遺伝性脳小血管病CARASALの原因・特徴まとめ

CARASAL

 遺伝性脳小血管病(SVD)は近年報告が増加しています。CARASALは新規のSVDで、治療抵抗性の高血圧、虚血性・出血性脳卒中、認知機能低下を呈し、CTSA遺伝子変異が原因とされています。CTSAがコードするカテプシンAの機能障害によりエンドセリン-1の分解が抑制され、動脈硬化の機序とは異なる広範な白質病変を起こすと考えられています。本記事では、CARASILの原因・特徴をまとめました。

Neurology. 2016 Oct 25;87(17):1777-1786. doi: 10.1212/WNL. 0000000000003251.

要旨

  • 目的:成人発症の白質脳症および脳卒中を有する2家族の臨床およびMRIの特徴を明らかにし、その基礎となる遺伝的原因を明らかにすることを目的とする。
  • 方法:MRI、全ゲノムシークエンシング、神経病理学を活用した。
  • 結果:脳画像から、13人の家族が白質脳症であることが判明した。脳画像診断では、2家族の40歳以上の家族13名が本症と診断されたが、同年代の家族11名ではMRIは正常であった。罹患した家族では,MRIでは臨床像と比較して不釣り合いに重度の白質病変が認められた。臨床像は虚血性・出血性脳卒中、遅発性・晩発性認知機能低下、治療抵抗性の高血圧が優位に認められた。全ゲノムシークエンシングにより、両家系に共通し、1つの変異体、CTSAのc.973C>Tを同定した。ハプロタイプ解析により、染色体20q13.12上にCTSA変異体を含む1,145kbの間隔が共有されていることが明らかになり、共通の祖先が示唆された。3人の患者の脳解剖では、血管異常に比べて不釣り合いに広範な白質脳症が認められた。CTSAはカテプシンAをコードしている。数あるカテプシンAの機能の一つは、エンドセリン-1を分解することである。この患者では、白質アストロサイトに顕著なエンドセリン-1免疫反応が認められ、前髄鞘化オリゴデンドロサイト前駆細胞数の増加と相関していた。この知見は、オリゴデンドロサイト前駆細胞の成熟を阻害することにより、白質脳症におけるエンドセリン-1の役割を支持するものである。
  • 結論:CARASAL(cathepsin A-related arteriopathy with strokes and leukoencephalopathy)は、新規の遺伝性成人発症脳小血管疾患である。脳血管障害に加えて、エンドセリン-1が広範な白質病変に関与している可能性があることは興味深い結果だった。

背景

 血管性脳白質異常は成人、特に高齢者に多い。その多くは、加齢、高血圧、高コレステロール血症、糖尿病、喫煙などの血管危険因子に起因する。遺伝性小血管疾患(SVD)と診断される患者はごく少数であり、その中にはcerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy(CADASIL)、cerebral autosomal recessive arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy(CARASIL)、ヘテロ接合性 HTRA1 変異、コラーゲン IVA1 および IVA2 の欠損、TREX1 関連障害、および遺伝性脳アミロイド血管症(CAA)も含まれる。いくつかの家族性SVDについては、遺伝的原因が不明である。筆者らは、成人発症の白質脳症と虚血性・出血性脳卒中を有する2家族を報告している。全ゲノムシークエンシング(WES)により、この疾患から分離された1つの変異が明らかになった。

方法

患者

 白人オランダ人の家族(F1)を、類似の脳 MRI 所見から成人発症性白質脳症を有する家族として同定した。40 歳未満の家族は、MRI なし、または正常な MRI を有する家族は状態不明とみなされ除外された。40 歳以上の家族 22 例が含まれていた.MRIに基づいて血管性白質脳症と診断されたのは11人で、残りの11人は無症状であった。家系図では常染色体優性遺伝が示されていた。別の白人オランダ人家族から2人の患者を同定した(F2)。指標とされる患者(F2-2)はF1患者と同様のMRI所見を有していた。彼女の父親(F2-1)はCTで脳白質低信号を認めた。他のF2患者はいなかった。

全ゲノムシークエンシング

 F1では、2人の患者(F1-IV3およびF1-IV13)および1人の無症状対照者(F1-IV5)に対して、WESを実施した。

候補遺伝子とバリアントの分子スクリーニング

 WESで同定されたCTSA (NM_000308.2)およびTTPAL (NM_024331.3)の2つの候補変異体および疾患との分離を確認するために、サンガー法によるシークエンシングを行った。F1に含まれるすべての個体に対して、c.973C>T CTSA変異体およびc.544G>A TTPAL変異体の存在について検査を行った。CTSAとTTPALのすべてのエクソンと、エクソン-イントロン境界が患者F2-2でシークエンシングされ、続いて父親のc.973C>T CTSA変異体が確認された。

2点連鎖解析

 F1の候補変異体の2点連鎖解析を行った。

マイクロサテライトマーカー解析

 染色体20q13.12の関心領域にまたがるマイクロサテライトマーカーを用いて、F1およびF2-2のハプロタイプ解析を行った。

神経病理学、免疫組織化学分析、電子顕微鏡、ウェスタンブロット

 剖検時に患者F1-III1、F1-III2、F1-IV8から脳組織を得た。患者F1-IV8も全身解剖を行った。対照研究として、神経症状および神経病理学的所見を伴わない2人(27歳および57歳)、高血圧関連の散発性SVDを有する2人(78歳および79歳)、孤発性毛細血管性CAAを有する1人(75歳)、およびCADASILを有する1人(69歳)から脳サンプルを得た。

CathA活性の評価

 F1-IV3およびF1-IV13患者の白血球におけるカルボキシペプチダーゼ、β-ガラクトシダーゼ、ノイラミニダーゼ-1活性を測定した。

結果

MRI所見

 MRIの異常はF1とF2で同様であった。MRIのパターンは、前頭頂部周囲白質と深部白質の信号変化が特徴で、若年者ではパッチ状であり、加齢とともにびまん性に進行した。側頭葉白質は比較的軽度であり、側頭極は影響を受けなかった。また、基底核、視床下部、内包、外包、脳幹(特に橋と中脳赤核周辺)に小さな多焦点性の信号異常が見られ、高齢者ではより緊密になっていた。7人の患者では、脳基底核、脳幹、小脳、大脳半球に梗塞が認められた。いくつかの梗塞は拡散強調で高信号の急性のものであった。3人の患者には微小出血があり、1人には小出血があった。高齢患者では、梗塞や微小出血がより顕著であった。内側頭葉萎縮スコアは、最高齢の患者F1-III2のスコア1を除くすべての患者で0(正常)であった。症状のないすべての患者の脳MRIは正常であった。

CARASAL MRI

 患者F2-2(39歳)(A-D)、患者F1-IV6(46歳)(E-H)、患者F1-III1(67歳)(I-L)、患者F1-III5(69歳)(M)、患者F1-III4(73歳)(N)のT1強調画像、患者F1-IV8(53歳)のDWI(O)、患者F1-III2(P)のgradient echo画像。MRIでは、前頭頂部深部白質と脳室周囲白質(B-D, F-H, J-L)、基底核、視床、内・外包(C, G, K)を中心に多焦点~混在性の白質異常が認められる。橋では、早期でも多焦点性のT2高信号を示す(A、E)。白質異常は高齢の患者ではより広範囲である(図A-HとI-Lを比較)。F1-III5では右頭頂部に大きな梗塞を認めた(M)。小さな嚢胞性梗塞が脳室周囲白質に認められる(N)。いくつかの梗塞は、DWI(O)では高信号、ADCマップ(図なし)では低信号で示され、急性のものである。脳基底核と視床(P)に微小出血と小出血がみられる。

臨床所見および検査所見

 頭痛、片頭痛、歩行障害から脳卒中に至るまでの最初の症状は、20-40代に認められた。ほとんどの患者は、複数の薬剤を必要とする高血圧、脳卒中、TIAを伴う血管疾患の徴候を有していた。多くは軽度の認知障害を認めた。非罹患者の家族には同様の自覚はなかった。高血圧は2名のみで、単剤でコントロールされていた。喫煙とアルコール摂取は、患者と非罹患者の間で同程度であった。また、患者は、嚥下困難を伴う口渇、ドライアイ、筋肉の痙攣などの非神経学的愁訴を非罹患者の家族よりも多く有していた。身体診察では、ほとんどの患者に軽度の神経学的異常が認められた。白血球におけるβ-ガラクトシダーゼ、ノイラミニダーゼ-1、カルボキシペプチダーゼ活性などの臨床検査所見は、目立った結果はなかった。NOTCH3エクソンおよびエクソン-イントロン境界のサンガーシークエンシングにより、非コーディングエクソン1を除くすべてのNOTCH3エクソンおよびエクソン-イントロン境界は、F1患者3名およびF2-2患者では病原性バリアントは同定されなかった。COL4A1とCOL4A2はF2-2で配列決定されたが、病原性バリアントは認められなかった。F1患者IV3およびIV13において、WESでは十分にカバーされていなかったエクソン1の追加のサンガーシークエンシングにより、病原性のあるHTRA1バリアントは同定されなかった。

遺伝学的解析

 F1の3家族(罹患2名、非罹患1名)のWESにより、2つの遺伝子における2つのヘテロ接合型候補変異が明らかになった。CTSAのc.973C>T, p. (Arg325Cys)およびTTPALのc.544G>A, p. (Gly182Arg)であり、いずれも染色体20q13.12上に位置する。CTSAはCathAをコードし、TTPALはtocopherol (alpha) transfer protein-like (TTPAL)をコードする。両方の未知の変異体は、F1で分離された。患者F2-2と彼女の父親では、同じヘテロ接合型のCTSA変異体のみが発見され、CTSAは唯一の共有候補遺伝子として残された。F1のCTSA変異体の2点連鎖解析では、変異体のθ0で5.4953のオッズスコアの最大対数が示された。

CTSA遺伝子座周辺のハプロタイプ解析

 13個の連続したマイクロサテライトマーカーを用いて、F1患者の間で、マーカーD20S46とD20S891(物理的ゲノム位置Hg19 chr20: 41334729-45929596)に挟まれた8個の連続したマーカーの共有ハプロタイプを同定したが、このハプロタイプは非罹患のF1患者のいずれにも共有されていなかった。患者F2-2のマーカー解析は、CTSAに近い2つの隣接するマーカーについて同一の対立遺伝子を共有していることを示した。これは対立遺伝子の共通の祖先を示唆している。最も小さな共有領域は1,145キロ塩基(kb)で、マイクロサテライトマーカーD20S481とD20S836(Hg19 chr20: 43768281-44940373)に挟まれていた。この間隔には58個の遺伝子(OMIMアノテーションでは24個)が含まれており、CTSAは含まれているが、TTPALは含まれていなかった。

神経病理学的所見

 検査では、軽度の脳白質萎縮と、皮質下および深部脳白質、基底核、視床下部、脳幹、小脳に散在する小梗塞が認められた。          

 顕微鏡検査では、ミエリンの菲薄化、比較的温存された軸索、ミエリン消失、アストログリア症、およびオリゴデンドロサイト密度の保存を伴う広範な白質脳症が認められた。マクロファージを伴う血管周囲組織の希薄化、局所的なオリゴデンドロサイトおよび軸索の喪失、およびアストログリア症からなるラクナ変化は、F1-III1およびF1-III2患者に多く見られたが、F1-IV8患者ではほとんど見られなかった。すべての患者および散発性SVDを有する対照群では、動脈にびまん性の動脈硬化が認められた。好塩基性、PAS陽性、好酸球性の蓄積は認められなかった。β-アミロイドの標識は陰性であった。特筆すべきは、CTSA変異を有する患者に遠位動脈枝に関与する異常な変化を検出したことである。これらの変化は大脳白質、基底核、上衣下全体に見られ、大血管も関与していた。血管周囲の異栄養性石灰化と炎症性細胞は無視できる程度であった。これらの微小血管の変化は、神経学的コントロールで見られたものとは異なっていた。硬化性指数の計算では、筆者らの患者(平均0.55)では、孤発性SVD(平均0.33)および正常対照(平均0.27)よりも重度の内腔狭窄が認められた。また、F1-III1、F1-III2ではスコアA1B1C0の軽度アルツハイマー病関連変化を認めた。

 白質血管の電顕所見では、平滑筋細胞にGOMとアミロイドの不在が確認された。末端動脈では、弾力性のある正常に見えるコラーゲン線維の蓄積を伴う外膜の非対称的な肥厚が認められ、一部の血管では基底膜の局所的な肥厚が認められた。非梗塞性白質では、電顕よりミエリンを伴わない軸索の存在が確認された。

 非梗塞性脳白質では、CTSA変異を有する患者は、孤発性SVD患者よりもオリゴデンドロサイト前駆細胞(OPC)数が多く(p<0.05)、両者とも非神経学的対照群と比較して多かった(それぞれp<0.01、p<0.001)。ミエリン蛋白質(MBP)の量は、孤発性SVDの対照群よりも患者群の方が少なかった。

 F1-V8の患者の全身解剖では、潰瘍化したプラークや大血管疾患の徴候を伴わない大動脈および大動脈のアテローム性動脈硬化症、および腎臓のびまん性糸球体硬化症が認められた。

脳内のCathAとET-1タンパク免疫反応

 非神経学的対照群では、神経細胞とアストロサイトのグリア境界部と灰白質の血管周囲で繊細な細胞質CathA免疫反応が認められた。これらの部位では、患者群ではCathA標識の増加が観察されたが、神経学的対照群ではそれよりも少ない程度であった。患者と神経学的対照者の白質では、アストロサイトに強い細胞質CathA免疫反応性が認められた。しかし、神経学的対照群では、CathA陽性アストロサイトは梗塞周辺にのみ存在していたが、CTSA変異患者では、白質全体に強くCathAを発現するアストロサイトが存在していた。

 筆者らは、追加のシステイン残基が異常なジスルフィド橋形成とその結果としてのタンパクのミスフォールディングを引き起こすかどうかを評価するために、還元性および非還元性のSDS-PAGEウエスタンブロッティングにおけるCathAの蓄積を調べた。筆者らは、患者群や対照群ではこのような異常なフォールディングを検出しなかった。しかし、すべての条件下で、CathA 54-kDa 前駆体タンパク質は、神経学的および非神経学的対照群と比較して、CTSA 変異を有する患者で増加した。特筆すべきは、CathA前駆体タンパクの量は、散発性SVD患者と非神経学的対照群では同程度であった。成熟した20-kDaのCathA産物の量は、CTSA変異を有する患者では有意に変化しなかった。

 ET-1はCathAによって分解されるペプチドであり、血管収縮とOPCの成熟に関与している。しかし、非梗塞白質部では、アストロサイトのET-1免疫標識は神経学的対照群よりも患者群の方が顕著に高かった。非神経学的対照群のアストロサイトは、ET-1陰性であった。

考察

 治療抵抗性の高血圧、虚血性・出血性脳卒中、晩期の認知機能低下を呈する成人型優性cathepsin A-related arteriopathy with strokes and leukoencephalopathy(CARASAL)を有する2家族を報告した。ドライアイや口渇、筋痙攣などの症状はF1では一貫して認められるが、F2では認められなかった。MRIでは当初、脳白質、基底核、視床下部、脳幹に多焦点性の信号変化が認められ、これはSVDを示唆するパターンである。他のSVDと同様に、MRIでの白質脳症は脳卒中の発症に先行し、臨床的重症度に比べて不均衡である。

 筆者らの家族の臨床、MRI、特に病理学的表現型は、既知の常染色体優性血管障害を示唆するものではない。電顕では、CADASIL、コラーゲンIVA1とIVA2の欠損、TREX1関連疾患、CAAなどに見られるような、GOM、基底ラミナの断片化や多層ラミナ化、血管内アミロイド沈着は認められなかった。NOTCH3のシークエンシングは不明であり、WESはCOL4A1、COL4A2、TREX1、CAA関連遺伝子(APP、CST3、TTR、GSN、BRI2、およびPRPNを含む)における既知または可能性のある病原性のあるバリアントを示さなかった。エクソン1のWESおよびサンガーシークエンシングでは、病原性のあるHTRA1変異体は認められなかった。筆者らの患者で観察された末梢動脈の異常な病理は、調査したCADASIL、CAA、散発性SVDの患者には見られなかった。

 この2つの家族はMRI所見に基づいて独立して同定された。両家系とも同じCTSAバリアントが分離された。ハプロタイプ解析の結果、CTSA変異体を含む1,145kbの領域が両家系で共有されており、この変異体は共通の祖先に由来することが示唆された。WESにより、この領域には他の優性変異体が存在しないことが明らかになり、CTSAが唯一の候補遺伝子となった。

 Herveらは、CARASALに類似したMRIパターンを有する常染色体優性血管性白質脳症を有するフランスの家族を報告した。このフランス人家族は、染色体20q13,14上の11.2-Mbの間隔にCTSA変異体の1,145-kbの領域が含まれていることから、同一疾患であることを強く示唆している。

 CathAは54 kDaの一本鎖前駆体として合成され、20-および32-kDaのサブユニットからなる触媒的に活性化ヘテロ二量体に変換される。劣性の CTSA 突然変異は、β-ガラクトシダーゼとノイラミニダーゼ-1 の欠乏によりガラクトシアリドーシスを引き起こす。

 CARASALにおけるCTSA変異の機能的役割は、現在のところ不明である。優性遺伝を考慮すると、Arg325Cysの変化は毒性を持つ可能性がある。余分なシステインは、余分なジスルフィド結合のため、タンパク質の安定化、フォールディング、および構造に影響を与える可能性がある。CARASAL患者では、非還元状態と還元状態でのCathAシグナルは類似しており、CathAアイソフォームが大きすぎてゲルに入ることができない可能性を除外した。これらの所見は、変異体CathAのミスフォールディングを支持しない。

 筆者らの患者では、CathAを発現するアストロサイトは白質上に広がっていたが、毛細血管性CAA、CADASIL、散発性SVDでは梗塞の周囲にのみ集積化していた。還元SDS-PAGEにより、CARASALの患者でのみCathA前駆体タンパク質量の増加が確認された。特筆すべきは、散発性SVDの対照群ではCathAの増加は認められず、同程度の血管病変と反応性グリオシスが認められたことから、観察されたCathAの蓄積は単に小血管の病変と虚血性病理の結果ではないことが示唆された。

 白質脳症は一般的なSVDの病理組織型の一部であり、異常な血管を中心としたオリゴデンドロサイト、ミエリン、軸索の喪失を伴う。CARASALの白質病理は、ミエリンの喪失、アストログリア症、虚血性病変を超えたOPC数の増加を示しており、梗塞がなくラクナがほとんどないF1-IV8の患者にもみられた。CARASALでは、白質の広範な病変と比較的軽度の血管病変との間に矛盾があることから、虚血以外の病態メカニズムが白質脳症に寄与していることが示唆された。

 筆者らは、血管収縮とOPCの成熟に関与するペプチドであるET-1を調査した。アストロサイト由来のET-1は、長期的な血管収縮と低酸素に寄与している可能性がある。CARASALでは、ET-1の過剰発現は、再髄鞘化不全の特徴である前髄鞘化OPCの数の増加、MBP量の減少、ミエリンのない軸索の豊富さと一致している。多発性硬化症では、アストロサイト由来のET-1がOPCの成熟を阻害する可能性があることが示されている。CARASALでは、ET-1はCTSAの突然変異のためにCARASALに蓄積していると推測しうる。これは、CathAカルボキシペプチダーゼ活性の低下が白血球では認められなかったが、患者の脳ではCathAカルボキシペプチダーゼ活性が低下していることを示唆している。このシナリオでは、ET-1はCARASALの白質脳症に寄与し、血管障害をはるかに超えた広範な白質異常を説明すると考えられる。

 ガラクトシアリドーシス患者の1人で皮質-皮質下梗塞を伴う動脈性高血圧が報告されている。CTSA変異キャリアであるガラクトシアリドーシス患者の両親は、高血圧やSVDのリスクが高まることは知られていない。しかし、ガラクトシアリドシスは稀であり、高血圧や高血圧に関連した白質病変が多いため、このような関連性は見過ごされがちであったかもしれない。 ゴーシェ病は、グルコセレブロシダーゼをコードするGBA1の劣性突然変異によって引き起こされることは以前から知られていた。最近になって、GBA1変異のヘテロ接合型キャリアがパーキンソン病やレビー小体型認知症のリスクを増加させることが明らかになった。CTSAのp.(Arg325Cys)変異のみがCARASALと関連しているのか、それとも他の変異でもSVDのリスクが認められるのか、さらなる研究が必要である。

 血管性白質脳症は高齢者に多い。CARASALでは、新たな表現型が追加された。筆者らは、成人発症の血管性白質脳症の遺伝的起源が見落とされがちなのではないかと考えている。

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