ヒューマナイズ化SMN2マウスモデルが脊髄性筋萎縮症の発症メカニズムに関する新たな知見を解明
毎年8月は国際的に脊髄性筋萎縮症(SMA)の認知向上を目的とする月として指定されており、本「希少難治性疾患10大罪」シリーズの第五弾では、脊髄性筋萎縮症(SMA)に焦点を当てます。本記事では、SMAの根本的な病態機序を明らかにし、関連する遺伝子治療研究の最新成果を検証するとともに、前臨床モデル開発の複雑さと新薬スクリーニングを目的とした画期的な戦略について考察します。これらの取り組みは、より有意義な結果につながる翻訳研究の方向性を示しています。
脊髄性筋萎縮症(SMA)は、脊髄前角部の運動ニューロンに影響を及ぼし、進行性の筋力低下および筋萎縮を特徴とする常染色体劣性遺伝疾患です。乳児および小児において比較的頻度の高い神経遺伝疾患であり、致死率が高く、約6,000～10,000人に1人の発症率を示します。
現在のところSMAを治療または緩和できる治療薬は限定的ですが、遺伝子治療による有望な進展が報告されています。最近の研究では、SMN2遺伝子が遺伝子治療アプローチにおいて重要な役割を果たしていることが証明されており、SMA治療の最も有望な鍵として急速に注目されています。
脊髄性筋萎縮症(SMA)の病態生理
ヒトゲノムには高い類似性を持つSMN1およびSMN2遺伝子が存在しており、塩基配列の差はわずか数塩基にとどまります。SMN2遺伝子のエクソン7に位置する重要な塩基配列の違い、c.840C>T変異が、両遺伝子の前駆mRNAスプライシング過程における差異を生じさせ、SMN2遺伝子では主にエクソン7が欠失された不安定なSMNΔ7タンパク質が生成されることが分かっています[1]。
大多数のSMA患者はSMN1遺伝子の変異を有しており、SMN2遺伝子は十分な量の正常なSMNタンパク質を生成できず、SMN1遺伝子の機能欠損を補完できず、疾患の発症に至ります。結果として、SMNタンパク質の生成過程においてSMN1は主役であるのに対し、SMN2は脇役と見なすことができます。
SMAに対する遺伝子治療：SMN2遺伝子モデル
これまでのSMA治療法は、主に補完療法と、SMN2遺伝子を標的とし、そのスプライシング様式を調整することで正常なSMNタンパク質の発現を増加させることに焦点を当てています。このプロセスにおいて、SMN2遺伝子は脇役から主役への転身を果たします。たとえば、アイオニス製薬(Ionis Pharmaceuticals)のASO医薬品であるヌシンランナトリウム(Nusinersen sodium)は、SMN2遺伝子から転写されたmRNAに結合し、RNAスプライシング過程を変化させることで、正常なSMNタンパク質の発現を増加させます[2]。
SMAの前臨床研究で頻繁に使用される動物モデルはΔ7マウスであり、Smn1-/-; SMN2tg/tg; SMNΔ7tg/tgという三重ヘテロゴノウス型遺伝子を持つ転移マウスです。この疾患に対する新薬開発を支援するため、Cyagenは人間化されたSMN2(hSMN2)モデルを独自に開発しました。これはゲノム全体に人間の遺伝子配列を導入した人間化マウスモデルであり、従来のモデルよりも高い遺伝的ヒト化を実現しています。本モデルは、内在的なSmn1遺伝子を完全に人間のSMN2遺伝子に置換することで、人間の病態生理を模倣した人間化疾患モデルを研究者に提供しています。
完全に人間化されたSMN2(hSMN2)モデル：検証データ
1. hSMN2およびmSmn1遺伝子発現の検出：hSMN2マウスにおける発現状況
脳および肝臓組織のqPCR結果によると、hSMN2マウスは対照群であるB6Nマウスと比較して、人間SMN2遺伝子が発現しており、マウスSmn1遺伝子は発現していないことが確認されました。（注：E7+およびE7-はSMN2転写産物全体を示し、E7-はエクソン7が欠失したSMN2転写産物を意味します。）
hSMN2マウスの脳および肝臓組織におけるSMNタンパク質発現レベルは、野生型(WT)B6Nマウスと比較して著しく低く、hSMN2マウスのSMNタンパク質合成能が低下していることを証明しています。
2. hSMN2マウスの異常な身体サイズ
hSMN2同型接合マウス(KI/KI)は、異型接合マウス(KI/+)と比較して、筋萎縮、立ち上がった際の不安定、身体サイズの縮小、尾の短縮などの症状を示します。hSMN2同型接合マウスは人間化されたSMN2遺伝子のみを有する一方、hSMN2異型接合マウスは人間化されたSMN2遺伝子とマウスSMN2遺伝子の両方を有しています。
3. hSMN2マウスの異常な筋組織
野生型マウス(B6N系統)と比較して、hSMN2マウスの筋組織では筋細胞の壊死および細胞質の破片化が観察され、それに伴って少量のリンパ球浸潤（青色矢印）も認められます。周辺組織では筋細胞の萎縮、細胞体積の低下、細胞間隔の拡大、組織構造の緩みなどが見られます（黒色矢印）。
総合的に、hSMN2マウスは人間SMN2遺伝子の発現に成功しており、SMNタンパク質発現が著しく低下していることが確認されました。また、筋組織および身体サイズの異常な表現型を示しており、これはSMA患者で観察される症状を効果的に模倣していることを証明しています。
次世代人間化マウスモデル：疾患研究のための新たなパラダイム
脊髄性筋萎縮症(SMA)に加えて、網膜色素変性症(RP)、加齢性黄斑変性(AMD)、パーキンソン病(PD)など、さまざまな疾患が存在し、それらの病態生理を詳細に解明することは不可欠です。このような複雑なメカニズムを解明するためには、長大または全長の遺伝子配列を人間化した人間化マウスモデルが必要です。しかし、全長の遺伝子配列を置換するには、内因性遺伝子発現が妨げられるなどの複雑な課題が伴います。
次世代人間化マウスモデル開発プログラム：HUGO-GT™
こうした課題を克服するため、Cyagenは人間化遺伝子治療を目的とした人間遺伝子相同モデル（Humanized Genomic Ortholog for Gene Therapy）プログラム、通称HUGO-GT™を発表しました。本プログラムは、Cyagen独自のTurboKnockout-Pro技術を基盤としており、マウス遺伝子を人間遺伝子配列に場所置換可能な次世代人間化モデルの作成を可能にします。この技術革新により、全長遺伝子配列が人間化されたマウスモデルの作成が可能となり、さまざまな治療標的の研究において新たな可能性を開きます。
HUGO-GT™マウスは、大規模な遺伝子配列の挿入効率を画期的に向上させており、標的遺伝子変異モデルの普遍的なテンプレートとして利用可能です。本モデルは、従来の制限的なアプローチであるコード配列（CDS）のみの人間化を越え、実際の生物学的病態生理および病原性をはるかに忠実に反映します。これにより、効果的かつ臨床的転用可能な前臨床研究が可能となり、HUGO-GT™マウスモデルプラットフォームは、効率的な前臨床医薬品研究および評価のための必須な遺伝子モデリングツールとして位置づけられています。
参考文献
[1] Gladman JT, Chandler DS. Intron 7 conserved sequence elements regulate the splicing of the SMN genes. Hum Genet. 2009 Dec;126(6):833-41. doi: 10.1007/s00439-009-0733-7. PMID: 19701774; PMCID: PMC2891348.
[2] Hill SF, Meisler MH. Antisense Oligonucleotide Therapy for Neurodevelopmental Disorders[J]. Dev Neurosci. 2021;43(3-4):247-252. doi: 10.1159/000517686.
