデータベースであるOMIMでは、NEDMIGS（#617051）として登録されています[5]。

2021年に発表された多施設共同研究では、新たな7例と既報の14例、合わせて21例がまとめられ、PUS3関連の病気の臨床像が最も体系的に整理されました[3]。それによると、中心となる症状は、全般的な発達の遅れ・知的障害・小頭症・筋緊張低下・てんかんです。加えて、成長の遅れ、言葉や運動の発達の遅れ、斜視、さまざまな顔つきの特徴なども報告されています。

さらに近年は、この病気の症状の幅（表現型スペクトラム）が広いこともわかってきました。たとえば、腎臓の障害（タンパク尿・ネフローゼ症候群）や、脳の白質の変化（白質脳症）を伴った例も報告されており、初期に考えられていたよりも多様な現れ方をすることが示されています[8]。一方で、てんかんや脳梁の異常を伴わず、比較的安定した経過をたどった例も報告されており[9]、同じPUS3の変化でも、症状の重さや現れ方には個人差があると考えられます。

6. PUS3のおもな変異と、その意味

ヒトのPUS3が病気に関わることが最初に確定したのは、2016年のことです。血族結婚のある家系で、autozygosity mapping（自己接合性マッピング）とエクソーム解析が行われ、p.Arg435*というナンセンス変異が同定されました[2]。この研究では、患者さん由来の細胞でtRNAのΨ化が実際に低下していることも確かめられ、「遺伝子の変化」と「生化学的な異常」が結びつけられました。これが、PUS3とヒトの認知・神経発達を結ぶ最初の決定的な一歩になりました。

特に重要な教訓を与えてくれたのが、2022年に詳しく解析されたp.Tyr71Cys（Y71C）というミスセンス変異です[4]。精製したタンパク質だけを試験管の中で調べると、Y71CはtRNAへの結合もΨ化の反応も、ほとんど壊れていないように見えます。ところが、実際の体温や細胞の環境では、このタンパク質は不安定で、患者さんの細胞ではPUS3タンパク質そのものがほとんど失われ、結果としてΨ化が低下していました。同じ研究で調べられたp.Ile299Thr（I299T）では、タンパク質が凝集（かたまってしまうこと）を起こすことが主な原因でした[4]。

2024年の研究では、こうした患者さん由来の変異や、構造をもとに設計した変異を横断的に測定し、病的な変異を大きく「触媒活性そのものを壊すもの」「tRNAへの結合を壊すもの」「タンパク質の安定性を壊すもの」という、異なる分子メカニズムに分けられることが示されました[1]。同じ「PUS3が働かなくなる」という結果でも、そこに至る道すじはいくつもある、ということです。

こうしたPUS3の研究では、一つの手法だけで病原性を判断できないことがよくわかります。研究者は、遺伝学的に家系の中で変異と症状が一致するか（分離）を確かめ、細胞の中のPUS3タンパク質の量を測り、酵素としての反応を試験管で調べ、tRNAのどこにΨがあるかを地図化し、さらに立体構造まで解析する——といった複数のアプローチを組み合わせています。たとえば、化学試薬CMCを使うとΨの位置を選択的に読み出すことができ、これがΨの地図化の基盤になっています。タンパク質がtRNAと結合する強さや、熱に対する安定性、かたまりやすさ（凝集）は、それぞれ別の実験で測られます。「Ψが減っている」という一つの結果が見えても、その原因が触媒の欠陥なのか、結合の欠陥なのか、タンパク質量の低下なのかは、別々の実験で切り分ける必要があるのです。2022年と2024年の研究は、この地道な切り分けを実践して見せた好例です[1][4]。

なお、変異情報のデータベース（ClinVarなど）でPUS3を検索すると多数の記録が返りますが、その中にはPUS3を含む大きな染色体の欠失・重複といった、複数の遺伝子にまたがる変化も混ざっています。そのため、検索でヒットした件数を、そのまま「PUS3単独の病的変異の数」と考えるのは正確ではありません。臨床の場面では、変異ごとに一つずつ、丁寧に評価していくことが求められます。

7. なぜ全身に発現するのに、脳に症状が偏るのか

ここまで見てきたように、PUS3は脳だけの遺伝子ではなく、全身に広く発現しています。それにもかかわらず、両アレル性の変異では小頭症・知的障害・てんかんといった神経の症状が前面に出ます。この「神経選択的な弱さ（脆弱性）」がなぜ生じるのかは、PUS3研究における最も大きな未解決の問題の一つです[1]。

考えられている仮説はいくつかあります。発達の途中にある神経細胞は、翻訳の正確さや、特定のtRNAの量、タンパク質の品質管理に、とりわけ敏感なのかもしれません。あるいは、脳の発生に関わる特定のタンパク質群が、たまたまΨ38／Ψ39に依存するtRNAを多く使って作られているのかもしれません。いずれもまだ検証が必要な段階ですが、tRNA修飾の異常が、なぜ脳という器官に強く響くのかを解き明かす鍵になると考えられています。

この問いに答えるうえで不足しているのが、発生の時系列に沿ったデータです。現在よく使われる正常組織のデータベースは、主に成人の組織を対象にしています。PUS3関連の病気が、生まれつき、あるいは早期に発症する神経発達症であることは、発生の時期にPUS3が必要とされていることを強く示唆します。しかし、それは「胎児の脳で特別に多く発現している」という直接の証拠とは異なります。胎児期の脳や、神経のもとになる細胞（神経前駆細胞）、成熟した神経細胞を通して、PUS3タンパク質の量とΨ38／Ψ39の量がどう対応しているのかを、体系的に調べた研究は、まだ限られています。患者さん由来のiPS細胞から神経細胞やオルガノイド（試験管内で作る小さな脳の模型）を作り、変異を修復した細胞と比べる研究は、この病気の仕組みを直接検証する研究手法の一つと考えられます。これは現在のデータから導かれる、研究上の優先課題です。

PUS3の病気で確立している因果関係を整理すると、次のような流れになります。この流れのうち、最初の数段階（PUS3の機能低下 → Ψ38／Ψ39の低下）までは、患者さんの細胞や生化学、構造解析によってかなり強く裏づけられています。一方、最後の「どのtRNAのどんな変化が、最終的に神経の症状を生むのか」は、依然として研究の中心的な課題です[1]。

もう一つ、PUS3研究で長く議論されてきたのが、PUS3がmRNA（メッセンジャーRNA）も修飾するのかという問題です。以前の一部の研究では、PUS3に依存すると解釈されたmRNAの候補が報告されていました。しかし2024年に、PUS3を欠損させたヒト細胞（HEK293）を使ってRNA全体のΨを地図化した研究では、これらの候補を十分に再現できず、「ヒトPUS3がmRNAを修飾するという証拠は得られなかった」と結論づけられました[1]。現時点では、ヒトPUS3の確かな生理的な標的はtRNAが中心とみなすのが最も慎重な見方です。

8. 遺伝形式と検査 ─ 常染色体劣性という受け継がれ方

PUS3関連の病気は、常染色体潜性（劣性）遺伝という形式で受け継がれます。私たちは、多くの遺伝子を父由来・母由来の2本1組で持っています。常染色体劣性の病気では、この2本の両方に変化があってはじめて発症します。片方だけに変化を持つ人は保因者（キャリア）と呼ばれ、通常は症状が出ません。

診断は、次世代シーケンサー（NGS）を用いた遺伝子解析によって、PUS3の両アレル性変異を同定することで確定されます。PUS3は、てんかんや発達の症状に関わる多数の遺伝子を一度に調べる検査パネルにも含まれています。たとえば当院で扱うてんかん包括的遺伝子検査では、けいれんに関わる多くの遺伝子とともにPUS3も対象に含まれています。小頭症や発達の遅れが前景に立つ場合には、小頭症NGS遺伝子パネル検査や、発達障害・知的障害の遺伝子検査といった、症状に応じた検査が検討されることもあります。どの検査が適しているかは、症状や家族歴によって異なります。

当院では、遺伝子や染色体に関わる検査の前後で、臨床遺伝専門医による遺伝カウンセリングを行っています。話し合う内容は、検査で何が分かり何が分からないのか、見つかった変化がご本人やご家族にとってどういう意味を持つのか、そしてどのような選択肢があるのか、といった点です。PUS3のような常染色体劣性の病気では、ご家族の中での受け継がれ方や、次のお子さんに関わる確率の考え方も、重要な話題になります。当院では、こうした遺伝情報を整理し、正確な診断に基づいて利用可能な選択肢を検討するための遺伝カウンセリングを行っています。

9. よくある誤解

まとめ ─ 小さな目印が支える、脳の発達

PUS3遺伝子は、tRNAのアンチコドン近くにシュードウリジン（Ψ）という目印を付ける、地味だけれども欠かせない酵素の設計図です。ATPも補酵素も使わず、左右対称の二量体としてtRNAを正確に読み取り、38番・39番のウリジンをΨに作り替えます[1]。この小さな修飾が、翻訳という生命の基本作業の品質を陰で支えています。

両親からそれぞれ変化したPUS3を受け継ぐと、tRNAの修飾が不足し、発達の遅れ・知的障害・小頭症・てんかんを中心とする、まれな常染色体劣性の神経発達症が起こります[2][3]。全身に発現しているのに神経に症状が偏る理由や、どのtRNAの変化が症状を生むのかは、まだ完全には解明されていません。今後、患者さん由来のiPS細胞やオルガノイドを使った研究が、この謎に迫っていくと期待されています。PUS3は、「小さな目印」の積み重ねが、脳という器官の発達をいかに繊細に支えているかを、私たちに教えてくれる遺伝子です。

よくある質問（FAQ）

参考文献

• [1] Lin TY, et al. The molecular basis of tRNA selectivity by human pseudouridine synthase 3. Mol Cell. 2024;84(13):2472-2489.e8. doi:10.1016/j.molcel.2024.06.013. [PubMed 38996458]
• [2] Shaheen R, et al. A homozygous truncating mutation in PUS3 expands the role of tRNA modification in normal cognition. Hum Genet. 2016;135(7):707-713. doi:10.1007/s00439-016-1665-7. [PubMed 27055666]
• [3] Nøstvik M, et al. Clinical and molecular delineation of PUS3-associated neurodevelopmental disorders. Clin Genet. 2021;100(5):628-633. doi:10.1111/cge.14051. [PubMed 34415064]
• [4] Lin TY, et al. Destabilization of mutated human PUS3 protein causes intellectual disability. Hum Mutat. 2022;43(12):2063-2078. doi:10.1002/humu.24471. [PubMed 36125428]
• [5] NEURODEVELOPMENTAL DISORDER WITH MICROCEPHALY AND GRAY SCLERAE; NEDMIGS. OMIM. [OMIM #617051]
• [6] Lecointe F, et al. Lack of pseudouridine 38/39 in the anticodon arm of yeast cytoplasmic tRNA decreases in vivo recoding efficiency. J Biol Chem. 2002;277(34):30445-30453. doi:10.1074/jbc.M203456200. [PubMed 12058040]
• [7] Han L, Kon Y, Phizicky EM. Functional importance of Ψ38 and Ψ39 in distinct tRNAs, amplified for tRNA(Gln(UUG)) by unexpected temperature sensitivity of the s2U modification in yeast. RNA. 2015;21(2):188-201. doi:10.1261/rna.048173.114. [PubMed 25505024]
• [8] Brandão de Paiva AR, et al. PUS3 mutations are associated with intellectual disability, leukoencephalopathy, and nephropathy. Neurol Genet. 2019;5(1):e306. doi:10.1212/NXG.0000000000000306. [PubMed 30697592]
• [9] Aygün H, et al. Expanding the Phenotypic Spectrum of PUS3 Deficiency: A p.Tyr71Cys Case Demonstrating a Stable, Nonprogressive Leukoencephalopathy Pattern. Mol Syndromol. 2026 Feb 5. Online ahead of print. doi:10.1159/000550869. [PMC]

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