転写因子ZEB1のプロテアソーム制御によるEMT多様性創出の分子メカニズムの解明

• Project/Area Number: 21K06025
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43010:Molecular biology-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 渡邉 和秀 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 客員主管研究員 (40749397)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 上皮間葉移行 / ZEB1 / 細胞多様性 / 転移性乳癌 / ユビキチンプロテアソーム / 腫瘍組織内多様性 / プロテアソーム分解

Outline of Research at the Start

申請者を含む国内外の研究によりEMTの表現型には様々な段階があり、EMTは腫瘍内の細胞に一様に起こるのではなく腫瘍細胞の微小環境に依存していることがわかってきた。予備実験の結果、このEMTの多様性が生じるメカニズムとして、細胞の微小環境によりEMT誘導性転写因子ZEB1の発現がプロテアソーム分解されてタンパク質レベルで制御されていることが示唆された。この知見を更に深め、EMTによる癌細胞多様性の創出のメカニズムの詳細を細胞レベル・組織レベルで明らかにし、将来的にEMTを標的とした新しい治療法の確立につなげていきたいと考えている。

Outline of Annual Research Achievements

癌細胞の悪性化は、癌の浸潤・転移能力の増加や治療抵抗性の獲得が重要な分子機序の1つであり、その中でも上皮間葉移行（EMT）が重要である。しかしながら、国内外の研究により、EMTの表現型には様々な段階が存在し、腫瘍内の細胞に一様に起こるわけではなく、腫瘍細胞の微小環境に依存していることが明らかになっている。筆者らの研究により、EMTの多様性が生じるメカニズムの1つとして、細胞の微小環境がEMT誘導性転写因子ZEB1の発現を制御することが示唆された。具体的には、ZEB1がプロテアソームによって分解され、微小環境の変化によってZEB1の発現が制御されることが判明した。本研究の目的は、EMTによって癌細胞が多様性を持つようになるメカニズムを細胞レベル・組織レベルで明らかにし、将来的に新しいEMTを標的とした治療法を確立することである。
EMTの多様性の制御の鍵となるZEB1タンパク質の安定性をリアルタイムに検知し、そのメカニズムを解明するため、ZEB1-GFP融合タンパク質の発現システムを構築した。このシステムを用いてシグナル伝達経路に影響を与える低分子化合物をスクリーニングした。その結果、ユビキチンプロテアソーム関連の分子の阻害剤によりZEB1の安定性が増加した。また、ZEB1の安定性に関わる重要な分子として脱ユビキチン化を担うUSP51という分子を同定した。USP51の阻害剤や遺伝子ノックダウンにより、ZEB1の安定性が減少する。USP51とZEB1は直接結合し、その作用はCDK4/6の影響を受けることから、ZEB1の安定性は細胞の増殖にも関連していることが示唆された。さらに、転移性乳癌の空間トランスクリプトームのデータを用いて、腫瘍辺縁部では癌細胞がより間葉系のEMTスペクトラムを呈し、ZEB1の標的遺伝子の活性が高まっていることが判明した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ZEB1-GFP融合タンパク質のシステム構築に予想以上の時間を費やした。しかしながら、化合物のスクリーニングが予想以上に短時間で終了し、興味深いターゲットの分子を同定することができた。

Strategy for Future Research Activity

USP51とZEB1の相互作用のより詳細なメカニズムを解明するため、USP51の活性化とZEB1タンパクの発現を細胞実験と臨床検体において解析する。また遺伝子変異の導入により、ZEB1のユビキチン化部位を同定し、プロテアソーム分解を受けないZEB1の変異体を発現させた細胞がコロニーもしくは腫瘍内でどのような挙動を示すかを解析する。またUSP51の上流シグナルとしてCDK4/6およびPI3k/Aktに着目し、これらのシグナルとZEB1の安定性及びEMTの表現型に関して細胞モデルを用いて解析する。転移性乳癌細胞のモデルを用いて、ZEB1のプロテアソーム分解を促進させることで、癌細胞の悪性度を制御する可能性を探索する。