なぜがんは再発したり転移したりするのでしょうか?謎の答えは悪性腫瘍を克服するための新たな戦略を明らかにする

がん細胞と免疫システムの戦いには、まだ多くの謎が残っています。あらゆる探索は新たな希望をもたらします。

サミュエル・F・バクーム（メモリアル・スローン・ケタリングがんセンター）

コンピレーション |チョウゲンボウ

事件から７年が経ったが、当時の喪失感は今も鮮明に残っている。

2015年のある日、私はある患者の腫瘍組織のDNA配列解析の結果を受け取りました。彼女の肺がんは脳に転移していたが、報告書には治療目標を示すような遺伝子変化は見つからなかった。同時に、もう一つのことが私の注意を引きました。データによると、ほぼすべての染色体の構造と数に大きな変化があったことが示されていました。

正常な細胞では、各染色体には 2 つのコピーがありますが、がん細胞の染色体ではそうではありません。コピー数は 1 個から 5 個または 6 個までさまざまで、染色体断片が現れることもあります。このゲノムの混乱現象は「染色体不安定性」、略して CIN と呼ばれます。がん研究者や臨床医は、CIN が進行がんや転移がんの兆候であることを以前から知っていましたが、59 歳でこれほど重篤な症状の患者を私は見たことがなく、ましてや診断されたのはつい最近でした。 CIN は長い期間にわたって徐々に発生すると一般的に考えられています。

CIN に対する有効な標的療法はなく、患者は単に複数回の全身化学療法と放射線療法を受けるしかないため、腫瘍医は無力です。私の患者も例外ではありません。彼女は通常の副作用に加え、記憶喪失やその他の認知障害を引き起こす可能性のある脳放射線療法の神経毒性にも耐えなければなりません。

このジレンマは、私の細胞生物学のバックグラウンドを思い出させました。以前、博士課程で私が研究していたのは、正常な細胞分裂中に染色体がどのように均等に分布するかを解明することでした。このプロセスは複雑ですが、多くの組織で毎日行われています。生物は、このプロセスが失敗しないように、複数のバックアップ メカニズムを進化させてきました。何か問題が起きた場合、異常な数の染色体を持つ細胞はすぐに排除されます。しかし、癌細胞は違います。彼らは染色体異常に対して非常に耐性があり、このような大規模な遺伝子変化は病気の進行と密接に関係しています。しかし、CIN が腫瘍の発生や転移に積極的な役割を果たしているかどうか、またどのように役割を果たしているかはわかっていません。

CIN が癌の発症を促進するのか、それとも単に癌に伴って起こる現象なのかを私が調査し始めたのは、ほんの数年前のことです。これを実現するために、私は当時はコーネル大学ウェイル校医学部のマイヤーがんセンター所長で、現在はダナ・ファーバーがん研究所所長を務めるルイス・キャントリー氏と協力しました。私たちは、染色体が不安定で転移性のあるさまざまな癌細胞を遺伝子操作して、それらが持つ他の遺伝子異常に影響を与えずに CIN レベルを低下させました。結果は非常に明白でした。CIN を失った癌細胞は転移する能力も失いました。もう一つ私たちを驚かせたのは、CIN が慢性炎症を引き起こすことで癌細胞の転移を促進することを発見したことです。したがって、最終的には、癌細胞が原発腫瘍から離れ、他の臓器に侵入することを可能にするのは、身体自身の免疫反応です。

2018年に、私たちの研究はNature誌に掲載されました。この研究結果は、遺伝物質を不安定にするステップ自体が癌の進化にとって非常に重要であることを示唆している。これは新しい治療法のアイデアの出発点となる可能性があります。この段階で、重度の CIN を伴う癌を治療するためのターゲットを見つけることができるでしょうか?がんの転移を抑えるために、ゲノムを安定化させたり、CIN によって引き起こされる慢性炎症を軽減したりする方法を見つけることは可能でしょうか?免疫システムを変更して、異常な数の染色体を持つ細胞を排除することはできますか?

これらの重要な疑問に取り組むために、メモリアル・スローン・ケタリングがんセンター (MSK または MSKCC) の私の研究室では、単一細胞ゲノミクス、数学的モデリング、臨床サンプルを組み合わせた、学際的な細胞生物学ベースのアプローチを採用しています。これらのアプローチを統合することで、CIN が癌細胞の挙動を変化させ、癌細胞の適応度を高めて癌の進行を維持する仕組みを理解できると考えています。さらに、どの細胞経路が癌細胞に CIN を許容させるのかを明らかにし、それらの経路を標的にして癌を治療することを目指しています。

また、2018 年に、Cantley 氏、もう一人の同僚である Olivier Elemento 氏、そして私は、CIN に関する学術研究を補完するために Volastra Therapeutics を共同設立しました。同社の研究者らは、さまざまながんに対するCIN標的治療法を開発している。この幅広い協力を通じて、染色体不安定性の癌患者に対する新たな治療法の探索と開発を目指します。

見落とされがちな癌の兆候

2006 年に科学者が初めて癌細胞のゲノムの配列を解読して以来、遺伝物質のどのような変化が癌の発生と進行を促すのかについて、私たちはより深い理解を得てきました。科学者たちは、腫瘍の発達を促進する遺伝子に作用する標的治療法を開発しました。これらの治療法の背後にある考え方は、これらの遺伝子を阻害できれば腫瘍の成長が止まるというものです。したがって、各患者の癌促進遺伝子を特定するために腫瘍組織のゲノム配列を決定する必要があり、これは MSK の多くの腫瘍専門医にとって日常的な業務となっています。しかし、シーケンシングによって標的が見つからない場合、個別化腫瘍治療の限界が明らかになります。確かに成功したケースもありますが、進行がんの患者のほとんどにとって、その効果は依然として非常に限られています。

たとえ標的療法が有用であったとしても、腫瘍は進化する可能性があるため、効果が出るのは最初のうちだけかもしれません。彼らはしばしば私たちの薬を飲みません。がん細胞の最も強力な武器の一つは CIN です。細胞が分裂するたびに、CIN のおかげで染色体はランダムに再配置されます。その結果、染色体の分離中に発生するエラーが蓄積し、癌組織の細胞間で染色体の構成とコピー数に大きな異質性が生じます。この現象は異数性と呼ばれます。実際、複数回の治療後に再発する進行した腫瘍は、染色体の不安定性と異数性が高いという特徴があり、単一の変異遺伝子を阻害する薬剤は、以前は癌を退縮させたとしても、もはや効果がありません。

研究者たちは何十年も前から異数性がヒトの癌の特徴であることを知っていたが、ジョンズ・ホプキンス大学医学部のクリストフ・レンガウアーとバート・フォルゲルシュタインが癌細胞の異質性を促進する上での CIN の役割を初めて実証したのは 1997 年になってからだった。彼らの研究を通じて、CIN が腫瘍の進行と悪性度を刺激する可能性があることがすぐに理解されました。CIN は染色体のコピー数を調節することができ、したがってそれらの染色体上の遺伝子のコピー数も調節することができました。最近、ハーバード大学医学部のスティーブン・エレッジは、人間の悪性腫瘍は、がん遺伝子を含む染色体のコピー数を可能な限り増やし、がん抑制遺伝子を含む染色体のコピー数を減らすことで、腫瘍自体の適応性を向上させていることを発見しました。

CIN はヒトの癌において重要な役割を果たしているにもかかわらず、研究室は遺伝子変異に焦点を当てていました。次世代シーケンシング技術によってもたらされた方法論的革命により、学術界は個々の遺伝子ががんの発生にどのように寄与しているかに注目するようになり、多くの重要な発見がもたらされ、私たちの理解が広がり、腫瘍の発生プロセスにおける多くの遺伝子の役割を理解できるようになりました。しかし、このアプローチには、大規模な染色体異常とそれが遺伝子機能や癌細胞の挙動に与える影響を無視するという欠点もあります。腫瘍組織サンプル全体から DNA を精製し、その配列を解析することで、染色体上の遺伝情報をより明確に確認できるようになりますが、染色体上で配列が変化した DNA 断片を見つけることは不可能であり、細胞間の染色体コピー数の異質性も不明瞭になります。

過去 10 年間で、研究者たちは大規模な染色体の変化にさらに注目するようになりました。 2010 年、MSK の Robert Benezra 氏らは、CIN を獲得した腫瘍は、そもそもがんを引き起こしたがん遺伝子に依存していないことを示す重要な研究を発表しました。具体的には、研究者らがマウスの肺がんを誘発するためにがん遺伝子 KRAS をアップレギュレーションし、その後アップレギュレーションを解除したところ、腫瘍の退縮が観察されました。しかし、遺伝子工学的手法を用いて癌細胞にCINをさらに人工的に導入すると、腫瘍退縮現象は観察されなくなります。標的療法は、KRAS などのがん遺伝子を特異的に阻害して腫瘍の発生を防ぐものですが、悪性腫瘍は徐々にこの療法に対する耐性を獲得していきます。この作品は、抵抗がどのように生じるのかを物語っています。

その後、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジとクリック研究所のチャールズ・スワントンのグループは、CIN がヒトの癌において重要であるという強力な証拠を示しました。 2017年、スワントン氏のチームは肺がん患者を追跡調査し、腫瘍ゲノムの点変異の数ではなく染色体の不安定性が全生存率の低下と関連していることを実証した。その後の研究により、腫瘍の転移であれ、免疫監視を逃れる癌細胞であれ、CIN は腫瘍生物学のあらゆる側面で重要な役割を果たしている可能性が高いことが示されました。癌細胞の分裂に伴って染色体コピー数が徐々に変化することで、腫瘍はさまざまな選択圧の下で進化する能力を獲得します。

科学者たちががんにおける CIN の役割を調査し続けるにつれて、がんゲノム学と細胞生物学の境界は消えつつあります。一方では、染色体によって運ばれる遺伝コードは、複雑なゲノム手法を使用して解読することができます。一方、染色体のライフサイクルや細胞分裂時の分離行動は、基本的に高解像度の光学顕微鏡を使用して追跡できます。たとえば、分離中に間違いを犯した染色体は、細胞の主な核から離れた、小さな DNA 片を収容する微小核と呼ばれる構造になってしまいます。微小核は長い間、癌細胞を周囲の正常組織と区別する特徴であると考えられてきました。複数の研究グループの研究により、微小核を包む核膜が破裂して染色体が細胞質に漏れ出し、そこで染色体がヌクレアーゼにさらされて他のタンパク質と同様に分解され、引き裂かれることがしばしばあることがわかった。

図1. 微小核の顕微鏡写真。細胞内の小さな黒い点は微小核です。 （
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800764-8.00006-9)

大規模な染色体切断が発生すると、一部の断片は失われ、他の断片はランダムに連結されます。すると、断片間の接続の方向と順序が間違って、非常に異常な新しい染色体が形成される可能性があります。このプロセスはクロモトリプシスと呼ばれます。最近、研究者たちは染色体の破壊が癌の進行を刺激する重要なメカニズムであることを発見しました。染色体の数が徐々に変化するだけでなく、大規模な染色体再編成により、壊れた染色体が急速に蓄積してがんを引き起こす可能性があり、がんが発生すると、すでに非常に深刻です。このプロセスにより、がん遺伝子が急速に増幅され、腫瘍抑制遺伝子が失われる可能性があります。また、クロモトリプシスは、活性の高い染色体領域の近くにがん遺伝子を配置し、環状染色体外 DNA の形成を促進する可能性があることもわかっています。この 2 つの原因により、腫瘍細胞は標的療法に対する耐性を急速に獲得する可能性があります。

研究者たちはがんにおける染色体の乱れを長い間認識していましたが、最先端のゲノミクスと顕微鏡技術の登場まで、染色体の破壊プロセスに関する理解は明らかになっていませんでした。 2015年、ダナファーバーがん研究所のデビッド・ペルマン氏とその同僚は顕微鏡を使用して、染色体分離エラーのある個々のがん細胞を捕捉し、そのゲノムを分析した。研究者らは、Look-seqと名付けたこの手法を用いて、ヒトの癌ゲノムに共通する染色体再編成の複雑なパターンが単一の細胞周期内でどのように出現するかを示した。 CIN はさまざまな経路を通じて、腫瘍ゲノムの進化の進行性および断続的なバーストを促進するようです。おそらく私の患者にもこれが起こったのでしょう。大規模な染色体異常が診断後すぐに発生しました。

小核形成のメカニズム

細胞分裂の際、多くの染色体分離エラーが微小核形成につながる可能性があります。染色体の誤分離が起こらなくても、微小核が形成される可能性があります。例えば、図 2 に示す状況では、染色体は最終的に 2 つの娘細胞に均等に分配されましたが、分離が遅れたために左側の娘細胞に微小核が形成されました。これらの出来事は相互に排他的でも独立でもありませんが、それぞれが染色体の混乱を悪化させます。

図 2. 誤った取り付け。

分裂細胞の両極にある微小管が同じ中心小体に付着すると (上)、付着した染色体は他の染色体より遅れて分離し、最終的には目的の細胞に到達したとしても、その後微小核に包まれることが多い (左下)。

図2. 異数性。

微小管の誤付着やその他の理由により染色体の分離がうまくいかなかった場合、誤って分離された染色体は他の染色体とともに核膜に閉じ込められる可能性があります。カプセル化されていない場合、結果として生じる異数体細胞は遅れた染色体を持ち、微小核形成のリスクが増大する可能性があります。

図3. 染色体融合。

テロメアが短くなったり損傷したりすると、染色体融合の可能性が高くなります。このような融合イベントにより、2 つの中心小体を持つ染色体が生成されます。次の細胞分裂の際には、二重の中心小体を持つ染色体が引き裂かれ、2 つの娘細胞に分割されます。これらの損傷を受けた染色体は、すぐに微小核に隔離されるか、次の細胞分裂中に複製を完了できず、再び微小核に隔離されます。

CINと炎症

染色体の不安定性ががんの転移にどのような影響を与えるかを研究しているときに、私たちは予期せぬ発見をしました。具体的には、CIN を発症した癌細胞は炎症シグナル伝達経路を活性化し、癌細胞が癌の転移に関連するさまざまな炎症因子を生成および分泌することを可能にします。当初、この問題は非常に混乱を招きました。なぜなら、これらの細胞は研究室でのみ培養され、実験動物に移植されたわけではなく、免疫細胞と接触する可能性がなかったからです。では、こうした「炎症反応」を引き起こすものは何でしょうか?

顕微鏡下で長時間調査した結果、CIN 細胞の大部分が微小核で占められているだけでなく、破裂した微小核を含む細胞が cGAS と呼ばれる免疫関連酵素を保有していることも分かりました。 cGASは2013年にテキサス大学サウスウェスタン医療センターのジェームズ・チェン氏によって初めて発見されました。これは細胞質に位置する二本鎖 DNA センサーです。そこで私たちは、微小核が破裂した後、細胞質内に露出した染色体が、侵入した病原性DNAを細胞が認識するのと同じように、癌細胞によって危険信号として認識されるのではないかと考えました。もちろん、破裂した微小核がcGASとその関連タンパク質STINGを強力に活性化し、それによって自然免疫反応を活性化できることも確認しました。しかし、数日以内に治まる急性ウイルス感染症とは異なり、がん細胞の細胞質内では微小核破裂が次々と起こり、炎症経路が活性化されたままになり、炎症が持続します。

今では、癌細胞はこれらの炎症防御を突破するために保護免疫経路を利用したに違いないということは明らかでした。自然免疫シグナル伝達経路の活性化は、腫瘍発生の初期段階では人体を保護し、腫瘍を予防する可能性がありますが、ある段階では、腫瘍細胞がこれらの保護メカニズムを回避し、CIN によって引き起こされる炎症反応を許容し、徐々にこれらの経路を使用して腫瘍の成長を促進します。癌細胞が炎症を持続する能力は、他の臓器への転移にとって非常に重要です。免疫細胞は体内で最も可動性の高い細胞です。感染や創傷から数時間以内に、細菌は血管系を通って炎症を起こした組織に移動し、静水圧が上昇して損傷部位に到達します。癌細胞は CIN やその他のゲノム異常を利用してこの生理学的プロセスを模倣し、転移を実現します。

慢性炎症と癌との関連は古くから知られています。実際、古代ローマの百科事典学者アウルス・コルネリス・ケルススが記述した炎症の中心的な特徴、つまり赤み、熱、痛み、腫れは、がんにも当てはまります。何百年もの間、臨床医は腫瘍が常に炎症を起こしているため、腫瘍を「治癒しない傷」と呼んできました。がんの発症における炎症シグナル伝達経路の役割はまだ完全には解明されていませんが、がんの持続的な炎症と固有のゲノム異常（染色体不安定性など）を関連付けることで、CIN は腫瘍の遺伝的異質性を促進するだけでなく、非遺伝的メカニズム（炎症反応の模倣など）を通じてがんの転移を刺激する可能性があることがわかります。

微小核の破壊はどのようにして癌の発生を促進するのでしょうか?

図 4. 微小核の破壊は癌の発生を促進します。

小核の核膜は非常に壊れやすく、しばしば破れて染色体が細胞質に散らばってしまいます。細胞質内の染色体はヌクレアーゼによって小さな断片に切断され、失われたり、ランダムに連結されたり、端から端まで連結されて環状の染色体外 DNA を形成したりします。このプロセスは「染色体断片化」と呼ばれます。このプロセスによって形成される複雑な染色体再編成が腫瘍の発達を促進する可能性があります。

同時に、細胞質内に残った DNA が cGAS-STING 炎症経路を誘発します。この経路はウイルス感染に抵抗するメカニズムから進化したと一般に考えられています。 cGAS は、微小核破裂によって散乱した DNA に結合し、2'3'-環状グアノシン一リン酸 (cGAMP) の生成を触媒し、それによって STING タンパク質と下流の炎症経路を活性化します。がん組織には微小核が多数存在するため、この経路が常に活性化され、持続的な炎症反応を引き起こし、腫瘍の増殖と転移を促進する可能性があります。

CINをターゲットにする

癌細胞とは異なり、正常細胞は染色体分離のエラーを許容できません。 MITの故アンジェリカ・アモン氏が主導した研究により、異数性は代謝やミトコンドリアの機能不全、タンパク質の誤った折り畳みによって引き起こされる細胞ストレス反応など、複数の細胞欠陥に関連していることが判明しました。実際、人体は異数体細胞を最終的に排除できる複数のメカニズムを進化させてきました。ダートマス大学ガイゼル医学部のドゥアン・コンプトンらは、染色体分離エラーに反応して正常細胞が腫瘍抑制因子p53を急速に活性化し、細胞分裂を停止させて異数性細胞の拡散を防ぐことを発見した。これらの重要な保護メカニズムはゲノムの完全性を維持するために設計されており、通常、これらによってゲノムは正常になります。しかし、がん細胞ではこれらの防御が破られます。したがって、腫瘍細胞が CIN にどのように反応するかを理解すれば、がん治療への洞察が得られる可能性があります。

腫瘍細胞が CIN を許容するメカニズムに対する関心が高まっています。最近、いくつかの研究グループが遺伝子検査を通じて、CINレベルが高い腫瘍細胞に不可欠な遺伝子と細胞活動を発見しました。これらの遺伝子と細胞活動は、欠乏すると致命的になります。その 1 つがキネシン Kif18a で、有糸分裂中の染色体の移動に役割を果たします。 CIN のある癌細胞では Kif18a タンパク質は細胞分裂に不可欠ですが、CIN のない癌細胞では必須ではありません。興味深いことに、マウスに機能的な Kif18a タンパク質が欠けていても、軽微な欠陥はあるものの生存は可能です。そうすると、このモータータンパク質は安全かつ効果的な治療標的となる可能性があります。現在、進行癌患者を対象に Kif18a 阻害剤の有効性を試験する第 1 相臨床試験が進行中です。

いくつかの研究グループは、腫瘍細胞が慢性炎症を克服できるようにする標的を阻害するという別の治療戦略も研究しています。たとえば、ENPP1 タンパク質は、ハーバード大学医学部の Timothy Mitchison 氏とスタンフォード大学 (当時はハーバード大学に在籍) の Lingyin Li 氏によって初めて発見されました。その後、私たちのグループは、染色体が不安定な癌細胞でそれが選択的にアップレギュレーションされていることを発見しました。 ENPP1 タンパク質は、癌細胞の外表面に存在する酵素であり、免疫反応を引き起こすシグナル伝達分子 cGAMP を分解します。細胞外cGAMPが分解されると、免疫細胞は癌細胞を検出できなくなります。 cGAMP の分解によってアデノシンも生成され、免疫障害を悪化させ、癌細胞の遊走を促進します。がん細胞は、敵を味方に変え、免疫システムの防御機構を自らの利益のために利用する驚くべき能力を持っています。

Volastra の研究者たちは、CIN の生物学的メカニズムに対する理解を深め続けており、計算と遺伝子スクリーニング法の組み合わせを通じて、いくつかの癌治療戦略を徐々に発見しています。現在の主な薬剤候補は、微小管が染色体に結合するプロセスを標的としており、他の細胞を傷つけることなく染色体が不安定な癌細胞を選択的に殺すことができます。この薬は2023年に臨床試験に入る予定です。私たちが研究している他の治療戦略には、紡錘体形成の調整、細胞分裂中の染色体構成の変更、CIN駆動型炎症反応を利用した癌との戦いなどがあります。

CIN に関連していて、治療標的として使用できる経路を発見することは非常に喜ばしいことです。これにより、一部の癌が薬剤で治療できないという状況を打破できるでしょう。 CIN は魅力的な薬剤ターゲットです。なぜなら、がん細胞だけが染色体不安定性を示すため、CIN をターゲットとした治療は罪のない人々に害を及ぼさないからです。これはがん治療の究極の目標です。過去 10 年間で、細胞生物学、ゲノミクス、がん生物学の分野はますます絡み合うようになり、学際的な研究方法と学界と産業界の連携により新たな発見がもたらされるでしょう。これらすべての究極の目標は、腫瘍が脳に転移した私の患者や、現在治療の選択肢が非常に限られている他の患者のような患者に奉仕することです。

染色体の混乱ががんの蔓延を促進する仕組み

元の記事を読む:

https://www.the-scientist.com/features/how-chaos-in-chromosomes-helps-drive-cancer-spread-69695

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