Cockayne症候群BとERCC6遺伝子：TC-NER異常とCSBモデル

ERCC6遺伝子構造：TC-NER経路の中核因子

Excision repair cross-complementation group 6（ERCC6）遺伝子の変異は、Cockayne症候群B（CSB）をはじめとする疾患に関与することが知られています。ERCC6はATP刺激性ATPase活性を持つDNA修復関連タンパク質をコードし、複数の転写因子やヌクレオチド除去修復関連タンパク質と相互作用します。DNA損傷部位における修復複合体形成を促進し、転写共役ヌクレオチド除去修復（TC-NER）に重要な役割を果たします。

ERCC6遺伝子はヒト第10染色体10q11に位置し、全長は104.7 kb、23個のエクソンを有し、1493アミノ酸からなるタンパク質をコードします。ERCC6変異はCockayne症候群Bと密接に関連しています。

ERCC6変異とCockayne症候群Bの臨床像

Cockayne症候群（CS）は希少な常染色体劣性遺伝性疾患であり、発症頻度は日本で約277万人に1人、西欧で約270万人に1人と報告されています。臨床症状は複雑で多様であり、成長遅延、早老様変化、網膜色素変性、光線過敏、感音難聴、小頭症などが含まれます。臨床表現型は連続的かつ重なり合うスペクトラムを示し、重症型から脳・眼・顔面・骨格症候群（COFS）、CS II、CS I、CS III、紫外線感受性症候群まで幅広く分類されます。

原文では、CS診断に用いられる主な方法として以下の3つが挙げられています。

（1）典型的な表現型に基づく診断。具体的な診断基準として、2013年にLaugelが改訂した基準が用いられます。ただし、この方法は狭義のCS、すなわちCS I〜IIIに適しており、COFSや紫外線感受性症候群には適用しにくいとされています。

（2）CSではTC-NERに欠陥があるという考えに基づき、皮膚線維芽細胞を紫外線に曝露した後のRNA合成回復を測定するDNA修復試験を行います。

（3）次世代シーケンシング技術を用いてDNAまたはRNAを解析し、遺伝学的診断を行います^[1]。

ERCC6（CSB）およびERCC8（CSA）の変異は、それぞれCSBおよびCSAの原因となる主要な病因遺伝子です。CSB遺伝子変異はCS症例のおよそ3分の2を占めます。CSAとCSBはTC-NER経路を介して損傷DNA修復に関与します。CSAまたはCSBを欠損した細胞では、転写中に遭遇したDNA損傷を修復できず、RNAポリメラーゼが損傷部位で停止します。その結果、遺伝子発現が妨げられ、細胞機能障害または細胞死が誘導され、最終的にCSの発症につながります。これまでにCockayne症候群と関連するCSB遺伝子変異は97種類報告されています。CSBのホモ接合性変異だけでなく、ヘテロ接合性変異もCSを引き起こし得るとされています。CSBタンパク質構造と病原性変異の種類を図1に示します^[2]。

図1. CSBタンパク質とドメインの模式図^[2]。酸性領域（A）、核局在シグナル（N）、ヘリカーゼモチーフ（I、Ia〜VI）、ユビキチン結合ドメイン（UBD）を示します。（A）ホモ接合性変異を示し、フレームシフト変異およびナンセンス変異はタンパク質上側、欠失およびミスセンス変異は下側に示されています。（B）ヘテロ接合性変異を示します。

CSB欠損マウスモデル：in vivoでDNA修復異常を再現

Gorgelsらは、ヒトCS患者にみられるCSB（ERCC6）遺伝子の切断型変異を模倣することで、ヌクレオチド除去修復障害を示すCSマウスモデルを樹立しました。結果として、CSB遺伝子特異的切断マウス（Csb^-/-）は、転写共役修復の欠陥、紫外線高感受性、自発的網膜変性、紫外線曝露後のRNA合成回復障害など、ヒトCSと類似する特徴を示しました。

一方で、CS患者と比較すると、Csb^-/-マウスは皮膚がん、特に扁平上皮がんに対する感受性が高いことが示されています。この違いは、ヒトでは紫外線誘発性シクロブタン型ピリミジンダイマーを主にゲノム全体修復（GG-NER）経路で処理するのに対し、マウスではTC-NER経路を優先的に用いて修復することに起因します。CS患者およびCsb^-/-マウスではGG-NER機能は影響を受けません。そのため、Csb^-/-マウスではTC-NER欠損により紫外線誘発性シクロブタン型ピリミジンダイマーを適切に処理できず、がん感受性が上昇します^[3]。

図2. 紫外線またはDMBA曝露後にCSB欠損マウス皮膚で認められる急性および慢性変化^[3]

（A）CSB^-/-マウス皮膚における紫外線誘発紅斑。剃毛した個体にUV-B（1000 J/m²/日）を4日連続で照射し、初回照射1週間後に撮影しました。上段はCSB^-/-雄マウス（小型化に注目）、下段は野生型雄マウスです。

（B、C）剃毛したCSB^+/+（B）およびCSB^-/-（C）マウスにUV-B（200 J/m²/日）を4日連続で照射した後の皮膚切片。野生型皮膚は正常に見えますが、CSB欠損皮膚では棘細胞症および過角化を伴う過形成が認められます。

（D、E）慢性的なUV-B曝露（累積線量30 kJ/m²）後のCSB^-/-マウス皮膚。肉眼的には発赤と鱗屑（D）が、組織学的には棘細胞症と錯角化（E）が認められます。

（F、G）5 μg DMBAを週3回処置した後の剃毛CSB^+/+（F）およびCSB^-/-（G）マウス皮膚切片。野生型皮膚は正常形態を示す一方、CSB欠損皮膚では顕著な過形成（棘細胞症）が観察されます。

治療開発の方向性：対症療法からiPSC遺伝子修正へ

CSに対しては、現在主に対症療法が行われています。理学療法や、白内障摘出など罹患臓器に対する小手術がその例です。紫外線への感受性が高い患者には、紫外線防護衣の着用が推奨されます。

早老症に対しては、北京大学第三医院が14歳の女児に胎盤由来幹細胞を用いた治療を実施し、胎盤幹細胞による早老症治療として国際的に初めての症例となりました。同院では体外受精技術により健康な男児が出生し、その胎盤から間葉系幹細胞（MSC）を分離して姉に移植しました。臨床検査では、患者の肝機能などの指標に改善がみられ、疾患症状の軽減が確認されました。

さらにWangらは、ERCC6変異を有するCS患者由来線維芽細胞を誘導多能性幹細胞（iPSC）へリプログラミングし、Targeted Gene Editing-Proシステムを用いて遺伝子修正済みCS-iPSC（GC-iPSC）を作製しました。CS-iPSCから誘導分化した間葉系幹細胞（CS-MSC）および神経幹細胞（CS-NSC）にもCS関連表現型が認められ、これら2種類の細胞はDNA損傷ストレスに対してより高い感受性を示しました。一方、ERCC6変異遺伝子を標的修正することで、CS-MSCの早老様欠陥を改善できることが示されました。したがって、自家iPSCの病因遺伝子変異をTargeted Gene Editing-Proにより修正し、病原性変異を持たないGC-MSCへ誘導分化させる戦略は、CSに対する個別化治療案として有望であり、CS治療に向けた幹細胞療法の新たな考え方を提示しています^[4]。

ERCC6関連疾患に向けた精密医療の展望

ERCC6はCSの主要な病因遺伝子です。CSB遺伝子変異により、細胞は転写中に遭遇したDNA損傷を修復できなくなり、RNAポリメラーゼがその部位で停滞します。その結果、遺伝子発現が阻害され、最終的にCSの病態が引き起こされます。

現時点で臨床的に用いられているCS治療法は症状を軽減するものであり、疾患を根治するものではありません。健康な兄弟由来MSCを用いた同種移植治療の症例は報告されていますが、同種細胞治療として幹細胞を長期使用する場合の安全性については、今後の検討が必要です。

同種MSC療法に加えて、体細胞リプログラミング技術によりCS-iPSCを作製し、Targeted Gene Editing-Proによって病因変異を修正したうえで、自家GC-MSCへ誘導分化させる方法は、CS-MSCの欠陥を改善できる可能性があります。ただし、この方法はまだ臨床試験を経ておらず、応用前には厳格な安全性評価が不可欠です。ERCC6関連疾患の研究には、病態を反映する細胞モデルと前臨床モデルを組み合わせた検証戦略が重要になると考えられます。

References

[1] Li Dongxiao, Yang Yanling. Clinical and genetic research progress of Cockayne syndrome[J]. Chinese Journal of Practical Pediatrics, 2018,33 (9): 714-717. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095-428X.2018.09.015.

[2] Vessoni AT, Guerra CCC, Kajitani GS, Nascimento LLS, Garcia CCM. Cockayne Syndrome: The many challenges and approaches to understand a multifaceted disease [J]. Genet Mol Biol. 2020 May 20;43(1 suppl. 1):e20190085. doi: 10.1590/1678-4685-GMB-2019-0085.

[3] van der Horst GT, van Steeg H, Berg RJ, van Gool AJ, de Wit J, Weeda G, Morreau H, Beems RB, van Kreijl CF, de Gruijl FR, Bootsma D, Hoeijmakers JH. Defective transcription-coupled repair in Cockayne syndrome B mice is associated with skin cancer predisposition [J]. Cell. 1997 May 2;89(3):425-35. doi: 10.1016/s0092-8674(00)80223-8.

[4] Wang S, Min Z, Ji Q, Geng L, Su Y, Liu Z, Hu H, Wang L, Zhang W, Suzuki K, Huang Y, Zhang P, Tang TS, Qu J, Yu Y, Liu GH, Qiao J. Rescue of premature aging defects in Cockayne syndrome stem cells by Targeted Gene Editing/Cas9-mediated gene correction [J]. Protein Cell. 2020 Jan;11(1):1-22. doi: 10.1007/s13238-019-0623-2.

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Cyagen Biosciences Inc.（「サイヤジェン（Cyagen）」）は2006年、医薬品開発業務受託機関及び細胞関連製品メーカーとして創業しました。現在、世界に1000名以上の社員が勤務しています。本社をアメリカ・カリフォルニア州シリコンバレーに置き、中国の蘇州と広州を製造拠点にしています。2016年に日本支店（サイヤジェン株式会社）を開設しました。遺伝子改変アニマルモデル作製のリーディングカンパニーとして、リーズナブルな価格帯で、高品質の試薬・ツールを提供しています。Cyagenはマウスモデルの提供だけでなく、眼科、神経科学、腫瘍免疫など様々な分野で契約研究機関（CRO）サービスも提供しています。私たちは遺伝性疾患の研究を支援し、遺伝子治療薬の開発を促進することを目指しています。

FAQ

ERCC6遺伝子はCockayne症候群Bでどのような役割を担いますか？

ERCC6はTC-NER（転写共役ヌクレオチド除去修復）に関与するDNA修復関連遺伝子です。ERCC6の機能異常により、転写中に生じたDNA損傷の修復が妨げられ、細胞機能障害や細胞死につながり、Cockayne症候群Bの病態形成に関与します。

Cockayne症候群の診断にはどのような方法がありますか？

原文では、典型的な臨床表現型に基づく診断、紫外線照射後のRNA合成回復を評価するDNA修復試験、次世代シーケンシングによるDNAまたはRNA解析の3つが主な方法として整理されています。

CSB欠損マウスモデルはどのような研究に利用できますか？

CSB欠損マウスはTC-NER障害、紫外線高感受性、網膜変性、紫外線後のRNA合成回復障害などを示し、Cockayne症候群Bに関連するDNA修復異常をin vivoで解析するために利用できます。

ERCC6関連疾患に対して根治的治療は確立されていますか？

原文では、現時点のCockayne症候群治療は主に対症療法であり、白内障手術、理学療法、紫外線防護などが中心とされています。iPSC由来細胞を用いた遺伝子修正研究は有望ですが、臨床応用には安全性評価が必要です。

iPSCと遺伝子修正技術はCockayne症候群研究でなぜ注目されていますか？

患者線維芽細胞から作製したCS-iPSCを用いることで、疾患関連の細胞老化やDNA損傷応答を解析できます。さらにERCC6変異を修正したiPSC由来細胞は、将来的な個別化細胞治療の可能性を検討する研究基盤となります。