がんゲノムアトラス（TCGA）計画は、がんのゲノム地図を描き出した。しかし、地図がわかっても道がわかるわけではない。遺伝子が突然変異を起こすことはよく知られている——塩基の置換、欠失、挿入が積み重なり、細胞は徐々に制御不能へと向かう。だが、あまり知られていないのは、遺伝子そのものは変わらずとも、発現のしかたに異常をきたしうるということである。これがエピジェネティクスの領分である。
Cytosine methylation in mammalian DNA is regarded as a key epigenetic modification controlling essential processes such as imprinting, silencing of retrotransposons and cell differentiation.
メチル化はエピジェネティクスにおける最も古典的な修飾である。DNAは同じDNAのままだが、その上にメチル基が付加されることで、本来は開くはずの遺伝子が閉じられてしまう。逆もまた然りである。正常な細胞はメチル化によって自らのアイデンティティを保っている——肝細胞は自らが肝細胞であることを記憶し、ニューロンは自らがニューロンであることを記憶する。それを支えているのが、このエピジェネティックな記憶システムなのである。
問題は、このシステムががんでは乱されてしまうことである。がん細胞には遺伝子変異だけでなく、異常なメチル化パターンも存在する——本来は抑制されているはずの遺伝子が活性化し、本来は活性化しているはずの遺伝子が抑制される。乳がんは特に典型的で、サブタイプごとに異なるメチル化の指紋を持つ。
SOX2はその典型例である。
SOX2 is normally expressed in embryonic stem cells and neural progenitor cells, where it maintains self-renewal. DNA methylation in the SOX2 promoter and enhancer regions functions as an epigenetic switch, which forces cells to activate multiple differentiation pathways.
この遺伝子は胚性幹細胞において主役を担い、幹細胞の自己複製能を維持している。正常な成人組織ではほぼ発現しておらず、細胞はすでに分化を終えてSOX2を必要としない。しかし研究者らは、基底細胞様乳がんの約43%においてSOX2が異常活性化していることを見出した。腫瘍組織ではSOX2プロモーターのメチル化レベルが正常組織よりも低く、一方でコピー数は増加していた——この二重の推進力により、この転写因子はがん細胞内で過剰に発現するようになり、CYCLIN D1を直接活性化して細胞増殖を加速させる。
The downregulation of SOX2 by RNA interference decreased the tumorigenic phenotype in the lung, breast and ovarian cancers.
ここが興味深い。SOX2は変異によってがん化したのではない。「解き放たれた」ことによって悪さを始めたのである。メチル化状態の変化で活性化されたのならば、メチル化状態を改変することで再び抑制することはできないだろうか。
理論上は可能である。メチル化は内在性のタンパク質によって書き込まれ、読み取られ、細胞分裂の際には娘細胞へ忠実に受け継がれる。SOX2のプロモーターに人為的に新規メチル化を導入できれば、理論上は「遺伝」する抑制状態を作り出せる——治療中だけでなく、治療を止めた後も効果が持続する抑制状態である。
We reasoned that artificial incorporation of de novo DNA methylation in the SOX2 promoter would confer stable oncogenic silencing, resulting in a sustained blockade of cell growth, faithfully propagated in successive cell generations.
どう実現するのか。研究者らは巧妙な手法を用いた。ジンクフィンガータンパク質とDNAメチルトランスフェラーゼ3A（DNMT3A）を融合させたのである。
These 6ZFs were linked to the catalytic domain of DNA methyltransferase 3A (DNMT3A), an enzyme that catalyzes de novo DNA methylation, to correct the aberrant methylation state of SOX2 in cancer cells.
ジンクフィンガーをDNMT3Aの触媒活性ドメインと連結することで、この融合タンパク質は「修正ツール」を携えた標的装置のように機能する——SOX2プロモーターを見つけ出し、そこにメチル基を「塗りつける」のである。
この融合タンパク質はZF598-DNMT3Aと名付けられた。
実験結果は非常に興味深い。研究者らはドキシサイクリンを用いて融合タンパク質の発現を制御した——薬剤を加えれば発現し、除けば消失する。薬剤添加後、SOX2のmRNAレベルは90%低下した。これ自体は特に驚くべきことではない。多くの遺伝子サイレンシング技術で達成可能なことである。重要なのは、その先だ。薬剤を除去した後、どうなったか。
対照群のZF598-SKD（触媒活性をもたない抑制タンパク質）では、薬剤除去後すぐにSOX2の発現が回復し、何事もなかったかのようであった。一方、ZF598-DNMT3A群は異なっていた——薬剤を除去した後もSOX2の発現は低下し続け、投薬中よりもさらに減少した。
これは常識に反する。通常であれば、タンパク質がなくなればメチル化も徐々に消失していくはずである。しかし実験では、新規にメチル化されたCpGサイトが薬剤除去後にむしろ増加し、40%から90%にまで上昇した。これは何を意味するのか。メチル化はいったん確立されると自己維持できるということである——細胞分裂の際、既存のメチル化が新生DNA鎖のメチル化を導き、いわばエピジェネティックな「記憶」として機能するのである。
Our time-course analysis suggests that the de novo DNA methylation induced by the artificial methyltransferase results in both a phase of induction of gene silencing upon Dox induction, and a phase of maintenance and reinforcement of silencing (Dox removal).
さらに驚くべきは動物実験の結果である。ZF598-DNMT3Aを導入したMCF7細胞をヌードマウスに移植し、腫瘍が成長した後にドキシサイクリンで融合タンパク質の発現を誘導、その後に薬剤を除去して観察した。薬剤除去後も腫瘍の成長は抑制され続け、メチル化状態は生体内で50日以上維持された。マウスにとって50日は数ヶ月分の寿命に相当する期間であり、十分に説得力のある結果である。
研究者らはもう一つ興味深い詳細を発見した。腫瘍の表現型が変化したのである。もともと密に詰まっていたがん細胞のあいだに間質組織が出現し、間質マーカー（TWIST1、ビメンチン）は低下し、上皮結合タンパク質（クローディン4）は上昇した。がん細胞はある意味で、正常上皮の特徴をいくらか「取り戻した」ように見える。
筆者の考えでは、この研究の真の価値はSOX2を一つ抑制したこと自体にはないかもしれない。SOX2はもちろん重要だが、本当に興奮させられるのは、より広範な可能性である。がんのドライバー遺伝子の多くは転写因子やGTPアーゼ——KRAS、HRASなど——であり、これらのタンパク質には小分子薬が結合できる「ポケット」が存在しないため、従来の創薬アプローチでは手の打ちようがなかった。
Like transcription factors, many of the cancer-promoting driver mutations in cancer are not druggable. Therefore, programming a heritable state of targeted silencing in such major oncogenic drivers would be a high-impact achievement with far-reaching clinical implications for cancer therapy.
しかし今回の手法があれば、理論上は同じ戦略で、ジンクフィンガータンパク質が認識できるあらゆる標的に対処できる。ジンクフィンガー、TALEN、CRISPR——これらのDNA結合ツールはいずれも酵素活性ドメインと融合させることで、精密なエピジェネティック編集を実現できるのである。
もちろん、道のりはまだ長い。ジンクフィンガータンパク質の設計は容易ではなく、新たな標的ごとにスクリーニングをやり直す必要がある。腫瘍の不均一性を考えれば、すべてのがん細胞がこの治療に感受性を示すとは限らない。しかし方向性は正しい。がん治療における最大の難題の一つは再発である——切除し、死滅させても、数年後に再び出現する。治療の初期段階でこのエピジェネティックな「記憶」を確立し、残存するがん細胞が分裂しても抑制された状態を維持できれば、再発の問題は根本から解決できるかもしれない。
これはがん細胞と力比べをしているのではない。その運命を再プログラムしているのである。
参考文献
Stolzenburg S, Beltran AS, Swift-Scanlan T, et al. Stable oncogenic silencing in vivo by programmable and targeted de novo DNA methylation in breast cancer. Oncogene. 2015;34(44):5427-5435.