Foundation construction and clinical application of next-generation RNA biomarker

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H04282
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 石井 秀始 大阪大学, 医学系研究科, 特任教授(常勤) (10280736)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 今野 雅允 大阪大学, 医学系研究科, 寄附講座講師 (80618207) ; 小関 準 大阪大学, 医学系研究科, 特任助教(常勤) (20616669)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 癌 / 臨床 / 外科 / 核酸 / トランスレーショナルリサーチ

Outline of Annual Research Achievements

体液中に分泌されるマイクロRNA（小さな非コードRNA）は疾患のバイオマーカーとして有用である。私達は、質量分析法により、マイクロRNA配列上の特定部位のメチル化修飾を計測する新技術を世界で初めて開発した。私達のパイロット研究で、膵癌を含む消化器癌の早期診断において、従来のバイオマーカーを凌駕する高い性能が得られている。マイクロRNAのメチル化は、細胞組織のエピゲノム病態を反映しているため、高精度に得られた計測結果は、早期診断やサブクラス分類にきわめて有用である。本計画ではこの『コア技術』を活用して、消化器癌や他の疾患を含めて幅広く検討し、『データ科学』に基づく次世代医療のバイオマーカーとして確立する研究を実施した。
マイクロRNA配列上の特定部位のメチル化修飾を計測する技術の精度を確立して、細胞株、手術材料、さらには低侵襲で得られるリキッドバイオプシーからのサンプルを用いて、計測を進めた。臨床材料は順調に収集が進捗し、順次解析を実施した。特に、体内の固形腫瘍の部分と、末梢血から得られるエクソゾーム内のマイクロRNAとを比較して、両者のデータからコンパニオン診断としての性能を検討することができた。このように臓器横断的に得られるRNAのメチル化の情報を元にして、プロファイリングの幅を広げて生体の恒常性をプロファイルする研究を進め理ことができた。特に平成31年度は、がんに特異的な情報を得るためにエクソゾームの表面タンパク質の解析も進めることにより、数個の特異的なマーカーを用いて濃縮、解析し、高精度のがん診断に応用することを順調に進めた。現在、手術の前後での病態を鋭敏に反映したバイオマーカーであるかどうかの性能の検証を進めており、現在までの結果では期待通りのデータを得つつある。さらに、新たなバイオマーカー、シークエンサーの技術融合を加えて大阪大学発の知的財産として特許整備を進めていく。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成29年度の段階で、目標の概ね半数の症例の解析を進めるとともに、さらに同一症例の追跡調査を進めることにより、手術の前後での病態を鋭敏に反映したバイオマーカーであるかどうかの性能の検証まで発展させて行うことができた。さらに、本研究領域の内外の進捗を踏まえて、病態解析のための動物モデルを作成してメカニズム解析を進めた。すなわち、RNAメチル化に関わる酵素の遺伝子改変マウスと発がんマウスを掛け合わせて、個体レベルでの臓器横断的なRNAのメチル化修飾の重要性を明らかにしつつある。次年度以降も継続して研究し、特に腫瘍組織の癌部と間質部における微小環境に応答したRNAのメチル化制御の機構を明らかにして、バイオマーカーを創生する分子機能の解明や、バイオマーカーの高精度化に向けて研究を展開しつつある。特に膵癌は極めて予後不良であり、その期診断は喫緊焦眉の国民的課題である。低侵襲に体液から早期膵癌の診断バイオマーカーとして確立することのより得られたデータは、ステージ別の予後予測、有害事象の予測、患者の層別化、サブクラス分類に応用できることが期待される。さらに、『データ科学』を通じて産学連携を深め、質量分析に依る新しい検査事業やデータ評価等、新産業を振興することができると期待される。このように、本研究では、患者の血清からマイクロRNAを抽出し、世界初の『コア技術』である核酸に特化した質量分析法でメチル化修飾を計測することを推進し、その基盤部分を整備した。消化器癌から他疾患に研究を進めて国際基準に合致したバイオマーカーとして性能を検証し、さらに細胞の代謝が関わる他疾患で新たにマイクロRNAを加えて検討し、普遍性の高い新技術として開発していく。特に、効率よくバイオマーカー、シークエンスを行う画期的な技術として大阪大学発の知的財産として特許申請を進め、JST支援を得たかたちでPCT出願を進めていく。

Strategy for Future Research Activity

私達の消化器癌でのパイロット研究をもとにして、他の癌代謝や癌幹細胞が関わる乳癌、肺癌などでも検討し、さらに非腫瘍性疾患も含めて検討して、波及効果と普遍性を明らかにする。機能的には、マイクロRNAのアデニンの修飾がRNA結合蛋白HuRを介して安定性への関与を示唆するパイロット研究によるデータを得ており、本研究で生命の恒常性の維持機構を臓器横断的に理解し、またその破綻としての腫瘍化における役割を明らかにすることが期待される。特に、動物個体レベルでの解析により、従来では知られていなかったエピトランスクリプトームの機能が明らかとなり、疾患の新たな診断法と革新的な治療法の開発に向けて大きく展開することができる。さらに成果の社会への還元を加速化するために、大学発ベンチャーなどの産学連携の体制を利用しながら、成果の還元を積極的に推し進めていく計画である。特に、本基盤B研究でのコンセプトは、周辺の若手の研究のプロジェクトにも良い影響をあたえ、我が国の将来を担う人材の育成とライフサイエンスの信仰に向けて継続的に発展させる計画である。中心となる論文の公表の手段は、査読のある高いインパクトの英文誌を第一義とし、国際学会、国際シンポジウムでの積極的な発表に務める。また、若手の育成の観点からは、英語化とともに国内での学会や情報交換の場を豊富に準備して整える。また、アウトリーチ活動として、オープンキャンパス、出身高校での講演、市民講座等の複数の機会を通じで専門家以外の国民への情報発信を行っていく。広く国民から科学技術に対する強い信頼を得る上で、アウトリーチ活動を積極的に進める。特に、大阪大学未来医療センターのシーズ開発とも密接に連携したかたちで、コンパニオン診断に役立つバイオマーカー技術として発展させ、医師主導治験のコアとして大学発の開発研究として情報を発信していく。

Research Products

• [Journal Article] Mitochondrial pyruvate carrier 1 expression controls cancer EMT and radioresistance (2019)
  • Author(s): Takaoka Yuji、Konno Masamitsu、Koseki Jun、Colvin Hugh、Asai Ayumu、Tamari Keisuke、Satoh Taroh、Mori Masaki、Doki Yuichiro、Ogawa Kazuhiko、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 110 Pages: 1331～1339
  • DOI: 10.1111/cas.13980
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Analysis of Incorporation of an Anticancer Drug into DNA at Single-Molecule Resolution (2019)
  • Author(s): Ohshiro Takahito、Komoto Yuuki、Konno Masamitsu、Koseki Jun、Asai Ayumu、Ishii Hideshi、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 3886
  • DOI: 10.1038/s41598-019-40504-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association of iron metabolic enzyme hepcidin expression levels with the prognosis of patients with pancreatic cancer (2018)
  • Author(s): Toshiyama Reishi、Konno Masamitsu、Eguchi Hidetoshi、Asai Ayumu、Noda Takehiro、Koseki Jun、Asukai Kei、Ohashi Tomofumi、Matsushita Katsunori、Iwagami Yoshifumi、Yamada Daisaku、Asaoka Tadafumi、Wada Hiroshi、Kawamoto Koichi、Gotoh Kunihito、Kudo Toshihiro、Satoh Taroh、Doki Yuichiro、Mori Masaki、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 15 Pages: 8125～8133
  • DOI: 10.3892/ol.2018.8357
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Poly(ethylene glycol)-poly(lysine) block copolymer-ubenimex conjugate targets aminopeptidase N and exerts an antitumor effect in hepatocellular carcinoma stem cells. (2018)
  • Author(s): Toshiyama, R., Konno, M., Eguchi, H., Takemoto, H., Noda, T., Asai, A., Koseki, J., Haraguchi, N., Ueda, Y. Matsushita, K., Asukai, K., Ohashi, T., Iwagami, Y., Yamada, D., Sakai, D., Asaoka, T., Kudo, T., Kawamoto, K., Gotoh, K., Kobayashi, S., Satoh, T., Doki, Y., Nishiyama, N., Mori, M., Ishii, H.
  • Journal Title: Oncogene Volume: 38 Pages: 244～260
  • DOI: 10.1038/s41388-018-0406-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell-free culture conditioned medium elicits pancreatic β cell lineage-specific epigenetic reprogramming in mice (2018)
  • Author(s): Kawamoto Koichi、Ohashi Tomofumi、Konno Masamitsu、Nishida Naohiro、Koseki Jun、Matsui Hidetoshi、Sakai Daisuke、Kudo Toshihiro、Eguchi Hidetoshi、Satoh Taroh、Doki Yuichiro、Mori Masaki、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 16 Pages: 3255～3259
  • DOI: 10.3892/ol.2018.9008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Carbon ion beam radioresistant rodent cells are sensitized to trifluorothymidine exposure (2018)
  • Author(s): Baek Sung Jae、Sato Katsutoshi、Nishida Naohiro、Koseki Jun、Hayashi Kazuhiko、Kawamoto Koichi、Konno Masamitsu、Doki Yuichiro、Mori Masaki、Ogawa Kazuhiko、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 16 Pages: 3389～3393
  • DOI: 10.3892/ol.2018.9004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Convolutional Neural Network Uses Microscopic Images to Differentiate between Mouse and Human Cell Lines and Their Radioresistant Clones (2018)
  • Author(s): Toratani Masayasu、Konno Masamitsu、Asai Ayumu、Koseki Jun、Kawamoto Koichi、Tamari Keisuke、Li Zhihao、Sakai Daisuke、Kudo Toshihiro、Satoh Taroh、Sato Katsutoshi、Motooka Daisuke、Okuzaki Daisuke、Doki Yuichiro、Mori Masaki、Ogawa Kazuhiko、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Cancer Research Volume: 78 Pages: 6703～6707
  • DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-18-0653
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polyamine flux suppresses histone lysine demethylases and enhances ID1 expression in cancer stem cells (2018)
  • Author(s): Tamari Keisuke、Konno Masamitsu、Asai Ayumu、Koseki Jun、Hayashi Kazuhiko、Kawamoto Koichi、Murai Noriyuki、Matsufuji Senya、Isohashi Fumiaki、Satoh Taroh、Goto Noriko、Tanaka Shinji、Doki Yuichiro、Mori Masaki、Ogawa Kazuhiko、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Cell Death Discovery Volume: 4 Pages: 104
  • DOI: 10.1038/s41420-018-0117-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Semaphorin signaling via MICAL3 induces symmetric cell division to expand breast cancer stem-like cells (2018)
  • Author(s): Tominaga, K., Minato, H., Murayama, T., Sasahara, A., Nishimura, T., Kiyokawa, E., Kanauchi, H., Shimizu, S., Sato, A., Nishioka, K., Tsuji, E., Yano, M., Ogawa, T., Ishii, H., Mori, M., Akashi, K., Okamoto, K., Tanabe, M., Tada, K., Tojo, A., Gotoh, N.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 116 Pages: 625～630
  • DOI: 10.1073/pnas.1806851116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Generation of invasion model of colorectal cancer with three-dimensional culture method. (2019)
  • Author(s): Yanagisawa, K., Konno, M., Asai, A., Koseki, J., Mizushima, T., Satoh, T., Matsuzaki, M., Doki, Y., Ishii, H.
  • Organizer: Single Cells: Technology to Biology Cell Symposia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Trifluridine efficacy in cancer stem cell (2018)
  • Author(s): 常國健太、今野雅允、小関準、浅井歩、土岐祐一郎、森正樹、石井秀始
  • Organizer: AACR Annual Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 糖代謝酵素のスプライシング変化による認知症発症機構の解明 (2018)
  • Author(s): 今野雅允、浅井歩、田沼延公、島礼、小関準、佐藤太郎、 土岐祐一郎、森正樹、石井秀始
  • Organizer: 第６回がんと代謝研究会
• [Presentation] 新規トランスオミックス法を用いたがん幹細胞のDNAメチル化量及び転写量変化の相関解析 (2018)
  • Author(s): 小関準、今野雅允、浅井歩、佐藤太郎、土岐祐一郎、森正樹、石井秀始
  • Organizer: 第６回がんと代謝研究会
• [Presentation] CD44/CD133-Positive Colorectal Cancer Stem Cells Are Sensitive to Trifluridine (2018)
  • Author(s): 常國健太、今野雅允、小関準、浅井歩、土岐祐一郎、森正樹、石井秀始
  • Organizer: 第６回がんと代謝研究会
• [Presentation] 臨床からみた癌幹細胞と免疫微小環 (2018)
  • Author(s): 田中真二(座長：石井秀始)
  • Organizer: 第77回日本癌学会学術総会
• [Presentation] がんエピトランスクリプトームの解明と応用 (2018)
  • Author(s): 今野雅允、佐藤太郎、土岐祐一郎、森正樹、石井秀始
  • Organizer: 第77回日本癌学会学術総会
• [Presentation] 消化器がん幹細胞のエピゲノム異常の標的化と制御 (2018)
  • Author(s): 小関準、浅井歩、今野雅允、佐藤太郎、土岐祐一郎、辻川和丈、森正樹、石井秀始
  • Organizer: 第77回日本癌学会学術総会
• [Presentation] がんエピトランスクリプトーム研究の新展開 (2018)
  • Author(s): 石井秀始
  • Organizer: 第29回日本消化器癌発生学会総会
• [Presentation] 消化器癌の浸潤に関わる分子メカニズムの解明と治療への応用 (2018)
  • Author(s): 泥谷直樹(座長：石井秀始)
  • Organizer: 第9回 癌・炎症と抗酸化研究会