ポリADPリボシル化酵素タンキラーゼを標的としたがん精密医療の分子基盤

• 研究課題/領域番号: 23K24192
• 補助金の研究課題番号: 22H02931 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分50020:腫瘍診断および治療学関連
• 研究機関: 公益財団法人がん研究会
• 研究代表者: 清宮 啓之 公益財団法人がん研究会, がん化学療法センター 分子生物治療研究部, 部長 (50280623)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 抗悪性腫瘍薬 / ポリ(ADP-リボシル)化酵素 / タンキラーゼ / 効果予測バイオマーカー / プレシジョン医療

研究開始時の研究の概要

ポリ(ADP-リボシル)化酵素タンキラーゼはWnt細胞増殖シグナルを増強する。タンキラーゼ阻害剤は同シグナルを遮断し、腫瘍増殖を抑制する。本研究は、タンキラーゼ阻害剤の制がん効果を最大化する患者層別法もしくは併用療法を考案することを目的とする。これによりタンキラーゼ阻害剤を用いたがん治療戦略が最適化され、同剤の臨床開発の成功確率が向上する。ひいては、プレシジョン医療の強化につながると期待される。研究協力者：中村彩音、周 麗亜

研究実績の概要

（１）大腸がんにおける効果予測バイオマーカーの確立
前年度までに扱ってきた患者由来大腸がん細胞（patient-derived cells: PDC）約50株について、ドライバー変異の共存状態をゲノム解析で精査し、β-カテニンの活性化様態およびタンキラーゼ阻害剤感受性との相関を網羅的に解析した。その結果、タンキラーゼ阻害剤耐性のPDCsではPIK3CAの機能獲得型変異の陽性率が有意に高いことが明らかとなった。一方、KRAS、BRAF、TP53といったその他の代表的なドライバー遺伝子の変異はタンキラーゼ阻害剤感受性と相関を示さなかった。
（２）合成致死因子の同定と機能検証
前年度までに同定した、タンキラーゼ阻害剤の細胞増殖抑制効果を増強するshRNAクローンは、様々な臓器由来のがん細胞株のうち、タンキラーゼ阻害剤耐性株を含む約３割の細胞株で阻害剤感受性化をもたらした。そこで今年度は、このような合成致死性が認められた細胞株と認められなかった細胞株を比較解析した。その結果、当該因子Xのノックダウンによってタンキラーゼ阻害剤への感受性が増大する細胞株では、当該因子Xのタンパク質発現量が多いことが判明した。
（３）併用療法の構築と作用分子機序の解明
効果増強・耐性克服に有効な併用療法を考案するため、タンキラーゼ阻害剤感受性PDCから同剤耐性細胞を樹立した。興味深いことに、この耐性細胞はタンキラーゼ阻害剤に低濃度では感受性、高濃度では耐性といういわゆるベル型用量反応性を示した。その分子機序を検討した結果、同細胞では高濃度のタンキラーゼ阻害剤がBRD3/4依存的なE2F標的遺伝子の転写と細胞周期の進行を促進することが判明した。BET阻害剤を併用するとベル型用量反応性は解消し、タンキラーゼ阻害剤感受性が復帰した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

タンキラーゼ阻害剤の治療指数を向上させるには、同剤に高感受性を示すがんゲノムプロファイル、もしくは同剤と相乗的な制がん効果を発揮する併用剤の設定が有効である。しかし、その具体像は不明であった。本研究は、タンキラーゼを標的とするがんプレシジョン医療への布石として、適応がん種を大腸がんとしたときの効果予測バイオマーカーを非臨床レベルで確立することを達成目標としている。昨年度までに効果予測バイオマーカーの候補因子としてShort APC（＝20アミノ酸リピート領域を完全に欠失した変異型APC）とβ-カテニンタンパク質の蓄積を見出してきたが、今年度はさらに適用患者の除外基準（exclusion criteria）として、PIK3CAの機能獲得型変異を同定することが出来た。さらに重要なことに、大腸がん治療においてセツキシマブなどの既存の抗EGFR抗体薬の除外基準と位置づけられているKRASもしくはBRAFの機能獲得型変異は、タンキラーゼ阻害剤耐性とは相関せず、したがって抗EGFR抗体を適用できない患者群においてもタンキラーゼ阻害剤が有効性を示す可能性が示唆された。一方、タンキラーゼ阻害剤耐性細胞を樹立してその性状解析を進めることで、同剤にベル型用量反応性を示すがん細胞の存在が明らかとなった。このときの耐性はBET阻害剤によって克服可能であることを発見し、新たな併用療法の可能性を提唱することができた。これら一連の成果は、タンキラーゼ阻害剤の新たな作用メカニズムおよび効果予測バイオマーカーの解明、さらには併用療法の合理的デザインに結びつくと期待される。

今後の研究の推進方策

（１）大腸がんにおける効果予測バイオマーカーの確立
タンキラーゼ阻害剤高感受性と判定されたPDCsを用いてゼノグラフト（patient-derived xenograft: PDX）マウスモデルを構築し、タンキラーゼ阻害剤のin vivoレベルでの制がん効果を検証する。阻害剤は経口で投与し、治療効果および副作用の指標として腫瘍体積および体重を経時的に計測する。さらにこのときの腫瘍を採材し、ウェスタンブロット等により薬力学的バイオマーカーの変動を検証する。さらに、これまでに同定したShort APCを補完する薬効予測バイオマーカーの妥当性について、臨床病理組織などを用いて検証する。

（２）併用療法の構築と作用分子機序の解明
これまでに得た成果を踏まえ、大腸がんPDC集団内の個々のがん細胞が、タンキラーゼ阻害剤、抗がん剤、およびこれらの併用でどのような応答を示すかについて、バーコード付きシングルセルRNA-seq解析で検討する。それぞれの薬剤処理で残存した細胞の遺伝子発現パターンから、（i）タンキラーゼ阻害剤および抗がん剤の増殖阻害効果には、それぞれがん幹細胞および非幹がん細胞への指向性があるのか、（ii）薬剤初期耐性（drug-tolerant persister形質）に対してがん幹細胞と非幹がん細胞の相互転換がどの程度寄与しうるか、などについて検証する。これにより、大腸がん幹細胞のターゲティング療法としてのproof-of-conceptの達成を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Universite Claude Bernard Lyon 1/Universite de Lyon/PSL Research University(フランス)
• [雑誌論文] BET protein dependent E2F pathway activity confers bell-shaped type resistance to tankyrase inhibitors in APC-mutated colorectal cancer (2024)
  • 著者名/発表者名: Morino Shun、Mashima Tetsuo、Shirai Fumiyuki、Nagayama Satoshi、Katayama Ryohei、Seimiya Hiroyuki
  • 雑誌名: Cancer Letters 巻: 584 ページ: 216632-216632
  • DOI: 10.1016/j.canlet.2024.216632
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] <scp>Interleukin‐4 induced 1</scp>‐mediated resistance to an immune checkpoint inhibitor through suppression of <scp>CD8</scp>⁺ T cell infiltration in melanoma (2024)
  • 著者名/発表者名: Hirose Shiho、Mashima Tetsuo、Yuan Xunmei、Yamashita Makiko、Kitano Shigehisa、Torii Shinichi、Migita Toshiro、Seimiya Hiroyuki
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 115 号: 3 ページ: 791-803
  • DOI: 10.1111/cas.16073
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Glutamine deficiency drives transforming growth factor‐β signaling activation that gives rise to myofibroblastic carcinoma‐associated fibroblasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Mezawa Yoshihiro、Wang Tingwei、Daigo Yataro、Takano Atsushi、Miyagi Yohei、Yokose Tomoyuki、Yamashita Toshinari、Yang Liying、Maruyama Reo、Seimiya Hiroyuki、Orimo Akira
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 114 号: 11 ページ: 4376-4387
  • DOI: 10.1111/cas.15955
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] APC/PIK3CA mutations and β-catenin status predict tankyrase inhibitor sensitivity of patient-derived colorectal cancer cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen M, Mashima T, Oishi T, Muramatsu Y, Seto Y, Takamatsu M, Kawata N, Morino S, Nakamura A, Inaba S, Yuan X, Maruyama K, Suzuki M, Sato A, Yoshida H, Jang MK, Mizutani A, Takeuchi K, Yamaguchi K, Shirai F, Nagayama S, Katayama R, Seimiya H
  • 雑誌名: British Journal of Cancer 巻: 130 号: 1 ページ: 151-162
  • DOI: 10.1038/s41416-023-02484-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] YBX1 Regulates Satellite II RNA Loading into Small Extracellular Vesicles and Promotes the Senescent Phenotype (2023)
  • 著者名/発表者名: Chiba Masatomo、Miyata Kenichi、Okawa Hikaru、Tanaka Yoko、Ueda Koji、Seimiya Hiroyuki、Takahashi Akiko
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 24 号: 22 ページ: 16399-16399
  • DOI: 10.3390/ijms242216399
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of EMT in the DNA damage response, double‐strand break repair pathway choice and its implications in cancer treatment (2022)
  • 著者名/発表者名: Moyret‐Lalle Caroline、Prodhomme Melanie K、Burlet Delphine、Kashiwagi Ayaka、Petrilli Virginie、Puisieux Alain、Seimiya Hiroyuki、Tissier Agnes
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: in press 号: 7 ページ: 2214-2223
  • DOI: 10.1111/cas.15389
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] アカデミアがん創薬における計算化学の活用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: 日本学術会議・日本薬学会主催シンポジウム「AIが拓く創薬と医療の未来」
  • 招待講演
• [学会発表] プロテオーム解析に基づいたタンキラーゼ阻害剤の新たな作用機序及び薬力学的バイオマーカーの探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 周玉てぃん, 馬島哲夫, 陳明じぇ, 植田幸嗣, 長山聡, 片山量平, 白井文幸, 清宮啓之
  • 学会等名: 2023年度先端モデル動物支援プラットフォーム成果発表会
• [学会発表] タンキラーゼ阻害剤と免疫チェックポイント阻害剤の併用による制がん治療効果の検討 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鶴田詩歩, 馬島哲夫, 袁勲梅, 白井文幸, 清宮啓之
  • 学会等名: 2023年度先端モデル動物支援プラットフォーム成果発表会
• [学会発表] Crossroads of telomere biology and anticancer drug discovery (2023)
  • 著者名/発表者名: Seimiya, H.
  • 学会等名: 2023 NSFC-CAS-JSPS Forum, Translational Medicine and Innovative Drug Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンキラーゼ阻害剤に耐性化した患者由来大腸がん細胞のベル型用量反応性機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 第27回日本がん分子標的治療学会学術集会
• [学会発表] アカデミア創薬の臨界点と産学連携への期待 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: 第27回日本がん分子標的治療学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] タンキラーゼ阻害剤に耐性化した患者由来大腸がん細胞のベル型用量反応性機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 長山聡, 白井文幸, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
• [学会発表] Development of tankyrase inhibitors and G-quadruplex-stabilizers as innovative cancer medicines (2023)
  • 著者名/発表者名: Seimiya, H.
  • 学会等名: International Charles Heidelberger Symposium on Cancer Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンキラーゼ阻害剤に耐性化した患者由来大腸がん細胞のベル型用量反応性機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 長山聡, 白井文幸, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] タンキラーゼ阻害剤と免疫チェックポイント阻害剤の併用による制がん治療効果の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鶴田詩歩, 馬島哲夫, 袁勲梅, 白井文幸, 清宮啓之
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Targeting tankyrase-specific PARylation for cancer therapy (2023)
  • 著者名/発表者名: Seimiya, H.
  • 学会等名: The 27th JFCR－ISCC Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Morino, S., Mashima, T., Suzuki, Y., Nagayama, S., Shirai, F., Katayama, R., Seimiya, H. (2022)
  • 著者名/発表者名: Single cell lineage analysis for tracing drug-tolerant persister cells in patient-derived colorectal cancer cells
  • 学会等名: The 26th JFCR-International Symposium on Cancer Chemotherapy
  • 国際学会
• [学会発表] Significance and challenges in cancer research from the viewpoint of a non-medical doctor：Non-MDの立場から見たがん研究の意義と課題 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Advances in drug discovery based on cancer characteristics：がんの特性に基づく創薬の進歩 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Single cell lineage analysis for tracing drug-tolerant persister cells in patient-derived colorectal cancer cells：シングルセル系譜解析による大腸がん患者由来drug-tolerant persister細胞の追跡 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 鈴木穣, 長山聡, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
• [学会発表] シングルセル系譜解析による大腸がん患者由来drug-tolerant persister細胞の追跡 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 鈴木穣, 白井文幸, 長山聡, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 2022年日本バイオインフォマティクス学会年会・第11回生命医薬情報学連合大会
• [学会発表] シングルセル系譜解析による大腸がん患者由来drug-tolerant persister細胞の追跡 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 鈴木穣, 白井文幸, 長山聡, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: シングルセルゲノミクス研究会2022
• [学会発表] シングルセル系譜解析による大腸がん患者由来drug-tolerant persister細胞の追跡 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森野峻, 馬島哲夫, 片山量平, 清宮啓之
  • 学会等名: 第26回日本がん分子標的治療学会学術集会
• [学会発表] テロメアから始まるがん創薬 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: 広島大学大学院医系科学研究科薬科学 特論・特講講義セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] テロメアを起点としたがん創薬 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清宮啓之
  • 学会等名: レドックスR&D戦略委員会 第２回企画シンポジウム「老化制御およびテロメア研究の新基軸」
  • 招待講演