Exploration of molecular mechanism and therapeutic application of humoral tumor immunity based on sulfated-glycosaminoglycan antigens and immunogenomics

• Project/Area Number: 19H01032
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 50:Oncology and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 加藤 洋人 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 准教授 (60446549)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,110,000 (Direct Cost: ¥34,700,000、Indirect Cost: ¥10,410,000); Fiscal Year 2023: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2020: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2019: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: 免疫ゲノミクス / 腫瘍免疫 / 硫酸化糖鎖 / シングルセル解析

Outline of Research at the Start

がんに対する免疫反応の活性化を狙ったがん免疫療法の有効性は明らかであるが、そもそも腫瘍免疫の全体像については未解明な部分が多い。また、スキルス胃がんのように遺伝子変異の少ないがん腫は、免疫の標的となるNeo-antigen(構造が通常と異なり免疫抗原となるタンパク)も少ないため、従来の免疫療法は有効でないかもしれない。したがって、腫瘍免疫の本態を明らかにして新しい治療介入ポイントを創出することが急務である。本研究は、これまであまり注目されたこなかった液性腫瘍免疫(がん環境に存在するB細胞によって働く免疫機構)の全体像の解明と、液性腫瘍免疫を利用した新しいがん治療法の基盤開発を目標としている。

Outline of Annual Research Achievements

(1)液性腫瘍免疫に着目したシングルセル免疫レパトア解析
実験プロトコールの洗練化・汎用化を継続して進め、多様な臨床がん試料に対するシングルセル・トランスクリプトーム解析および腫瘍浸潤B細胞のシングルセル・レパトア解析を進めた。継続的なデータ取得を進めるとともに、重鎖・軽鎖ペアの完全長レパトア配列情報の取得およびsomatic hypermutation等のレパトア情報科学を進め、多くのがん特異的ヒト免疫グロブリン配列を同定した。また、シングルセル・トランスクリプトーム情報との統合解析のパイプラインを開発し、がん特異的な液性免疫の特徴を捉える基盤を構築した。シングルセル免疫レパトア解析で同定されたがん特異的な免疫グロブリン配列を網羅的にヒト抗体ライブラリとして構築し、がん細胞への反応性や増殖抑制効果などの機能スクリーニングを遂行することで、がん治療抗体としての可能性を有する複数のヒト抗体候補を見出しつつある。特に重要と思われる機能性抗体については、タンパク抗原や糖鎖抗原など多角的な抗原探索を進めた。
(2)抗硫酸化糖鎖ヒト抗体の抗原構造の探索と意義の探索
ヒトがん環境のレパトア解析から単離してきた複数のがん特異的抗硫酸化糖鎖ヒト抗体について、さまざまな構造の硫酸基修飾を持つ硫酸化糖鎖ライブラリを用いた結合スクリーニングを進め、がん特異的な硫酸化糖鎖抗原の構造的特性を見出すことに成功した。それらの抗硫酸化糖鎖ヒト抗体を用いてヒト臨床がん試料に対する免疫染色等の検討を進め、ヒトがん組織における特異的硫酸化糖鎖構造の分布や生物学的意義を探索した。また、それらの抗硫酸化糖鎖ヒト抗体を基盤とした新しいがん治療法としての応用可能性について、検証実験を加速的に進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

おおむね研究計画に沿って研究を進めることができており、当初の計画通りに順調に進展している。
具体的には、多様な臨床がん試料に対するシングルセル・トランスクリプトーム解析とシングルセル・レパトア解析を継続的に進めることができており、がん環境の液性腫瘍免疫に特に注目することで、腫瘍環境を構成する多種多様な細胞エコシステムをシングルセルレベルで詳細に解析している。臨床がん試料に浸潤する膨大な細胞数の腫瘍浸潤B細胞について、シングルセルレベルの解像度で可変領域完全長のレパトア配列情報を構築できており、今後の研究の発展に繋がる大きな基盤を構築できている。併せてレパトア情報とトランスクリプトーム情報をシングルセルレベルで統合解析するための解析パイプラインの洗練化も進んでおり、液性腫瘍免疫の分子メカニズムを探索する解析も順調に進められている。これらの解析を基盤として、特にがん特異的反応性を有するヒト抗体クローンや抗腫瘍効果を有する機能性ヒト抗体の候補を網羅的に探索している。特に重要と思われるヒト抗体クローンについては、タンパク抗原や糖鎖抗原をはじめとする包括的な抗原探索を進めており、興味深い知見を見いだしつつある。さらに、がん特異的反応性を呈する複数の抗硫酸化糖鎖ヒト抗体については、その詳細な抗原特性やヒトがん環境における分布や生物学的意義の解析を進めることができており、硫酸化糖鎖がん抗原に着目した独自性の高いがん研究を推進することができている。全体的にみて、今後の研究の大きな発展に繋がる興味深い知見が順調に得られていると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に沿って以下3項目の研究を進める。
(1)液性腫瘍免疫に着目したシングルセル免疫レパトア解析：多彩ながん試料に対するシングルセル・トランスクリプトーム解析とがん浸潤B細胞のシングルセル・レパトア解析を進め、液性腫瘍免疫の本態解明を目指す。シングルセル解像度のレパトア配列情報科学を基盤としてがん特異的ヒト抗体を網羅的に単離するとともに、シングルセル・レパトア情報とシングルセル・トランスクリプトーム情報を統合した高次元の解析を推進し、がん特異的な液性免疫が生じる分子メカニズムの探索を進める。同定された多量のがん特異的ヒト抗体配列を基盤として網羅的ヒト抗体ライブラリを構築し、がん細胞への反応性や増殖抑制効果などの機能スクリーニングを進めることで、がん治療抗体としての応用可能性を有する抗体候補を複数同定する。
(2)抗硫酸化糖鎖ヒト抗体の抗原構造の探索と意義の探索：ヒトがん環境では硫酸化糖鎖抗原に対する抗体を発現するB細胞クローンが高頻度に存在していることを明らかにしていたが、なぜがん環境で特異的にそのような硫酸化糖鎖に対するドミナントな液性免疫が生じるのか、多面的な分子生物学的アプローチによってその分子メカニズムを探索する。これまでに同定してきた複数の抗硫酸化糖鎖ヒト抗体を用いた病理組織学的検討を進めることで、ヒトがん組織における硫酸化糖鎖がん抗原の分布と生物学的意義をさらに追求する。それらの抗硫酸化糖鎖ヒト抗体をがん治療抗体として応用していくことを目標として、より実践的な検証実験を重点的に展開する。
(3)統合解析：(1)(2)の研究計画によって得られた成果を統合解析することで、シングルセルレベルの高精細・高次元のデータからがん特異的な液性免疫が生じる分子メカニズムを追求するとともに、独自性の高い新規がん治療ヒト抗体の応用開発へ繋がる基盤的足掛かりを得ることを狙う。

Research Products

• [Journal Article] Aberrant Cadherin11 expression predicts distant metastasis of gastric cancer (2023)
  • Author(s): Mita Hideaki, Katoh Hiroto, Komura Daisuke, Kakiuchi Miwako, Abe Hiroyuki, Rokutan Hirofumi, Yagi Koichi, Nomura Sachiyo, Ushiku Tetsuo, Seto Yasuyuki, Ishikawa Shumpei.
  • Journal Title: Pathology - Research and Practice Volume: 242 Pages: 154294-154294
  • DOI: 10.1016/j.prp.2022.154294
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pathological complete remission of relapsed tumor by photo‐activating antibody-mimetic drug conjugate treatment (2022)
  • Author(s): Kaneko Yudai、Yamatsugu Kenzo、Yamashita Takefumi、Takahashi Kazuki、Tanaka Toshiya、Aki Sho、Tatsumi Toshifumi、Kawamura Takeshi、Miura Mai、Ishii Masazumi、Ohkubo Kei、Osawa Tsuyoshi、Kodama Tatsuhiko、Ishikawa Shumpei、Tsukagoshi Masanobu、Chansler Michael、Sugiyama Akira、Kanai Motomu、Katoh Hiroto
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 113 Issue: 12 Pages: 4350-4362
  • DOI: 10.1111/cas.15565
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nucleic acid-triggered tumoral immunity propagates pH‐selective therapeutic antibodies through tumor‐driven epitope spreading (2022)
  • Author(s): Furuya G, Katoh H, Atsumi S, Hashimoto I, Komura D, Hatanaka R, Senga S, Hayashi S, Akita S, Matsumura H, Miura A, Mita H, Nakakido M, Nagatoishi S, Sugiyama A, Suzuki R, Konishi H, Yamamoto A, Abe H, Hiraoka N, Aoki K, Kato Y, Seto Y, Yoshimura C, Miyadera K, Tsumoto K, Ushiku T, Ishikawa S
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 114 Issue: 1 Pages: 321-338
  • DOI: 10.1111/cas.15596
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Immune repertoire profiling for disease pathobiology (2022)
  • Author(s): Katoh Hiroto、Komura Daisuke、Furuya Genta、Ishikawa Shumpei
  • Journal Title: Pathology International Volume: 73 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1111/pin.13284
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] アルコールや喫煙などの環境因子ががんゲノム変異に及ぼす影響 (2022)
  • Author(s): 加藤洋人, 石川俊平
  • Journal Title: 産業医学レビュー Volume: 35 Pages: 79-89
• [Journal Article] Focal adhesion ribonucleoprotein complex proteins are major humoral cancer antigens and targets in autoimmune diseases (2020)
  • Author(s): Atsumi Shinichiro、Katoh Hiroto、Komura Daisuke、Hashimoto Itaru、Furuya Genta、Koda Hirotomo、Konishi Hiroki、Suzuki Ryohei、Yamamoto Asami、Yuba Satsuki、Abe Hiroyuki、Rino Yasushi、Oshima Takashi、Ushiku Tetsuo、Fukayama Masashi、Seto Yasuyuki、Ishikawa Shumpei
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Issue: 1 Pages: 588-588
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01305-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 腫瘍環境の免疫ゲノム解析技術の進歩 (2020)
  • Author(s): 加藤洋人, 石川俊平
  • Journal Title: がん分子標的治療 Volume: 18 Pages: 87-93
• [Presentation] ヒト正常及び腸上皮化生胃粘膜のシングルセルRNAseq解析による胃細胞アトラスの構築 (2022)
  • Author(s): 坪坂歩, 垣内美和子, 河村大輔, 加藤洋人, 牛久哲男, 石川俊平
  • Organizer: 第111回日本病理学会総会
• [Presentation] Immunoglobulin Repertoire Sequence of Clinical Tumor Samples Identified anti-Densely Sulfated Glycosaminoglycan Antibodies against Diverse Spectrums of Human Malignancies (2022)
  • Author(s): Furuya Genta, Katoh Hiroto, Komura Daisuke, Ishikawa Shumpei
  • Organizer: Keystone Symposia Antibodies As Drugs
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 腫瘍内における自然免疫と獲得免疫の相互作用により、腫瘍細胞特異的な抗体がドミナントになっている (2022)
  • Author(s): 古谷弦太, 加藤洋人, 石川俊平
  • Organizer: 第26回日本がん分子標的治療学会学術集会
• [Presentation] 腫瘍微小環境から生じた酸性pH選択的かつ腫瘍特異的抗体とその治療応用 (2022)
  • Author(s): 古谷弦太, 加藤洋人, 河村大輔, 畑中良, 千賀匠悟, 吉村千穂子, 石川俊平
  • Organizer: The 81st Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
• [Presentation] MHCテトラマーの検出を逃れたネオアンチゲン特異的ステルスCD8+T細胞のscTCR-Seqによる捕捉 (2022)
  • Author(s): 長岡孝治, 小林由香利, 孫長博, 加藤洋人, 石川俊平, 中川英刀, 垣見和宏
  • Organizer: The 81st Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
• [Presentation] ヒト正常及び腸上皮化生粘膜におけるシングルセルトランスクリプトーム解析 (2022)
  • Author(s): 坪坂歩, 河村大輔, 加藤洋人, 垣内美和子, 牛久哲男, 石川俊平
  • Organizer: The 81st Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
• [Presentation] びまん性胃癌マウスモデルのscRNA-seqを用いた、新たな好中球ー癌相互作用の解明 (2022)
  • Author(s): 垣内美和子, 古久保宙希, 河村大輔, 加藤洋人, 石川俊平
  • Organizer: The 81st Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
• [Presentation] ゲノミクス解析から明らかになったがんの分子メカニズム (2021)
  • Author(s): 加藤洋人
  • Organizer: 第67回日本病理学会秋期特別総会
• [Presentation] 腫瘍微小環境より発生した高密度硫酸化グリコサミノグリカンと核酸の双方に反応する免疫グロブリンクローン (2021)
  • Author(s): 古谷弦太, 加藤洋人, 河村大輔, 牛久哲男, 石川俊平.
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
• [Presentation] ヒト正常及び化生胃粘膜組織のシングルセルトランスクリプトーム解析 (2021)
  • Author(s): 坪坂歩, 河村大輔, 加藤洋人, 牛久哲男, 石川俊平.
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
• [Presentation] Construction of Synthetic Human Antibody Library Based on Repertoire Sequencing (2021)
  • Author(s): Katoh H, Ishikawa S.
  • Organizer: Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design (SEED) 2021
• [Presentation] 胃がん浸潤B細胞のレパトア解析により明らかになった液性腫瘍免疫と自己免疫との関連 (2021)
  • Author(s): 橋本至, 渥美振一郎, 加藤洋人, 河村大輔, 大島貴, 利野靖, 石川俊平
  • Organizer: 第９１回日本衛生学会学術総会
• [Presentation] Single cell analysis of the stomach (2020)
  • Author(s): Hiroto Katoh, Daisuke Komura, Ayumu Tsubosaka, Haruki Kokubo, Shumpei Ishikawa
  • Organizer: The 79th Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
  • Invited
• [Presentation] Single-cell transcriptomics of a model mouse for diffuse-type gastric cancer reveal ligand-receptor interactions potentially important for the cancer development (2020)
  • Author(s): Haruki Kokubo, Daisuke Komura, Hiroto Katoh, Shumpei Ishikawa
  • Organizer: 第20回 東京大学 生命科学シンポジウム
• [Presentation] Repertoire analysis of tumor-infiltrating B cells in gastric cancer identifies association between humoral cancer immunity and auto-immunity (2020)
  • Author(s): Itaru Hashimoto, Shinichiro Atsumi, Hiroto Katoh, Daisuke Komura, Shumpei Ishikawa
  • Organizer: 第20回 東京大学 生命科学シンポジウム
• [Presentation] 胃がんのシングルセル解析 (2020)
  • Author(s): 加藤洋人, 河村大輔, 坪坂歩, 古久保宙希, 石川俊平
  • Organizer: 第９１回日本衛生学会学術総会
• [Presentation] ヒトB細胞レパトアにおける網羅的構造多様性解析 (2020)
  • Author(s): 林周斗, 橋本至, 加藤洋人, 河村大輔, 石川俊平
  • Organizer: 第９１回日本衛生学会学術総会
• [Presentation] 胃がん浸潤B細胞のレパトアシーケンスによって明らかになった液性腫瘍免疫と自己免疫との関連性 (2020)
  • Author(s): 渥美振一郎, 加藤洋人, 河村大輔, 牛久哲男, 深山正久, 瀬戸泰之, 石川俊平
  • Organizer: 第17回 日本免疫治療学会 学術集会
• [Presentation] 胃がん浸潤B細胞の解析によって明らかになった液性腫瘍免疫と自己免疫との関連性 (2020)
  • Author(s): 渥美振一郎, 加藤洋人, 河村大輔, 橋本至, 古谷弦太, 香田弘知, 牛久哲男, 深山正久, 瀬戸泰之, 石川俊平
  • Organizer: 第90回 日本衛生学会学術総会
• [Presentation] ヒト胃癌環境における主要な抗体クローンとして同定された抗硫酸化グリコサミノグリカン抗体の解析 (2020)
  • Author(s): 古谷弦太, 加藤洋人, 林周斗, 河村大輔, 石川俊平
  • Organizer: 第90回 日本衛生学会学術総会
• [Presentation] 凍結臨床試料を用いたシングルセルRNA-seq法の確立 (2020)
  • Author(s): 橋本至, 加藤洋人, 林周斗, 河村大輔, 大島貴, 利野靖, 益田宗孝, 石川俊平
  • Organizer: 第90回 日本衛生学会学術総会
• [Presentation] Immunogenetic analysis for gastric cancers identifies novel humoral cancer antigens and therapeutic human antibodies (2019)
  • Author(s): Atsumi S, Katoh H, Komura D, Seto Y, Ishikawa S
  • Organizer: 13th INTERNATIONAL GASTRIC CANCER CONGRESS IGCC 2019
  • Int'l Joint Research