FEVR関連遺伝子変異用のノックアウトマウスモデル
家族性滲出性網膜症（FEVR）は、網膜血管の発生異常を特徴とする希少な遺伝性網膜疾患群であり、末梢網膜の血管形成不全とその後に続く網膜虚血を引き起こす。FEVRにおける無血管網膜は低酸素状態を引き起こし、玻璃体に新生血管が形成される。最終的には、玻璃体網膜牽引、黄斑下の滲出、網膜剥離、網膜折返、黄斑移位などの進行性合併症を引き起こす。
FEVRの臨床像は非対称性を示すことが多く、同一家族内の患者間で著しい差異を認める。軽症例は無症状であることもあり、重症例では重度の視力障害を呈する。現在、FEVRの根本的治療薬は存在しないが、レーザー治療や玻璃体手術などの治療法により症状の緩和と視力の維持が可能である[1]。
家族性滲出性網膜症（FEVR）：遺伝子変異と研究用マウスモデル
血管形成は、多様なシグナル経路によって精密に調節されている。その中でもWntシグナル経路は主要な調節系の一つである。Norrin/β-カテニンシグナル経路は、Wnt経路の重要なサブパスウェイであり、眼および耳の血管形成において中心的な役割を果たす[3]。この経路では、Norrinとその受容体（FZD4、LRP5、TSPAN12）が複合体を形成することで、β-カテニンの核内移行が促進され、FZD4およびLRP5依存的な古典的Wnt経路が活性化される。現在までに、少なくとも9つの遺伝子に変異が確認されており、これらは家族性滲出性網膜症（FEVR）の原因となる。具体的には、NDP、FZD4、LRP5、TSPAN12、ZNF408、KIF11、RCBTB1、CTNNB1、およびJAG1であり、これらは世界中のFEVR症例の約50％を占めている。これらの遺伝子変異はWntシグナル経路の正常な調節を妨げ、網膜血管形成異常や網膜虚血などの症状を引き起こす[4]。
1. Norrin（NDP）
NDP遺伝子はNorrinタンパク質をコードする。Norrinは網膜血管の成長と発達に関与しており、FZD4タンパク質と結合することで高親和性のリガンド-受容体ペアを形成する。TSPAN12という補助因子と協働することで、β-カテニンの核内移行を促進し、FZD4およびLRP5依存的な古典的Wnt経路を活性化する。Wntシグナル経路は眼の成長・発達において重要な役割を果たしており、その機能障害はFEVRおよびノリ病の発症に深く関与する[5]。
したがって、NDP遺伝子の変異はNorrinタンパク質の機能に影響を及ぼし、Wntシグナル経路の異常を引き起こし、FEVRの発症を促進する。マウスにおいて、Ndp遺伝子のノックアウト（KO）は浅層網膜血管の発達遅延、深層網膜血管の形成不能、および微小動脈瘤に類似した病変の形成を示し、典型的な網膜血管異常の表型を再現する[6]。
2. Frizzled-4（FZD4）
FZD4はWntシグナル経路の受容体をコードする。Wntタンパク質とNorrinの相互作用により、FZD4はWnt経路を活性化し、正常な網膜血管形成を促進する。FZD4遺伝子の変異は、Wntタンパク質との正常な結合を阻害し、Wntシグナル経路の抑制を引き起こす。この異常は静脈動脈瘤の形成や網膜虚血を引き起こす。また、FZD4変異はTGF-βおよびNotch経路など他のシグナル経路の調節にも影響を及ぼす可能性があり、網膜血管の形成および維持に悪影響を及ぼす。これらのメカニズムが組み合わさることで、FEVRの発症や悪化が促進される可能性がある[7]。
Ndpノックアウトマウスと同様に、Fzd4ホモ接合ノックアウトマウス（-/-）は網膜および内耳の血管形成に顕著な影響を受ける。Fzd4欠損は、網膜表面内皮細胞の移動遅延、網膜の二次および三次血管枝の消失、玻璃体血管系のプログラムされた分解の遅延、聴覚器血管の進行性拡張・劣化、および小脳血管の進行性障害を引き起こす。さらに、Fzd4欠損は血管以外の表型、すなわち脳の変性や聴覚障害を引き起こす可能性も報告されている[8]。
3. Tetraspanin-12（TSPAN12）
TSPAN12遺伝子は膜貫通タンパク質であるTetraspanin-12をコードする。これはWntシグナル経路の重要なメンバーであり、FZD4と相互作用してWntシグナル経路の調節に参加し、正常な網膜血管形成を促進する。TSPAN12遺伝子の変異は、FZD4変異と同様の表型を引き起こし、静脈動脈瘤の形成や網膜虚血症状を呈する。これらの変異はVEGFやNotch経路などのシグナル経路に影響を及ぼし、網膜血管の形成および維持に障害をもたらす[9]。
同様に、Tspan12遺伝子ノックアウトマウスはFzd4ノックアウトマウスと類似した表型を示す。具体的には、静脈動脈瘤の形成、異常な網膜血管枝の形成、血管の再生障害が観察される。さらに、Tspan12欠損は視覚障害、網膜虚血、および心臓奇形、肝臓異常、骨格変形など他の臓器や組織の発育異常を引き起こす[10]。
4. 低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質5（LRP5）
LRP5遺伝子は膜貫通タンパク質（低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質5）をコードし、Wntシグナル経路に参加するLRP5/LRP6/Frizzled共受容体群の重要な構成要素である。LRP5はWntタンパク質と結合することで、Norrin/β-カテニンシグナル経路を活性化し、網膜血管形成の調節に寄与する。LRP5遺伝子の機能喪失変異は、Wntタンパク質との結合を阻害し、Wntシグナル経路の異常を引き起こし、網膜血管形成異常、静脈動脈瘤の形成、網膜虚血などの症状を引き起こす。最終的にFEVRを発症する。また、LRP5は骨密度およびコレステロール代謝の調節にも関与しており、LRP5遺伝子の機能喪失変異は骨粗鬆症-偽膠腫症（OPPG）を引き起こす。逆に、機能獲得変異は骨密度の異常増加を引き起こす[11]。したがって、LRP5遺伝子ノックアウト（KO）マウスは、網膜血管異常や網膜発達不全といった眼疾患表型に加え、骨格変形や低骨密度といった骨格表型、およびコレステロール代謝異常や高コレステロール血症といった心血管表型も示す[12-14]。NdpおよびFzd4ノックアウトマウスと比較して、Lrp5-KOマウスは網膜病変が比較的軽度であり、骨格変形や代謝異常といった非網膜血管表型を示す。
5. β-カテニン（CTNNB1）
CTNNB1遺伝子はβ-カテニンタンパク質をコードする。β-カテニンは細胞接着に関与する細胞質タンパク質であり、カドヘリンおよびα-カテニンと協働して接着接合複合体を形成する。この複合体は細胞の成長と接着を調節し、上皮細胞層の構築と維持に重要な役割を果たす。CTNNB1遺伝子の喪失はCTNNB1症候群（重度の神経発達障害）を引き起こすことが知られている。近年の研究では、CTNNB1遺伝子の機能喪失変異が、NEDSDV（脊髄性痙攣性両下肢麻痺および視覚障害を伴う神経発達障害）や家族性滲出性網膜症（FEVR）を引き起こすことも報告されている[15-16]。
マウス研究では、全身的（ホモ接合）CTNNB1ノックアウト（KO）は胚性致死、異常な胚発生、神経管閉鎖障害、肝臓発生異常、腎臓発生異常、および重度の心臓発生異常を引き起こすが、網膜表型に関する報告は限定的である。最近の研究では、内皮細胞特異的CTNNB1ノックアウトによりNorrin/β-カテニン経路の活性が低下し、網膜血管形成に影響を及ぼすことが明らかになった。このマウスモデルでは網膜血管形成が抑制され、FEVRに類似した表型が観察される[17]。さらに、α-カテニンをコードするCtnna1遺伝子の内皮細胞特異的ノックアウトも、CTNNB1欠損マウスと同様のFEVRに類似した表型を示し、組織特異的モデルによるこの疾患の研究の新たな道筋を提供している[18]。
6. キネシンファミリーメンバー11（KIF11）
KIF11はNorrin/β-カテニンシグナル経路とは独立したFEVRの原因遺伝子である。この遺伝子は細胞分裂や微小管動態に関与するモーター蛋白質（キネシンファミリーメンバー11）をコードする。KIF11は網膜幹細胞においても重要な役割を果たし、微小管動態の調節を行い、網膜血管の成長および枝分かれに参加する。ヒトでは、KIF11の機能喪失変異は、網膜血管の低形成を特徴とする多臓器症候群を引き起こす。その臨床像は、頭蓋骨小頭症、リンパ浮腫、脈絡膜網膜異形成、知的障害などを含む。KIF11変異がFEVR患者において網膜血管形成の発達および安定性に影響を及ぼすことが示唆されているが、その正確なメカニズムは未解明である。そのため、Kif11遺伝子ノックアウトマウスモデルは、KIF11変異とFEVRとの関係を解明するための研究に用いられている。
最近の研究では、内皮細胞特異的Kif11ノックアウト（KO）はマウス網膜血管系の発達に著しい遅延を引き起こし、小脳血管系の発達も軽度の遅延を示す[19]。内皮細胞特異的Kif11-cKOマウスの表型は、内皮細胞特異的Ctnnb1-cKOマウスと極めて類似しており、KIF11欠損とFEVRとの強い関連性を裏付けている。
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| 疾患 | 対象遺伝子 | タイプ |
|---|---|---|
| 家族性滲出性網膜症 （FEVR） |
Ndp | KO、CKO |
| Fzd4 | KO、CKO | |
| Lrp5 | KO、CKO | |
| Tspan12 | KO、CKO | |
| Ctnna1 | CKO | |
| Ctnnb1 | KO、CKO | |
| Kif11 | KO、CKO |
参考文献
[1]「家族性滲出性網膜症（FEVR）」。EyeWiki。アメリカ眼科学会、2023年7月6日。https://eyewiki.aao.org/Familial_Exudative_Vitreoretinopathy_(FEVR)。
[2]Ranchod TM, Ho LY, Drenser KA, Capone A Jr, Trese MT. 家族性滲出性網膜症の臨床像。Ophthalmology。2011年10月；118(10):2070-5。
[3]Xiao H, Tong Y, Zhu Y, Peng M. 家族性滲出性網膜症関連疾患の原因遺伝子とNorrin/β-カテニンシグナル経路：構造、機能、および変異スペクトル。J Ophthalmol。2019年11月16日；2019:5782536。
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