腰椎椎間板変性症（LDD）発症に関する遺伝子「CHST3」を発見  | 理化学研究所

# 腰椎椎間板変性症（LDD）発症に関する遺伝子「CHST3」を発見

－椎間板ヘルニアや腰痛症の発症機構の解明、治療法の開発へ前進－

## ポイント

国際共同研究チームによる大規模ゲノム解析を実施
CHST3の3’非翻訳領域に存在するSNPがLDDの発症に関与
LDDの発症にマイクロＲＮＡによるCHST3の転写の阻害が関与

## 要旨

理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、軟骨の細胞外基質の代謝に関わる遺伝子「CHST3」が腰椎椎間板変性症（LDD）の発症に関与していることを発見しました。これは、理研統合生命医科学研究センター（小安重夫センター長代行）骨関節疾患研究チームの池川志郎チームリーダー、唐杉樹研修生（現 熊本大学整形外科特任助教）と、腰椎椎間板ヘルニアコンソーシウム[1]などによる共同研究グループの成果です。

LDDは椎間板の老化に伴う変性によって生じる疾患の総称で、椎間板ヘルニアや腰痛症はLDDが起因となって発症します。腰痛症は有病率[2]30％といわれる頻度の非常に高い疾患で、社会的・経済的に大きな問題となっています。LDDの発症には環境要因や遺伝要因が関与すると考えられています。今回、池川らは、ゲノムワイド相関解析（GWAS）[3]とゲノムワイド連鎖解析[4]の2つの遺伝学的解析を行い、その結果を統合して解析することで新たなLDDの発症に関与する原因遺伝子の同定を試みました。

唐杉らは、日本人の腰椎椎間板ヘルニア患者と対照者、合わせて3,600人について、ヒトのゲノム全体を網羅する55万個の一塩基多型（SNP）[5]を調べ、強い相関を示すSNPをいくつか発見しました。それらのSNPをさらに25,000人の日本人、中国人、フィンランド人の集団を用いた相関解析を行って確認し、LDDと最も強い相関を示すSNPを10番染色体上に同定しました。このSNPを含む領域は、共同研究機関の香港大学のYou-Qiang Song助教らが中国人のLDD患者18家系を用いて行なったゲノムワイド連鎖解析でLDDと強い連鎖を示す領域と重複していました。この2つの異なる遺伝学的手法により共通して示された領域には「CHST3」という遺伝子が存在しました。CHST3は、軟骨の細胞外基質の主要な構成成分であるプロテオグリカンの代謝に関係する酵素を作り、椎間板の高度な変性を起こす骨の遺伝病の原因遺伝子としても知られています。

CHST3を詳細に解析すると、この遺伝子の3’非翻訳領域[6]に存在するマイクロRNA[7]が結合する配列にLDDと非常に強い相関を示す別のSNPが見つかりました。さらに、細胞株やヒト椎間板組織を用いた実験で、このSNPによってマイクロRNAの機能を介してCHST3のmRNAが不安定となり、その量が減少することが分かりました。

本研究ではLDDに関連する新たな遺伝子CHST3を発見し、椎間板を維持するメカニズムの一部が明らかとなりました。さらなる研究により、分子レベルでLDDの病態の理解が進み、新しい予防法や治療法、またその治療薬の開発が進むものと期待できます。成果は、科学雑誌『The Journal of Clinical Investigation』に掲載されるに先立ち、オンライン版（10月8日付：日本時間10月9日）に掲載されます。

## 背景

腰椎椎間板変性症（LDD：Lumbar Disc Degeneration）は、腰椎の椎間板の老化に伴う変性によって発症する疾患の総称です。骨・関節の疾患の中で最も発症頻度の高い疾患の1つで、腰痛症や腰椎椎間板ヘルニア（LDH：Lumbar Disc Herniation、図1）もLDDが起因となって発症します。腰痛症の年間有病率は30%、生涯罹患率は80％といわれています（出典：Andersson,G.B. 1999. Epidemiological features of chronic low-back pain.Lancet.354:581-585.）。痛みにより日常生活動作が障害され、患者個人の生活の質が低下し、医療上の問題だけでなく労働生産性の低下などの社会的な問題も生じています。しかし、その発症のメカニズムは未だ不明で、予防法や根本的な治療法の開発が期待されています。

過去の疫学研究などからLDDは、環境的な要因と遺伝的な要因の作用により発症する多因子遺伝病であることが明らかになっています。理研統合生命医科学研究センター 骨関節疾患研究チームは、LDDの発症に関与する原因遺伝子を特定し、その働きを解明しようと研究を続けてきました。当チームはこれまでに「CILP」注１）や「COL11A1」注２）、「THBS2」注３）などのLDHの原因遺伝子を世界に先駆けて同定しています。しかし、LDDの原因や病態を解明するためには、さらなる遺伝子の同定が必要です。そこで、慶応大学整形外科の千葉一裕準教授（現、北里研究所病院教授）、富山大学整形外科の川口善治准教授を中心とする腰椎椎間板ヘルニアの専門医集団で構成された腰椎椎間板ヘルニアコンソーシウム、及び香港大学、Oulu大学（フィンランド）の協力を受け、新たなLDDの発症に関与する原因遺伝子の同定に挑みました。

注1）
2005年5月2日プレスリリース
注2）
2007年10月2日プレスリリース
注3）
2008年5月2日プレスリリース

## 研究手法と成果

骨関節疾患研究チームは、多段階のゲノムワイド相関解析 (GWAS: Genome-Wide Association Study)を用いて、ゲノム全体から原因遺伝子の存在する領域の絞り込みを行いました。LDHはLDDの一部、進行した重度のLDDと考えられています。そのため、本研究ではLDHとLDD患者から採取したDNAサンプルを用いました。

まず、第1段階として腰椎椎間板ヘルニアコンソーシウムにより収集された日本人のLDH患者366人と対照者3,331人のDNAサンプルを用いて、GWASを行い、ヒトのゲノム全体をカバーする55万個の一塩基多型（SNP）を調べました。次いで第2段階として、GWASでLDHと強い相関を示した上位1,500個のSNPに対して独立した日本人LDH患者544人と対照者15,800人を用いて相関解析を行いました。さらに第3段階として、第2段階でLDHと強い相関を示した上位10個のSNPに対して、別の日本人LDH患者242人と対照者622人、および中国人のLDD患者572人と対照者776人のDNAサンプルを用いて相関解析を行いました。そして、第4段階として、第3段階でLDDと最も強い相関を示した10番染色体上の1つのSNP（rs1245582）に対して別の中国人のLDD患者572人と対照者776人、およびフィンランド人のLDD患者399人と対照5,035人のサンプルを用いて相関解析を行いました。これら4段階の解析の結果を統合したところ、このSNP（rs1245582）のP値[8]が非常に低く、極めてLDDと相関が高いことが分りました（表1）。

また、共同研究機関である香港大学のYou-Qiang Song助教授らは、若年発症のLDD患者を含む中国人の家系、126人18家系についてゲノムワイド連鎖解析を行いました。ヒトの1-22番染色体に、ある間隔で設定されている419個のゲノム上のマーカーを調べたところ、興味深いことにLDDと強い関連性を示すマーカー（D10S569）をSNP（rs1245582）と同じ10番染色体上に見つけました。2つの異なった遺伝学的手法で同一の領域が示されたことから、この領域にLDDの発症に関与する原因遺伝子が存在することが強く示唆されました。データベースを調べると、この領域にはCHST3（carbohydrate sulfotransferase 3）という遺伝子が存在していました。CHST3は、コンドロイチン硫酸など軟骨の細胞外基質の代謝に関係する酵素を作ります。

CHST3遺伝子領域内を網羅的に解析したところ、rs1245582とほぼ完全連鎖[9]するSNPが4個存在し、LDDに対してrs1245582と同程度の強い相関を示すことが分かりました。これら4個全てのSNPの位置について詳しく調べたところ、4個のうち2つ（rs4148941、rs4148949）がmRNAからタンパク質の合成過程である「翻訳」を抑制するマイクロRNAが結合する配列に存在していました。これら2個のSNPに対してLDD患者1,930人と対照者2,136人のDNAサンプルを用いて相関解析を行ったところ、rs4148941とrs4148949のP値はいずれも低く、非常にLDDと強い相関が認められました。

LDDの主病変部である組織（軟骨、椎間板、骨）でのCHST3の遺伝子発現パターンを調べたところ、これら全ての組織で高く発現していました（図2）。また、細胞株を用いてCHST3のmRNAの量を調べた結果、rs4148941の疾患感受性アレル[10]を持つ細胞では、マイクロRNAの存在下でmRNAが減少することを発見しました（図3）。さらに、ヒト椎間板組織から抽出したmRNAを調べた結果、rs4148941の疾患感受性アレルを持つ椎間板組織のCHST3のmRNAが減少していることを発見しました（図4）。これらの実験結果からrs4148941の疾患感受性アレルを持つとマイクロRNAの機能を介してCHST3のmRNAが不安定となり、その量が減少することが分かりました。一方、SNP（rs4148949）でも同様に実験したところ、mRNAに影響が無いことから、LDDの発症に関与するSNPはrs4148941であると考えられました。さらに詳細に解析したところ、このSNP（rs4148941）の疾患感受性アレルを持つと、LDD発症のリスクが1.31倍高まることが分かりました（表2）。

## 今後の期待

複数の人種においてLDDに関連する遺伝子を発見し、その機能異常を解明した今回の発見によりLDD、および椎間板ヘルニアの原因や病態の解明が急速に進展することが期待できます。今後、CHST3の機能解析を続け、LDD発症に関わる新たな経路をさらに詳しく調べることで、ゲノム・分子レベルにおいてLDDの病態の理解が進み、新しいタイプの治療薬の開発が可能になることが期待できます。理研 骨関節疾患研究チームは、今後も国際協力研究を展開し、新たな疾患に関与する原因遺伝子やこれまでに判明している遺伝子の情報を組み合わせてLDDの診断・予測モデルを作成することによって、LDDの発症や進行のリスクをより簡便、正確に予測できるようなシステムを作ることを目指します。

## 原論文情報

You-Qiang Song+, Tatsuki Karasugi+ (+co-first author), Kenneth MC Cheung, Kazuhiro Chiba, Daniel WH Ho, Atsushi Miyake, Patrick YP Kao, Kit Ling Sze, Anita Yee, Atsushi Takahashi, Yoshiharu Kawaguchi, Yasuo Mikami, Morio Matsumoto, Daisuke Togawa, Masahiro Kanayama, Dongquan Shi, Jin Dai, Qing Jiang, Chengai Wu, Wei Tian, Na Wang, John CY Leong, Keith KD Luk, Shea-ping Yip, Stacey S Cherny, Junwen Wang, Stefan Mundlos, Anthi Kelempisioti, Pasi J Eskola, Minna Männikkö, Pirkka Mäkelä, Jaro Karppinen, Marjo‐Riitta Järvelin, Paul F O'Reilly, Michiaki Kubo, Tomoatsu Kimura, Toshikazu Kubo, Yoshiaki Toyama, Hiroshi Mizuta, Kathryn SE Cheah, Tatsuhiko Tsunoda, Pak Sham, Shiro Ikegawa* and Danny Chan* (*co-last author & corresponding author), "A functional variant in CHST3 associates with the susceptibility for lumbar disc degeneration", The Journal of Clinical Investigation, 2013
doi:10.1172/JCI69277

## 発表者

理化学研究所
統合生命医科学研究センター 骨関節疾患研究チーム
チームリーダー 池川 志郎 （いけがわ しろう）

統合生命医科学研究推進室
Tel: 045-503-9121 / Fax: 045-503-9113

1.腰椎椎間板ヘルニアコンソーシウム
慶応大学整形外科の千葉一裕準教授（現、北里研究所病院教授）、富山大学整形外科の川口善治准教授を中心とする腰椎椎間板ヘルニアの専門医集団で構成された臨床学術研究グループ。他の主なメンバーは、慶応義塾大学病院（三宅敦医師、戸山芳昭教授）、函館中央病院（金山雅弘部長、戸川大輔医師 (現、浜松医科大学)）、富山大学（木村友厚教授）、京都府立医科大学（三上靖夫准教授、久保俊一教授）、熊本大学（唐杉樹特任助教、水田博志教授）、けいゆう病院整形外科(鎌田修博部長)。
2.有病率
一時点における患者数の、単位人口に対する割合。疾病の頻度をあらわす指標のひとつであり、単位人口10万人当たりであらわすことが多い。有病率は、有病期間が長く致命率が低い慢性疾患の調査に適している。
3.ゲノムワイド相関解析（GWAS）
GWAS:Genome-Wide Association Studyの略。疾患の感受性遺伝子を見つける方法の1つ。ヒトのゲノム全体をカバーする遺伝子多型を用いて、疾患を持つ群と疾患を持たない群とで遺伝子多型の頻度に差があるかどうかを統計学的に比較する解析方法。

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4.ゲノムワイド連鎖解析
疾患の感受性遺伝子を見つける方法の1つ。疾患の原因遺伝子が存在する染色体上の位置を、ヒトのゲノム全体をカバーするマーカーを用いて、マーカーの対立遺伝子が家系内で伝達する際の組み換えの情報をもとに絞り込む手法。患者が同じマーカー対立遺伝子を高い確率で持っていると、そのマーカーの近傍に疾患原因遺伝子の位置が存在することになる。
5.一塩基多型（SNP）
Single Nucleotide Polymorphismの略。ヒトゲノムは30億塩基対のDNAからなるとされているが、個々人を比較するとそのうちの 0.1%の塩基配列の違いがあると見られており、これを遺伝子多型という。遺伝子多型のうち1つの塩基が、他の塩基に変わるものを一塩基多型（SNP）という。遺伝子多型は遺伝的な個人差を知る手がかりとなるが、その多くはSNPである。
6.３´非翻訳領域
mRNAの配列のうち、タンパク質に合成（翻訳）されない末端の領域のこと。この領域には、mRNAの安定性やタンパク質の翻訳を調節しているいくつかの標的（認識）部位が存在することが知られている。
7.マイクロRNA
タンパク質が作られる過程において、DNAの塩基配列の情報はいったんmRNAに転写される。mRNAはタンパク質合成装置であるリボソームと会合し、リボソームがmRNAの情報に従って順番にアミノ酸を連結していく。この過程は、塩基配列からアミノ酸配列への変換であることから、翻訳と呼ばれている。この翻訳の調節に関与する21~22塩基長の短いRNAをマイクロRNAという。マイクロRNAは、3'非翻訳領域にマイクロRNAの配列と部分的に相補的な配列を含むmRNAに結合して、そのmRNAの翻訳を抑制すると考えられている。
8.P値
統計学的な指標。偶然にそのような事象が起こる確率。この値が低いほど相関が高い（相関は、偶然ではない）と判定できる。
9.完全連鎖
2つのSNPがゲノム上で極度に近接していると、その間での組換え確率は低くなり、見かけ上2つのSNPが常に一組となって遺伝する状態。
10.感受性アレル
SNPには通常2つのアレル（対立遺伝子）が存在する。正常人と比べてある疾患の患者が持っていることが多いアレルを、疾患感受性アレルという。このアレルを持っていると疾患にかかり易くなる（疾患になるリスクが高くなる）。

図1　腰椎椎間板ヘルニアのMRI写真

左：縦断面像。右：横断面像。変性した椎間板（矢印）が後方に脱出し、脊髄神経を圧迫している。

図2　さまざまなヒト組織でのCHST3遺伝子の発現量

関節軟骨、骨、椎間板に著しく高く発現している。

図3　マイクロRNA (miR-513a-5p)存在下におけるCHST3 mRNA量に対する2つのSNPの影響

ルシフェラーゼアッセイ※を用いた遺伝子発現量の評価。マイクロRNAの存在下ではSNPrs4148941のAアレルを持った場合にmRNA量が有意に減少している。SNPのrs4148949は発現に影響しない。
※ルシフェラーゼアッセイとは、DNAからmRNAが合成される過程である「転写」が正常に行われているどうかを確認するための手法。目的のDNA配列の下流にある生物発光酵素であるルシフェラーゼを導入し、そのルシフェラーゼタンパク質の検出によって転写反応を活性化を測定する。

図4　ヒト椎間板組織（繊維輪、軟骨、髄核）においてSNP rs4148941のCHST3遺伝子の発現に対する影響

CHST3mRNAの相対的発現量による評価。rs4148941のAアレルを持つとCHST3遺伝子の発現が減少する。Aアレルを持つとCHST3タンパク質量が低下すると予測される。

表1　腰椎椎間板ヘルニアの相関解析で発見された10番染色体上のSNP（rs1245582）の相関

オッズ比：相関の大きさ、リスク多型の影響力の指標。リスク多型を1つ持つごとにLDD発症リスクが1.20倍に高まる。
全統合： GWASと再現解析の結果をMantel-Haenzel 法によるメタ解析で統合したもの。

表2　CHST3遺伝子の3’非翻訳領域のSNP（rs4148941）の相関