サイレント突然変異：がんを克服する方法？

科学的な探究の道においては、新しい理論を生み出すために長年の概念を打ち破る必要があることがよくあります。

著者 | XZ

遺伝子の変異ががんを引き起こす可能性があることはわかっています。 DNA 断片の塩基対の変異により、遺伝子によってコード化されたアミノ酸配列が変化します。このタイプの変異は、病気を引き起こす主な要因であると判断されることが多く、「非同義変異」と呼ばれ、がん研究の主な焦点でもあります。

同様に、「同義変異」または「中立変異」とも呼ばれる「サイレント」変異があり、これはコードされるアミノ酸の種類を変更しません。

同義変異はタンパク質のアミノ酸配列に影響を与えないため、長い間無害であると考えられてきました。それらは「役に立たない」ため「沈黙している」のであり、奇妙な生物学的現象としか言いようがありません。長い間、同義変異は癌研究においてあまり注目されてきませんでした。

しかし、状況は変化しており、やがて転換点が訪れるでしょう。

遺伝子を沈黙させる突然変異も病気を引き起こす可能性がある

同義変異は「無害」ではなく、依然として病気を引き起こす可能性があることを示す研究が増えています。ノートルダム大学の癌生物学者、ルー・シン氏は数年前にこのことに気づいた。

ある日、陸欣はフォン・ヒッペル・リンドウ病（VHL症候群）の患者を迎え、その病状を分析しました。 VHL 症候群は、染色体 3P25.3 に位置する VHL 腫瘍抑制遺伝子 (フォン・ヒッペル・リンドウ腫瘍抑制遺伝子) の変異によって引き起こされる、まれな常染色体優性遺伝疾患です。機能的 VHL タンパク質は、細胞増殖と血管調節に重要な役割を果たします。 VHL 腫瘍抑制遺伝子が変異すると、細胞は機能的な VHL タンパク質を発現できなくなり、多臓器腫瘍症候群として現れます。簡単に言えば、腫瘍は体のどこにでも発生する可能性があります。

VHL 遺伝子は常染色体優性遺伝するため、染色体上の両方の VHL 対立遺伝子 (同じ形質の異なる形態を制御する一対の相同染色体上の同じ位置にある遺伝子) が変異した場合にのみ、細胞は VHL タンパク質を発現できなくなり、腫瘍形成につながります。

会話の中で、呂欣さんは患者の2人の娘もVHL症候群を受け継いでいることを知りました。 7歳の双子の女の子の網膜には切除不能な腫瘍が増殖していた。しかし、3人のゲノム配列データを調べたところ、陸鑫氏は、3人のVHL遺伝子にタンパク質を変化させる変異はなく、同義変異、つまりCCA配列がCCG配列に変異しているだけであることに驚きました。 2 つの配列は同じアミノ酸 (両方ともプロリン) をコードします。理論的には、このような突然変異は生物学的影響を生じず、病気を引き起こすことはないはずですが、3人とも VHL 症候群を患っています。

陸欣は非常に混乱した。何が起こっているのかを調べるために、彼は家族から皮膚サンプルを採取し、そこから細胞株を分離し、一連の分析を行った[1]。彼は、VHL 腫瘍抑制遺伝子の同義変異が mRNA スプライシングのプロセスに影響を与えることを発見しました。いわゆる mRNA スプライシングとは、DNA テンプレート チェーンから転写された最初の転写産物からイントロンを除去し、エクソンを連結して連続した RNA 分子を形成するプロセスを指します (詳細については、「遺伝子配列決定から 20 年、ついにジャンク DNA の目的が判明」を参照してください)。このプロセスでは、同義変異によってスプライシングタンパク質と特定のヌクレオチド配列の結合が破壊され、mRNA の一部が切断されて「簡略化されたバージョン」の mRNA が生成されます。したがって、これら 3 人の患者は特定の組織に完全な VHL タンパク質を持たず、それが VHL 症候群の症状を引き起こしました。

実際、同義変異が必ずしも無害ではないという証拠は増えており、陸欣の発見は氷山の一角に過ぎない。生命の進化の過程では、外部からの圧力によって進化の方向が変わります。このような選択圧の下では、同義突然変異が通常発生します。同義変異はさまざまな方法で遺伝子発現に影響を与える可能性があり、嚢胞性線維症、自閉症、癌などの疾患と関連付けられています[2]。しかしながら、同義変異の体系的な分析は行われていないため、がんの話題が議論されるときは常に、同義変異の影響は研究者によって基本的に無視され、非同義変異が議論の「中核」となっています。

現在、一部の科学者は同義変異に対する研究者の否定的な態度を覆しつつある。 DNAの特定の同義変異は、すべての癌を引き起こす変異の5％から8％を占めると推定されています[3]。科学者たちは、体系的な研究を通じてこれらの変異ががんに与える影響を解明し、ゲノム全体にわたる影響の範囲を理解することに取り組んでいます。これにより、一部の患者の病気を引き起こすメカニズムを特定できるだけでなく、治療の新たな道が開かれる可能性もあります。

同義変異はどのようにして「ノイズ」を生み出すのでしょうか?

同義コドンはヌクレオチド配列が異なりますが、同じアミノ酸をコードするため、「同義」と呼ばれます。しかし、Lu Xin 氏らによる研究では、物事は「同義交換」ほど単純ではなく、同義コドンは完全に互換性があるわけではないことが示されました。実際、特定のコドン配列は、遺伝子発現調節タンパク質（転写因子など）の DNA 調節部位への結合に影響を与える可能性があり、またスプライシングタンパク質と mRNA 前駆体間の相互作用にも影響を与える可能性があります。例えば、いくつかのmRNA前駆体はもともと腫瘍抑制遺伝子を発現しますが、いくつかの同義変異によりそれらのスプライシングが阻害され、腫瘍の増殖が促進されます[4]。

同義変異は非同義変異の効果を変化させる可能性があり、つまりmRNAスプライシングに影響を与えることで非同義変異遺伝子の発現を促進する可能性がある[5]。例えば、研究者たちは遺伝子編集技術を使用してヒトの癌細胞株にさまざまな変異を導入し、塩基の種類の変化によって元のスプライシング部位が破壊されることを発見しました。非同義変異によって新しいスプライシング部位が生成され、変異タンパク質のコード配列の一部が mRNA から実質的に削除され、変異タンパク質が完全に発現することが不可能になりました。しかし、同義変異は非同義変異によって生成されたスプライシング部位を破壊し、最終的に変異タンパク質の完全な発現につながる可能性がある[6]。つまり、変異タンパク質を一緒に発現させるためには、いくつかの非同義変異が特定の同義変異と一緒に発生することが必要である。このような奇妙な状況は科学者たちを驚かせ、困惑させた。

異なる同義コドンは mRNA の二次元構造にも影響を与え、それによって細胞質内での mRNA の生存時間とリボソームへの結合に影響を与えます。例えば、ヒトドーパミン受容体D2をコードする遺伝子の同義変異は、mRNAをより不安定な構造に折り畳み、タンパク質に翻訳されるmRNAが不十分になる原因となる[7]。

コドンは mRNA の翻訳効率にも影響します。異なる種、さらには生物内の異なる組織や遺伝子は、特定の翻訳メカニズムを最適化するために、特定のアミノ酸をエンコードするために特定の同義コドンを優先的に使用します。めったに使用されない同義コドンは、翻訳に使用できる転移RNA (tRNA) の数が少ないため、頻繁に使用されるコドンよりも翻訳に時間がかかることがよくあります。ヒト細胞では、同義変異によって、一般的なコドンがまれなコドンに置き換わることで翻訳が遅くなったり、まれなコドンが一般的なコドンに変換されることで翻訳が速くなったりすることが観察されており、最終的にはタンパク質の構造や濃度が変化します[8、9]。

これまでのところ、同義変異が遺伝子発現に及ぼす影響は次のようにまとめることができます。

1. 調節タンパク質と DNA の結合部位を変更する。

2. スプライシング部位を破壊する。

3. mRNAの安定性に影響を与える。

4. mRNAの翻訳に影響を与える。

より深い探求

これまで、がんに影響を及ぼす同義変異のほとんどは偶然に発見されており、2019年の研究である程度進展が見られるまで体系的な分析は行われていませんでした。この研究では、研究者らは88種類の腫瘍から採取した18,000以上の組織サンプルから得た約300万の変異のデータベースを分析した。これを基に、研究者らは65万以上の同義変異を含む新しいデータベースを作成した。データによれば、非同義変異と同様に、同義変異もがんに関連する遺伝子に集中する傾向があることが示されています[10]。

この結論に基づいて、研究チームは有名なKRASがん遺伝子を選択し、その同義変異を特定し、さらに詳細な研究を続けました。彼らは、プラスミド（「プラスミドとは何か？生物兵器から遺伝子組み換え食品まであらゆるものに関係している」を参照）を一つずつ使用して、ヒト細胞株で変異遺伝子を発現させた。予想通り、いくつかの同義変異は KRAS タンパク質レベルの上昇につながり、生物の癌発症リスクを高めます。

前述したように、同義変異は mRNA の折り畳みに影響を与え、その結果遺伝子発現に影響を与える可能性があります。この仮説を検証するために、研究チームは mRNA とヌクレオチドを含む溶液間の化学反応を検出し、この方法を使用して mRNA の実際の構造を決定しました。結果は、同義変異が mRNA の折り畳みに影響を及ぼすことを示しました。これは同義変異が癌遺伝子のmRNA構造を変化させる可能性があることを示す最初の証拠であった[11]。

それでも、研究は完璧には程遠い。実験で導入されたプラスミドはすでにスプライシングされた遺伝物質であるため、突然変異がスプライシングに与える影響を評価するには不十分です。同義変異を細胞の核ゲノムに体系的に導入できれば、得られるデータはより説得力のあるものになるでしょう。もちろん、これはテクノロジーにとって大きな課題ももたらします。

同時に、他の科学者も同義変異が遺伝子発現、主にタンパク質翻訳に与える影響を予測する新しい方法を模索しています。イスラエルのテルアビブ大学の計算・合成生物学者であるタミール・タラー氏は、同義変異がタンパク質の翻訳開始と翻訳速度に与える影響を予測するための計算モデルを構築しています。

スウェーデンのルンド大学の分子遺伝学者ヘレナ・パーソン氏は、頻度の変化が翻訳の速度を反映できるため、一般的なコドンがまれなコドンに変異する頻度を、同義変異がタンパク質翻訳に与える影響を反映する新しい指標として使用している。パーソン氏のチームは、エストロゲン受容体（乳がんに関連する転写因子）に同義変異を導入し、一般的なコドンを珍しいコドンに変換した。彼らは、タンパク質の正しい折り畳みに重要なタンパク質の翻訳速度が低下し、その結果、タンパク質が正しく折り畳まれない可能性があることを発見しました。しかし、興味深いことに、この現象は複数の同義変異が同時に発生した場合にのみ発生し、異なる同義変異の間に何らかの関連がある可能性があることを示唆しています。この関連性は、特定の変異を持つ患者の一部が、それらの変異を治療するために設計された薬剤に反応しない理由を説明するのに役立つかもしれない。

一般的に、同義変異がどのように相互作用するかを研究することは、腫瘍形成だけでなく、腫瘍感受性や薬剤耐性を理解する鍵となります。現在、パーソン氏のチームはこの関連性を説明するために同義変異の組み合わせを研究している。

「腫瘍治療」からの距離

同義変異の研究は、がんに対する人々の理解を深めるだけでなく、患者にも何らかの利益をもたらす可能性があります。例えば、乳がんなどの家族性がんのスクリーニングを改善するために使用できる可能性がある[12]。現在、乳がん症例の約5～10％は遺伝性ですが、科学者が病原性変異を発見したのはそのうちのごく一部にすぎません。他の病原性突然変異に対する答えは、同義突然変異の中に見つかるかもしれません。将来的には、これらの変異をがん検査に組み込むことで、がん検査の指標を改善できる可能性があります。

さらに、同義変異の研究は、より一般的な癌の診断および予後ツールの開発にも役立ちます。 2021年の研究[13]では、研究者らは人間の癌サンプルで見つかった同義変異のデータセットを使用して機械学習アルゴリズムを訓練し、癌の種類と患者が最初の診断から10年後に生存する可能性を予測しました。研究者らがデータの新しいサブセットでアルゴリズムをテストしたところ、その精度は非同義変異のみでトレーニングされたアルゴリズムと同程度であることがわかった。同義変異のこの予測力は、必ずしも疾患を引き起こす効果を示唆するものではなく、単に癌ゲノムにおける変異の状況を反映しているだけかもしれません。これにより、科学者は、腫瘍の分類と適切な治療法の決定のためのツールに同義変異をバイオマーカーとして含める強力な根拠を得ることができます。

がんに関する研究はすべて、最終的には治療を目的としていますが、同義変異によって引き起こされるがんは、非同義変異によって引き起こされるがんよりも治療が難しいようです。非同義変異によって引き起こされる癌を標的とする治療法のほとんどは、変異した遺伝子によって生成される病原性タンパク質を阻害するように設計されていますが、同義変異のほとんどは最終的なタンパク質の構造にまったく影響を与えない可能性があります。しかし、同義変異がタンパク質構造に影響を与えず、代わりに遺伝子発現の他のプロセスに影響を及ぼす場合でも、非同義変異と同じ治療法を使用して対処することができます。たとえば、mRNA 構造の変化を引き起こす変異の場合、アンチセンスオリゴヌクレオチド (アンチセンスオリゴヌクレオチドは標的遺伝子の RNA に結合し、さまざまなメカニズムを通じて標的遺伝子の発現に影響を与えることができる) を使用して、同義変異の影響をブロックすることができます。現在、アンチセンスオリゴヌクレオチドは、デュシェンヌ型筋ジストロフィーを引き起こす欠陥のある遺伝子スプライシングを修正するなど、いくつかの疾患の治療に承認されています[14]。

近年、がんゲノム科学は非同義変異のメカニズム研究と治療において大きな進歩を遂げてきましたが、同義変異に関する研究はまだ始まったばかりです。近年、新たな証拠により、それらががんに影響を及ぼすことが示され続けています。同義変異はこれまで無視されてきましたが、科学者は今や同義変異に再び注目するべきであり、それが人類の利益のために新たな研究の道を開く可能性があります。

参考文献

[1]Liu, F., Calhoun, B., Alam, MS et al.症例報告: 同義の VHL 変異 (c.414A > G、p.Pro138Pro) は、調節不全のスプライシングを通じて病原性の家族性血管芽腫を引き起こします。 BMCメッドジェネ21、42（2020）。 https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7

[2]https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/

[3]https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7

[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972

[7]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.11​​35308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

[9]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272

[10]https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2

[11]https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249

[12]https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/ functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/

[13]https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1

[14]https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligohydrate-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype

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