Elucidation of leukemic stem cell-specific mitochondrial activation mechanisms and establishment of novel therapeutic approach against AML

• Project/Area Number: 23K24364
• Project/Area Number (Other): 22H03105 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 54010:Hematology and medical oncology-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 菊繁 吉謙 九州大学, 大学病院, 講師 (40619706)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤司 浩一 九州大学, 医学研究院, 教授 (80380385)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 白血病幹細胞 / ミトコンドリア / TIM-3 / OXPHOS

Outline of Research at the Start

白血病幹細胞はヒトAMLにおける腫瘍の本体ともいえる少数の細胞である。白血病幹細胞の代謝特性として、ミトコンドリアにおける酸化的リン酸化に対する依存性が知られている。申請者らはこの白血病幹細胞に特異的なミトコンドリア活性化機構を見出している。その一つの機構として、白血病幹細胞自身が細胞レベルでのユニークなアンモニア解毒機構を有しており、このアンモニア解毒機構とミトコンドリアにおける酸化的リン酸化をカップリングさせることで、酸化的リン酸化を強化していることを本研究の遂行により明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は代表者が同定した白血病幹細胞特異的表面抗原TIM-3分子が制御する代謝特性について解明を行うことを目的とする。先行研究において、網羅的遺伝子発現解析の結果から、TIM-3シグナルの下流においてミトコンドリアの酸化的リン酸化（OXPHOS）制御が生じていることを見出した。さらにその一つの制御メカニズムとして先行研究におけるメタボロームデータ解析から白血病幹細胞において尿素サイクルの活性化が生じることでOXPHOSを制御する可能性を見出している。これは本来、肝臓および小腸上皮でのみ観察されるメカニズムであり、白血病幹細胞が異所性に尿素サイクルとTCAサイクルのカップリング機構を活性化していると考えられる。ヒト白血病幹細胞は細胞特性としてミトコンドリアにおけるOXPHOS活性にエネルギー産生を強く依存していることがこれまでに知られており、その治療応用への重要性も増している。そこで、本研究課題においては、TIM-3シグナルが制御する白血病幹細胞における代謝特性の解明を行い、治療モデルの確立に取り組むことで、現在応用されているTIM-3シグナル遮断によるヒト骨髄系腫瘍に対する治療戦略確立の上で基盤的研究となることを目指す。具体的にはTIM-3シグナルの下流で尿素サイクル律速段階酵素CPS1の発現が誘導され、異所性に尿素サイクル活性をAML細胞が有することを見出した。AMLの代謝特性である高アミノ酸代謝活性にともない必然的に生じる細胞内高アンモニア状態による細胞毒性を回避するために、AML細胞はこの異所性の尿素サイクル活性を利用し、アンモニアの解毒を行うと同時にTCAサイクルにおける酸化的リン酸化を強化することを見出している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

尿素サイクルの律速段階酵素であるCPS1を標的とした治療モデルの確立に主として取り組む。具体的にはCPS1阻害剤および、細胞株を用いたCPS1ノックダウン実験を行い、免疫不全マウスへの異種移植系を介してin vivoでの治療モデルの確立に取り組んだ。同時に研究計画書にあるように、OXPHOSを標的とする新規薬剤VenetoclaxとCPS1阻害の相乗効果についてもin vitro, in vivoの実験により詳細に検討を行った。その結果CPS1阻害による抗AML効果をin vitro, in vivoで確認することができた。
2さらに15Nで標識したNH3を用いることでIsotope-tracing実験を行い、AML細胞が窒素負荷を効率的に処理するユニークな経路を同定した。これは、想定された尿素サイクルを一部利用しつつ、予想していなかったアミノ酸合成系へのバイパスも利用していることを見出すことができた。２０２３年度の実験結果から驚くべきことに、余剰アンモニアのN原子が、必須アミノ酸である分岐鎖アミノ酸（BCAA）への合成に積極的にAML細胞内で利用されていることを見出した。申請者はこれまでに細胞内BCAAレベルの維持がAML細胞の幹細胞性維持に重要な役割を担っていることを報告したが、それを説明できる重要な所見であると考えられた。すなわち、ヒトAML細胞が、腫瘍増殖において必要な高窒素レベルを有効利用しつつかつ、その毒性を軽減するためのユニークな分子機構が2023年度の研究遂行により明らかとなった。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は以下の２点について研究を進める。

1. 尿素サイクルの律速段階酵素であるCPS1を標的とした治療モデルの確立に主として取り組む。具体的にはCPS1阻害剤および、細胞株を用いたCPS1ノックダウン実験を行い、免疫不全マウスへの異種移植系を介してin vivoでの治療モデルの確立を引き続き拡充する。すでに2023年度時点で３症例以上のprimary AML細胞を用いたマウスモデル実験を完了している。2024年度はさらに多様な遺伝子変異を有するAML症例を用いたマウスモデル実験に取り組む。異所性尿素サイクル活性化を標的とした治療戦略の構築を目指す。同時に研究計画書にあるように、OXPHOSを標的とする新規薬剤VenetoclaxとCPS1阻害の相乗効果についてもin vitro, in vivoの実験により詳細に検討を行う。

2.15Nで標識したNH3を用いたIsotope-tracing実験を２０２３年度に引き続いて行う。２０２３年度の研究結果から、ヒトAML細胞がNH3処理に尿素サイクルのみならず、アミノ酸合成系を同時に利用している所見を見出しており、その反応の触媒する酵素としてGDHを同定しており、その酵素の阻害実験に取り組む。GDH阻害によりこの余剰アンモニアからのアミノ酸合成経路能力が低下するかIsotope-tracing実験により証明を試みる。これらの研究の遂行により、AML細胞が依存する窒素処理システムの分子メカニズムの解明に取り組むと同時に、新規治療標的分子の同定に取り組む。

Research Products

• [Journal Article] Thrombospondin-1 is an endogenous substrate of cereblon responsible for immunomodulatory drug?induced thromboembolism (2024)
  • Author(s): Hatakeyama Kiwamu、Kikushige Yoshikane、Ishihara Daisuke、Yamamoto Shunsuke、Kawano Gentaro、Tochigi Taro、Miyamoto Toshihiro、Sakoda Teppei、Christoforou Andy、Kunisaki Yuya、Fukata Mitsuhiro、Kato Koji、Ito Takumi、Handa Hiroshi、Akashi Koichi
  • Journal Title: Blood Advances Volume: 8 Issue: 3 Pages: 785-796
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2023010080
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prognostic impact of HLA supertype mismatch in single-unit cord blood transplantation (2024)
  • Author(s): Sugio T, Uchida N, Miyawaki K, Ohno Y, Eto T, Mori Y, Yoshimoto G, Kikushige Y, Kunisaki Y, Mizuno S, Nagafuji K, Iwasaki H, Kamimura T, Ogawa R, Miyamoto T, Taniguchi S, Akashi K, Kato K.
  • Journal Title: Bone Marrow Transplant Volume: 59 Issue: 4 Pages: 466-472
  • DOI: 10.1038/s41409-023-02183-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Peripheral helper-T-cell-derived CXCL13 is a crucial pathogenic factor in idiopathic multicentric Castleman disease (2023)
  • Author(s): Harada Takuya、Kikushige Yoshikane、Miyamoto Toshihiro、Uno Kazuko、Niiro Hiroaki、Kawakami Atsushi、Koga Tomohiro、Akashi Koichi、Yoshizaki Kazuyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 6959-6959
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42718-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] POT1a deficiency in mesenchymal niches perturbs B-lymphopoiesis (2023)
  • Author(s): Nakashima Kentaro、Kunisaki Yuya、Hosokawa Kentaro、Gotoh Kazuhito、Yao Hisayuki、Yuta Ryosuke、Semba Yuichiro、Nogami Jumpei、Kikushige Yoshikane、Stumpf Patrick S.、MacArthur Ben D.、Kang Dongchon、Akashi Koichi、Ohga Shouichi、Arai Fumio
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05374-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TIM-3 signaling hijacks the canonical Wnt/β-catenin pathway to maintain cancer stemness in acute myeloid leukemia (2023)
  • Author(s): Sakoda Teppei、Kikushige Yoshikane、Miyamoto Toshihiro、Irifune Hidetoshi、Harada Takuya、Hatakeyama Kiwamu、Kunisaki Yuya、Kato Koji、Akashi Koichi
  • Journal Title: Blood Advances Volume: - Issue: 10 Pages: 2053-2065
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2022008405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] <scp>GPAM</scp> mediated lysophosphatidic acid synthesis regulates mitochondrial dynamics in acute myeloid leukemia (2023)
  • Author(s): Irifune Hidetoshi、Kochi Yu、Miyamoto Toshihiro、Sakoda Teppei、Kato Koji、Kunisaki Yuya、Akashi Koichi、Kikushige Yoshikane
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 114 Issue: 8 Pages: 3247-3258
  • DOI: 10.1111/cas.15835
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Targeting a mitochondrial E3 ubiquitin ligase complex to overcome AML cell-intrinsic Venetoclax resistance (2023)
  • Author(s): Nakao Fumihiko、Setoguchi Kiyoko、Semba Yuichiro、Yamauchi Takuji、Nogami Jumpei、Sasaki Kensuke、Imanaga Hiroshi、Terasaki Tatsuya、Miyazaki Manaka、Hirabayashi Shigeki、Miyawaki Kohta、Kikushige Yoshikane、Masuda Takeshi、Akashi Koichi、Maeda Takahiro
  • Journal Title: Leukemia Volume: - Issue: 5 Pages: 1028-1038
  • DOI: 10.1038/s41375-023-01879-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RHAMM marks proliferative subpopulation of human colorectal cancer stem cells (2023)
  • Author(s): Nakano Michitaka、Taguchi Ryosuke、Kikushige Yoshikane、Isobe Taichi、Miyawaki Kohta、Mizuno Shinichi、Tsuruta Nobuhiro、Hanamura Fumiyasu、Yamaguchi Kyoko、Yamauchi Takuji、Ariyama Hiroshi、Kusaba Hitoshi、Nakamura Masafumi、Maeda Takahiro、Kuo Calvin J.、Baba Eishi、Akashi Koichi
  • Journal Title: Cancer Science Volume: - Issue: 7 Pages: 15795-12
  • DOI: 10.1111/cas.15795
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Human acute leukemia utilizes branched-chain amino acid catabolism to maintain stemness through regulating PRC2 function (2022)
  • Author(s): Kikushige Yoshikane、Miyamoto Toshihiro、Kochi Yu、Semba Yuichiro、Ohishi Maki、Irifune Hidetoshi、Hatakeyama Kiwamu、Kunisaki Yuya、Sugio Takeshi、Sakoda Teppei、Miyawaki Kohta、Kato Koji、Soga Tomoyoshi、Akashi Koichi
  • Journal Title: Blood Advances Volume: - Issue: 14 Pages: 3592-3603
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2022008242
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prognostic value of pre-transplantation total metabolic tumor volume on 18fluoro-2-deoxy-d-glucose positron emission tomography?computed tomography in relapsed and refractory aggressive lymphoma (2022)
  • Author(s): Sugio Takeshi、Baba Shingo、Mori Yasuo、Yoshimoto Goichi、Kamesaki Kenjiro、Takashima Shuichiro、Urata Shingo、Shima Takahiro、Miyawaki Kohta、Kikushige Yoshikane、Kunisaki Yuya、Numata Akihiko、Takenaka Katsuto、Iawasaki Hiromi、Miyamoto Toshihiro、Ishigami Kousei、Akashi Koichi、Kato Koji
  • Journal Title: International Journal of Hematology Volume: 116 Issue: 4 Pages: 603-611
  • DOI: 10.1007/s12185-022-03394-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Risk factors for late cytomegalovirus infection after completing letermovir prophylaxis (2022)
  • Author(s): Mori Yasuo、Harada Takuya、Yoshimoto Goichi、Shima Takahiro、Numata Akihiko、Jinnouchi Fumiaki、Yamauchi Takuji、Kikushige Yoshikane、Kunisaki Yuya、Kato Koji、Takenaka Katsuto、Akashi Koichi、Miyamoto Toshihiro
  • Journal Title: International Journal of Hematology Volume: 116 Issue: 2 Pages: 258-265
  • DOI: 10.1007/s12185-022-03348-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Germinal Center-Associated Microenvironmental Signature Reflects Malignant Phenotype and Outcome of DLBCL. (2022)
  • Author(s): Miyawaki K, Kato K, Sugio T, Sasaki K, Miyoshi H, Semba Y, Kikushige Y, Mori Y, Kunisaki Y, Iwasaki H, Miyamoto T, Kuo FC, Aster JC, Ohshima K, Maeda T, Akashi K.
  • Journal Title: Blood Adv. Volume: 6 Issue: 7 Pages: 2388-2402
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2021004618
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Macrophages are primed to transdifferentiate into fibroblasts in malignant ascites and pleural effusions (2022)
  • Author(s): Ito Mamoru、Nakano Michitaka、Ariyama Hiroshi、Yamaguchi Kyoko、Tanaka Risa、Semba Yuichiro、Sugio Takeshi、Miyawaki Kohta、Kikushige Yoshikane、Mizuno Shinichi、Isobe Taichi、Tanoue Kenro、Taguchi Ryosuke、Ueno Shohei、Kawano Takahito、Murata Masaharu、Baba Eishi、Akashi Koichi
  • Journal Title: Cancer Letters Volume: 532 Pages: 215597-215597
  • DOI: 10.1016/j.canlet.2022.215597
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TET2 Clonal Hematopoiesis Is Associated With Anthracycline-Induced Cardiotoxicity in Patients With Lymphoma (2022)
  • Author(s): Hatakeyama Kiwamu、Hieda Michinari、Semba Yuichiro、Moriyama Shohei、Wang Yuqing、Maeda Takahiro、Kato Koji、Miyamoto Toshihiro、Akashi Koichi、Kikushige Yoshikane
  • Journal Title: JACC: CardioOncology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 141-143
  • DOI: 10.1016/j.jaccao.2022.01.098
  • Peer Reviewed / Open Access