血液がん発症におけるミトコンドリア断片化と炎症性シグナル経路活性化のクロストーク

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02905
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京薬科大学
• 研究代表者: 原田 浩徳 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (10314775)
• 研究分担者: 原田 結花 地方独立行政法人東京都立病院機構東京都立駒込病院(臨床研究室), 臨床試験科, 部長 (50379848)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 骨髄異形成症候群 / MDSモデルマウス / ミトコンドリアダイナミックス異常 / ミトコンドリア断片化 / 自然免疫系シグナル経路 / DAMPs / ROS / mtDNA

研究実績の概要

骨髄異形成症候群（Myelodysplastic syndromes, MDS）は、造血幹細胞の異常に起因する難治性の血液がんである。その発症に関わる遺伝子変異はこれまでに多数同定されたが、クローン優位性の獲得と細胞死が共存する複雑な病態の発症機序は未だ解明されていない。我々は、MDS患者の造血幹細胞・前駆細胞で過剰なミトコンドリアの断片化が生じていることを世界で初めて発見した。新規に樹立したMDSモデルマウスや多数例の患者細胞を解析した結果、遺伝子変異の種類によらず、ミトコンドリアの過剰な断片化が炎症性シグナル経路の活性化をきたし、MDS病態の根幹となっていることを明らかにした（Cancer Discovery 2022）。本研究では、この最新の研究成果に基づき、ミトコンドリア断片化が炎症性シグナル経路活性化を誘導する分子基盤を明らかにし、これを標的とした前臨床試験を実施することを目的とした。
ミトコンドリアの過剰な断片化に伴う炎症性シグナル経路活性化の機序を明らかにするため、MDSモデルマウスの骨髄細胞の細胞質中で増加しているミトコンドリア由来成分について検討した。さらに、ミトコンドリア分裂阻害剤（mdivi-1）投与後のMDSクローンのROSおよびミトコンドリア由来DMAPsのレベルを測定し、ミトコンドリアの過剰な断片化との関連性を検証した。ミトコンドリアの過剰な断片化の過程において、MDSクローンの細胞質中にミトコンドリア由来ROSおよびmtDNAが大量に放出されていた。さらに、MDSクローン中ではミトコンドリア断片化を起点としてcGAS-STING経路が活性化し、インターフェロンの過剰産生が誘導されていることが明らかとなった。MDSクローンの細胞質中にmtDNAが放出され、これらが起点となってcGAS-STING経路を活性化していることが示唆された。

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

MDSマウスから採取した腫瘍クローン造血幹細胞・前駆細胞（HSC/Ps）では、ミトコンドリア断片化を伴う細胞の割合が顕著に増加し、このMDSマウスにmdivi-1を投与すると、vehicle投与群に比べてミトコンドリア断片化を有する細胞の割合が半減した。このMDSマウスの細胞質中のROSレベルを評価したところ、MDSマウスでは細胞質ROSレベルが著しく上昇していた。一方、mdivi-1投与後のMDSマウスでは、それに伴ってROSレベルが著しく低下していた。また、MDSマウスから核とミトコンドリアを除く細胞質画分を回収し、細胞質中に含まれるmtDNAを評価した。その結果、細胞質中で増加していたmtDNAが、mdivi-1投与後には有意に低下していることがわかった。以上の結果から、ミトコンドリアの過剰な断片化の過程において、MDSクローンの細胞質中にミトコンドリア由来ROSおよびmtDNAが大量に放出されていることが示された。
また、Mdivi-1投与によってその発現が顕著に低下した遺伝子群において、最も有意な変化を示した遺伝子群としてインターフェロン応答に関連遺伝子群が抽出された。そこで、MDSクローンの細胞質内において、mtDNAをcGASが感知することでcGAMPが合成され、その結果下流のSTINGが局在変化を起こすことでインターフェロンの産生が誘導されるかを検証した。MDSマウスのc-Kit+細胞では、cGAS-STING経路の活性化マーカーとして知られているTANK-binding kinase1(TBK1)の恒常的リン酸化が生じていることが明らかになった。
MDSクローンの細胞質中にはmtDNAが豊富に含有されており、これらが起点となってcGAS-STING経路を活性化していることが示唆された。

今後の研究の推進方策

引き続きMDSマウスを用いて、ミトコンドリア断片化の結果生じる炎症性細胞死の種類、細胞死が顕著におこる細胞系統と分化ステージ、細胞死に伴って循環中に放出されるミトコンドリア由来DAMPsをはじめとする細胞内成分を解析し、MDSクローンにおけるミトコンドリア異常が細胞外に及ぼす影響を明らかにする。細胞死については、MDSモデルマウスに対して各種阻害剤を用いて、種々の細胞死（アポトーシス、パイロトーシス、ネクロトーシス、オートファジー細胞死など）の検証を継続してゆく。さらに、MDSマウスの造血細胞のミトコンドリア断片化、ミトコンドリア膜電位、細胞死等を指標にして、化合物スクリーニングを実施して創薬開発に繋げてゆく。
MDSモデルマウスで得たミトコンドリアの断片化という知見は、多数例の患者検体でも確認され、MDS症例に特徴的な所見であることを確認している。明らかとなったミトコンドリアの過剰な断片化の過程において、MDSクローンの細胞質中にミトコンドリア由来ROSおよびmtDNAが大量に放出され、cGAS-STING経路を活性化していることが、MDS患者の骨髄細胞においても同様にみられるのかを検証する。マウスで行った方法を用いて、ヒト骨髄造血器腫瘍、再生不良性貧血などの骨髄不全症など骨髄造血器疾患の骨髄細胞からCD34陽性細胞を分取し、これらのサンプルにおいて細胞質内のROS、ミトコンドリア由来DAMPsを測定、cGAS-STING経路の活性化マーカーの評価、さらに細胞死関連タンパクの測定を行う。引き続き患者サンプルを収集し、NGSによる造血器腫瘍関連遺伝子パネル検査、およびCD34陽性細胞の網羅的遺伝子発現解析を実施する。MDSモデルマウスで得られた知見について、MDS患者を用いた検証の準備状況は順調である。

研究成果

• [雑誌論文] 再発時に<i>PTPN11</i>変異によるクローン交代を認めた<i>FLT3</i>-ITD変異陽性急性骨髄性白血病 (2024)
  • 著者名/発表者名: 栗原 一也、酒井 知史、神原 康弘、奈邊 愛美、手島 航、浅野 雄哉、神宮寺 敦史、島袋 将志、大内 史彦、稲井 一貴、厚井 聡志、貞任 大地、新谷 直樹、遠矢 嵩、清水 啓明、小林 武、大保木 啓介、原田 浩徳、奥山 美樹、原田 結花、土岐 典子、名島 悠峰、平間 千津子、原口 京子、加藤 可那、近藤 花織、貞賀 泰孝、加藤 千賀
  • 雑誌名: 臨床血液 巻: 65 ページ: 63～68
  • DOI: 10.11406/rinketsu.65.63
  • 査読あり
• [雑誌論文] A MAP1B?cortactin?Tks5 axis regulates TNBC invasion and tumorigenesis (2024)
  • 著者名/発表者名: Inoue Hiroki、Kanda Taku、Hayashi Gakuto、Munenaga Ryota、Yoshida Masayuki、Hasegawa Kana、Miyagawa Takuya、Kurumada Yukiya、Hasegawa Jumpei、Wada Tomoyuki、Horiuchi Motoi、Yoshimatsu Yasuhiro、Itoh Fumiko、Maemoto Yuki、Arasaki Kohei、Wakana Yuichi、Watabe Tetsuro、Matsushita Hiromichi、Harada Hironori、Tagaya Mitsuo
  • 雑誌名: Journal of Cell Biology 巻: 223 ページ: e202303102
  • DOI: 10.1083/jcb.202303102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recurrent DDX41 mutation in very late relapse after allogeneic stem cell transplantation (2024)
  • 著者名/発表者名: Kambara Yasuhiro、Sadato Daichi、Toya Takashi、Honda Akira、Kato Seiko、Hirama Chizuko、Haraguchi Kyoko、Shimizu Hiroaki、Najima Yuho、Kobayashi Takeshi、Okuyama Yoshiki、Harada Hironori、Takahashi Satoshi、Kurokawa Mineo、Harada Yuka、Doki Noriko
  • 雑誌名: Leukemia 巻: 38 ページ: 667～670
  • DOI: 10.1038/s41375-024-02152-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] <scp>RNAi</scp> screening reveals a synthetic chemical?genetic interaction between <scp>ATP</scp> synthase and <scp>PFK1</scp> in cancer cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Hiroki、Takase Shohei、Nishimura Haruna、Matsumoto Ken、Harada Hironori、Yoshida Minoru
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 114 ページ: 1663～1671
  • DOI: 10.1111/cas.15713
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mitochondrial dynamics as a pathobiological mediator of clonal myeloid disorders (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Yoshihiro、Harada Hironori
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 114 ページ: 2722～2728
  • DOI: 10.1111/cas.15810
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gilteritinib Affects the Selection of Dominant Clones in Clonal Hematopoiesis: Sequential Genetic Analysis of an FLT3-ITD Positive AML Patient with Long-Term Gilteritinib Therapy (2023)
  • 著者名/発表者名: Katagiri Seiichiro、Furuya Nahoko、Akahane Daigo、Chi SungGi、Minami Yosuke、Harada Yuka、Harada Hironori、Gotoh Akihiko
  • 雑誌名: OncoTargets and Therapy 巻: Volume 16 ページ: 571～576
  • DOI: 10.2147/OTT.S417137
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 骨髄異形成症候群での血小板減少症治療薬同定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小林大貴, 小溝悠太, 渡邉七海, 上村（青栁）泰成, 結城加奈, 林嘉宏, 原田結花, 原田浩徳.
  • 学会等名: 第28回造血器腫瘍研究会
• [学会発表] Mitochondrial fragmentation is a new therapeutic target and diagnostic criteria for myelodysplastic syndromes (2024)
  • 著者名/発表者名: Kamimura-Aoyagi Y. Harada Y. Nomura K. Matsunuma N. Yuki K. Kobayashi H. Hayashi Y. Hijikata A. and Harada H.
  • 学会等名: 3rd Regional Symposium on Myelodysplastic Syndromes
• [学会発表] 同種移植後晩期再発造血器腫瘍におけるDDX41変異 (2023)
  • 著者名/発表者名: 遠矢 嵩，神原 康弘，貞任 大地，本田 晃，加藤 せい子，平間 千津子，原田 浩徳，高橋 聡，黒川 峰夫，原田 結花，土岐 典子．
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
• [学会発表] 骨髄異形成症候群と他の血球減少との鑑別診断におけるミトコンドリアダイナミクスの有用性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野村 洸介，原田 結花 ，上村（青柳） 泰成，松沼 菜摘，森 洸貴，和泉 綾，小溝 悠太，小林 大貴，林 嘉宏，土方 敦司，土岐 典子，萩原 政夫，赤羽 大悟，後藤 明彦，原田 浩徳．
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
• [学会発表] Micro-CNA検出法を利用した遺伝子コピー数変化を主因とする骨髄系腫瘍の診断 (2023)
  • 著者名/発表者名: 貞任 大地，遠矢 嵩，平間 千津子，土岐 典子，原田 浩徳，原田 結花．
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
• [学会発表] 初発MDSにおけるIPSS-RとIPSS-Mの比較：単施設での検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大月 俊輔，片桐 誠一朗，荒井 勇弥，若松 昇平，森山 充，山田 晃子，勝呂 多光子，浅野 倫代，吉澤 成一郎，赤羽 大悟，田中 裕子，古屋 奈穂子，藤本 博昭，岡部 聖一，後藤 守孝，伊藤 良和，原田 結花，原田 浩徳，後藤 明彦．
  • 学会等名: 第85回日本血液学会学術集会
• [学会発表] 細胞分画を用いたクロマチン特性解析による骨髄異形成症候群の病態解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大島 基彦，高山 直也，中島 やえ子，小出 周平，原田 浩徳，原田 結花，Ye Ding，明星 智洋，岩間 厚志．
  • 学会等名: 第85回日本血液学会学術集会
• [学会発表] ミトコンドリアダイナミクス異常に基づく骨髄異形成症候群の新規診断法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上村-青柳 泰成，原田 結花，野村 洸介，松沼 菜摘，森 洸貴，和泉 綾，小溝 悠太，小林 大貴，林 嘉宏，土方 敦司，土岐 典子，萩原 政夫，赤羽 大悟，後藤 明彦，原田 浩徳．
  • 学会等名: 第85回日本血液学会学術集会
• [学会発表] パネルシークエンスにおけるMicro-CNA検出法の確立とその骨髄系腫瘍の診断への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 貞任 大地，遠矢 嵩，平間 千津子，土岐 典子，原田 浩徳，原田 結花．
  • 学会等名: 第85回日本血液学会学術集会
• [学会発表] 骨髄性白血病細胞、および赤芽球細胞分化における非コードRNA CCDC26の役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平野 哲男，田中 佑佳，鶴田 智美，原田 浩徳，石田 敦彦．
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Venetoclax-Based Therapy Before Allogeneic Hematopoietic Cell Transplantation for Acute Myeloid Leukemia/Myelodysplastic Syndromes (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato T, Najima Y, Sadato D, Hirama C, Kato K, Kondo K, Sadaga Y, Sakai S, Kambara Y, Nabe Y, Teshima K, Asano Y, Kurihara K, Jinguji A, Shimabukuro M, Ouchi F, Inai K, Koi S, Shingai N, Toya T, Shimizu H, Haraguchi K, Kobayashi T, Harada H, Okuyama Y, Harada Y, Doki N.
  • 学会等名: The 65th ASH Annual Meeting and Exposition
  • 国際学会
• [学会発表] Transposable Elements Are Differentially Expressed in MDS Stem Cells in a Disease-Stage-Specific Manner (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa S, Oshima M, Nakajima-Takagi Y, Takayama Y, Shinoda D, Kaito S, Kamiya T, Yamada Y, Andoh S, Kayamori K, Sakaida E, Sato E, Yusa N, Yokoyama K, Nannya Y, Tojo A, Imoto S, Rahmutulla B, Kaneda A, Yamaguchi K, Furukawa Y, Doki N, Nishikawa K, Ding Y, Myojo T, Harada Y, Harada H, Iwama A.
  • 学会等名: The 65th ASH Annual Meeting and Exposition
  • 国際学会