自閉スペクトラム症のバイオマーカー候補の発見~自閉スペクトラム症の生物学的再分類に役立つ可能性~

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2020-09-11 理化学研究所,日本医療研究開発機構

理化学研究所(理研)脳神経科学研究センターキャリア形成推進プログラムの前川素子上級研究員(同分子精神遺伝研究チーム研究員兼務)、分子精神遺伝研究チームの吉川武男チームリーダー、大西哲生副チームリーダーらの共同研究グループは、脂肪細胞型脂肪酸結合タンパク質FABP4[1]が自閉スペクトラム症[2](自閉症)のバイオマーカー[3]になり得る可能性を発見しました。

本研究成果は、自閉症の病態理解のためのバイオマーカー開発に向けた取り組みに貢献すると期待できます。

自閉症の詳しい病態を明らかにするために、自閉症の生物学的再分類[4]に役立つバイオマーカーの開発が望まれています。しかし今のところ、自閉症には臨床診断に役立つバイオマーカーが存在しません。

今回、共同研究グループは、定型発達児と自閉症児の血液サンプルを用いた解析により、低年齢の自閉症児では定型発達児と比較して血中のFABP4濃度が低いことを明らかにしました。また、自閉症のDNA検体を用いた遺伝子配列解析により、機能的変化につながるまれなFABP4遺伝子の変異を発見しました。さらに、Fabp4遺伝子破壊マウスは、自閉症類似の行動および組織学的特徴を示すことを明らかにしました。これらの結果から、FABP4が自閉症バイオマーカーになり得る可能性、FABP4の機能低下が自閉症の病態形成に関与する可能性が示されました。

本研究は、科学雑誌『Brain Communications』のオンライン版(2020年9月10日付:日本時間2020年9月11日)に掲載されます。

定型発達児および自閉症児の血中FABP4濃度の比較

背景

自閉スペクトラム症(自閉症)は、コミュニケーションや社会的相互作用の障害、興味と行動の偏り、知覚過敏や多動傾向を臨床的特徴とする神経発達障害の一つと定義されています。その発症率は近年増加傾向にあると言われており、平成26年の厚生労働省の調査では全国に19万5,000人の自閉症者(医療機関に通院又は入院している自閉症、アスペルガー症候群、学習障害、注意欠陥多動性障害などの総数)がいると報告されています。しかし、その詳しい病態についてはまだ分かっていません。自閉症の病態を明らかにし、新しい診断法や治療法の開発の取り組みに貢献するため、自閉症の生物学的再分類に役立つバイオマーカーの発見が望まれています。

自閉症の病態メカニズムの一つとして、脂質代謝異常が関連する可能性が知られています。コレステロール合成が障害されるスミス・レムリ・オピッツ症候群[5]の患者の約半数が自閉性障害を合併することや、脂肪酸が脳の発達や機能に関連することがその理由です。また、自閉症児において、脂肪組織が産生・分泌する生理活性物質(アディポカイン)の値の異常が繰り返し報告されていることも、自閉症と脂質代謝異常の関連を疑わせる重要な知見となっていました。

アディポカインの一つとして報告されている脂肪細胞型脂肪酸結合タンパク質(Adipocyte fatty acid binding protein 4:FABP4)は、分化した脂肪細胞の全タンパク質の6%を占める主要なタンパク質で、脂肪細胞から血中に分泌され、全身のインスリン感受性および脂質代謝や糖代謝に深く関わることが知られています。FABP4と精神疾患との関連については、最近の前川素子上級研究員らの研究から、FABP4遺伝子はヒトの脳にも発現していること、統合失調症[6]患者の毛根細胞においてFABP4遺伝子の発現が減少していることが分かっています注1)。また、前川上級研究員らは、同じFABPファミリーのうち、FABP3、5、7と統合失調症、自閉症との関連も明らかにしています注2-4)。しかし、FABP4と自閉症の関連についての報告はまだありませんでした。

注1)2014年9月12日理化学研究所プレスリリース「頭皮の毛根細胞を利用した精神疾患の診断補助バイオマーカーの発見」
注2)2014年7月14日理化学研究所プレスリリース「脂肪酸の機能に関わる遺伝子の変異が統合失調症・自閉症に関連する可能性」
注3)Maekawa et al., Polymorphism screening of brain-expressed FABP7, 5 and 3 genes and association studies in autism and schizophrenia in Japanese subjects. J Hum Genet. 2010 Feb;55(2):127-30. doi: 10.1038/jhg.2009.133.
注4)Iwayama et al., Association analyses between brain-expressed fatty-acid binding protein (FABP) genes and schizophrenia and bipolar disorder. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet. 2010 Mar 5;153B(2):484-493. doi: 10.1002/ajmg.b.31004.

研究手法と成果

共同研究グループは、脂質代謝と自閉症病態メカニズムの関連を調べることを目的に、定型発達児と自閉症児の血液サンプルを用いて脂質代謝に関連する物質(FABP4、レプチン[7]、アディポネクチン、MCP-1[8]、インスリン、グルコース、遊離脂肪酸)の血中濃度を測定しました。身体の発達や置かれている社会環境の違いを考慮し、年齢グループごとに定型発達児と自閉症児を比較したところ、未就学児(4~6歳)のグループにおいて、自閉症児群でFABP4の血中濃度が有意に低いことが分かりました。さらに、より低年齢の幼児(2~4歳)グループでも、同様の結果が得られました(図1)。

図1 定型発達児および自閉症児の血中FABP4濃度未就学児(4~6歳)、幼児(2~4歳)の年齢グループにおいて、自閉症児の血中FABP4濃度が定型発達児に比べて有意に低かった。

次に、FABP4遺伝子の機能異常が自閉症の病態形成につながる可能性を検討するため、日本人の自閉症患者(n=659)および健常者(n=1,000)のDNAサンプルを用いて、FABP4遺伝子の遺伝子配列解析を行いました。その結果、自閉症患者のサンプルから、ミスセンス変異[9]Thr8Ala 1例、ナンセンス変異[9]Trp98Stop 1例を同定しました(図2上段)。Thr8Ala変異については、ANS[10]と呼ばれる脂肪酸類似物質との結合能アッセイにより、Thr8Ala変異タンパク質では脂質結合能が影響を受けることが分かりました(図2下段左)。ナンセンス変異Trp98Stopについては、変異によってタンパク質の機能に重要な役割を果たす領域が欠けることが予想されました。また、家系解析を実施し、家系内で変異と精神疾患が共分離[11]することが明らかになりました(図2下段右)。一方、健常者サンプルでは機能的変化を起こすような変異は認められませんでした。

図2 自閉症患者のDNAサンプルで見つかったFABP4遺伝子の変異上段:自閉症患者のDNAサンプルにおいて、ミスセンス変異Thr8Ala 1例、ナンセンス変異Trp98Stop 1例を同定した。
下段左:Thr8Ala変異型FABP4タンパク質(Ala8)は、野生型FABP4タンパク質(WT)と比較して脂肪酸類似物質ANSとの結合能が増加した(Kd値が低いほど結合能が増加することを示す)。
下段右:自閉症児に見られたナンセンス変異Trp98Stopは、うつ病に罹患している母親から伝達されたものであることが判明した。このことから、この変異は精神疾患と「共分離」しているといえる。

また、FABP4の機能低下が自閉症の病態形成につながる可能性について、Fabp4遺伝子破壊マウスを用いて個体レベルで検証しました。精神疾患関連の行動解析を行った結果、Fabp4遺伝子を破壊すると、スリーチャンバーテスト[12]では社会的探索行動の減少が、モリス水迷路試験[13]では空間学習記憶の低下が、そして母仔分離の際の仔の超音波啼鳴試験[14]においては音声コミュニケーションの質的な障害が生じることが判明しました(図3)。これらの結果は、マウスにおいてFabp4遺伝子を破壊すると、自閉症に類似した行動表現型の変化が起こることを意味しています。

図3 Fabp4遺伝子破壊マウスの行動変化Fabp4遺伝子破壊マウス(Fabp4 KO)には、対照となる野生型マウス(WT)と比較して、スリーチャンバーテストにより社会的探索行動の減少、モリス水迷路試験により空間学習記憶の低下、母仔分離の際の仔の超音波測定により音声コミュニケーションの質的な障害が認められた。

さらに、過去に行われた解析で、自閉症患者の死後脳における大脳皮質の錐体細胞のスパイン[15]密度の増加が報告されていますが、Fabp4遺伝子破壊マウスの大脳皮質前頭前野の錐体細胞でもスパイン密度が上昇していることを見いだしました(図4)。Fabp4遺伝子破壊マウスは、組織学的にも自閉症類似の表現型を示すことが分かりました。

図4 Fabp4遺伝子破壊マウスのスパイン密度解析Fabp4遺伝子破壊マウス(Fabp4 KO)の大脳皮質前頭前野(第2-3層、第5層)の錐体細胞では、対照となる野生型マウス(WT)と比較してスパイン密度が増加した。白い矢印は、数えたスパインの一部を指している。

最後に、大脳皮質を用いて脂肪酸組成を解析したところ、Fabp4遺伝子破壊マウスでは野生型マウスと比較して、アラキドン酸、ドコサヘキサエン酸などの脂肪酸の割合が増加する一方、パルミチン酸、パルミトレイン酸などの割合は減少することを見いだしました(図5)。この解析から、FABP4の機能低下は、脳の脂肪酸の動態に影響を与え得ることが判明しました。

図5 Fabp4遺伝子破壊マウスの脳内の脂肪酸変化Fabp4遺伝子破壊マウス(KO)の大脳皮質では、対照となる野生型マウス(WT)と比べ脂肪酸の一種であるアラキドン酸、ドコサヘキサエン酸などの割合が増加する一方、パルミチン酸、パルミトレイン酸などの割合は減少していた。

今後の期待

今回、共同研究グループは、血中FABP4値が自閉症の早期バイオマーカーとして有用である可能性を見いだしました。この結果については、今後、より大規模なサンプルサイズで検討し、FABP4値の低下を伴う自閉症がどのような特性を持つのかを調べることで、自閉症の生物学的再分類に役立つバイオマーカーになり得るか、さらに詳しく調べたいと考えています。また、日本人以外のサンプルでも定型発達児と自閉症児の血中FABP4の濃度を調べていく必要があります。

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