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SCN2A遺伝子の機能

SCN2A遺伝子は主に神経や筋肉において、活動電位の発生と伝播に不可欠な電圧依存性のイオンチャネルをコードしている。

SCN2A遺伝子は、電位依存性ナトリウムチャネルNa(v)1.2をコードしており、活動電位の開始と伝導に重要な役割を果たしている。SCN2Aは、発生初期に有髄神経線維の軸索開始セグメントおよびランビエの節で発現し、その後、無髄軸索でも発現する（Wolffら、2017年）。

多くの細胞型において、ナトリウムチャネルは、主に神経と筋肉において、活動電位の生成と伝播を担っている。電位感受性ナトリウムチャネルは、大きなグリコシル化されたαサブユニット（約260kD）と2つの小さなβサブユニット（33～39kD）からなるヘテロメリック複合体である。SCN1A (182389)の項目も参照。

Luら（1992）は、リガーゼ検出法を用いてSCN1AとSCN2Aの相対的な分布を評価した。SCN1Aと比較して、SCN2Aは中枢神経系のより尾側の領域で優勢であることがわかった。

シュワン細胞やアストロサイトなどの非興奮性細胞にも電圧感受性ナトリウムチャネルが発現している。Blackら（1995）は、in situハイブリダイゼーションと特異的な抗体による染色の両方を用いて、胎児期のラット骨芽細胞における2型脳内ナトリウムチャネルの発現を示した。ナトリウムチャネル1または胎児のナトリウムチャネル3の発現は検出されなかった。

Garridoら（2003）は、NaV1（SCN2A）サブユニットのドメインIIとIIIをつなぐ細胞質ループには、ラット海馬ニューロンの軸索初期セグメントにおけるコンパートメント化をもたらす決定因子が含まれていることを示した。可溶性のNaV1.2 II-IIIリンカー蛋白質を発現させると、内在するナトリウムチャネルが無秩序に変化する。このモチーフは、体節性のカリウムチャネルを軸索初期セグメントに誘導するのに十分であり、その過程にはアンキリンG（600465）との結合が関与していた。Garridoら（2003）は、このモチーフが発生や可塑性における電気的興奮性の制御に基本的な役割を果たしているのではないかと結論づけている。

Bosmansら（2008）は、4回対称の電位活性化カリウムチャネルをレポーターとして用い、電位活性化ナトリウムチャネルの電圧センサー内の個々のS3b-S4パドルモチーフが、電圧センサーの活性化の速度や毒素受容体の形成にどのように寄与しているかを調べた。その結果、電圧活性化ナトリウムチャネルの4つのパドルモチーフそれぞれに、タランチュラ毒やサソリ毒の毒素の結合部位があることが明らかになり、パドル特異的な相互作用を利用してチャネルの活性を再構築できることがわかった。あるパドルモチーフは、電圧センサーの活性化を遅らせるという点でユニークであり、このモチーフを選択的に標的とする毒素は、電圧活性化ナトリウムチャネルの不活性化を阻害した。

SCN2AをトランスフェクトしたHEK293T細胞において、Thomasら（2009）は、温度を37度から41度に上げると、活性化の電圧依存性が過分極し、不活性化の速度が速くなることを発見しました。コンピュータモデルでは、ゲーティング速度を上げると活動電位の発火が増加するが、発火閾値は変化しないと予測された。しかし、活性化の電圧依存性を41℃にシフトさせると、発火率が上昇し、興奮性が高まったことが確認された。免疫組織化学的研究では、マウスの大脳皮質および海馬の神経細胞の軸索初期部にSCN2Aの発現が認められた。以上のことから、SCN2Aチャネルは温度変化に敏感であり、これが熱性発作の発生に寄与している可能性が示唆された。

Liaoら（2010）は、マウスの発生過程において、NaV1.2チャネルの発現が異なることを観察した。Liaoら（2010）は、マウスの脳切片の免疫組織化学とRT-PCRを用いて、海馬と大脳皮質の主幹神経細胞の軸索初期部で、発生初期にNaV1.2チャネルが発現していたが、その後、成熟期になると発現が減少し、徐々にNaV1.6（SCN8A、600702）に置き換わることを発見した。この発見は、変異型NaV1.2チャネルの機能獲得によって起こる発作の一過性の発現をもっともらしく説明するものである。また、マウス小脳の分子層にある顆粒細胞の無髄平行線維のNaV1.2染色が、出生後の発達過程で増加していた。

SCN2A遺伝子の発現

野田ら（1986）は、脳内ナトリウムチャネルの大型ポリペプチドをコードする2種類のラット脳内mRNAに由来するcDNAを単離した（IおよびIIと命名）。彼らは、ラットの脳や骨格筋から精製されたナトリウムチャネルは、1つの大きなポリペプチドサブユニットと2つまたは3つの小さなポリペプチドサブユニットを含んでいると述べている。

Coopermanら（1987）は、ラット視床下部のcDNAライブラリーから、脳のII型ナトリウムチャネルの一部に相当する1,134bpの断片をクローニングし、配列を決定した。この断片は、アミノ酸1577と1960の間のαサブユニット内の第4反復相同性単位にまたがっていた。

Ahmedら（1992）は、ヒト脊髄ナトリウムチャネルcDNA由来のプローブを用いて、ヒト大脳前頭葉皮質cDNAライブラリーをスクリーニングし、ナトリウムチャネルII型αサブユニットに対応する3つのオーバーラップしたクローンから完全長cDNAを構築した。予測される2,005アミノ酸のタンパク質は、ラット脳のナトリウムチャネルIIと97%の配列同一性を示した。SCN2Aタンパク質は、4つの内部相同性反復を含み、それぞれが8つの潜在的な膜貫通セグメントを含み、複数のグリコシル化およびリン酸化部位を持つ。CHO細胞でSCN2A遺伝子を一時的に発現させると、電圧依存性、ナトリウム選択性、テトロドトキシン感受性など、ナトリウムチャネルに特徴的な生物物理学的・薬理学的特性を示す。

Kasaiら（2001）は、ヒト胎児脳および蝸牛cDNAライブラリーのPCR、ESTデータベース解析、5-primeおよび3-prime RACEにより、SCN2Aの5-prime非コードエクソンを含むスプライスバリアントをクローニングした。彼らはまた、エクソン6Aまたは6Nを含むSCN2A転写物を同定した。PCR増幅により、ヒト成人脳ではエクソン6A、ヒト胎児脳とリンパ球ではエクソン6N、リンパ球ではエクソン6を含まないSCN2A転写産物が検出された。

SCN2A遺伝子と自閉症スペクトラム障害ASDの関係

SCN2A遺伝子には、ASD患者における再発性の変異が確認されています。
SCN2A遺伝子のASD関連希少変異は、2003年にWeissらが自閉症との関連領域でエクソンスクリーニングを行った際に発見されました(PMID 12610651)。その後、Sandersらは、2012年にSimons Simplex Collectionに登録された200のASD家族の中から、SCN2Aの2つのde novo loss-of-function (LoF)バリアントを報告しました(PMID 22495306)。Tavassoli et al., 2014では、SCN2A遺伝子に3つ目のde novo LoFバリアントがシンプレックスASD症例で同定されましたが、このバリアントはdbSNPや他のゲノムデータベースでは観察されませんでした(PMID 24650168)。また、SCN2Aには、2013年にJiangらが知的障害のある女性ASDプロバンドで発見した4つ目のde novo LoFバリアントがありますが、このバリアントはASDだがIQが正常な女性兄弟には存在しませんでした(PMID 23849776)。De Rubeis et al., 2014のAutism Sequencing Consortium (ASC)の3,871人のASD症例と9,937人の先祖を一致させたまたは父方を一致させた対照群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、SCN2AがFDR 0.01で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。この遺伝子は、Iossifovらが2015年に、de novo変異の証拠とコントロールにおける変異の不在または非常に低い頻度の組み合わせに基づいて、ASDリスク遺伝子の有力な候補として同定しました（PMID 26401017）。Ben-Shalomら、2017年にSimons Simplex CollectionとAutism Sequencing Consortiumのプロバンドで同定されたASD関連のde novo missense and likely gene disruptive SCN2A variantsを全細胞ボルテージクランプ電気生理学を用いて機能解析した結果、これらのvariantはチャネル機能を減衰または消失させ、loss-of-function effectと一致することがわかりました(PMID 28256214)。Wolff et al., 2017では、SCN2Aの変異を持つ未発表の71人の患者の表現型を報告しており、このうち23人の患者の表現型としてASDが報告されています（PMID 28379373）。

Sandersら（2012年）は、表現型が一致しない200組の兄弟姉妹を含む928人の全ゲノム配列を用いて、脳で発現する遺伝子における破壊性の高いナンセンスおよびスプライス部位のde novo変異が、自閉症スペクトラム障害（209850）と関連し、大きな効果をもたらすことを実証した。同定された279のデノボコーディング変異のうち、2つの独立したナンセンス変異が同じ遺伝子（SCN2A）を破壊した例は、プロバントでは1件、兄弟では1件もなかった。

Tavassoliら（2014）は、自閉症スペクトラム障害の7歳の男児において、SCN2A遺伝子にデノボのヘテロ接合性スプライスサイト変異（c.476+1G-A）を同定した。この変異は、全ゲノム配列解析で発見され、サンガー配列解析で確認されたもので、dbSNPなどのゲノムデータベースには存在していませんでした。患者の細胞を調べたところ、この変異は、タンパク質の切断、および／または、ナンセンス媒介性のmRNAの崩壊を引き起こしていた。この患者は、社会性やコミュニケーション能力に障害があり、反復行動、感覚的反応性の問題、適応能力や認知能力の低下が見られました。発作の既往はありませんでした。この患者には、他にも3つの新規変異が見つかったが、SCN2Aの変異が表現型に最も寄与していると考えられた。

SCN2A遺伝子とその他の疾患との関係

良性家族性新生児・乳児発作

Berkovicら（2004）は、良性家族性新生児片麻痺（BFIS3；607745）を有する6家族の罹患者において、SCN2A遺伝子にヘテロ接合性の変異（182390.0004-182390.0007）を同定した。また、3つの家系で同じ突然変異（182390.0006）があり、ハプロタイプ解析により独立して発生していることがわかりました。

発達障害とてんかん性脳症 11

Ogiwaraら（2009年）は、SCN2A遺伝子の異なるヘテロ接合性ミスセンス変異（それぞれE1211K、182390.0009およびI1473M、182390.0010）が原因となった2人の無関係な発達性てんかん性脳症11（DEE11、613721）の患者を報告しました。これらの患者の報告は、SCN2Aの変異による表現型を大きく広げ、SCN2Aが難治性小児てんかんの原因遺伝子の候補であることを示した。In vitroの機能発現研究では、E1211KとI1473Mの両方が、BFIS3変異よりも大きな範囲でSCN2Aのチャネル特性を変化させることが示され、より重篤なてんかんの表現型のメカニズムが示唆された。

Trumpら（2016）は、早期発症のてんかん患者400人のうち11人（3％）で、デノボのヘテロ接合性変異を同定した。1人を除く全員がミスセンス変異で、フレームシフトを持つ1人の患者は、発作を伴う自閉症と診断された。これらの変異体の機能的研究は行われなかった。

Wolff氏ら（2017年）は、新たに同定された50人以上の患者と以前に報告されたDEE11患者の大規模コホートにおいて、SCN2A遺伝子の以前に報告されたヘテロ接合性変異を同定し、レビューした（例えば、182390.0006; 182390.0011; 182390.0017-182390.0018参照）。変異の大部分は保存された残基に影響を与えるミスセンス変異であり、変異の位置と表現型の間に明らかな相関関係は見られなかった。発症時期が遅く、表現型が比較的軽度な患者の中には、ナンセンス変異、フレームシフト変異、スプライスサイト変異があり、機能喪失が予測された。4つのミスセンス変異について、in vitroでの機能発現研究が行われた。2つの変異（V423LおよびF1597L）は、重度の早期発症てんかん患者で観察され、活性化および不活性化曲線の変化や電流の増加を伴う機能獲得効果が認められた。他の2つのミスセンス変異（G899SおよびP1622S）は、やや遅めの発症の小児で確認され、チャネルの利用率と膜の興奮性が低下する機能喪失型の変異であった。また、10名の患者が1882番のアミノ酸位置に変異を持っていた。R1882Gでは良性の小児発作が発生し、時には遅発性のエピソード性運動失調を伴うこともあった。一方，R1882Q（182390.0020），R1882L，R1882Pは知的障害を伴う重篤な表現型であった．DEE11に関連する他の再発変異としては、L1342PとR853Q（182390.0019）があった。これらの突然変異の機能的な研究は行われていない。

DEE11の患者では、Bereckiら（2018年）がSCN2A遺伝子にデノボのヘテロ接合性ミスセンス変異を同定した。機能獲得効果をもたらしたR1182Q変異（182390.0020）は、生後数日での発作の発症と関連しており、重度の異常運動とは明確に関連していなかった。一方、R853Q変異（182390.0019）は、神経細胞の興奮性を低下させる機能喪失型であることが明らかになっており、6〜8ヵ月後に発作を発症し、失調症、ジストニア、錐体外路徴候などの不随意運動が多く見られたという。

9型 episodic Ataxia

Episodic Ataxia Type 9（EA9；618924）の11歳の男児において、Liaoら（2010）はSCN2A遺伝子にヘテロ接合型のミスセンス変異（A263V；182390.0011）を同定した。電気生理学的研究では、A263V変異により持続性ナトリウム電流が3倍に増加し、機能が大幅に向上していることがわかった。また、高速不活性化が遅くなり、低速不活性化の回復が早まるなどの変化も見られた。これらの所見は、機能獲得効果と神経細胞の興奮性亢進と一致していた。

EA9の2人の血縁関係のない患者において、Johannesenら（2016年）およびGormanとKing（2017年）は、SCN2A遺伝子にde novo A263V変異を独立して同定した。この変異の機能的研究は行われなかった。

EA9の3人の非血縁者の患者において、Schwarzら（2016）はSCN2A遺伝子にヘテロ接合の変異を同定した（182390.0011; 182390.0013-182390.0014）。トランスフェクトした細胞を用いたin vitroの機能的電気生理学的研究では、新たに報告された変異は、細胞膜の興奮性の増加を伴う機能獲得効果をもたらすことが示されたが、この研究では、異なる分子メカニズムがあることが示唆された。

EA9を発症した5歳の男児において、Leachら（2016）は、SCN2A遺伝子にde novoのヘテロ接合性ミスセンス変異（G1634D; 182390.0015）を同定した。この変異は、全エクソームシークエンスで発見され、サンガーシークエンスで確認されたが、ExACデータベースでは発見されなかった。この変異の機能的研究は行われなかった。

EA9の女性とその2人の息子において、Fazeliら（2018年）は、SCN2A遺伝子にヘテロ接合性のミスセンス変異（L1650P; 182390.0016）を同定した。この変異は、全エクソームシークエンスで発見され、サンガーシークエンスで確認されたが、ExACデータベースやgnomADデータベースでは見つかっていない。この変異の機能的研究は行われなかった。

プロフィール

この記事の筆者：仲田洋美（医師）

ミネルバクリニック院長・仲田洋美は、日本内科学会内科専門医、日本臨床腫瘍学会がん薬物療法専門医 、日本人類遺伝学会臨床遺伝専門医として従事し、患者様の心に寄り添った診療を心がけています。

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