UBE3A遺伝子

名:　UBIQUITIN-PROTEIN LIGASE E3A;
別名:　HUMAN PAPILLOMAVIRUS E6-ASSOCIATED PROTEIN; E6AP
: 15
:　15q11.2
カテゴリー:Rare Single Gene variant-Syndromic
関連する：Angelman syndrome 105830 AD

omim.org/entry/601623

UBE3A遺伝子の機能

UBE3A遺伝子は、ユビキチンタンパク質分解システムの一部であるE3ユビキチン-プロテインリガーゼをコードしています。このインプリンティング遺伝子は、脳では母親由来が、その他の組織ではバイアレリックに発現しています。

Scheffnerら（1993）は、E6APがE3ユビキチン-プロテインリガーゼであることを発見した。

また、Wongら（2002）は、酵母2ハイブリッド法と共免疫沈降法を用いて、VCY2がUBE3AのHECTドメインと相互作用することを示した。

Luら（2009）は、Ube3aはショウジョウバエの生存には必須ではないが、Ube3aの活性を失った場合、末梢神経系の感覚ニューロンの樹状突起の分岐が減少し、末端の樹状突起の微細なプロセスの成長が遅くなることを示した。ショウジョウバエでUBE3aを過剰発現させると、樹状突起の分岐が減少したことから、UBE3Aを適切なレベルで維持することが、正常な樹状突起のパターニングに重要であることが示唆された。

Greerら（2010）は、神経細胞の活動により、培養神経細胞およびマウス脳内のげっ歯類のUBE3a転写産物の発現が上昇し、それに伴ってAMPA型グルタミン酸受容体（AMPAR）（GLUR1またはGRIA1参照、138248）の表面発現が上昇し、微小な興奮性シナプス後電流の頻度が増加することを見出した。Ube3aは、活性化に関連した転写因子Mef2（MEF2A；600660）の結合部位を含む、高度に保存されたプロモーター1および3から開始される転写産物の発現を特異的に増加させた。Ube3aの過剰発現、ノックダウン、突然変異の実験により、Ube3aがGlur1のエンドサイトーシスのメディエーターであるArc（612461）をダウンレギュレートすることで、シナプス後表面のGlur1の発現を高めることが明らかになった。Ube3aによるArcのダウンレギュレーションには、Ube3aのユビキチンリガーゼ活性が必要であり、プロテアーゼ阻害剤によって阻害された。Greerら（2010）は、UBE3aがARCのプロテアソーム分解を誘導することで、AMPARの表面発現と活性を高めていると結論づけている。

Margolisら（2010）は、マウスの発達期の神経細胞のシナプス形成を制御するRhoa（165390）グアニンヌクレオチド交換因子ephexin-5（E5、またはARHGEF15、608504）の分解に、UBE3Aが関与していることを明らかにした。E5がエフリン受容体Ephb2（600997）に結合すると、Ephb2のチロシンキナーゼ活性と興奮性シナプス形成の両方が阻害された。E5とEphb2の相互作用は、Ephb2にエフリンB（EFNB1；300035参照）が結合することで停止し、E5のチロシンリン酸化、放出、不安定化が起こり、興奮性シナプスの形成が可能となった。E5の分解にはUbe3aとの結合が必要で、Ube3aの不活性変異体やプロテアソームの阻害によって抑制された。Margolisら（2010）は、アンジェルマン症候群のモデルマウスでE5の発現が上昇していることを発見し、発生過程におけるE5の発現上昇がアンジェルマン症候群の認知機能の異常に寄与している可能性を示唆している。

Kuhnleら（2011）は、酵母2ハイブリッド解析と、共導入したタンパク質と内在性タンパク質の共沈解析を用いて、E3ユビキチンリガーゼHERC2がE6APの852アミノ酸アイソフォームと相互作用することを明らかにした。ドメイン解析の結果、この相互作用には、HERC2の中央部にあるRLD2ドメインと、E6APのN末端付近にあるドメインが必要であることがわかった。完全長のHERC2または分離したHERC2のRLD2ドメインは、E6APの自己ユビキチン化およびE6AP基質のユビキチン化におけるE3活性を刺激した。E6APの活性化には、触媒的に活性化したHERC2は必要なかった。

Fangら（2011）は、酵母のUBE3AのホモログであるHul5が、熱ショック処理後のミスフォールドしたタンパク質のユビキチン化と細胞のフィットネス維持に必要であることを発見した。蛍光顕微鏡により、Hul5の核から細胞質への再分布が、ヒートショック応答におけるミスフォールドタンパク質のユビキチン化に重要であることが示された。また、パルスチェイス実験により、Hul5は、Hsp70タンパク質のSSAサブファミリーのシャペロンとは独立して、ミスフォールドした低溶解性の細胞質タンパク質をユビキチン化による分解の対象としていることが明らかになった（140550）。

Krishnanら（2017）は、in vivoのマウス遺伝学を用いて、核内でUBE3Aを増加させると、マウスの社交性に必要なグルタミン酸シナプスオーガナイザーCbln1（600432）がダウンレギュレートされることを示した。また、てんかん発作では、UBE3Aが無症候性に増加したマウスでは、Cbln1が抑制され、社会性の障害が露呈した。このUBE3Aと発作の相乗効果は、中脳腹側被蓋野（VTA）のグルタミン酸ニューロンにマッピングされ、Cbln1の欠失により社会性が損なわれ、グルタミン酸の伝達が弱くなっていた。Krishnanら（2017）は、VTAのグルタミン酸ニューロンにおけるCbln1のウイルスベクターを用いた化学遺伝学的な活性化または復元が、Ube3aおよび／または発作によって誘発される社会性の障害を逆転させるという前臨床の証拠を示した。Krishnanら（2017）は、VTAグルタミン酸ニューロンにおける遺伝子と発作の相互作用は、自閉症遺伝子のタンパク質相互作用ネットワークの重要なノードであるCbln1をダウンレギュレートすることで社会性を損なうと結論づけた。

Yiら（2017）は、HEK293T細胞において、UBE3Aが、8つのコアプロテアソームサブユニット（例：PSMD2；606223）を含む、19S調節粒子の1辺に沿って位置する複数のプロテアソームサブユニットと相互作用することを発見した。UBE3Aとの相互作用は、プロテアソームサブユニットのユビキチン化を増加させ、その存在量と活性を低下させ、β-カテニン（CTNNB1；116806）の安定化と核内蓄積を通じたWnt（606359参照）シグナルの活性化につながった。

Sunら（2019）は、ヒトの神経細胞と脳オルガノイドを用いて、UBE3Aがカルシウムおよび電圧依存性の大カリウム（BK）チャネルのユビキチンを介した分解を介して神経細胞の興奮性亢進を抑制することを実証した。Sunら（2019年）は、BKチャネル活性の増強が、個々のニューロンにおける固有の興奮性の増加と、それに続くネットワークの同期として現れるという証拠を提示した。BKアンタゴニストは、ヒトとマウスの両方の神経細胞の興奮性を正常化し、アンジェルマン症候群マウスモデルの発作感受性を改善した。Sunら（2019年）は、今回の発見が、BKチャネル障害がASのてんかんの根底にあることを示唆しており、ヒトの発達疾患のモデルにヒト細胞を使用することを支持するものであると結論づけた。

UBE3Aのインプリンティング

Matsuuraら（1997）らに示されているように、UBE3Aは、15q染色体近位部のアンジェルマン症候群（AS; 105830）領域に存在し、セントロメリック側の間質性欠失のブレイクポイントとテロメリック側の家族性t(14;15)のブレイクポイントで定義されていることがわかった。この領域は、SNRPN遺伝子（182279）を含むプラダー・ウィリー症候群（PWS；176270）の領域とテロメリックにつながっている。UBE3Aのインプリンティング発現について、エクソン9と10のプライマーを用いて、培養したヒトの線維芽細胞と、大きな欠失を持つASとPWSの患者のリンパ芽細胞でRT-PCR分析を行ったところ、バイアリル発現が認められ、UBE3AがASの候補遺伝子座である可能性は低いことが示唆された。

Vu and Hoffman (1997)とRougeulle et al. (1997)は、UBE3A遺伝子のインプリンティングが脳に限定されていることを示した。その発現は、線維芽細胞、リンパ芽細胞、心臓、腎臓、その他の組織でバイアルリックである。この所見は、ASの臨床症状や死後の所見と一致しており、どちらもこの障害では脳が主要な器官であることを示唆している。

Albrechtら（1997）は、母方と父方の発現を区別するために、Ube3aを包含する部分的な父方の片親性欠失（UPD）を持つマウスを使用した。彼らはin situ hybridizationにより、UPDマウスのプルキンエ細胞、海馬の神経細胞、嗅球の有糸分裂細胞におけるUbe3aの発現が、非UPDの同腹仔に比べて著しく低下していることを発見した。一方、脳の他の領域におけるUbe3aの発現は、UPDマウスでは中程度にしか減少しないか、全く減少しなかった。このマウスモデルで明らかになったように、ASの主要な表現型は、海馬と小脳におけるUbe3aの母体特異的な発現の喪失と相関している。

Herzingら（2002）は、15q11-q13重複領域内の発現に対するエピジェネティックな影響の可能性を調べるために、RNA–FISHを用いて遺伝子発現を観察した。RNA-FISHは、RT-PCRとは異なり、多型に依存せず、各対立遺伝子における相対的な発現レベルを検出することができる。cDNAプローブを用いて、増幅されていない遺伝子特異的なRNAシグナルが検出された。その後のDNA-FISHでは、RNAシグナルが確認され、ゲノムプローブのコロケーションにより親の由来が特定された。SNRPN(182279)とNDN(602117)の発現は主に父方の対立遺伝子から検出された。しかし、母方のUBE3Aシグナルは、正常な線維芽細胞、神経前駆細胞、母方の間質重複を有する細胞株の片方または両方の母方の対立遺伝子、および母方由来のマーカー(15)染色体の両対立遺伝子において、父方のシグナルよりも常に大きかった。また、15q11-q13重複あるいは3重複を有する細胞株のノーザンブロット解析により、母親由来のUBE3A RNAが過剰に存在することが確認された。著者らは、UBE3Aは、線維芽細胞、リンパ芽細胞、神経前駆細胞においてインプリンティングされていること、対立遺伝子のインプリンティング状態は、シスでもトランスでも重複しても大部分の細胞で維持されること、特定のタイプの重複上の対立遺伝子は、発現レベルの増加／発現制限の喪失を示す可能性があることを結論付けている。

Yamasakiら（2003）は、胎児期のマウス皮質細胞の培養でUbe3aのインプリンティング状態を解析した。この遺伝子の対立遺伝子の発現を調べるために、RT-PCRと免疫蛍光法を行った。センス転写産物は、胚脳の神経細胞では母系的に、グリア細胞ではバイアル的に発現していたが、アンチセンス転写産物（UBE3AATS、またはSNHG14、616259）は、神経細胞でのみ、父系対立遺伝子からのみ発現していた。Yamasakiら（2003）は、神経細胞のみに存在するセンスおよびアンチセンス転写物の相互インプリンティングは、神経幹細胞の系統決定に関連する神経細胞特異的なインプリンティングメカニズムを示唆していると結論づけた。

Dindotら（2008）は、蛍光タグ付きのUbe3aを発現させたトランスジェニックマウスが、中枢神経細胞では母方の対立遺伝子から優先的に発現するが、グリア細胞ではバイアルで発現することを見出した。発現は、神経細胞の核とシナプスの両方で検出された。Ube3aを母親が欠損したマウスでは、小脳のプルキンエ細胞や、海馬や大脳皮質の錐体細胞で、樹状突起の形態や密度に異常が見られた。

Mengら（2013）は、父方および母方のUBE3Aのプロモーターが、ヒトの脳内でメチル化されずに残っていることに注目した。彼らは、母方および父方のマウスUBE3A対立遺伝子のプロモーター領域が転写活性を持つことを発見した。クロマチン免疫沈降法による解析に続いて、対立遺伝子特異的なPCRと塩基配列決定を行ったところ、Snrpnプロモーターの転写活性の高い父方の対立遺伝子のみが転写前開始複合体（PIC）と結合していることがわかったが、一方、Ube3aプロモーターの両親方の対立遺伝子はPICと同じ分画に検出された。また、ストランド特異的なマイクロアレイデータから、Ube3aのイントロン4付近でUbe3aats RNAが有意に減少しており、父方のUbe3a pre-mRNAが抑制される領域に近いことが明らかになった。Mengら（2013）は、父方のUbe3aの発現抑制について、Ube3aのセンスRNAとアンチセンスRNAの両方が、ポリメラーゼがイントロン4に到達するまで比較的高いレベルで真っ向から転写され、そこで両者が低レベルに低下するという「転写衝突」モデルを提唱している。

MECP2の欠損がUBE3Aの発現に及ぼす影響

MECP2（300005）の変異によるX連鎖優性疾患であるレット症候群（312750）やアンジェルマン症候群は、自閉症（209850）と表現型や遺伝子が重複している。Samacoら（2005）は、MECP2の欠損は、必ずしもインプリンティング発現に影響を与えることなく、UBE3Aおよび近隣の自閉症候補遺伝子GABRB3（137192）の発現レベルに影響を与えるのではないかという仮説を検証した。複数の定量的手法により、2種類のMecp2欠損マウス系統、およびRett、Angelman、自閉症の脳サンプルにおいて、対照サンプルと比較してUBE3Aの発現に有意な欠陥があることが明らかになった。Mecp2欠損マウスの脳では、いくつかのインプリンティング転写産物の対立遺伝子の発現には違いが見られなかったが、UBE3Aのセンス発現は有意に減少しており、タンパク質の減少と一致していた。また、インプリンティングされていないGABRB3遺伝子も、Mecp2欠損マウスだけでなく、複数のレット、アンジェルマン、自閉症の脳サンプルで有意に発現が低下していた。Samacoら（2005）は、レット症候群、アンジェルマン症候群、自閉症における15q11-q13番染色体内の遺伝子制御異常の重複経路を提唱し、生後の哺乳類脳におけるUBE3AとGABRB3の発現制御にMECP2が関与していることを明らかにした。

Makedonskiら（2005）は、ヒトおよびマウスのMECP2欠損脳では、UBE3AのmRNAおよびタンパク質が著しく減少していることを示した。UBE3Aレベルの低下は、UBE3AアンチセンスRNAのバイアル生産と関連していました。さらに、MECP2の欠損により、PWS/ASのインプリンティングセンターでは、ヒストンH3のアセチル化とH3(K4)のメチル化が上昇し、H3(K9)のメチル化が減少したが、DNAのメチル化やSNRPNの発現には影響がなかった。Makedonskiら（2005）は、MECP2の欠損がPWSのインプリンティングセンターでエピジェネティックな異常を引き起こすと結論づけている。このようなヒストン修飾の変化により、脳内のUBE3Aアンチセンス遺伝子のインプリンティングが失われ、UBE3AアンチセンスRNAレベルが上昇し、その結果、UBE3Aの産生量が減少すると考えられる。

UBE3A遺伝子の発現

E6APは、当初、ヒトパピローマウイルスのE6タンパク質とp53（191170）とのin vitroでの結合を媒介し、p53のユビキチン依存的な分解をもたらす細胞内タンパク質として同定された（Huibregtseら、1991年、Scheffnerら、1990年）。Huibregtseら（1993）は、E6AP遺伝子をクローニングし、発現したタンパク質とp53およびE6との関連性を調べた。865アミノ酸のE6APタンパク質は、ネイティブな分子量が約100kDである。

Yamamotoら（1997）は、UBE3Aが、保存されたC-terminal 350アミノ酸HECTドメインによって定義される機能的に関連したタンパク質のファミリーに属していることを指摘している。RT-PCRを用いて、山本ら（1997）は、N末端が異なるタンパク質アイソフォームをコードするいくつかのUBE3A mRNAを同定した。各mRNAは試験した全ての細胞株で発現していた。Kishino and Wagstaff (1998) は、UBE3A mRNAの代替スプライシングフォームをさらに同定した。

Wongら（2002）は、VCY2（BPY2; 400013）を餌として精巣cDNAライブラリーのイースト2ハイブリッドスクリーニングを行い、続いて精巣mRNAのRT-PCRを行ってUBE3Aをクローニングした。この873アミノ酸のタンパク質は、C-末端にHECTドメインを含んでいた。ノーザンブロット解析により、精巣および前立腺において、1.4および2kbのUBE3A転写産物が強く発現し、4および5kbの転写産物は弱く発現していることが検出された。また、小腸や大腸でも1.4および2kbの転写物が検出された。RT-PCRでは、射精したヒトの精子にUBE3Aの発現が検出された。

Furumaiら（2019年）は、分画解析を用いて、UBE3Aが主にマウスの神経細胞の核に局在することを示した。

UBE3A遺伝子と自閉症スペクトラム障害ASDの関係

UBE3A遺伝子には、自閉症と関連する遺伝的な関連性や稀な変異が見られるという研究結果があります。関連性はCollaborative Linkage Study of Autism (Nurmi et al., 2001)の家族に見られ、希少変異はヨーロッパ人の祖先を持つ症例に見られました。

UBE3A遺伝子とその他の疾患との関係

アンジェルマン症候群

Kishinoら（1997）は、アンジェルマン症候群（AS；105830）の原因となる逆位を発見し、この逆位がUBE3A遺伝子の5プライムエンドを破壊していることを明らかにした。その後、彼らは、非欠失性／非片親性欠失性／非インプリンティング変異（NDUI）のAS患者において、UBE3Aの機能を消失させると予測される2つの変異を発見しました。

Matsuuraら（1997）は、AS患者のUBE3A遺伝子に4つの突然変異を同定した。その中には、エクソン3のde novoフレームシフト変異とde novoナンセンス変異、および重要性が確実でない2つのミスセンス変異が含まれる。UBE3A遺伝子のフレームシフト変異は、ASの遺伝子であることを示しており、二重に発現している転写産物に加えて、母体で発現している遺伝子産物がある可能性を示唆している。著者らは、アンジェルマン症候群におけるUBE3Aの遺伝子内変異は、哺乳類におけるユビキチン依存性タンパク質分解経路の遺伝的障害の最初の例であるとコメントしている。アンジェルマン症候群は、機能的に異なるインプリンティング遺伝子産物とバイアリリックに発現する遺伝子産物を産生する遺伝子座に関連するヒトの遺伝的疾患の一例であると考えられる。インスリン様成長因子-2（IGF2、147470）では、1つの遺伝子座からインプリンティングされた転写産物とインプリンティングされていない転写産物が産生されるという前例があり、4つのプロモーター、3つのインプリンティングされたプロモーターと1つのバイアリルで発現するプロモーターが、異なる発現を説明している。

Malzacら（1998）は、13人のAS患者または家族において、SSCP分析によって検出されたUBE3Aコード領域の突然変異を同定した。そのうち2例では、エクソン16に5bpの重複が見られた。その他の11個のユニークな変異のうち、8個はフレームシフトを引き起こすと予測される小さな欠失または挿入、1個は停止コドンへの変異、1個はミスセンス変異、1個はUBE3Aタンパク質のヘクトドメイン（E2結合とユビキチン転移に機能する）にイソロイシンが挿入されると予測されたものであった。そのうち8例は家族性で、5例は散発性であった。家族性の2例と散発性の1例では、3人のASの息子の母親、2人のASのいとこの母方の祖父、1人のASの娘の母親に、UBE3A遺伝子変異のモザイク性が検出された。変異が検出された頻度は、散発例では35例中5例（14％）、家族性例では10例中8例（80％）であった。

Fungら（1998）は、UBE3A1遺伝子の3プライム非翻訳領域に、機能的に重要ではない14bpの欠失を発見した。この対立遺伝子は、非典型的なアンジェルマン症候群と考えられていた患者の突然変異を検索した際に同定されたものである。この患者は、精神遅滞、言葉が出ない、運動失調、そして「幸せな性格」を持っていた。また、顔色がよく、斜視、睡眠障害も認められました。彼女は非常に低身長で、下顎が突出していなかったため、非典型的であると考えられました。また、失調はAngelman症候群に比べて軽度であり、不適切な笑いも見られず、2歳6カ月の時点で後頭部の形成も正常で、脳波も正常であった。14-bpの欠失は、この患者とその正常な兄弟、そして非罹患の母親に認められました。

Fangら（1999）は、アンジェルマン症候群と臨床診断され、DNAメチル化パターンが正常な56名の患者のUBE3A遺伝子の主要コーディングエクソンの配列を決定した。56名の患者のうち17名（30％）に疾患の原因となる突然変異が同定され、その中には13の切断型突然変異、2のミスセンス突然変異、1の単一アミノ酸欠失、1の停止コドン突然変異が含まれ、伸長したタンパク質が予測された。変異が確認されたのは、1人以上の罹患者がいる8家族のうち6家族（75％）と、孤立した47例のうち11例（23％）で、典型的な表現型と非典型的な表現型を持つ2人の兄弟を持つ1家族には変異が見られなかった。孤立した11例のうち9例では、突然変異が生じていた。また，エクソン8の上流のイントロンに3bpの長さの多型が認められた。情報提供を受けたすべての症例において、表現型はインプリンティングと一致しており、父方の染色体に変異がある場合は正常な表現型、母方の染色体に変異がある場合はアンジェルマン症候群の表現型を示した。

Rapakkoら（2004年）は、15q11-q13の両親等遺伝とメチル化パターンが正常であったアンジェルマン症候群の患者9名を対象に、UBE3Aコード領域のコンフォメーション感受性ゲル電気泳動（CSGE）による変異解析を行った。その結果、2つのミスセンス変異（thr106→pro（601623.0006）、ile130→thr（601623.0007））を含む、5人の患者に疾患原因となる変異が確認されました。2人の患者には、エクソン16に4ヌクレオチドのフレームシフト欠損 3093delAAGA（601623.0008）があり、5人目の患者の変異は、エクソン9の1930delAGによるフレームシフトであった（601623.0009）。CSGEは、UBE3Aの変異を高感度かつ簡便にスクリーニングする方法であることがわかりました。

Camprubiら（2009）は、メチル化パターンが正常なAS患者237人のUBE3A遺伝子を解析し、厳格に選択された38人の患者のうち5人（13.2％）と、臨床基準が緩く適用された199人の患者のうち6人（3％）に、それぞれ11の変異を同定しました。遺伝と変異の種類には有意な関連性があり、5つの1塩基の変化は健康な母親から受け継いだものであったが、5つの複数塩基の欠失または挿入のうち4つは患者の中で新たに生じたものであった（p = 0.02）。1例では、健常な母親に遺伝性の変異が存在し、その母親は父親由来の染色体上の血液細胞にモザイク状に変異を保持していました。これまでに発表されたASの変異を調べたところ、遺伝との関連性が確認され、複数のヌクレオチドの欠失や挿入が新規に発生する割合は、1つのヌクレオチドの置換の場合の約2倍であった（p = 0.015）。Camprubiら（2009）は、本研究で検出された11個のUBE3A変異のうち、これまでに報告されていたのは3個のみであったことから、新たな症例が報告されるにつれて、ASの原因となる変異のばらつきが大きくなることを示唆している。