目次
SHANK3遺伝子
遺伝子名: SH3 AND MULTIPLE ANKYRIN REPEAT DOMAINS 3; SHANK3
別名: PROLINE-RICH SYNAPSE-ASSOCIATED PROTEIN 2; PSAP2
PROSAP2
KIAA1650
染色体: 22
遺伝子座: 22q13.33
遺伝カテゴリー: Rare Single Gene variant-Rare Single Gene variant, Genetic Association-Syndromic-Genetic Association-Rare single gene variant/genetic association-Rare Single Gene variant/Multigenic CNV-Functional-Multigenic CNV
関連する疾患：{Schizophrenia 15} 613950 AD
Phelan-McDermid syndrome 606232 AD
SHANK3遺伝子の機能
SHANK3遺伝子がコードするSHANK蛋白質は、シナプス後肥厚のマルチドメイン足場蛋白質であり、神経伝達物質受容体、イオンチャネル、その他の膜蛋白質を、アクチン細胞骨格やG蛋白質共役型シグナル伝達経路に接続する。また、SHANK蛋白質は、シナプスの形成や樹状突起の成熟にも関与している。
SHANK3遺伝子は、興奮性シナプスのシナプス後肥厚に豊富に存在する足場タンパク質をコードしている（Yiらによる要約、2016年）。
Schuetzら（2004）は、受容体チロシンキナーゼRet（164761）のRet9アイソフォームが、Ret51アイソフォームではなく、腎臓や腸管神経系の発生に関与していることを述べている。研究グループは、MDCK犬腎臓細胞を用いた3次元in vitro尿細管形成アッセイを用いて、Ret51ではなくRet9が上皮性尿細管の形成を誘導すること、Shank3がRet9のシグナル伝達に重要であることを示した。Yeast 2-hybridおよび共免疫沈降法による解析では、マウスShank3のPDZドメインがRet9の細胞質ドメインと相互作用することが明らかになった。Shank3はRet51とは相互作用しなかった。Shank3のプロリンリッチ領域はアダプタータンパク質であるGrb2（108355）と相互作用し、この相互作用はRet9の下流にあるERK/MAPK（176948参照）およびPI3K（171834参照）のシグナル伝達を持続させるために必要であり、尿細管形成に必須であった。
Shcheglovitovら（2013）は、フェラン・マクダーミド症候群（PHMDS；606232）および自閉症の人から人工多能性幹（iPS）細胞を作製し、それを用いて機能的なニューロンを産生した。Shcheglovitovら（2013）は、PHMDSの神経細胞では、SHANK3の発現が低下し、抑制性ではなく、興奮性のシナプス伝達に大きな欠陥があることを示した。PHMDS神経細胞の興奮性シナプス伝達は、SHANK3の発現を回復させるか、神経細胞をインスリン様成長因子-1（IGF1；147440）で処理することで修正することができた。IGF1を投与すると、SHANK3を欠くがPSD95（602887）やNMDA受容体（138249参照）を含む、非活性化の速度が速い成熟した興奮性シナプスの形成が促進された。Shcheglovitovら（2013）は、今回の発見が、PHMDSニューロンにおける細胞の興奮と抑制の比率が乱れていることを示す直接的な証拠となり、それを回復させるために採用できる分子経路を指摘したと結論づけている。
Mamezaら（2013）は、エピトープタグ付きのドメイン断片を用いたタンパク質プルダウンアッセイで、ラットShank3の単離されたSPNドメインが、隣接するアンキリンリピート領域と相互作用することを示した。このN末端の分子内相互作用は、リガンドであるSharpin (611885)やα-fodrin (SPTAN1; 182810)がアンキリンリピート領域に結合することを制限する。ヒトのSHANK3の自閉症関連変異に対応するラットのShank3の点変異は、トランスフェクトしたHEK293細胞におけるShank3の細胞膜へのターゲティングに変化を与えなかったが、Shank3とSharpinおよびα-fodrinとの相互作用には変化が見られた。また、マウスの海馬ニューロンにおいて、RNA干渉を介してShank3をノックダウンすると、小型の興奮性シナプス後電流の頻度が減少したが、他のパラメータは減少しなかった。
細胞研究において、Yiら（2016）は、SHANK3タンパク質が過分極活性化サイクリックヌクレオチド-ゲート型カチオンチャネルと相互作用することを発見した。ヒト胚性幹細胞に条件付きのSHANK3欠失を導入したところ、樹状突起のアーボレーションが適度に損なわれ、興奮性の増加に伴う入力抵抗が大きくなり、シナプス伝達が減少した。入力抵抗の増加は、カチオンチャネルのコンダクタンスの変化と一致していた。ヘテロ接合体およびホモ接合体のShank3変異マウスの海馬ニューロンも、入力抵抗の増加、過分極活性化カチオンチャネル電流の減少、および興奮性の増加を示した。Yiら（2016）は、これらの変化が、SHANK3変異患者の自閉症や認知機能の特徴の根底にあるのではないかと仮説を立てた。
Bidinostiら（2016）は、ラットとマウスの培養神経細胞を用いて、Shank3のノックダウンにより、キナーゼClk2（602989）のユビキチン化依存性分解が低下することを示した。Clk2レベルの上昇は、プロテインホスファターゼ-2A（PP2A）の調節サブユニットであるB56-β（PPP2R5B；601644）のリン酸化と活性化の増加を引き起こした。PP2Aの活性化は、Akt（164730参照）やmTORC1経路のタンパク質（601231参照）の過剰な脱リン酸化と不活性化をもたらした。また、Shank3をノックダウンすると、ネズミの培養神経細胞において、ミニチュアの興奮性シナプス後電流の周波数が低下した。2人の血縁関係のないPHMDS患者のiPS細胞から得られたヒトの神経細胞では、コントロールと比較して、AKTのリン酸化が減少し、自発的な興奮性シナプス後電流の頻度が減少した。AKTを薬理学的に活性化したり、CLK2を阻害すると、SHANK3欠損のネズミやヒトの神経細胞ではAKTのリン酸化が回復し、シナプス活性も回復した。また、IGF1投与により、Akt依存的にShank3ノックダウンニューロンの樹状突起スパイン密度が正常に回復した。
Zhouら（2019）は、カニクイザル（Macaca fascicularis）とそのF1子孫において、CRISPR-Cas9を介してShank3の生殖細胞伝達性変異を生成したことを報告した。体細胞と脳生検の遺伝子解析により、これらのマカクではShank3遺伝子の変異とShank3タンパク質のレベル低下が確認された。機能的磁気共鳴画像（FMRI）のデータを解析したところ、回路の異常を示す局所的および全体的な結合パターンの変化が明らかになった。創始者変異体は、睡眠障害、運動障害、反復行動の増加のほか、社会性や学習能力の低下を示した。Zhouら（2019年）は、今回の結果が、自閉症スペクトラム障害やフェラン・マクダーミド症候群を特徴づけるSHANK3遺伝子や回路の機能異常、および行動表現型の一部と類似していると結論づけている。
SHANK3遺伝子の発現
Boeckersら（1999）は、興奮性シナプスのシナプス後肥厚に多く存在する足場タンパク質であるProsap1と、その関連タンパク質であるProsap2をコードするラットcDNAを単離した。Prosapタンパク質は、ラット脳の多くの領域で共発現していたが、小脳では明確な発現パターンを示していた。
Bonagliaら（2001）は、ヒトPSAP2（SHANK3）遺伝子が1,731アミノ酸のタンパク質をコードしていると予測した。ノーザンブロット解析の結果、ヒトのPSAP2は主に脳で7kbおよび8kbの転写産物として発現していることがわかった。ラットとヒトでは、PSAP2は大脳皮質と小脳に優先的に発現している。
Schuetzら（2004）は、1,806アミノ酸のマウスShank3タンパク質には、5つのN-末端アンキリンモチーフ、SRC（190090）ホモロジー3（SH3）ドメイン、PDZドメイン、プロリンリッチ領域、C-末端のSAM（sterile-alpha motif）ドメインが含まれていることを報告した。免疫組織化学的分析により、Shank3は、胚発生16.5日目のマウス腎臓の上皮性尿細管の基底側細胞膜に局在していることが明らかになった。
Wangら（2011）は、マウスとヒトのSHANK3がともに広範な代替スプライシングを示し、複数のプロモーターを使用していることを明らかにした。マウスでは、Shank3の主要なスプライスバリアントであるShank3aとShank3bは、それぞれ上流領域とイントロン2のプロモーターから開始される。さらに4つの内部プロモーターから開始されるスプライスバリアントは、N末端が切断されたタンパク質をコードする可能性がある。Wangら（2011）は、マウスの脳内に少なくとも11種類のShank3の転写産物があることを確認した。
Mamezaら（2013）は、SHANK3を含むすべてのSHANKタンパク質は、6つのアンキリンリピートの前に保存されたN-末端ドメインを持っていると述べている。彼らはこのドメインを「SHANK/PROSAP N-terminal (SPN)ドメイン」と呼んでいる。
SHANK3遺伝子と自閉症スペクトラム障害ASDの関係
SHANK3遺伝子には、下記のようなASD患者の間で再発性の変異が確認されている。SHANK3は、ASDを頻繁に伴う疾患であるPhelan-McDermid症候群で欠失している22番染色体上の多遺伝子領域に位置している。SHANK3は、ASDに多く見られるPhelan-McDermid症候群で欠失している22番染色体上の多遺伝子領域に位置しており、SHANK3が関与する点変異やコピー数変異がASD患者で発見されています（PMIDs 17173049, 17999366, 18615476, 20186804, 20385823, 21378602, その中には、PMID17173049、17999366、18615476のSHANK3のデノボ変異体も含まれており、これらの変異体は機能喪失型と予測されたり、実験的にSHANK3の機能を破壊することが示されたりしていました。Leblond et al., 2014 (PMID 25188300)では、さらに7つのSHANK3のde novo loss-of-function variantがsimplex ASD症例で同定されました。一方、1,031人のコントロールでは、SHANK3の切断型バリアントは観察されませんでした。この報告では、SHANK3の切断型バリアントを持つ個体は、中等度から重度/重症の知的障害（平均IQ31 8）を伴うASDを示すことがわかりました。さらに、ASDにおけるSHANKコピー数変異のスクリーニングとメタ分析において、SHANK3欠失は対照群と比較してASD症例で統計的に濃縮されていることが示されました [10/5,657症例（0.18％） vs. 2/19,163対照群（0.01）; P=0.019, OR=4.05 (1.26-13.01) ]。(PMID 25188300)。この遺伝子は、Iossifovらが2015年に、de novoの突然変異の証拠と、コントロールにおける突然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)。他の研究でも特発性ASDとの一貫性のない複数の関連性が報告されています(PMID 19384346, 19566951, 22892527, 24398551, 27876814)。また、Gauthier et al., 2010 (PMID 20385823)では、統合失調症患者におけるSHANK3のde novo変異が報告されており、SHANK3と統合失調症の関連性も報告されています(PMID 28371232)。
SHANK3遺伝子とその他の疾患との関係
フェラン・マクダーミド症候群／染色体22q13.3欠失症候群
SHANK3は、フェラン-マクダーミド症候群としても知られる22q13.3欠失症候群（606232）の患者で破壊された遺伝子の1つです。この欠失症候群は、新生児期の筋緊張低下、全身性の発達遅延、正常～加速した成長、発語の欠如～重度の遅延、自閉症的行動（209850参照）、および軽度の異形性を特徴とします（Durand et al.
Bonagliaら（2001年）は、22q13.3欠失症候群と重度の表出性言語遅延を有する男児において、SHANK3遺伝子のエクソン21とFLJ10659遺伝子のイントロンが破壊されたt(12;22)(q24.1;q13.3)という新規の均衡転座を同定しました（606231）。著者らは、SHANK3遺伝子の破壊がこの臨床疾患の原因である可能性が高いと提案しました。
Anderlidら（2002）は、33歳の女性に約100kbの22q13欠失を同定し、軽度の精神遅滞、言語遅延、自閉症症状、軽度の顔面異形を認めた。この欠失は、ACR(102480)とRABL2B(605413)の遺伝子を完全に包含し、SHANK3を破壊していました。
Wilsonら（2003年）は、22q13欠失症候群の患者56人の欠失サイズと出身親を決定しました。他の末端欠失症候群と同様に、父方の欠失が過剰に見られました。欠失の大きさは130kbから9Mbを超えるものまで様々であったが、末端領域を特異的に検査できた45人の患者全員にSHANK3遺伝子の欠失が認められた。欠失の大きさにかかわらず、すべての患者にある程度の精神遅滞が見られ、表現力のある言葉の著しい遅れや欠如が見られた。SHANK3の分子構造はさらに特徴的であった。SHANK3遺伝子はシナプス後密度の構造タンパク質をコードしていることから、この遺伝子のハプロ不全が22q13欠失症候群の神経学的症状の主要な原因因子であることが示された。
Bonagliaら（2006年）は、Anderlidら（2002年）が以前に報告した22q13.3の最後の100kbの欠失に伴う22q13.3欠失症候群の主要な特徴を持つ2人の患者を研究しました。両者とも、Wongら（1997年）がFlintら（1995年）が報告した22q13.3欠失症候群の患者で同定したSHANK3遺伝子の同じ15bpのリピートユニット内にブレイクポイントが見られました。Bonagliaら（2006）は、再発したブレークポイントを持つ末端欠失の最初の例であると述べ、欠失が市販のサブテロメリックプローブと部分的に重なっているため、FISHの結果を解釈するのが難しく、同様の症例が見落とされる可能性があると指摘している。
Durandら（2007）は、SHANK3の遺伝子量の異常が、言語障害や自閉症スペクトラムを含む重度の認知障害と関連していることを示す証拠を報告した（209850参照）。彼らは、自閉症スペクトラム障害と22q13またはSHANK3の明確な変化を持つ3つの家族を特定した。最初の家族では、自閉症、言語障害、中等度の精神遅滞を持つプロバンドが、22q13のde novo欠失を有していた。2番目の家族では、重度の言語障害と重度の精神遅滞を持つ2人の兄弟が、SHANK3遺伝子に1bpの挿入（606230.0001）を持つヘテロ接合であり、その結果、タンパク質が切断されていた。Durandら（2007年）が調査した3番目の家族では、自閉症で重度の言語遅滞がある女児に22q末端欠失が認められ、アスペルガー症候群の弟に22qter部分トリソミーが認められました。これらの不均衡な細胞遺伝学的異常は、父方の転座であるt(14;22)(p11.2;q13.33)から受け継がれた。2人の兄弟に見られた欠失と重複の転座は、22q13の800kbの末端セグメントに位置するSHANK3を含む25の遺伝子に関係していた。
Moessnerら（2007）は、400人の自閉症スペクトラム患者のうち、3人（0.75％）の血縁関係のない患者でSHANK3遺伝子の欠失を確認した。欠失の大きさは277kbから4.36Mbであり、1人の患者は染色体20q13.33に1.4Mbの重複を持っていた。1名は20q13.33に1.4bの重複がありました。患者は基本的に言葉を話さず、社会的相互作用が乏しく、反復行動を示しました。2人は全体的な発達遅延と軽度の異形性を有していました。SHANK3遺伝子にde novoのミスセンス変異を持つ4人目の患者は、自閉症に似た特徴を持っていたが、診断スコアは自閉症のカットオフ値を上回っていた。
Boccutoら（2013年）は，自閉症スペクトラム患者221人を対象にSHANK3遺伝子を特異的にスクリーニングすることで，同遺伝子にヘテロ接合性の変化を有する5人（2.3％）の指標患者を同定した（例えば，606230.0004～606230.0006参照）。そのうち3名は自閉症、1名は広汎性発達障害（PDD-NOS）、1名はアスペルガー症候群であった。ほとんどの患者は、痙攣、発達遅延、軽度の顔面異形などの特徴を有していた。独立したコホートの104人の患者でこの遺伝子をスクリーニングしたところ、1人（0.9％）にSHANK3ミスセンス変異が確認された。この患者からは細胞株が得られなかったため、機能的研究や発現研究を行うことはできなかった。Boccutoら（2013）は、自閉症患者5人とPDD-NOS患者12人を含む17人（7.7％）の症例で、c.1304+48C-T転移（rs76224556）を同定した。これらの患者のうち4人（23.5％）の兄弟がこの変異体を保有していた。また、15名の症例では、明らかに影響を受けていない親からもこのバリアントが遺伝することが示されました。しかし、このバリアントは、患者コホートの方が対照集団よりも有意に多かった（7.7％対1.4％、p値は0.0002未満）。再現コホートでは、患者104人中8人（7.7％）がc.1304+48C-T変異体を保有していた。この変化は、高度にCGリッチな領域で発生し、CpGジヌクレオチドの消失を引き起こすため、メチル化状態に影響を及ぼす可能性がある。Boccutoら（2013）は、SHANK3遺伝子の変異は、複雑な病因を持つ自閉症スペクトラム障害に対する基本的な感受性を高めると結論づけている。
統合失調症
Gauthierら（2010）は、統合失調症（SCZD15; 613950）の2家族において、2つのde novoの変異（R1117X, 606230.0002およびR536W, 606230.0003）を同定した。1つの変異は3人の兄弟に見られ、生殖細胞のモザイク化が示唆され、もう1つはヨーロッパ人女性に見られた。いずれの場合も、患者には境界性または軽度の精神遅滞が認められた。ゼブラフィッシュやラットの海馬ニューロンを用いた実験では、R1117X変異による行動障害や分化障害が明らかになった。これらの変異は285人の対照群には見られなかった。
この記事の筆者：仲田洋美（医師）
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この記事の筆者：仲田洋美（医師）
