Whole genome sequencing identified a novel copy number variant on TPK1 gene in a Chinese family with thiamine metabolism dysfunction syndrome 5

技術要約：全ゲノム解析によるTPK1における新規CNVの同定とチアミン代謝異常症5型への関連

問題提起
チアミン代謝異常症5型（THMD5）は、チアミンピロホスホキナーゼ（TPK）をコードするTPK1遺伝子の両アレルにおける病原性変異によって引き起こされる、稀な常染色体劣性遺伝の神経代謝疾患である。30件以上の病原性変異が報告されているが、その大部分はミスセンス変異である。コピー数多型（CNV）を伴うTPK1の変異は極めて稀であり、標準的な全エキソーム解析（WES）や標的遺伝子パネルでは、コーディング領域のエキソンを完全にカバーできなかったり、特に非コード領域にブレイクポイントを持つ大きな構造変異を確実に検出できなかったりするため、検出されないことが多い。その結果、成人患者や非典型的な呈示を示す患者の診断は依然として困難である。本研究は、TPK1の遺伝学的スペクトルの拡大と、複雑な遺伝子病変を特定するための全ゲノム解析（WGS）の診断的有用性の評価という課題に取り組んでいる。

方法論
本研究では、中国人の家族（31歳のプロバンドと33歳の兄の計2名の罹患者、および非罹患者である両親と弟の計3名）を対象とした。

• 臨床データの収集： 包括的な臨床歴、神経学的検査、神経画像（MRI）、検査結果（血清乳酸を含む）、および認知機能評価（MMSE、MoCA、ADAS-Cog）を収集した。
• 遺伝学的解析： Illumina TruSeq DNA PCR-Free Library Preparationを用い、平均深度30×で全家族の全ゲノム解析（WGS）を実施した。データはBWAを用いてヒト参照ゲノム（hg19）にアライメントされ、Gene Analysis ToolKit（GATK）を用いて解析された。
• 変異の検証と解釈： 同定された変異はサンガー法により検証された。変異はVariant Effect Predictor（VEP）を用いて解釈され、データベース（ClinVar、OMIM、HGMD、gnomAD）に対してスクリーニングされた。病原性は計算アルゴリズム（SIFT、PolyPhen-2、FATHMM）を用いて評価され、ACMG/ClinGenガイドラインに従って分類された。CNVは、憲法性コピー数多型の技術的基準に基づいて解釈された。
• フェージング： WGSデータのスプリットリード配列解析を利用して、複合ヘテロ接合型変異のcis/transフェージングを決定した。

主な結果

• 臨床表現型：
  • プロバンド： 13歳で発症し、反復性のエピソード性脳症、運動失調、および構音障害を認めた。その後、19歳までに痙性歩行と肢の硬直へと進行した。MRIでは軽度の大脳、小脳、および脳幹の萎縮が認められた。血清乳酸値は正常であった。認知機能はおおむね保持されていた。
  • 兄： 4歳で発症し、対称性の基底核病変（T2強調画像での高信号、T1強調画像での低信号）および上昇した血清乳酸値（3.65 mmol/L）を含む重篤な症状を呈した。その後、重度の痙性と歩行障害、および認知機能低下（MMSE 20/30）へと進行し、30代までに自立歩行が困難となった。
• 遺伝学的知見： WGSにより、両罹患者においてTPK1の複合ヘテロ接合型変異が同定された：
  1. 既知の病原性ミスセンス変異：NM_022445.4:c.382C>T (p.Leu128Phe)。
  2. 新規のCNV：NC_000007.13:g.144285435_144289647dup。これはエキソン7および隣接するイントロンを含む4.2 kbのタンデム重複である。
  • サンガー解析により、ミスセンス変例は母親から継承されたことが確認された。
  • スプリットリード解析により、CNVは父親から継承されたものであり、ミスセンス変異とtransの関係にあることが確認された。
  • このCNVは、読み枠の崩壊およびナンセンス変異依存mRNA分解（NMD）を引き起こすと予測された。
• 治療アウトカム：
  • プロバンドは定期的な高用量チアミン（100 mg/日）の投与を受け、症状の安定化が得られ、さらなる悪化は見られなかった。
  • 兄は、低用量のチアミン（30 mg/日）を短期間投与された後に治療を中止したため、進行性の神経学的退行を辿った。

主要な貢献

1. 遺伝学的スペクトルの拡大： 本研究は、TPK1における新規の4.2 kbタンデム重複を報告しており、主流であるミスセンス変異を超えて、THMD5の既知の変異様式を拡張した。
2. WGSの診断的優位性： 本研究は、イントラジェニックCNVのような複雑な構造変異の検出、および複合ヘテロ接合型変異のフェージング決定において、WGSがWESや標的パネルよりも優れていることを実証している。これは正確な診断に不可欠である。
3. 遺伝子型-表現型相関： 本研究は、同一の遺伝子型を持つ兄弟間における顕著な表現型の不均一性を浮き彫りにした。臨床経過の相違は、遺伝的な違いではなく、治療の遵守状況に起因するものである。

意義および主張
著者らは、彼らの知見がTHMD5の管理における生涯にわたる高用量チアミン療法の極めて重要な重要性を強調していると主張している。遵守しているプロバンドと、遵守していない兄との対照的なアウトカムは、疾患の経過の後半であっても、チアミン療法が神経変性を阻止できるという強力な証拠を提供している。

さらに、本論文は、初期の遺伝子検査で分子診断が得られない場合、特に遺伝性代謝疾患の診断プロセスにWGSを組み込むべきであると断言している。他の手法では見逃される可能性が高い新規のCNVを特定したことで、本研究は、希少な代謝疾患の完全な遺伝的病因を明らかにするための包括的なゲノム解析の必要性を補強している。著者らは、臨床的または遺伝的な疑いが生じた時点で、不可逆的な神経損傷を防ぐために、直ちに高用量チアミン投与を開始することを推奨している。