JP7462234B2 - ムコ多糖症iva型の動物モデル - Google Patents
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Description
本発明は、ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型の非ヒト動物モデル、ならびに該動物モデルを作製する方法およびその使用に関する。特に、この疾患の処置のための治療法の評価における前記モデルの使用に。
リソソームとは、動物細胞の細胞質に存在する細胞小器官で、50種類以上の加水分解酵素を含み、古くなった細胞成分の再利用時、あるいはウイルスや細菌の貪食後に、生体分子を分解する。この細胞小器官は、プロテアーゼ、ヌクレアーゼ、グリコシダーゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼ、ホスファターゼおよびスルファターゼを含むいくつかの種類の加水分解酵素を含む。すべての酵素は酸性の加水分解酵素である。
本発明は、ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型の新規の動物モデルを提供する。
i)本発明による前記非ヒト動物モデルを提供する工程と、
ii)前記医薬組成物または前記化合物で処置した前記非ヒト動物モデルにおける効果を評価する工程とを含む方法に関する。
i)本発明に係る非ヒト動物モデルを準備する工程と、
ii)前記医薬組成物または化合物を用いた処理の、前記非ヒト動物モデルに対する影響を評価する工程とを含む方法もまた包含される。
図1.Galns-/-ラットの遺伝学的および生化学的な解析。(A)WT(Galns+/+)、ヘテロ接合型(Galns+/-)およびホモ接合型(Galns-/-)のラットを遺伝子型決定するとき得られた、MboII制限酵素による消化後のPCRアンプリコンを示すアガロースゲルの代表的な画像。(B)GALNS活性を、5カ月齢のオスおよびメスの、F0 野生型およびGalns-/-ラットの血清試料において測定した。値は、1群につき2~10のラットの、平均±SEMである。ND:検出できず。
用語「ヌクレオチド配列」または「単離されたヌクレオチド配列」または「ポリヌクレオチド配列」または「ポリヌクレオチド」または「単離されたポリヌクレオチド配列」は、本明細書では互換的に用いられ、DNAまたはRNAのいずれかの核酸分子(それぞれ、デオキシリボ核酸またはリボ核酸を含んでいる)を指す。上記核酸は、二本鎖配列であっても、一本鎖配列であっても、または二本鎖もしくは一本鎖配列の両方の一部分が含まれていてもよい。
MPSIVAは、ガラクトサミン(N-アセチル)-6-スルファターゼ(GALNS)という酵素の活性の欠損によって生じる。GALNSは、コンドロイチン-6-硫酸(C6S)の非還元末端のN-アセチルガラクトサミン-6-硫酸の硫酸エステル基と、ケラタン硫酸(KS)の非還元末端のガラクトース-6-硫酸の硫酸エステル基を加水分解するリソソーム酵素である。非分解C6SおよびKSの持続的な蓄積の結果として、進行性の細胞損傷が起こり、多臓器性疾患をもたらす。
i)本発明に係る非ヒト動物モデルに試験医薬組成物または試験化合物を与える工程と、
ii)医薬組成物または化合物で処理した前記モデルに対して認められた影響を評価する工程と含む。
i)本発明に係る非ヒト動物モデルを準備する工程と、
ii)前記医薬組成物または化合物で処置した前記非ヒト動物モデルに対する影響を評価する工程とを含む。
1.MPSIVAラットの作製
MPSIVAラットを、CRISPR/Cas9技術を用いて作製した。gRNA、ドナーDNA、およびCas9mRNAを、1細胞ラット胚の前核にマイクロインジェクションした。Cas9二本鎖切断およびドナーDNAとの相同組換えの後、1162C>Tミスエンセンス変異がラットGalns遺伝子のエクソン11に導入された。
共通の順方向(配列番号8)および逆方向(配列番号9)プライマーを用いて遺伝子操作ラットの遺伝子型決定を行った。PCR反応により915bpのアンプリコンを作製し、さらにこれをMboII制限酵素で消化した。MboII消化により、WTアレルにおいて697、142および76bpの3つの断片と、MPSIVAアレルにおいて381、316、142および76bpの断片を生じた。同じプライマーを用いてPCRアンプリコンからサンガーシーケンスを行った。サンガーアンプリコンを野生型Galns配列とアラインし、MPSIVAアレルを検出した。さらに、MPSIVAラットにおいて1162C>T変異および新しいMboII制限部位を確認するために、TIDEウェブツールを使用した。
殺処分に際し、動物に深く麻酔を施し、その後、心臓を経由して100mLのPBSを潅流させて、組織から血液を完全に除去した。いくつかの体性組織(肝臓、脾臓、肺、心臓および骨を含む)を収集し、次の組織学的分析のために、液体窒素中で凍結させ-80℃にて保存するか、ホルマリン中に浸漬した。
肝臓組織サンプルを、Mili-Q水中で超音波処理し、大腿骨サンプルを、25mmol/lのTris-HCl、pH7.2、および1mmol/lのフェニルメチルスルホニルフルオリドからなるホモジナイゼーションバッファーでホモジナイズした。上述したように、4-メチルウンベリフェロン由来の蛍光源基質(Toronto Rerearch Chemicals Inc, Ontario, Canada)によって、ガラクトサミン(N-アセチル)-6-スルファターゼ(GALNS)活性を測定した(van Diggelen et al., 1990)。タンパク質の全量に対して肝臓、脾臓、心臓および肺のGALNS活性レベルを正規化し、Bradford protein assay(Bio-Rad, Hercules, CA, US)を用いて定量した。
大腿骨および脛骨を中性緩衡ホルマリン(10%)中で12~24時間固定し、エチレンジアミンテトル酢酸( ethylenediaminetetracetic acid)(EDTA)で毎週脱灰し、パラフィンに包埋して、切片を作製した。
骨切片をヘマトキシリンおよびエオシンで染色し、関節軟骨における構造変化を分析した。
マイクロコンピュータ断層撮影(μCT)により骨量と骨構造を評価した。マウス脛骨を中性緩衝ホルマリン(10%)中で固定し、eXplore Locus CTスキャナー(General Electric)を用いて27ミクロンの分解能でスキャンした。骨のパラメータは、MicroView 3D Image Viewer & Analysis Toolを用いて計算した。脛骨長は、内側顆から内果までを測定した。
インビボ1H磁気共鳴画像法(MRI)研究を、ミニイメージンググラジエントセット(400mT/m)を備え内径72mmの直交トランシーバボリュームコイルを使用した7T Bruker BioSpec 70/30 USR(Bruker BioSpin GmbH、エットリンゲン、ドイツ)システムを用いて行った。ラットは、体温調節のための一体型熱水回路を備えたベッドに配置(仰臥位)し、これにより麻酔(イソフルラン、O2中2.0~3.0%、1L/分)の送達を可能にした。初めに、低分解能T2強調高速スピンエコー画像を、軸方向面、矢状面および冠状面において得て、参照スカウト画像として使用した。その後、高分解能T2強調高速スピンエコー画像を、膝を通る矢状面および冠状面において取得した。
すべての結果を平均±SEMとして表した。一元配置分散分析を用いて統計比較を行った。Dunnettの事後検定を用いてコントロール群と処置群との間の多重比較を行い、チューキーの事後検定を用いてすべての群の間の多重比較を行った。P<0.05の場合、統計的有意であると見なした。カプラン-マイヤー法を用いて生存率を分析し、ログ・ランク検定を用いて比較した。
(実施例1:ヒトおよびラットのcDNAアラインメント)
活性部位におけるアルギニン-システインアミノ酸変化(R386C)(配列番号2)を導く、ヒト変異1156C>T(配列番号1)(Tomatsu, 2005)を、ラットゲノムに導入した。このために、ヒトGALNSタンパク質配列(配列番号2)をRattus norvegicusのGALNSタンパク質配列(配列番号4)とアラインさせ、ラットタンパク質におけるヒトR386の位置を同定した。モルキオA型のヒト患者において、アミノ酸変化は、386位における、システインへのアルギニンである(R386C)。対応するアルギニンアミノ酸は、ラットタンパク質における388位に位置していた(R388C)。ヒトGALNSコード配列において、C>Tの単一のヌクレオチド変化は、1156位(配列番号1)に位置していた。対応するCは、ラットGALNSコード配列(配列番号3)の1162位に位置しており、ラットGalns遺伝子のエクソン11に位置していた。
以上に記載されている点変異を含むムコ多糖症IVA型のためのラットモデルを、CRISPR/Cas9技術を用いて生成している。
gRNA1:CCCATATTTTATTACCGTGGCA(配列番号5)および
gRNA2:TACCGTGGCAACACACTGATGG(配列番号6)
を、エクソン11を標的にし、かつ1162C>Tのゲノム部位の近くにCas9二本鎖切断を引き起させるために、設計した。子孫動物の遺伝子型をする分析に有用な一本鎖ドナーDNA配列(配列番号7)を、1162C>Tミスセンス変異および新しいMboII制限部位の両方を導入するために、設計した。2つの相同性アームをまた、Galnsゲノム配列との相同組換えを可能にするために、前記ドナーDNAに含めた。特異的なgRNA、ドナーDNA、およびCas9 mRNAを、ラットGalns遺伝子のエクソン11に1162C>Tミスセンス変異を導入する目的で、1細胞期の胚にマイクロインジェクションした。
胚のマイクロインジェクションの後に誕生したラットの第1世代(F0)を、1162C>Tミスセンス変異部位のフランキング配列に位置する複数の特異的プライマーを用いたPCR分析によって遺伝子型を決定した。次に、PCR産物をMboIIによって消化し、ラットの遺伝子型に応じた異なるパターンを生じさせた(図1のA)。さらに、PCR産物はまた、サンガーシーケンスによって分析されて、1162C>Tミスセンス変異の存在をさらに確認した。サンガーアンプリコン(配列番号10および配列番号11)をRattus norvegicusのGalns遺伝子とアラインし、ホモ接合型のF0 MPS IVAラットにおける、1162C>Tミスセンス変異およびMboII制限部位の存在を明らかにした。
C>T変異を示したF0ラットを野生型ラットと交配させて、起こり得るCRISPR/Cas9オフターゲットを分離した(segregate)。これまでに報告されている通り、ヘテロ接合型のGalns+/-ラットと野生型ラットとの間の3世代の戻し交配後に、起こり得るオフターゲットのほぼ99%が分離された。ヘテロ接合型のラットの第4世代(F4)を、それから交配させて、ホモ接合型のGalns-/-ラットを得た。
MPSIVAラットからの血清試料におけるGALNS活性レベルを分析した。ヘテロ接合型ラット(Galns+/-)は、野生型ラットの、約50%のGALNS活性を示し、ホモ接合型ラット(Galns-/-)は、GALNS活性を示さなかった(図2A)。さらに、MPSIVAラットは、肝臓、脾臓、心臓または肺などの末梢組織において検出可能なGALNS活性を示さなかった(図2B)。
種々の齢にあるMPSIVAラットから血清試料を採取して、LC-MS/MS質量分析法によってKSレベルを決定した。KSレベルの漸進的な増加は、オス(図3A)およびメス(図3B)のMPSIVAラットの両方において、1~3ヶ月齢まで検出された。
種々の齢にあるMPSIVAラットから血清試料を採取して、LC-MS/MS質量分析法によってKSレベルを決定した。KSレベルの漸進的な増加は、オス(図3A)およびメス(図3B)のMPSIVAラットの両方において、1~3ヶ月齢まで検出された。
WTおよびMPSIVAの両方の、オスのラットおよびメスのラットは、約40日齢まで同様の体重増加を示した。その後、MPSIVAラットの体重増加は、野生型対照と比較して小さく、有意な体重差が、オス(図4A)およびメス(図4B)両方のMPSIVAラットにおいて認められた。さらに、3カ月齢では、MPSIVAラットは、野生型対照と比較して体長(鼻~肛門の長さ)の減退も示した(図5)。
形態学的分析により、Galns-/-ラットの切歯において歯の異常が確認された。WTラットは、正常な咬合およびエナメル質形成を示したが(図6A)、3ヶ月齢のMPSIVAラットは、エナメル質の欠陥(図6B)、歯の脆弱性(図6B)および不正咬合(図6C)を示した。さらに、エナメル質の欠陥による象牙質の不具合が、Galns-/-臼歯に見られた(図6A~C)。これらの歯の変化は、GALNS活性の不足と関連しており、ヒトMPSIVA歯の問題と類似している。
WTおよびMPSIVAラットの脛骨長を、内側顆から内果まで、3か月齢においてμCTによって分析した。オスのGalns-/-ラットは、オスの野生型ラットと比較して脛骨長に有意な減退を示した(図7A)。骨の変化は、3ヶ月齢のオスのGalns-/-ラットの顎骨にも見られた(図7B)。
大腿骨および脛骨の磁気共鳴画像法(MRI)分析により、6か月齢のオスのMPSIVAラットにおいて変形性関節症の徴候が確認された。滑液の異常な存在を、矢状断面(図8A)および冠状断面(図8B)において、脛骨顆内部に認めた。これは、関節軟骨の減少に起因して生じたものであった。また、大腿骨および脛骨の薄片をヘマトキシリン-エオシン染色によって染色して、変形性関節症を組織学的に分析した。軟骨細胞の肥大および関節軟骨の変化が、MPSIVAラットにおいて認められた(図8C)。これらの結果は、ラット軟骨細胞の変化が、変形性関節症を最終的に生じさせる異常な関節軟骨をもたらすことを、追認した。同様の変化が、ヒトMPSIVA患者に見られる(Tomatsu, 2014)。さらに、脛骨顆の変化は、MPSIVAの臨床的特徴である外反膝の徴候と一致し得る(Tomatsu, 2014)。
オスの野生型ラットと比較して、MPSIVAの生存曲線に有意差が認められた。6ヶ月齢では、カプラン-マイヤーの生存分析は、100%の野生型ラットが生存し、かつ生存しているMPSIVAラットの割合が約50%であることを示した(図9)。
Claims (12)
- 非ヒト動物モデルであって、
配列番号2の386位におけるアルギニン(R)がシステイン(C)によって置換されているヒトミスセンス変異R386Cに対応する内在性のGalns遺伝子におけるミスセンス変異、または配列番号1の1156位におけるシトシン(C)のチミン(T)への置換(1156C>T)によって特徴付けられるヒト変異に対応する内在性のGalns遺伝子におけるミスセンス変異を含んでおり、前記モデルは、ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型に付随する少なくとも1つの表現型を発現しており、前記非ヒト動物はネズミ科の動物であり、ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型に付随する前記表現型は、多発性異骨症である、
ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型の、遺伝学的に改変されている非ヒト動物モデル。 - 前記ミスセンス変異は、配列番号3に記載の通りのヌクレオチド配列における1162位のシトシン(C)のチミン(T)への置換(1162C>T)によって、または388位のアルギニン(R)のシステイン(C)への置換(R388C)からなる、配列番号4に記載のアミノ酸配列における変異によって特徴付けられる、請求項1に記載の非ヒト動物モデル。
- 前記多発性異骨症は、野生型動物と比べて抑えられている体長および/または骨長を含む、請求項1または2に記載の非ヒト動物モデル。
- 前記非ヒト動物モデルは、変形性関節症、歯の薄いエナメル質、歯の脆弱性、不正咬合、角膜混濁、聴覚障害、中耳炎、心臓弁膜症、呼吸の不全(resporatory compromise)、肝脾腫、およびこれらの組み合わせから選択される表現型をさらに発現している、請求項1~3のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデル。
- 前記ネズミ科の動物は、ラットである、請求項1~4のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデル。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルに由来する細胞株であって、
前記細胞は、配列番号2の386位におけるアルギニン(R)がシステイン(C)によって置換されているヒトミスセンス変異R386Cに対応する内在性のGalns遺伝子におけるミスセンス変異、または配列番号1の1156位におけるシトシン(C)のチミン(T)への置換(1156C>T)によって特徴付けられるヒト変異に対応する内在性のGalns遺伝子におけるミスセンス変異を含む、細胞株。 - ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型の処置または予防のための化合物のスクリーニングのための、請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルまたは請求項6に記載の細胞株の、使用。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の遺伝学的に改変されている非ヒト動物モデルの作製のための、請求項6に記載の細胞株の、使用。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルに対する化合物の影響を決定する方法であって、
前記動物モデルを前記化合物と接触している状態におくこと、および前記化合物に対する反応としての、前記動物の生理学的、組織学的または形態学的な変化の存在もしくは非存在を検出することを含む、
方法。 - ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型に対する処置の有効性を評価するための、請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルの使用。
- 医薬組成物または医薬化合物の有効性を評価する方法であって、
i)請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルを準備する工程と、
ii)前記医薬組成物または化合物を用いた処理の、前記非ヒト動物モデルに対する影響を評価する工程と、
を含む、方法。 - i)請求項1~5のいずれか1項に記載の非ヒト動物モデルに、試験される医薬組成物または化合物を与える工程と、
ii)医薬組成物または化合物を用いて処理した前記モデルに対して認められた影響を評価する工程と、
を含む、ムコ多糖症IVA型またはモルキオ症候群A型の処置の効果を評価する方法。
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