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RELN遺伝子の機能

RELN遺伝子は、脳の発達過程において、細胞の位置決めや神経細胞の移動に重要な細胞間相互作用を制御していると考えられている大型の分泌型細胞外マトリックスタンパク質をコードしている。

RELN遺伝子は、発達中の脳内の特定の細胞タイプで産生される大型の分泌型糖タンパク質であるレリンをコードしており、分裂後の移動する神経細胞において、積層神経系の実質内で神経細胞が適切に配置されるために必要なシグナル伝達経路を活性化する（Zakiらによる要約、2007年）。

Impagnatielloら（1998）は、reelinが脳の発達過程で皮質の錐体細胞、介在細胞、プルキンエ細胞の位置やトロフィズムを調節していることから、統合失調症（181500）に役割を持っている可能性を示唆している。胚の皮質ニューロンの移動を皮質下板の最終目的地に導くのに重要な役割を果たすもう一つの因子は、マウスの「disabled-1」変異で変異した遺伝子である。この遺伝子はアダプタータンパク質（Dab1、603448）をコードしており、Relnタンパク質と細胞外マトリックス（ECM）タンパク質との相互作用によって引き起こされると考えられるシグナル伝達カスケードのリン酸化標的となっている。Dab1の発現は、神経学的にも行動学的にもリーラーマウスに類似した遺伝的表現型である「スクランブラー」マウスでは欠損している。ヒトの脳を含む哺乳類の脳の発生過程において、RELNは、終脳辺縁部に存在するCajal-Retzius細胞をはじめとするパイオニアニューロンや、小脳の外顆粒層の顆粒細胞で豊富に合成されている。野生型マウスとスクランブラーマウスでは、RelnはECMに分泌されるが、リーラーマウスでは典型的なRelnタンパク質は合成されず、分泌もされない。発生過程において、終脳の移動性ニューロンや介在ニューロンはDAB1を発現しているが、RELNは発現も分泌もしていない。リーラーマウスでは、移動後に誤って配置された終脳の神経細胞が、野生型の神経細胞に比べて約10倍のDab1を発現している。実質的に受容体として機能するタンパク質の発現がこのように増加するのは、受容体の特異的なシグナルが欠損している場合に起こると予想される。胚におけるRELNの機能は、最終的には、移動中の脳梁錐体細胞や小脳プルキンエ細胞に選択的に発現するDAB1のリン酸化に依存しているのかもしれない。Impagnatielloら（1998）は、統合失調症患者とそれにマッチした非精神疾患患者の死後の前頭前野、側頭前野、海馬、尾状核、大脳皮質を調査した。調査したすべての脳領域において、統合失調症患者ではRELNとそのmRNAが有意に減少（約50％）しており、この減少は未分化型統合失調症や妄想型統合失調症の患者でも同様であった。一方、DAB1は、RELNの減少を示したこれらすべての領域で正常なレベルで発現していた。統合失調症患者におけるRELN DNAの多型の頻度と、この変異がRELNタンパク質の分泌調節に重要なゲノムDNAのストレッチに位置することから（Royauxら、1997年）、統合失調症の潜在的な脆弱性因子としてRELN遺伝子の異常に対する臨床的関心が高まった。

大脳皮質や小脳の神経細胞の層化には、RELNとDAB1が必要である。Trommsdorffら（1999）は、マウスを用いた標的破壊実験により、2つの細胞表面受容体、超低密度リポタンパク質受容体（VLDLR; 192977）とアポリポタンパク質E受容体-2（APOER2; 602600）も必要であることを示した。いずれの受容体もDab1を細胞質の尾部に結合し、Relnを発現している層に隣接する皮質と小脳の層に発現していた。VldlrとApoer2の両遺伝子を欠損したノックアウトマウスでは、Dab1の発現が亢進していた。VldlrとApoer2の両遺伝子を欠損させたノックアウトマウスでは、Dab1の発現が増加しており、RelnやDab1を欠損させたマウスの表現型を正確に再現していた。これらの結果は、LDL受容体遺伝子ファミリーの新たなシグナル伝達機能を確立し、VLDLRとAPOER2が、細胞外のRELNシグナルをDAB1による細胞内のシグナル伝達に関与していることを示唆している。

Hiesbergerら（1999）は、in vitroの結合実験を用いて、RelnがVldlrとApoER2の細胞外ドメインに直接かつ特異的に結合することを示した。初代胚性ニューロンを用いた実験では、VldlrとApoER2のリガンド結合が阻害されると、リーリンによって誘発されるDab1のチロシンリン酸化が抑制されることが示された。彼らはウェスタンブロット分析により、Reln、VldlrおよびApoER2のいずれかを欠損したマウスでは、微小管安定化タンパク質であるタウ（MAPT；157140）のリン酸化レベルが劇的に上昇することを示した（Trommsdorffら、1999年）。Hiesbergerら（1999）は、RelnがVldlrとApoER2を介して作用し、神経細胞におけるDab1のチロシンリン酸化と微小管機能を制御すると結論づけている。

D’Arcangeloら（1999）は、完全長のVLDLR、APOER2、およびLDLR（606945）cDNAをコードする発現コンストラクトを293T細胞にトランスフェクトした。細胞はレリンの存在下でインキュベートした。ウェスタンブロッティングの結果、3種類のリーリンアイソフォーム（400, 250, 180kD）は、VLDLRとAPOER2を発現する293T細胞に結合し、LDLRを発現する細胞には低い程度で結合することがわかった。結合にはカルシウムが必要で、APOE(107741)の存在下では阻害された。さらに、リーリンの機能を阻害するCR-50モノクローナル抗体は、リーリンとVLDLRの結合を阻害した。細胞表面のVLDLに結合した後、リーリンは小胞に取り込まれた。解離した胚の皮質ニューロンでは、APOEは、リリンによる細胞内のDab1のチロシンリン酸化レベルを低下させた。著者らは、リリンがVLDLRやAPOER2と結合することで、神経細胞の移動を誘導していることを示唆した。

マウスのReln遺伝子を変異させると、脳のいくつかの領域で神経細胞の移動が阻害され、失調性歩行や震えなどの機能障害が生じることがわかっている。このように、リリンは、脳内での細胞の位置決めに重要な細胞間相互作用を制御していると考えられている。胎児期の脊髄にはリーリンの転写産物が豊富に存在するが、一般的には、脊髄における神経細胞の移動はリーリンの影響を受けないと考えられていた。しかし、Yipら（2000）は、脊髄における交感神経前野ニューロンの移動がリーリンの影響を受けることを示した。この研究は、リーリンが脳外の神経細胞の移動に影響を与えることを示している。さらに、リーリンと移動する交感神経前野ニューロンとの関係から、リーリンが神経細胞の移動の障壁となっていることが示唆された。

Hackら（2002）は、生後間もないマウスの神経細胞前駆体をマトリゲル培養系で用いて、リーリンが嗅球の鎖状に移動する介在ニューロン前駆体の離脱シグナルとして作用し、個々の細胞への分散を誘導することを示した。リエリン変異マウスを用いた生体内での研究では、嗅球の組織が破壊され、個々の神経細胞の移動がうまくいかないことが示された。リーリンは停止信号としては機能せず、方向性を示す手がかりも与えず、移動距離にも影響を与えなかった。

Dulabonら（2000）は、in vitroおよびin vivoの移動アッセイを用いて、リーリンがマウス胚脳内の皮質ニューロンの移動を阻害することを示した。免疫沈降実験では、リーリンが、神経細胞の放射状グリア線維への接着と放射状移動を媒介する受容体であるα-3-β-1インテグリン（605025および135630参照）と会合することが示された。Dulabonら（2000）は、α-3-β-1インテグリン欠損マウス胚を用いた移動アッセイにより、機能的なα-3-β-1インテグリンが欠損すると、リーリンの機能が低下することを示した。Dulabonら（2000）は、α-3-β-1インテグリン欠損マウスの大脳皮質では、Dab1タンパク質のレベルが低下し、180kDのリーリン断片の発現が上昇していることを確認した。Dulabonら（2000）は、リーリンがα-3-β-1インテグリンに結合し、インテグリンを介した細胞接着を調節することで、神経細胞の移動を阻止し、皮質の正常なラミネーションを促進するのではないかと結論づけている。

Riceら（2001）は、RelnとDab1のいずれかを欠損させたマウスを調べ、両遺伝子の発現が網膜におけるシナプス結合のパターン化に必須であることを明らかにした。また、いずれかの遺伝子を欠損させたマウスを用いた生理学的研究では、桿体駆動型の網膜反応が減弱し、桿体双極細胞の密度が低下するとともに、内叢状層の突起の分布が異常になることが明らかになった。

Graysonら（2005）は、統合失調症患者の死後脳では、RELN遺伝子のプロモーター領域、特に-134位と-139位のメチル化が対照群に比べて増加していることを見出した。著者らは、このプロモーター領域のハイパーメチル化が、統合失調症におけるRELNの発現低下をもたらしているという仮説を立てた。

Botella-Lopezら（2006年）は、アルツハイマー病（AD）患者19名の髄液中に、180kDのレリン断片が増加していることを発見した（104300）。また、ウェスタンブロット法とPCR法により、AD患者の前頭皮質の組織において、リーリンのタンパク質とmRNAのレベルが上昇していることが確認された。一方、血漿ではリーリンの増加は認められず、リーリンは細胞内に存在することが示唆された。また、前頭側頭型認知症（600274）、進行性核上性麻痺（PSP；601104）、パーキンソン病（PD；168600）など、他の神経変性疾患の髄液サンプルでも、リーリンの180kDフラグメントが増加していた。

Matsukiら（2010）は、ラットおよびマウスの海馬および皮質の培養神経細胞を用いた過剰発現およびノックダウン研究により、Stk25（602255）、Lkb1（STK11；602216）、Strad（STRADA；608626）、ゴルジタンパク質Gm130（GOLGA2；602580）を含むシグナル伝達経路が、ゴルジの凝縮と多軸索の伸長を促進する一方で、ゴルジの樹状突起への展開と樹状突起の成長を抑制することを明らかにした。このシグナル伝達経路は、ゴルジ凝縮と軸索の伸長を阻害し、ゴルジの樹状突起への展開と樹状突起の伸長を促進する傾向のあるreelin-Dab1経路とは対照的に作用した。

大脳皮質の介在ニューロンの30％は、腹側終脳内の比較的新しい発生源である尾側神経節発火部（CGE）から生じる（De Marco Garciaら、2011年に要約）。これらの介在ニューロンは、その誕生時期が遅いため、他の介在ニューロンや錐体細胞の大部分がすでに配置され、機能的に統合され始めてから、大脳皮質に現れます。De Marco Garciaら（2011）は、CGE由来のリーリン陽性およびカルレチニン（114051）陽性で、血管作動性腸ペプチド（VIP；192320）陽性ではない介在ニューロンについて、生後3日目以前は正しく移動するために活動が必須であり、生後3日目以降はグルタミン酸を介した活動がその軸索と樹状突起の発達を制御することをマウスで実証した。さらに、De Marco Garciaら（2011）は、転写因子distal-less homeobox-1（Dlx1；600029）の標的であるengulfment and cell motility-1遺伝子（Elmo1；606420）が、リーリン陽性およびカルレチニン陽性の介在ニューロンに選択的に発現しており、活動に依存した介在ニューロンの移動に必要かつ十分であることを示した。De Marco Garciaら（2011）は、今回の発見により、特定の神経細胞サブタイプの皮質統合を形成する上で、活動が選択的に必要であることが明らかになったと結論づけている。

Senturkら（2011）は、脳内の積層構造が形成される際に、神経細胞のガイダンスキューであるエフリンBタンパク質がリーリンのシグナル伝達に不可欠であることを示した。彼らは、エフリンBが遺伝的にReelinと相互作用することを示した。特に、Efnb2(600527)またはEfnb3(602297)のいずれかを欠損した複合型マウス変異体（Relnヘテロ接合体）や、Efnb1(300035)/Efnb2/Efnb3のトリプルノックアウトマウスでは、リーラーマウスの新皮質、海馬、小脳で観察されたものを再現した神経細胞移動の欠損が見られた。そのメカニズムとして、Senturkら（2011）は、リーリンがエフリンBの細胞外ドメインに結合し、エフリンBは神経細胞のVLDLR（192977）やApoER2（602600）と膜で結合することを明らかにした。エフリンBsのクラスター化は、リーリンのシグナル伝達に必要なDab1 (603448)のリクルートとリン酸化を引き起こす。逆に、エフリンBsの機能を喪失すると、リーリンによって誘導されるDab1のリン酸化が著しく阻害される。重要なのは、エフリンBsを活性化することで、リーリンタンパク質が存在しない場合のリーラーの神経細胞移動の欠損を救済できることである。Senturkら（2011）は、今回の結果から、エフリンBsが神経系の発達過程で神経細胞の移動を制御するReelin受容体／シグナル伝達経路の必須構成要素であることが明らかになったと結論づけている。

Shimら（2012）は、SOX4（184430）とSOX11（600898）が、リーリンの発現と皮質層形成のインサイドアウトパターンを制御するのに重要であることを示した。この制御は、保存された非エキソン的要素であるE4やFezf2 (607414)とは独立しており、おそらく異なる制御要素との相互作用が関与していると考えられる。大脳皮質特異的にSox4とSox11を二重に欠損させたマウスでは、Fezf2の発現が失われ、皮質脊髄ニューロンの特定ができなくなり、Fezf2とは無関係にリーラーのような層の反転が見られるようになった。

ラット脳では、Dazzoら（2015）が、RelnとLgi1（604619）が側頭葉や海馬の神経細胞でコロケーションしていることを発見し、共通の分子経路に関与していることが示唆された。

Segarraら（2018）は、神経細胞誘導の手がかりであるreelinが、内皮細胞とグリアのコミュニケーションを確保して神経細胞の移動を制御し、マウスの脳内で血液脳関門を確立する血管新生作用を有することを発見した。内皮細胞に発現するApoer2とDab1は、網膜と大脳皮質の血管形成に必要である。内皮細胞のDab1を欠損させると、ラミニンα4（LAMA4；600133）の分泌が低下し、グリア細胞のインテグリンβ1（ITGB1；135630）の活性化が低下し、これらが神経細胞の移動や神経血管ユニットのバリアー特性を制御することになる。このように、Segarraら（2018）は、内皮におけるリーリンシグナルは、神経-グリア-血管間のコミュニケーションに不可欠な指示的かつ統合的な手掛かりであると結論づけている。

RBFOX1遺伝子の発現

常染色体劣性遺伝のマウスの突然変異「reeler」（rl）は、運動協調性の障害、振戦、運動失調を引き起こす。影響を受けたマウスの神経細胞は、発達中の脳内の正しい位置に到達できず、小脳皮質や大脳皮質などの積層領域の組織が破壊される。D’Arcangeloら（1995）は、2つのリーラー対立遺伝子で欠失しているreelin（Reln）という遺伝子を単離した。この遺伝子のクローニングに使われた対立遺伝子は、トランスジーン挿入によって作られたものである。変異マウスではなく正常マウスでは、神経細胞が移動する時期に、胚および出生後の神経細胞にreelinが発現した。コード化されたタンパク質は、細胞接着に関与する細胞外マトリックスタンパク質に類似していた。D’Arcangeloら（1995）は、10,383bpのreelinのオープンリーディングフレーム（ORF）が、翻訳開始のためのコンセンサス配列が先行するメチオニンコドンで始まることを発見した。停止コドンの後には、約1kbの3プライム非翻訳配列とポリアデニル化シグナルの可能性がある。このORFは、3,461アミノ酸のタンパク質をコードしており、その相対分子量は388kDである。正常なマウスの脳からのRNAには、約12kbの単一のリーリン転写産物が検出されたが、罹患したマウスの脳からは検出されなかった。

Hirotsuneら（1995）もまた、マウスのリーリン遺伝子の有力な候補cDNAを同定した。この5kbの転写産物は、881個のアミノ酸からなる94.4kDのタンパク質をコードし、2つのEGF様モチーフを持っていた。研究チームは、遺伝子全体が欠失している「Jackson reeler」と、2つ目のEGF様モチーフを含むORFに220bpの欠失があり、フレームシフトを起こしている「Orleans reeler」という2つの変異体を解析した。この遺伝子は、放射状の配列に沿って神経細胞の移動を誘導するパイオニア神経細胞でのみ検出されることが、in situハイブリダイゼーションによって明らかになった。この発見は、リーラー変異体の表現型が、神経細胞ネットワークの複雑な構造をどのようにして乱すのかを説明するものである。

DeSilvaら（1997）は、マウスのreelinと同様に、ヒトのreelin（RELN）も大きく、約12kbのmRNAをコードしていることを明らかにした。オーバーラップしたcDNAクローンのORFから予測されるマウスとヒトのタンパク質は、サイズが似ており（388kD）、アミノ酸配列とヌクレオチド配列はそれぞれ94.2%と87.2%一致している。ノーザンハイブリダイゼーション解析の結果、RELNは胎児と出生後の脳、および肝臓に発現していることがわかった。生後のヒト脳におけるRELNの発現は、小脳で高かった。

RELN遺伝子と自閉症スペクトラム障害ASDとの関係

RELN遺伝子と自閉症との間には、いくつかの研究で遺伝的な関連性が認められている。イタリアや米国の集団、中国漢民族、白人のAGRE家系で正の関連が認められている（Persicoら、2001年、Serajeeら、2006年、Ashley-Kochら、2007年、Liら、2008年、Holtら、2010年、Fuら、2013年）。しかし、いくつかの研究では、IMGSAC、CPEA、ドイツ人、中国人などの集団を含む多くのサンプルにおいて、RELNと自閉症との関連性がないことも明らかにされている（Zhangら、2002年、Bonoraら、2003年、Duttaら、2008年、Heら、2011年）。また、ASDの脳組織における可変的な発現データも報告されています（Fatemiら、2005年、Garbettら、2008年）。RELN遺伝子には、Autism Sequencing Consortiumでスクリーニングされた2,270トリオの中からASDプロバンドに1つのde novo LoF variantが同定され(PMID 25363760)、Simons Simplex CollectionとAutism Sequencing Consortiumの中からASDプロバンドに2つのde novo likely damaging missense variantsが観察されました(PMID 22542183, 25363760)。De Rubeis et al., 2014のAutism Sequencing Consortium (ASC)のASD症例3,871人と先祖を一致させた対照群9,937人における希少なコーディングバリエーションの解析では、RELNが0.01 < FDR 0.05と高い統計的有意性を満たす遺伝子として同定されました。これは、この遺伝子が真の自閉症遺伝子である可能性が95%であることを意味します(PMID 25363760)。Stessman et al., 2017 (PMID 28191889)のAutism Genetic Resource Exchange (AGRE)のプロバンドでは、さらに2つのde novo LoFバリアントとRELNのダメージを受けそうなミスセンスバリアントが同定されました。Lammertら、2017年には、Simon Simplex Collectionのプロバンドで同定されたde novoミスセンスバリアントを含む、RELN遺伝子の複数のASD関連ミスセンスバリアントが、トランスフェクトした細胞からのRELNタンパク質の分泌を低下させることを実証しました（PMID 28419454）。

RELN遺伝子とその他の疾患との関係

滑脳症2

大脳皮質が正常に発達するためには、脳の深部にある増殖領域から皮質神経細胞が長距離移動することが必要である。披裂性脳症は、神経細胞の移動が障害される重篤な発達障害で、大脳皮質が厚くなり、通常は折りたたまれている輪郭が単純化されて滑らかになります。X-linked lissencephaly（300067）は、ダブルコルチン（DCX；300121）をコードする遺伝子の変異により発症する。また、17pに位置するPAFA1B1遺伝子（601545）の欠失または変異は、孤立性issencephaly sequence（LIS1；607432）の原因となり、この遺伝子と他の隣接する遺伝子のハプロ不全は、連続した遺伝子欠失症候群であるMiller-Diekerissencephaly症候群（247200）の原因となる。Hongら（2000）は、小脳、海馬、脳幹の重度の異常を伴う常染色体劣性型のissencephalyを研究した（Lissencephaly syndrome, Norman-Robts type (LIS2; 257320)）。この2つの遺伝子のマウスホモログの変異は、小脳の低形成、脳幹の異常、新皮質と海馬の神経細胞移動障害など、issencephalyに類似した脳の欠陥をマウスに引き起こすため、7番染色体のRELNと1p32-p31染色体のDAB1付近のマーカーとの関連性を調べた。研究チームは、血縁関係のない2つの家系において、7q22番染色体上のRELN遺伝子の近傍に相当なホモ接合性の領域を発見し、この2つの家系では、RELN遺伝子に異なるスプライスサイト変異（それぞれ600514.0001と600514.0002）があることを明らかにした。これらのヒト患者の研究から、これまで予想されていなかったリーリンの脳内外での機能が示唆された。統合失調症のヒトの死後脳ではRELN mRNAの異常が報告されていたが(Impagnatiello et al., 1998)、RELNのヘテロ接合体またはホモ接合体の変異を持つ個体では、統合失調症の証拠は見られなかった。一方、筋生検で調査したissencephaly患者の1人は、神経筋結合の異常の証拠を示した(Hourihane et al., 1993)。さらに、少なくとも3人の患者が新生児期に持続的なリンパ浮腫を呈し、1人は腹膜シャントを必要とするhylous（すなわち、脂肪分の多い）腹水の蓄積を示した（Hourihane et al.、1993年）。血清のホメオスタシスにおけるリーリンの明らかな役割は、脳内だけでなく、脳外のLDLスーパーファミリー受容体とのリーリンの相互作用を反映しているのかもしれない。

家族性側頭葉てんかん 7

家族性側頭葉てんかん7（ETL7；616436）を発症したイタリア系の血縁関係のない7家族において、Dazzoら（2015）は、RELN遺伝子に7つの異なるヘテロ接合性のミスセンス変異を同定した（例えば、600514.0003-600514.0006参照）。これらの家族では、LGI1遺伝子の変異（604619）は除外されていた。最初の4家系におけるRELNの変異は、全ゲノム配列解析により発見された。その後の3家系における変異は、この疾患を持つ11の小家族におけるRELNエクソンの並行配列解析により発見された。これらの変異の機能的な研究は行われなかったが、3次元モデリングにより、これらの変異は構造的な欠陥とタンパク質のミスフォールディングをもたらし、変化したタンパク質の分解につながると予測された。4家系の罹患者では、310kDの主要なリーリンアイソフォームの血清レベルが対照者に比べて低下（最大50％）していたが、これは肝細胞からの変化したタンパク質の分泌障害に起因すると考えられた。これらの所見から、変異によって機能が失われていることが示唆された。全体として、RELNの変異は調査対象となった40家族中7家族（17.5％）に認められたが、中側頭葉てんかんの家族には変異が認められなかったことから、RELNの変異は側頭葉てんかんを特異的に引き起こす可能性が示唆された。

確証のない関連性

RELN遺伝子の変異と耳硬化症との関連の可能性については，MIM＃166800を参照のこと。