慶應義塾大学医学部 血液内科

Division of Hematology Department of Medicine Keio University School of Medicine

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研究 基礎研究

基礎研究:血液内科研究室

研究活動

近年、次世代シーケンス技術の発達により、様々な悪性腫瘍において遺伝子異常の全体像が明らかとなってきました。そのような流れの中で、我々は造血器腫瘍を中心として網羅的な遺伝子解析に取り組んでおり、世界に先駆けて、成人T細胞白血病リンパ腫などの遺伝子異常の全体像を解明し、その臨床的な意義を明らかにしてきました(K Kataoka et al., Nat Genet. 2015; K Kataoka et al., Blood. 2018)。さらに、その結果に基づいて、がん横断的な解析(全がん解析)を行い、免疫チェックポイント阻害剤の標的として注目されているPD-L1遺伝子のゲノム異常が様々な悪性腫瘍に存在し、がん免疫からの回避に関与することを明らかにしてきました(K Kataoka et al., Nature. 2016; K Kataoka et al., Leukemia. 2019)。また、さらに多数例の全がん解析を通じて、がん遺伝子における複数変異が相乗的にがん化を促進するという新たな発がん機構を解明しました(Y Saito, J Koya et al., Nature. 2020)。このように、我々は次世代シーケンスによりがんの遺伝子異常の全体像を解明することによって、創薬標的やバイオマーカーとなり得る新規のがん関連遺伝子を同定すること、および、同定された遺伝子異常に基づいて、分子生物学的手法や動物モデルなどを駆使することにより、がんの分子病態を理解することを目指しています。さらに、臨床(研究)と連携して同定された遺伝子異常の臨床的な意義の確立や、臨床シーケンスなどを含めた個別化医療への応用に取り組んでいます。

研究テーマ(1)

「次世代シーケンスによるがんゲノム解析」

造血器腫瘍を含むすべての悪性腫瘍は、ドライバーとなるがん関連遺伝子の機能を変化させる体細胞異常を獲得することにより引き起こされます。近年、我々のグループも含め世界中の主要ながん研究機関によって、大規模かつ系統的な遺伝子解析研究が行われ、幅広いがん腫において遺伝子異常の全体像が明らかにされつつあります。これらの成果は、シーケンス技術の発達、特に大量並列シーケンシング(次世代シーケンシング:next-generation sequencing: NGS)の開発により実現されたものであります。その結果、遺伝子変異(点突然変異や挿入・欠失変異)、コピー数異常(増幅および欠失)、構造異常(転座、欠失、逆位、重複)、融合遺伝子などの様々な種類の体細胞異常が明らかにされ、がん発症・進展に重要であるドライバー遺伝子の網羅的なカタログが生成されるだけでなく、腫瘍化に至る生物学的過程の解明が進みつつあります。さらに、大規模シーケンスの結果、古典的にがんの発症に重要と考えている、細胞の生存・増殖に関与するシグナル伝達経路の異常(RASやBCR-ABLなど)や、腫瘍抑制遺伝子(TP53やRB1など)に加えて、エピジェネティック制御因子(IDH1/2やDNMT3Aなど)やスプライシング因子(SF3B1やU2AF1など)、免疫回避関連遺伝子(PD-L1など)などの新たなドライバー遺伝子が見出されています。これらの中には、多数の潜在的な治療標的や、治療反応性や予後に影響を与える遺伝子異常(バイオマーカー)が含まれると考えられ、今後臨床への応用が進むと考えられています。

「成人T細胞白血病リンパ腫における網羅的遺伝子解析」

このような流れの中で、我々は世界に先駆けて、多数の成人T細胞白血病リンパ腫(adult T-cell leukemia/lymphoma: ATL)患者について、全エクソン解析・全ゲノム解析による変異および構造異常の検出、RNAシーケンスによる融合遺伝子の同定、マイクロアレイによるコピー数解析やDNAメチル化解析を含む、包括的な遺伝子解析を行ってきました。その結果、ATLにおける遺伝子異常の全体像を解明し、PLCG1やPRKCB、VAV1などの機能獲得型変異や、CTLA4-CD28融合遺伝子などの構造異常を含む、多数の新規の遺伝子異常を同定してきました(K Kataoka et al., Nat Genet. 2015; Y Kogure Y et al., Cancer Sci. 2017)。さらに、これらの遺伝子異常が臨床的因子とともに予後に影響を与えることを明らかにしてきました(K Kataoka et al., Blood. 2018)。

ATLにおける遺伝子異常の全体像

図:ATLにおける遺伝子異常の全体像(K Kataoka et al., Nat Genet. 2015)

「PD-L1ゲノム異常の同定とがん免疫回避における役割の解明」

ATLにおける遺伝子解析、およびthe Cancer Genome Atlas(TCGA)で利用可能な30種類以上の悪性腫瘍における10,000例を超えるがん横断的な解析を行い、ATLと12種類の主要な悪性腫瘍(消化器がん、肺がん、頭頸部がん、B細胞性リンパ腫など)においてPD-L1 3′-非翻訳領域(untranslated region: UTR)を標的とするゲノム異常によりPD-L1の恒常的活性化が認められることを明らかにしました(K Kataoka et al., Nature. 2016)。さらに、CRISPR/Cas9システムおよびマウス腫瘍退縮モデルを用いた解析により、PD-L1 3′-UTR異常を持つ腫瘍は免疫回避による腫瘍増殖が促進されるが、その効果はPD-1/PD-L1阻害により著しく減弱されることを明らかにしました。これらの結果は、PD-L1 3′-UTR異常が免疫チェックポイント阻害剤の治療標的となり、そのバイオマーカーとして有用である可能性だけでなく、遺伝学的メカニズムが腫瘍細胞の免疫回避に重要な役割を果たすことを示しています。

様々ながん腫におけるPD-L1 3′-UTR異常A 様々ながん腫におけるPD-L1 3′-UTR異常B

図:様々ながん腫におけるPD-L1 3′-UTR異常(K Kataoka et al., Nature. 2016)
A. 様々な種類の構造異常によりPD-L1 3′-UTR異常が起こると、mRNA分解が抑制されてPD-L1恒常的活性化が誘導され、がん細胞の免疫回避が促進される。B. 各悪性腫瘍におけるPD-L1 3′-UTR異常とPD-L1発現の関係。

「造血器腫瘍に対する遺伝子解析パネル検査の社会実装」

このように造血器腫瘍の発症・進展に重要なドライバー遺伝子異常が、我々を始めとして様々な研究グループから報告されています。さらに、これらの遺伝子異常は、様々な造血器腫瘍において治療薬の選択だけでなく、疾患の診断や予後予測に有用であることが報告されており、遺伝子異常をまとめて検出することが患者一人一人に合わせた「個別化医療」の実現に繋がることが期待されています。しかしながら、造血器腫瘍において重要な遺伝子異常は、塩基置換、コピー数異常、構造異常、融合遺伝子と多岐に渡り、これらを1度の検査で網羅的に検査できるNGSを用いた遺伝子解析パネル検査は、日本では実装されていません。我々は日本血液学会より発表された造血器腫瘍ゲノム検査ガイドラインに基づき、造血器腫瘍において重要な遺伝子異常を網羅的に検出可能な遺伝子解析パネル検査の開発を行っています。このパネルにより、IGH転座を始めとする構造異常や様々な種類の融合遺伝子を含む多様な異常の網羅的検出を可能としています。さらに、国立がんセンター中央病院・東病院、ゲノム解析実績を有する医療機関、診断薬開発企業などと共同で、遺伝子パネル検査の性能検証および検体入手からエキスパートパネル、結果報告に至るまでの臨床シーケンスの実用性の評価を通して、造血器腫瘍に対する遺伝子解析パネル検査の社会実装を目指しています。

workflow for clinical sequence

「横断的がんマルチオミクス解析による新規の発がん機構の解明」

我々は、これまで最大規模の症例数である6万例(150がん種以上)を超える大規模ながんゲノムデータについて、スーパーコンピューターを用いた遺伝子解析を行い、同一がん遺伝子内における複数変異が相乗的に機能するという新たな発がんメカニズムを解明しました (Y Saito, J Koya et al., Nature. 2020)。従来、がん遺伝子は単独で変異が生じることが多いと考えられてきましたが、一部のがん遺伝子では複数の変異が生じやすいことが明らかになりました。PIK3CA遺伝子・EGFR遺伝子などの代表的ながん遺伝子では変異を持つ症例の約10%が同一遺伝子内に複数の変異を有しており、これらの大部分は染色体の同じ側(シス)に起きていました。同一がん遺伝子に複数変異が生じる場合、単独の変異では低頻度でしか認められない部位やアミノ酸変化がより多く選択されていました。これらの変異は単独では機能的に弱い変異ですが、複数生じることで相乗効果により強い発がん促進作用を示しました。特にPIK3CA遺伝子で複数変異を持つ場合は、単独変異よりもより強い下流シグナルの活性化や当該遺伝子への依存度が認められ、特異的な阻害剤に対して感受性を示しました。これらの結果は、同一がん遺伝子内の複数変異が発がんに関与する新たな遺伝学的メカニズムであることを示しています。本研究により、これまで単独では意義不明であった変異が生じる理由が説明可能となるほか、複数変異は分子標的薬の治療反応性を予測するバイオマーカーにもなり得るため、がんゲノム診療に役立つことが期待されます。当研究室は、このように多様ながん種由来の様々な解析プラットフォームによる解析データを統合的に扱う、「横断的がんマルチオミクス解析」プロジェクトを進めており、重要な発がん機序の解明に取り組んでいます。

網羅的全がんゲノム解析

主要文献<研究テーマ(1)>

  • Saito Y, Koya J (co-first), Araki M, et al. Landscape and function of multiple mutations within individual oncogenes. Nature, 582:95-99, 2020 [32494066]
  • Kataoka K, Miyoshi H, Sakata S, et al. Frequent structural variations involving programmed death ligands in Epstein-Barr virus-associated lymphomas. Leukemia, 33:1687-1699, 2019 [30683910]
  • Kataoka K, Iwanaga M, Yasunaga J, et al. Prognostic relevance of integrated genetic profiling in adult T-cell leukemia/lymphoma. Blood. 131:215-225, 2018 [29084771]
  • Takeda Y, Kataoka K (co-first), Yamagishi J, et al. A TLR3-Specific Adjuvant Relieves Innate Resistance to PD-L1 Blockade without Cytokine Toxicity in Tumor Vaccine Immunotherapy. Cell Rep, 19:1874-1887, 2017 [28564605]
  • Koya J, Kataoka K, Sato T, et al. DNMT3A R882 mutants interact with polycomb proteins to block haematopoietic stem and leukaemic cell differentiation. Nat Commun, 7:10924, 2016 [27010239]
  • Kataoka K, Shiraishi Y, Takeda Y, et al. Aberrant PD-L1 expression through 3'-UTR disruption in multiple cancers. Nature, 534:402-406, 2016 [27281199]
  • Kataoka K, Nagata Y, Kitanaka A, et al. Integrated molecular analysis of adult T cell leukemia/lymphoma. Nat Genet, 47:1304-1315, 2015 [26437031]
  • Kataoka K, Sato T, Yoshimi A, et al. Evi1 is essential for hematopoietic stem cell self-renewal, and its expression marks hematopoietic cells with long-term multilineage repopulating activity. J Exp Med, 208:2403-2416, 2011 [22084405]

研究テーマ(2)

「造血幹細胞移植後の免疫再構築およびウイルス感染症に関する検討」

当院では、造血器疾患に対し、同種造血幹細胞移植を年間30-40例ほど行っています。造血幹細胞移植は唯一の根治療法ではありますが、大変リスクの高い治療でもあり、様々な移植後合併症を認め、治療に難渋することがあります。その一つとして、強力な化学療法と免疫抑制剤の影響で様々な感染症にかかりやすくなることが知られています。特にサイトメガロウイルス、ヒトヘルペスウイルス6、水痘帯状疱疹ウイルス、アデノウイルス、BKウイルスなどのウイルスは、時に命にかかわる重篤な感染症を引き起こします。 当研究室では、このようなウイルス感染症の予防および治療に結びつく知見を得ることを目的に、移植患者さんから同意を得て臨床検体を頂戴し、ウイルスに対する特異免疫や移植後免疫再構築について詳細の検討を行っています。 私たちは、患者さんのベッドサイドで生まれた疑問に基礎的にアプローチし、患者さんの実際の治療に還元することを目標に研究を進めています。

主要文献<研究テーマ(2)>

  • Mori T, Kikuchi T, Kato J, et al. Seasonal changes in indoor airborne fungal concentration in a hematology ward. J Infect Chemother, 26:363-366, 2020 [31791593]
  • Shiroshita K, Mori T, Kato J, et al. Clinical characteristics of human herpesvirus-6 myelitis after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation and its favorable outcome by early intervention. Bone Marrow Transplant, 55:939-945, 2020 [31754252]
  • Nakayama H, Yamazaki R, Mori T, et al. Human Herpesvirus 6 Reactivation Evaluated by Digital Polymerase Chain Reaction and Its Association With Dynamics of CD134-Positive T Cells After Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation. J Infect Dis, 220:1001-1007, 2019 [31063196]
  • Yamazaki R, Kikuchi T, Mori T, et al. Recurrent bacterial pneumonia due to immunoglobulin G2 subclass deficiency after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation: Efficacy of immunoglobulin replacement. Transpl Infect Dis, 20:e12863, 2018 [30929295]
  • Kato J, Mori T, Suzuki T, et al. Nosocomial BK Polyomavirus infection causing hemorrhagic cystitis among patients with hematological malignancies after hematopoietic stem cell transplantation. Am J Transplant, 17:2428-2433, 2017 [28295968]
ATLにおける遺伝子異常の全体像

今後の展望

現在は、造血器腫瘍を中心に、未だに遺伝子異常が十分に明らかではない悪性腫瘍の網羅的な遺伝子解析を行うだけでなく、我々がPD-L1 3′-UTR異常を同定したのと同様のがん横断的なアプローチにより、悪性腫瘍全体の遺伝子異常の全体像を明らかにしようと試みています。特に、次世代シーケンスにより得られたビッグデータを医学的・生物学的に異なる視点から解析・解釈することにより、新たな発見を見出すことを目標としています。同時に、新規に同定された遺伝子異常が腫瘍化に果たす役割について、CRISPR/Cas9システムなどの最先端の分子生物学的手法や遺伝子改変動物モデルなどを用いて解明することを目指しています。さらに、このような研究成果を臨床に還元するために、遺伝子異常に対する分子標的薬の開発やバイオマーカーとしての意義の検討や、造血器腫瘍に対する遺伝子解析パネルの開発、臨床シーケンスなどを含めた個別化医療への応用に取り組んでいます。

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大学院生がお世話になっている研究室

国立国際医療研究センター研究所生体恒常性プロジェクト(田久保圭誉 生体恒常性プロジェクト長)

綿貫慎太郎、城下郊平、藤田進也

山口健太郎