SMC1A遺伝子

遺伝子名:　STRUCTURAL MAINTENANCE OF CHROMOSOMES 1A; SMC1A
別名:　SMC1-ALPHA
STRUCTURAL MAINTENANCE OF CHROMOSOMES 1-LIKE 1; SMC1L1
SMC1
DXS423E
KIAA0178
染色体: X
遺伝子座:　Xp11.22
遺伝カテゴリー: Rare Single Gene variant–Genetic Association-Functional
関連する疾患：Cornelia de Lange syndrome 2 300590 XLD
Developmental and epileptic encephalopathy 85, with or without midline brain defects 301044 XLD

omim.org/entry/300040

SMC1A遺伝子の機能

コヒーシン多タンパク質複合体は、細胞分裂の際に染色体が正しく分離されるための必須条件である姉妹染色体の結合に必要であり、2つの染色体構造維持（SMC）タンパク質（SMC3、SMC1BまたはSMC1A遺伝子がコードするタンパク質）から一部構成されている。コヒーシン複合体のほとんどは分裂前に染色体から解離してしまうが、動原体にある複合体は残っている。そのため、コードされているタンパク質は、機能的なキネトコアの重要な一部であると考えられている。

真核生物の姉妹染色体は、合成されてからアナフェイズで分離されるまでの間、結合が維持される。この結合は、コヒーシンと呼ばれるタンパク質の複合体に依存している。脊椎動物の場合、酵母とは異なり、コヒーシンはM期の前段階であるprophaseの間に染色体の腕から解離する。脊椎動物では、酵母とは異なり、M期の前段階で染色体の腕からコヒーシンが解離し、メタフェースまではセントロメア付近に少量のコヒーシンが残り、アナフェースの初期に完全に解離する。コヒーシン複合体には、SMC1、SCC1 (RAD21)、SMC3 (606062)、およびSA1 (STAG1; 604358)またはSA2 (STAG2; 300826)が含まれる。これらの複合体は、酵母において染色体の結合、凝縮、組換えに関与するタンパク質であるPDS5（613200）と相互作用する（Sumaraら、2000年）。

酵母では、コヒーシン複合体が有糸分裂時の姉妹染色体の結合に不可欠である。Smc1とSmc3のサブユニットは、一端に球状のABC様ATPaseを、もう一端に二量体化ドメインを持つ棒状の分子で、長いコイル状のコイルでつながっている。Smc1とSmc3は結合してV字型のヘテロ二量体を形成する。これらのATPaseの頭部は、第3のサブユニットであるScc1によって橋渡しされ、姉妹のDNA分子を捕らえることができる巨大な三角形のリングを形成すると考えられている。Gruberら（2003）は、コヒーシンが生体内でこのようなリングを形成するかどうかを調べた。Scc1は、アナフェイズの開始時にセパラーゼによってタンパク質分解され、染色体から解離するきっかけとなる。著者らは、Scc1のN末端とC末端の切断断片は、1つのSmc1/Smc3ヘテロ二量体の異なる頭部に結合しているため、結合が維持されることを示した。Smc3のコイルドコイルが切断されると、コヒーシンが染色体から遊離して姉妹の結合が失われるのに十分であり、クロマチンと局所的に結合していることが示唆された。

SMC1A遺伝子の発現

遺伝マーカーSB1.8（DXS423E）は、もともとXp21.1にマッピングされているCYBB（300481）遺伝子に対応するオリゴヌクレオチドプローブを用いてヒトリンパ球cDNAライブラリーをスクリーニングした際に、交差反応するクローンとして同定されたものである。Rocquesら（1995）は、DXS423E遺伝子が、有糸分裂時の染色体の分離に必要な酵母の必須タンパク質SMC1（structural maintenance of chromosomes-1）と30％同一の1,233アミノ酸のタンパク質をコードしていることを発見した。SB1.8とSMC1は、いずれもN末端にNTP結合部位、中央にコイルドコイル領域、C末端にヘリックス-ループ-ヘリックス領域を持ち、力を発生させるタンパク質であるミオシンやキネシンと共通の構造的特徴を持っている。また、SB1.8は、原核生物Mycoplasma hyorhinisのタンパク質115pと相同性のある領域と全体的な構造の類似性を示している。

マウスの胚では、Kruszkaら（2019年）が、発達中の脳の前方神経褶曲、神経外胚葉、および隣接する間充織にSmc1a遺伝子の発現を見出した。この知見は、前脳のパターニングにおける役割を示唆するものであった。

PatelとGhiselli（2005）は、SMC1のヒンジドメインをベイトとしたヒト胎児脳発現cDNAライブラリーの酵母2ハイブリッドスクリーニングと免疫沈降分析により、SMC1がヒンデリン（KIAA1328; 616480）と相互作用することを発見した。また、ヒンデリンはSMC3とは相互作用しなかった。ヒンデリンとSMC1の相互作用は、SMC1とSMC3の二量体化を妨げた。

Musioら（2005）は、SMC1のRNA干渉（RNAi）が、正常なヒト線維芽細胞における脆弱部位の発現を誘導するのに十分であることを示した。彼らは、アフィジコリン処理によってSMC1の合成量が増加し、ATR（601215）依存性の経路を介してSMC1がリン酸化され、リン酸化されたH2AX（601772）を用いた免疫組織化学的研究によって可視化されるように、二本鎖切断の誘導が強化されることを示した。アフィジコリンおよび/またはSMC1のRNAiを用いた実験では、1～2時間後には個別の核病巣は見られないか非常に稀であったが、6時間後にはより多くの核病巣が見られるようになった。Musioら（2005）は、フラジャイルサイトは、ATR/SMC1軸を介して修復するには時間がかかりすぎるDNA複製の停止により形成された二本鎖切断に由来するin vitroの現象であると考えられるが、in vivoでは、極端な複製ブロックの後、稀な細胞がチェックポイント機構を逃れ、ゲノムアセンブリに欠陥を抱えたまま有糸分裂に突入し、最終的には腫瘍性転換に至る可能性があると提案した。

コヒーシンのScc1、Smc1、Smc3の各サブユニットは、3つのパートからなる環状構造を形成しており、コヒーシンは姉妹のDNA分子をその環の中に閉じ込めて結合させていると考えられていた。この仮説を検証するために、Haeringら（2008）は、部位特異的な架橋を用いて、リングを構成する3つのポリペプチドの3つの界面に化学結合を作り、共有結合で閉じたコヒーシンリングを作製した。この方法では、リングの巻き込みモデルで予測されたように、タンパク質の変性に強い二量体のDNA-コヒーシン構造が作られた。Haeringら（2008）は、コヒーシンリングが個々の姉妹ミニクロモゾームDNA分子を連結していると結論づけている。

Kageyら（2010）は、Mediator（MED8, 607956参照）とコヒーシンが、マウス胚性幹細胞の活性遺伝子のエンハンサーとコアプロモーターを物理的かつ機能的に結合していることを報告した。転写コアクチベーターであるメディエーターは、2つのDNAセグメントをつなぐリングを形成することができるコヒーシンと複合体を形成する。コヒーシンローディング因子であるNIPBL（608667）は、Mediator-コヒーシン複合体に結合しており、プロモーターにコヒーシンをロードする手段を提供している。Mediatorとコヒーシンが占有するエンハンサーとプロモーターの間には、DNAループが観察される。メディエーターとコヒーシンは、細胞ごとに異なるプロモーターを共同で占有しているため、細胞の種類に応じたDNAループが生成され、各細胞の遺伝子発現プログラムに結びついているのである。

Davidsonら（2019年）は、生化学的再構成を用いて、単一のヒトコヒーシン複合体が最大で毎秒2.1キロベースペアの速度で対称的にDNAループを形成することを明らかにした。ループの形成と維持は、コヒーシンのATPase活性とNIPBL-MAU2（614560）に依存しているが、コヒーシンによるDNAのトポロジカルな巻き込みには依存していない（構成要素には、SMC3、606062；SMC1A；STAG1、604358；STAG2、300826が含まれる）。ループ形成の際、コヒーシンとNIPBL-MAU2はループの基部に存在しており、押し出しによってループを生成していることがわかる。Davidsonら（2019）は、今回の結果から、コヒーシンとNIPBL-MAU2は活性なホロ酵素を形成しており、擬人的または非擬人的にDNAと相互作用してゲノム間期DNAをループに押し出すことが示されたと結論づけている。

SMC1A遺伝子と自閉症スペクトラム障害ASDの関係

SMC1A遺伝子の変異は、多系統の奇形を特徴とする臨床的に不均質な発達障害であるCornelia de Lange症候群（Cornelia de Lange syndrome 2; OMIM 300590）の原因となっている（Deardorff et al. SMC1Aバリアントを有する51人の表現型の特徴は、6/6人が社会化障害（軽度から重度まで）を示し、20/31人（65％）が定型動作を示すことを示した（Huismanら、2017年）；さらに、SMC1Aバリアントを有するオランダ人13人のコホートからの5人の女性は、レット症候群に類似した表現型を示した：てんかん性脳症、重度または重度の知的障害、定型動作、およびいくつかのケースでは発達退行。

SMC1A遺伝子とその他の疾患との関係

コルネリア・デ・ランゲ症候群 2

SMC1L1遺伝子がマッピングされているXp11.2バンドを含む、明らかにバランスのとれたX;8転座を有するコーネリア・ド・ランゲ症候群（122470）の表現型を持つ女性について、Egemenら（2005年）が報告した。この結果は、SMC1L1遺伝子がXp11.2に位置していることと、その遺伝子がX連鎖性コーネリア・デ・ラング症候群2（CDLS2、300590）に関与していることと一致していた。

Musioら（2006）は、コーネリア・デ・ラング症候群と診断された53人の血縁関係のない人と4人の血縁関係のある人を集め、表現型の全スペクトルを網羅した。彼らは、そのうち24人に病原性のあるNIPBL（608667）の突然変異を発見したが、残りの33人にはNIPBLの突然変異がなかった。この33人のうち、家族性の発症は1例のみで、2人の男兄弟とその母親、1人のいとこが罹患していた。この家族ではNIPBL遺伝子の関与は除外されたが、罹患者はSMC1L1遺伝子に3bpの欠失があることが判明した（300040.0001）。また、散発例では、SMC1L1遺伝子にde novoのミスセンス変異があることが判明した（300040.0002）。

Deardorffら（2007年）は、優勢な精神遅滞を伴うコーネリア・ド・ランゲ症候群の軽度の変種を持つ患者において、さらに14個のSMC1A変異を同定した。変異したSMC1Aタンパク質を解析した結果、これらのタンパク質は機能的なコヒーシン複合体を形成する可能性が高いことが示されたが、Deardorffら（2007）は、これらの変異が染色体結合のダイナミクスを変化させる可能性があるとしている。Deardorffら（2007年）が同定したCDLSのSMC1A変異陽性者14人のうち10人は女性であった。さらに、Deardorffらの一連の研究では、男性と女性の患者が同様に罹患しており、X連鎖優性遺伝であることが示唆された。何人かの男性はどちらかというと軽症で、SMC1A遺伝子変異陽性の女性の多くよりも重症ではなかった。SMC1A遺伝子はXの不活性化を免れるので（Brownら、1995年）、罹患した女性のメカニズムは、変化したタンパク質のドミナントネガティブ効果によるものであり、タンパク質レベルの低下やXの不活性化の偏りによるものではないと考えられている。Deardorffら（2007）は、コヒーシンに対するこのドミナントネガティブ効果と一致するように、変種Cornelia de Lange症候群（606062.0001）の基礎となるSMC3遺伝子の1つのアミノ酸欠失変異を記述した。その結果、SMC3およびSMC1Aの変異は、コーネリア・ド・ランゲ症候群の約5％の症例に寄与し、四肢などCDLSに典型的に関連する主要な構造的異常がなく、一貫して軽度の表現型を示し、場合によっては、明らかに非症候性の精神遅滞に近い表現型を示すことが示されました。Deardorffら（2007）は、ヒトの疾患との関連がまだ明らかにされていない15以上のコヒーシン複合体の構成要素が阻害されることで、さらなる「コヒーシン病」が生じる可能性を示唆している。

脳の正中線欠損を伴う、あるいは伴わない発達性脳症およびてんかん性脳症85

血縁関係のないポルトガル人の両親から生まれた、薄い脳梁として現れる正中脳欠損を伴う発達性・てんかん性脳症85（DEE85；301044）の7歳の女児において、Lebrunら（2015）は、SMC1A遺伝子（300040.0007）にデノボ・ヘテロ接合のスプライスサイト変異を同定した。この変異は、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ました。患者の線維芽細胞を分析したところ、変異体の転写物のみが存在し、コントロールと比較して有意に減少していたことから、ナンセンスを介したmRNAの崩壊と機能の喪失が示唆された。

DEE85の血縁関係のない女児2人において、Goldsteinら（2015年）は、SMC1A遺伝子にde novoのヘテロ接合フレームシフト変異を同定した（300040.0008および300040.0009）。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。末梢血細胞におけるX不活性化の研究では、1人の患者には偏ったパターン（93：7）が見られたが、もう1人の患者にはランダムなパターンが見られた。変異体の追加の機能的研究や患者の細胞の研究は行われなかった。

DEE85の血縁関係のない女性2人において、Jansenら（2016）は、SMC1A遺伝子にデノボのヘテロ接合性機能喪失（LOF）変異を同定した（例えば、300040.0010参照）。この変異は、全ゲノムシークエンスによって発見された。1人の患者のX不活性化研究ではランダムなパターンを示したが、もう1人の患者では偏ったパターンを示した（85：15）。追加の機能的研究は行われなかった。Jansenら（2016）は、女性におけるSMC1A遺伝子のde novo LOF変異は、異常な用量効果を引き起こし、その結果生じる表現型はCDLS2とは異なると結論づけている。さらに著者らは、男性のLOF変異は胚性致死である可能性を示唆した。

DEE85を有する10人の血縁関係のない女性において、Symondsら（2017年）は、SMC1A遺伝子にデノボのヘテロ接合のナンセンス、フレームシフト、またはスプライスサイト変異を同定した（例えば、300040.0011～300040.0013を参照）。これらの変異の機能的研究は行われなかった。一部の患者で実施されたX-不活性化研究では、ランダムなパターンを示すものもあれば、歪んだパターンを示すものもあり、結果にばらつきがあった。Symondsら（2017年）は、SMC1AがX不活化を免れるのであれば、ハプロ不全が原因メカニズムである可能性は低く、むしろドミナントネガティブ効果があると推測している。また、SMC1Aの完全な欠損は胚性致死であることが示唆されたが、このような変異を持つ男性は報告されていない。

DEE85および全脳性無脳症（HPE）を含む様々な正中線脳欠損を有する5人の血縁関係のない女児（患者7～11人）において、Kruszkaら（2019年）は、SMC1A遺伝子にデノボのヘテロ接合性変異を同定した（例えば、300040.0014および300040.0015を参照のこと）。1つを除くすべての変異は、ナンセンス変異、フレームシフト変異、またはスプライスサイト変異で、機能喪失効果を示唆しており、ミスセンス変異が1つあった。変異体の機能的研究や患者の細胞を用いた研究は行われなかった。ヒトの神経前駆細胞においてSMC1A遺伝子をノックダウンすると、GLI2（165230）、ZIC2（603073）、SMAD3（603109）の遺伝子発現が上昇した。これらの知見の意義は不明であったが、SMC1Aの欠損がHPEに関わる遺伝子の発現を擾乱することが示された。この患者は、277人のHPE患者のコホートの一部であり、GeneMatcherなどの共同研究で集められたものでもある。