Identification of the germline-derived GNAS gain-of-function mutations and clarification of the novel mechanism leading to GNAS loss-of-function

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H04204
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: 緒方 勤 浜松医科大学, 医学部, 教授 (40169173)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 深見 真紀 国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 分子内分泌研究部, 部長 (40265872)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: GNAS / 抗利尿不適合性腎症候群 / 機能亢進 / 偽性副甲状腺機能低下症 / 機能低下

Outline of Annual Research Achievements

GNASは、Gタンパク質共役型受容体の細胞内シグナル伝達を介在し、腎集合管を含む多くの組織では両親性発現を示すが、腎近位尿細管などではA/B-DMRの制御により母性発現を示す。
本研究の目的は、(1)われわれが常染色体優性の抗利尿不適合性腎症候群を呈する2家系で同定した新規GNAS変異が、世界初の機能亢進型生殖細胞変異であることを示すこと（研究項目１）、(2) われわれが常染色体優性の偽性副甲状腺機能低下症を示す2家系で同定した過去に報告の無いGNAS-STX16領域のゲノム構造異常やレトロトランスポゾン挿入が、A/B-DMR単独のエピ変異を発症する機序を解明すること（研究項目2）である。
（研究項目１）抗利尿不適合性腎症候群発症に直結するAVPR2を用いたルシフェラーゼ解析を終了し、p.F68_G70delとp.M255V変異が軽度機能亢進作用を有することを見出した。また、p.F68_G70delを導入したモデルマウスが、患者と同様、腎からの自由水排泄障害を呈することを見出した。さらに、p.M255Vを導入したモデルマウスが在胎時では生存するものの生後間もなく死亡することを明らかとした。これは、ルシフェラーゼ解析でp.M255Vがp.F68_G70delよりやや活性が強く、生殖細胞由来では胎生致死であるMcCune-Albright症候群を発症するp.R201H/Cより弱いことに一致する。
（研究項目2）新規GNAS機能低下発症機序の解明では、GNAS遺伝子内の50-bp重複が原因であることを明らかとた。SVA型レトロトランスポゾン挿入家系では、これがNEP55にexonizationされることを示すために皮膚線維芽細胞を樹立しmRNAを解析した。患者においてA/B遺伝子の高発現が確認されたが、NEP55の発現が軽微であるため、exonizationの証明には至っていない。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

［研究項目1］世界初の機能亢進型GNAS生殖細胞変異の実証。われわれは、上記のように、抗利尿不適合性腎症候群を有する家系1と2で同定しえたp.F68_G70delとp.M255V変異が経度機能亢進作用を有することを、in vitro機能解析、モデルmouse解析、さらに蛋白構造解析においても証明した。これにより、機能亢進型GNAS生殖細胞変異の存在を実証し、新規遺伝性疾患を樹立した。さらに、家系の表現型から、多くのG蛋白受容体の中で、AVPR2がGNAS機能亢進に最も感受性が高いことを明らかとした。これらの成果は、世界初のものであり、GNAS遺伝子を介する疾患発症機序の解明や治療法の開発に貢献すると期待される。本成果は論文として発表された。
［研究項目2］新規GNAS機能低下発症機序の解明。われわれは、GNAS遺伝子内の50-bp重複が偽性副甲状腺機能低下症を発症することを世界で初めて明らかとした。これは、われわれによる2016年度におけるGNAS-STX16領域のゲノム2.5回重複の同定に続き、新しい偽性副甲状腺機能低下症発症機序の解明となる成果である。本成果は論文として発表された。また、GNAS挿入されたSVA型レトロトランスポゾンがA/B遺伝子の発現亢進を伴うことを見出したことは、確かに、このレトロトランスポゾン挿入が病因であることを示す成果である。

Strategy for Future Research Activity

令和元年では、以下の研究を行う。
［研究項目1］世界初の機能亢進型GNAS生殖細胞変異。家系において経度甲状腺機能亢進が認められたことから、ルシフェラ－ゼ解析をTSHRを用いて行い、AVPR2の結果を比較する。これにより機能亢進変異効果の受容体特異性を明らかとする。また、p.M255Vを導入したモデルマウスが在胎時では生存するものの生後間もなく死亡する原因を、このマウスの形態解析・遺伝子発現解析から明らかとする。これは、より強い変異を有するMcCune-Albright症候群患者の病因解明や治療法開発に貢献すると期待される。
［研究項目2］新規GNAS機能低下発症機序の解明。これに関して残された課題は、GNAS-STX16領域に挿入されたSVA型レトロトランスポゾンがNESP55にexonizationされることの証明である。このために、以下の２つを開始している。(1) A/BやNESP55はiPS細胞において高発現を示すことが報告されている。そこで、われわれはすでに患者皮膚線維芽細胞からiPS細胞の樹立を開始しており、これを用いてexonizationを検討する。(2) dCas9-VP64を用いた転写活性化人工的な転写活性化装置を用いてNESP55を強制的に発現させる実験を開始している。これを用いてexonizationを検討する。

Research Products

• [Journal Article] (Epi)genetic defects of MKRN3 are rare in Asian patients with central precocious puberty. (2019)
  • Author(s): Suzuki E, Shima H, Kagami M, Soneda S, Tanaka T, Yatsuga S, Nishioka J, Oto Y, Kamiya T, Naiki Y, Ogata T, Fujisawa Y, Nakamura A, Kawashima S, Morikawa S, Horikawa R, Sano S, Fukami M*
  • Journal Title: Hum Genome Var Volume: 21 Pages: 7
  • DOI: 10.1038/s41439-019-0039-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of de novo CSNK2A1 and CSNK2B variants in cases of global developmental delay with seizures. (2019)
  • Author(s): Nakashima M, Tohyama J, Nakagawa E, Watanabe Y, Siew CG, Kwong CS, Yamoto K, Hiraide T, Fukuda T, Kaname T, Nakabayashi K, Hata K, Ogata T, Saitsu H, Matsumoto N*
  • Journal Title: J Hum Genet Volume: 64 Pages: 313-322
  • DOI: 10.1038/s10038-018-0559-z.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coexistence of a CAV3 mutation and a DMD deletion in a family with complex muscular diseases. (2019)
  • Author(s): Hiraide T, Ogata T, Watanabe S, Nakashima M, Fukuda T, Saitsu H*
  • Journal Title: Brain Dev Volume: 41 Pages: 474-479
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2019.01.005.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Association of four imprinting disorders and ART. (2019)
  • Author(s): Hattori H, Hiura H, Kitamura A, Miyauchi N, Kobayashi N, Takahashi S, Okae H, Kyono K, Kagami M, Ogata T, Arima T*
  • Journal Title: Clin Epigenetics Volume: 11 Pages: 21
  • DOI: 10.1186/s13148-019-0623-3.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Germline-derived gain-of-function variants of Gsa-coding GNAS gene identified in nephrogenic syndrome of inappropriate antidiuresis. (2019)
  • Author(s): Miyado M, Fukami M, Takada S, Terao M, Nakabayashi K, Hata K, Matsubara Y, Tanaka Y, Sasaki G, Nagasaki K, Shiina M, Ogata K, Masunaga Y, Saitsu H, Ogata T*
  • Journal Title: J Am Soc Nephrol Volume: 30 Pages: 877-889
  • DOI: 10.1681/ASN.2018121268.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temple syndrome in a patient with variably methylated CpGs at the primary MEG3/DLK1:IG-DMR and severely hypomethylated CpGs at the secondary MEG3:TSS-DMR. (2019)
  • Author(s): Kagami M, Yanagisawa A, Ota M, Matsuoka K, Nakamura A, Matsubara K, Nakabayashi K, Takada S, Fukami M, Ogata T*
  • Journal Title: Clin Epigenetics Volume: 11 Pages: 42
  • DOI: 10.1186/s13148-019-0640-2.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MYRF haploinsufficiency causes 46,XY and 46,XX disorders of sex development. (2019)
  • Author(s): Hamanaka K, Takata A, Uchiyama Y, Miyatake S, Miyake N, Mitsuhashi S, Iwama K, Fujita A, Imagawa E, Alkanaq AN, Koshimizu E, Azuma Y, Nakashima M, Mizuguchi T, Saitsu H, Yuka Wada, Minami S, Katoh-Fukui Y, Masunaga Y, Fukami M, Hasegawa T, Ogata T, Matsumoto N*
  • Journal Title: Hum Mol Genet Volume: 28 Pages: 2319-2329
  • DOI: 10.1093/hmg/ddz066
• [Journal Article] Exploring the unique function of imprinting control centers in the PWS/AS-responsible region: finding from array-based methylation analysis in cases with variously sized microdeletions. (2019)
  • Author(s): Matsubara K, Itoh M, Shimizu K, Saito S, Enomoto K, Nakabayashi K, Hata K, Kurosawa K, Ogata T, Fukami M, Kagami M.
  • Journal Title: Clin Epigenetics Volume: 11 Pages: 36
  • DOI: 10.1186/s13148-019-0633-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gain-of-Function Mutations in G-protein Coupled Receptor Genes Associated with Human Endocrine Disorders. (2018)
  • Author(s): Fukami M*, Suzuki E, Igarashi M, Miyado M, Ogata T
  • Journal Title: Clin Endocrinol Volume: 88 Pages: 351-359
  • DOI: 10.1111/cen.13496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De Novo 50-bp GNAS (Gs-alpha) Intragenic Duplication in a Patient with Pseudohypoparathyroidism Type 1a. (2018)
  • Author(s): Suzuki E, Bo R, Sue K, Awano H, Ogata T, Narumi S, Kagami M, Sano S, Fukami M*
  • Journal Title: Cytogenet Genome Res Volume: 153 Pages: 125-130
  • DOI: 10.1159/000485644
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Partial androgen insensitivity syndrome caused by a deep intronic mutation creating an alternative splice acceptor site of the AR gene. (2018)
  • Author(s): Ono H, Saitsu H, Horikawa R, Nakashima S, Ohkubo Y, Yanagi K, Nakabayashi K, Fukami M, Fujisawa Y, Ogata T*
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 8 Pages: 2287
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20691-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GATA4 mutations are uncommon in patients with 46,XY disorders of sex development without heart anomaly. (2018)
  • Author(s): Igarashi M, Mizuno K, Kon M, Narumi S, Kojima Y, Hayashi Y, Ogata T, Fukami M*
  • Journal Title: Asian J Androl Volume: 20 Pages: 629-631
  • DOI: 0.4103/aja.aja_20_18.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GATA4 variant identified by whole exome sequencing in a Japanese family with atrial septal defect: implications for male sex development. (2018)
  • Author(s): Shimizu D, Iwashima S, Sato K, Hayano S, Fukami M, Saitsu H, Ogata T
  • Journal Title: Clin Case Rep Volume: 6 Pages: 2229-2233
  • DOI: 10.1002/ccr3.1851
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular and clinical analyses of two patients with UPD(16)mat detected by screening 94 patients with Silver-Russell syndrome phenotype of unknown etiology. (2018)
  • Author(s): Inoue T, Yagasaki H, Nishioka J, Nakamura A, Matsubara K, Narumi S, Nakabayashi K, Yamazawa K, Fuke T, Oka A, Ogata T, Fukami M, Kagami M*
  • Journal Title: J Med Genet Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1136/jmedgenet-2018-105463
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 11-oxygenated C19 steroids as circulating androgens in women with polycystic ovary syndrome. (2018)
  • Author(s): Yoshida T, Matsuzaki T, Miyado M, Saito K, Iwasa T, Matsubara Y, Ogata T, Irahara M, Fukami M*
  • Journal Title: Endocr J Volume: 65 Pages: 979-990
  • DOI: 10.1507/endocrj.EJ18-0212
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Congenital limb deficiency in Japan: A cross-sectional nationwide survey on its epidemiology. (2018)
  • Author(s): Mano H, Fujiwara S, Takamura K, Kitoh H, Takayama S, Ogata T, Hashimoto S, Haga N*
  • Journal Title: BMC Musculoskelet Disord Volume: 19 Pages: 262
  • DOI: 10.1186/s12891-018-2195-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Clinical characteristics of a Japanese patient with Bardet-Biedl syndrome caused by BBS10 mutations. (2018)
  • Author(s): Kurata K, Hosono K, Hikoya A, Kato A, Saitsu H, Minoshima S, Ogata T, Hotta Y*
  • Journal Title: Jpn J Ophthalmol A Volume: 62 Pages: 458-466
  • DOI: 10.1007/s10384-018-0591-8
• [Journal Article] Characterization of parent-of-origin methylation using the Illumina Infinium MethylationEPIC array platform. (2018)
  • Author(s): Hernandez Mora JR, Tayama C, Sanchez-Delgado M, Monteagudo-Sanchez A, Hata K, Ogata T, Medrano J, Poo-Llanillo ME, Simon C, Moran S, Esteller M, Tenorio J, Pablo Lapunzina P, Kagami M, Monk D, Nakabayashi K*
  • Journal Title: Epigenomics Volume: 10 Pages: 941-954
  • DOI: 10.2217/epi-2017-0172
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Maternal uniparental disomy for chromosome 20: physical and endocrinological characteristics of five patients. (2018)
  • Author(s): Kawashima S, Nakamura A, Inoue T, Matsubara K, Horikawa R, Wakui K, Tkano K, Fukushima Y, Tatematsu T, Mizuno S, Tsubaki J, Kure S, Matsubara Y, Ogata T, Fukami M, Kagami M*
  • Journal Title: J Clin Endocrinol Metab Volume: 103 Pages: 2083-2088
  • DOI: 10.1210/jc.2017-02780
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STX2 is a causative gene for nonobstructive azoospermia. (2018)
  • Author(s): Nakamura S, Kobori Y, Ueda Y, Tanaka Y, Ishikawa H, Yoshida A, Katsumi M, Saito K, Nakamura A, Ogata T, Okada H, Nakai H, Miyado M, Fukami M*
  • Journal Title: Hum Mutat Volume: 39 Pages: 830-833
  • DOI: 10.1002/humu.23423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A case of paternal uniparental isodisomy for chromosome 7 associated with overgrowth. (2018)
  • Author(s): Nakamura A, Muroya K, Ogata-Kawata H, Nakabayashi K, Matsubara K, Ogata T, Kurosawa K, Fukami M, Kagami M*
  • Journal Title: J Med Genet Volume: 55 Pages: 567-570
  • DOI: 10.1136/jmedgenet-2017-104986.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional missense and splicing variants in the retinoic acid catabolizing enzyme CYP26C1 in idiopathic short stature. (2018)
  • Author(s): Montalbano A, Juergensen L, Fukami M, Thiel, CT, Hauer NH, Roeth R, Weiss B, Naiki Y, Ogata T, Hassel D, Rappold GA*
  • Journal Title: Eur J Hum Genet Volume: 26 Pages: 1113-1120
  • DOI: 10.1038/s41431-018-0148-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De novo variants in SETD1B are associated with intellectual disability, epilepsy and autism. (2018)
  • Author(s): Nakashima M, Hiraide T, Yamoto K, Fukuda T, Kato M, Ikeda H, Sugie Y, Aoto K, Kaname T, Nakabayashi K, Ogata T, Matsumoto N, Saitsu H*
  • Journal Title: Hum Genet Volume: 137 Pages: 95-104
  • DOI: 10.1007/s00439-017-1863-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Longitudinal Serum and Urine Steroid Metabolite Profiling in a 46,XY Infant with Prenatally Identified POR Deficiency. (2018)
  • Author(s): Ono H, Numakura C, Homma K, Hasegwa T, Tsutsumi S, Kato F, Fujisawa Y, Fukami M, Ogata T*
  • Journal Title: Steroid Biochem Mol Biol Volume: 178 Pages: 177-184
  • DOI: 10.1016/j.jsbmb.2017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Japanese Study Group of Insulin Therapy for Childhood and Adolescent Diabetes. Protein-Altering Variants of PTPN2 in Childhood-onset Type 1A Diabetes. (2018)
  • Author(s): Okuno M, Ayabe T, Yokota I, Musya I, Shiga K, Kikuchi T, Kikuchi N, Ohtake A, Nakamura A, Nakabayashi K, Okamura K, Momozawa Y, Suzuki J, Urakami T, Kawamura T, Amemiya S, Ogata T, Sugihara S, Fukami M*
  • Journal Title: Diabet Med Volume: 35 Pages: 376-380
  • DOI: 10.1111/dme.13566
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two patients with MIRAGE syndrome lacking haematological features: role of somatic second-site reversion SAMD9 mutations. (2018)
  • Author(s): Shima H, MD*, Koehler K*, Nomura Y, Sugimoto K, Satoh A, Ogata T, Fukami M, Schuelke M, Huebner A, Narum S
  • Journal Title: J Med Genet Volume: 55 Pages: 81-85
  • DOI: 10.1136/jmedgenet-2017-105020.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FGFR1 Disruption Identified by Whole Genome Sequencing in a Male With a Complex Chromosomal Rearrangement and Hypogonadotropic Hypogonadism. (2018)
  • Author(s): Yamoto K, Okamoto S, Fujisawa Y, Fukami M, Saitsu H, Ogata T*
  • Journal Title: Am J Med Genet A Volume: 176 Pages: 139-143
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.38535.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expression of Xenobiotic Biomarkers CYP1 Family in Preputial Tissue of Patients with Hypospadias and Phimosis and Its Association with DNA Methylation Level of SRD5A2 Minimal Promoter. (2018)
  • Author(s): Ohsako S*, Aiba T, Miyado M, Fukami M, Ogata T, Hayashi Y, Mizuno K, Kojima Y
  • Journal Title: Arch Environ Contam Toxicol Volume: 74 Pages: 240-247
  • DOI: 10.1007/s00244-017-0466-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive screening for monogenic diabetes in 89 Japanese children with insulin-requiring antibody-negative type 1 diabetes. (2018)
  • Author(s): Ushijima K, Fukami M, Ayabe T, Narumi S, Okuno M, Nakamura A, Takahashi T, Ihara K, Ohkubo K, Tachikawa E, Nakayama S, Arai J, Kikuchi N, Kikuch T, Kawamura T, Urakami T, Hata K, Nakabayashi K, Matsubara Y, Amemiya S, Ogata T, Yokota I, Sugihara S,
  • Journal Title: Pediatr Diabetes Volume: 19 Pages: 243-250
  • DOI: 10.1111/pedi.12544
  • Peer Reviewed
• [Presentation] IGF2: a paternally expressed gene essential for pre- and post-natal growth and placental development. In: Symposium Novel gene discoveries in Mendelian diseases. (2018)
  • Author(s): Ogata T
  • Organizer: 2018 International Joint Conference on Genetics & Medicine (Genetic Society of Korea, Korean Society of Medical Genetics & Genomics, and East-Asian Union of Human Genetics Society).
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Kagami-Ogata症候群：発症機序解明と臨床診断基準・遺伝学的診断法の確立 (2018)
  • Author(s): 緒方勤
  • Organizer: 日本人類遺伝学会第63回大会
  • Invited
• [Presentation] ARTとインプリンティング疾患発症の関連について (2018)
  • Author(s): 緒方勤
  • Organizer: 第63回日本生殖医学会学術講演会・総会
  • Invited
• [Presentation] 性スペクトラム (2018)
  • Author(s): 緒方勤
  • Organizer: 第28回日本内分泌学会臨床内分泌代謝アップデート
  • Invited
• [Presentation] 小児の遺伝性間脳下垂体疾患 (2018)
  • Author(s): 緒方勤
  • Organizer: 第28回日本間脳下垂体腫瘍学会
  • Invited