正常肺組織、肺前がん病変のオミックス解析による肺がん発症機序の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23H02758
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 国立研究開発法人国立がん研究センター
• 研究代表者: 吉田 健一 国立研究開発法人国立がん研究センター, 研究所, 分野長 (50738226)
• 研究分担者: 関根 圭輔 国立研究開発法人国立がん研究センター, 研究所, ユニット長 (00323569) ; 谷田部 恭 国立研究開発法人国立がん研究センター, 中央病院, 科長 (90280809)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 正常気管支上皮 / 肺がん

研究実績の概要

本研究では、肺腺がんの発症する末梢肺の正常組織について、正常細胞に加齢や環境因子により遺伝子異常が蓄積し、さらに獲得された遺伝子異常により多様性の獲得やクローン拡大をきたす過程を明らかにするため、正常細胞や前がん病変のゲノム解析や空間的発現解析などのオミックス解析を行う。主に2つの方法で研究を行い、一つは肺がん手術検体などから採取した末梢肺組織を用いて、正常気管支上皮細胞（基底細胞あるいは２型肺胞上皮細胞）から単一細胞由来オルガノイドを作製し、全ゲノム解析を行う。遺伝子変異量や変異シグネチャーの解析により遺伝子変異の蓄積する過程を明らかにし、環境因子や加齢による遺伝子異常の蓄積を明らかにする。また、系統樹解析によりドライバー変異の獲得のタイミングについても解析する。もう一つの方法として、バイオバンクに保存されている肺がん手術検体を用いて、正常組織や肺前がん病変のゲノム解析を行う。正常組織および肺がん検体については新鮮凍結検体を用い、前がん病変についてはアーカイバルな組織が得られやすいFFPE検体を用い、正常組織や微小な前がん病変についてはレーザーマイクロダイセクションによりサンプルを抽出して、ゲノム解析を行う。さらにゲノム解析の結果を用いて最新の空間解析法である空間的発現解析を追加する。これらの結果により正常組織、前がん病変、がんとの遺伝子変異量やドライバー変異の違いやクローンの空間的拡大を明らかにする。
これまでのところ、正常気管支上皮細胞由来のオルガノイドの全ゲノム解析を行い、末梢気管支細胞では中枢気管支上皮細胞に比べて喫煙によると考えられる遺伝子異常が少ないことなどを明らかになった。

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

本年度はこれまでに13人の国立がん研究センター中央病院において肺がん疑いで手術を受けた症例から正常な中枢あるいは末梢の気管支上皮細胞由来のオルガノイド作製を行なった。その結果、十分な数のオルガノイドが作製できなかった6例を除いた7例から合計184個のオルガノイドが樹立された。7症例の背景疾患の内訳は肺腺がん（5例）、肺大細胞がん（1例）、炎症性病変（１例）であり、このうち4例が非喫煙者、3例が喫煙者であった。樹立されたオルガノイドのうち142検体について全ゲノム解析を行なった（症例あたり10-32個）。
末梢気管支の検体からはオルガノイドの樹立効率が低く、4検体のみで樹立可能であったが、4症例での比較では末梢気管支から樹立したオルガノイドにおいて遺伝子変異数が少ない傾向があり、特に喫煙歴のある症例では顕著であり、末梢気管支の方が喫煙による遺伝子変異の蓄積の影響が少ないと考えられた。さらに、オルガノイドで検出された変異（1塩基置換）の情報から変異シグネチャー解析を行なったところ、過去に肺がんで報告のあるSBS4、SBS5、SBS2、SBS13に加えて、新たなシグネチャーが検出され、過去の研究で喫煙との関連が報告されたSBS16であると考えられた。非喫煙者由来あるいは末梢気管支上皮細胞由来のオルガノイドでは喫煙に関連する変異シグネチャーであるSBS4の変異が少ない傾向が見られ、末梢肺で遺伝子変異が少ないことを裏付ける所見であると考えられた。

今後の研究の推進方策

今後はオルガノイド検体についてはドライバー遺伝子の解析やクローン構造の解析を進め、ドライバー変異によるクローン進化が見られているか解析する。また、オルガノイドを樹立した症例に発生した肺がん検体の解析を行い、正常細胞が蓄積した遺伝子異常を背景に、がんへとクローン進化する過程をさらに明らかにする必要がある。また、飲酒など喫煙以外の環境因子や遺伝学的背景との気管支上皮細胞におけるゲノム異常の関係や、女性に多いという性別差や日本人に多い原因についてもさらに症例を増やして解析する必要がある。
正常気管支におけるクローン拡大について明らかにするため、レーザーマイクロダイセクションによる微小サンプリングにより、正常気管支上皮や前がん病変のゲノム解析を行い、クローン拡大を解析する予定である。さらにゲノム解析の結果を用いて最新の空間解析法である空間的発現解析を追加する。これらの結果により正常組織、前がん病変、がんとの遺伝子変異量やドライバー変異の違いやクローンの空間的拡大を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Advances in cancer DNA methylation analysis with methPLIER: use of non-negative matrix factorization and knowledge-based constraints to enhance biological interpretability (2024)
  • 著者名/発表者名: Takasawa Ken、Asada Ken、Kaneko Syuzo、Shiraishi Kouya、Machino Hidenori、Takahashi Satoshi、Shinkai Norio、Kouno Nobuji、Kobayashi Kazuma、...、Mukai Masami、Yoshida Tatsuya、Yoshida Yukihiro、Horinouchi Hidehito、Watanabe Shun-Ichi、Ohe Yuichiro、Yatabe Yasushi、Kohno Takashi、Hamamoto Ryuji
  • 雑誌名: Experimental & Molecular Medicine 巻: 56 ページ: 646～655
  • DOI: 10.1038/s12276-024-01173-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genomic Staging of Multifocal Lung Squamous Cell Carcinomas Is Independent of the Comprehensive Morphologic Assessment (2024)
  • 著者名/発表者名: Dacic Sanja、Cao Xuanye、Bota-Rabassedas Neus、Sanchez-Espiridion Beatriz、Berezowska Sabina、Han Yuchen、Chung Jin-Haeng、Beasley Mary Beth、...、Thunnissen Erik、Tsao Ming-Sound、Yatabe Yasushi、Yoshida Akihiko、Wang Linghua、Hartman Douglas J.、Jerome Jacob A.、Kadara Humam、Chou Teh-Ying、Wistuba Ignacio I.
  • 雑誌名: Journal of Thoracic Oncology 巻: 19 ページ: 273～284
  • DOI: 10.1016/j.jtho.2023.09.275
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evolutionary histories of breast cancer and related clones (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Tomomi、Kakiuchi Nobuyuki、Yoshida Kenichi、Sakurai Takaki、Kataoka Tatsuki R.、Kondoh Eiji、Chigusa Yoshitsugu、Kawai Masahiko、Sawada Morio、Inoue Takuya、...、Chiba Kenichi、Shiraishi Yuichi、Takita Junko、Miyano Satoru、Mandai Masaki、Sato Toshiro、Takeuchi Kengo、Haga Hironori、Toi Masakazu、Ogawa Seishi
  • 雑誌名: Nature 巻: 620 ページ: 607～614
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06333-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Radiological precursor lesions of lung squamous cell carcinoma: Early progression patterns and divergent volume doubling time between hilar and peripheral zones (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugawara Haruto、Yatabe Yasushi、Watanabe Hirokazu、Akai Hiroyuki、Abe Osamu、Watanabe Shun-ichi、Kusumoto Masahiko
  • 雑誌名: Lung Cancer 巻: 176 ページ: 31～37
  • DOI: 10.1016/j.lungcan.2022.12.007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Whole-genome sequencing reveals the molecular implications of the stepwise progression of lung adenocarcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Haga Yasuhiko、Sakamoto Yoshitaka、Kajiya Keiko、Kawai Hitomi、Oka Miho、Motoi Noriko、Shirasawa Masayuki、Yotsukura Masaya、Watanabe Shun-Ichi、...、Seki Masahide、Kanai Akinori、Shiraishi Yuichi、Yatabe Yasushi、Matsubara Daisuke、Suzuki Yutaka、Noguchi Masayuki、Kohno Takashi、Suzuki Ayako
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 8375
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43732-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Evolutionary histories of breast cancer and related clones. (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Nishimura, Nobuyuki Kakiuchi, Kenichi Yoshida, Takaki Sakurai, Tatsuki R. Kataoka, Sawada Morio, Yasuhide Takeuchi, Hirona Maeda, Junko Takita, Satoru Miyano, Masaki Mandai, Toshiro Sato, Kengo Takeuchi, Hironori Haga, Masakazu Toi, Seishi Ogawa.
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
• [学会発表] 正常組織に見られるクローン進化から考える小児がんの発症. (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉田健一
  • 学会等名: 第65回日本小児血液・がん学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Overview and perspective of spatial analysis in Cancer Research (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷田部恭
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 受動喫煙が肺腺がんの発生・進行に及ぼす変異原性寄与 (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月晶史, 本多隆行, 角南久仁子, 宮崎泰成, 吉田幸弘, 渡辺俊一, 堀之内秀仁, 谷田部恭, 河野隆志
  • 学会等名: 第64回日本肺癌学会学術集会