がんと代謝　～多細胞連関からオルガネラレベルの解像度での解析を目指して～

Abstract
Recently, integrative multi-omics analyses that link organs, cells and even organelles has been extensively studied and are attracting attention. In solid tumors, because of microenvironments such as hypoxia, malnutrition, and acidic pH caused by impaired vascular structures, cancer cells promote metastasis and invasiveness contributing resistance to chemotherapy and poor prognosis. Not only changes in the omics of cancer cells themselves, but also interactions between cells and organelles play an important role in cancer malignancy, attention as a target. Therefore, in this review, I would like to provide an overview from the perspective of multi-omics analysis that links cells, multicellular spaces, and organelles, which can be the essential cause of diseases such as cancer.

1． はじめに

　近年、疾患生物学研究において、臓器間や細胞間を連関するオ ミクス統合解析が盛んに行われている。また最近では、疾患オミ クス解析がオルガネラレベルの解像度で明らかになってきており 注目を浴びている。固形がんでは、不完全な血管構築や血流不全 により生じる低酸素、低栄養、低pH などのがん微小環境が存在し、 エピゲノム、トランスクリプトーム、プロテオーム、メタボロー ムなど様々な階層のオミクス変動を介して、転移・浸潤能などを 促進し、治療抵抗性や再発・転移などにより、予後不良のがん悪 性化に寄与することが知られてきた。この粗悪ながん微小環境で は、がん細胞自身のオミクス変動のみならず、細胞間の相互作用 やオルガネラ間の相互作用もがん悪性化に重要な役割を果たすた め、オルガネラ制御が新しい癌治療標的として注目を集めている。 そこで本項では、がんなど疾患の本質的な原因となり得る細胞― 多細胞間―オルガネラ間を連関するマルチオミクス解析の視点か ら概説したい。

2． がんと代謝研究におけるマルチオミクス研究の必要性

　がんや生活習慣病などの克服には、多階層オミクスを統合した疾患の病態解明から治療戦略の確立が重要と考えられる。がん組織内には、酸素や栄養状況が時空間的に変化するがん微小環境に起因する細胞不均一性（ヘテロジェナイティー）が存在する。固形がんでは、不完全な血管構築や血流不全により生じる低酸素、低栄養、低pH などのがん微小環境が、細胞間の相互作用やオルガネラ間の相互作用を介して、エピゲノム、遺伝子発現、タンパク質の相互作用、エネルギー代謝変動など、各階層における膨大な多次元要素が有機的に繋がって、がん細胞の転移や浸潤能の促進を引き起こし、がんの悪性化に寄与するが知られている。また、このような粗悪ながん微小環境に適応したがん細胞は、しばしば細胞死耐性を獲得し、免疫寛容や薬剤耐性を示すことで再発や患者の予後不良に関与することが報告されている。このことから、酸素や栄養の供給が不足したがん微小環境で生存するがん細胞に対する創薬標的を探索することが重要であると考えられる。本総説では、近年一般的になってきた、エピゲノム、トランスクリプトーム、メタボロームのマルチオミクス解析から新たに見えてきた、粗悪ながん微小環境で中心的な役割を果たす細胞―多細胞―オルガネラレベルのマルチオミクス解析の視点から最近の知見を紹介したい。

3.1 オミクス統合解析からみたがん細胞の悪性化機構

　　正常細胞と比べてがん細胞では解糖系に依存した代謝に変化することが古くから知られている。オット・ワーブルグ博士（1883-1970）により1920 年代に提唱された有名な事象であるが^1）、酸素の有無に関わらずがん細胞は、エネルギー産生としては非効率な経路（酸化的リン酸化が１分子のグルコースから38ATP 産生するのに対し、解糖系からは2ATP しか産生しない）である解糖系を中心的に利用するというものである。また、増殖期や低酸素のがん細胞において解糖系は、主要なエネルギー産生系であり、さらに、解糖系から核酸合成、アミノ酸合成、タンパク合成、細胞膜合成など細胞増殖のために必要な分子が制御される。また、グルタミン（グルタミノリシス）やロイシン、イソロイシン、リジンなどの分岐鎖アミノ酸（BCAA）を利用した経路が、がん幹細胞維持に重要であるということが注目されている^2）,^3）。また、増殖期の細胞における解糖系の亢進は、低酸素で活性化するHIF1a を介した一連の解糖系酵素群の発現誘導（転写制御）や、低酸素応答性ヒストンメチル化・脱メチル化酵素群 （エピゲノム制御）が関与していることが報告されている。さらに、最近では、タンパク質のリン酸化や複合体形成のみならず、RNA 修飾やRNA―タンパク質の結合を介したエピトランスクリプトーム制御が^4）、増殖期のがん細胞における多階層オミクスが解糖系を制御することが報告されている。
　これまで単なる低酸素や解糖系の結果として考えられてきた低pH がん微小環境においても、酢酸代謝の中心代謝酵素であるACSS2 が発現誘導されることを明らかとした^5）,^6）。我々の研究グループは、がんにおける酸性状態を模した培養系を用い、がん細胞に対しトランスクリプトーム、エピゲノムなどのオミクス統合解析を行なった。その結果、コレステロール代謝におけるマスターレギュレーターとして知られるSREBP2 を、低pH で機能する転写因子として見出した^7）（図2）。マルチオミクス解析が一般化されつつある現在、これまで知られていない多次元を連関するフィードバック制御機構が次々と発見されることが期待できる。

3.2 がん微小環境における細胞間代謝相互作用

　がん組織内の腫瘍微小環境は、栄養素や酸素、pHのみならず、さまざまな種類の細胞間の相互作用によって形成される^8）。例えば、がん細胞は、腫瘍微小環境で最も豊富な細胞の一つであるがん関連線維芽細胞（CAF）からのアラニンやグルタミンといった代謝物質を利用して増殖する。また、免疫細胞もがんの進行に関与しており、がん細胞から分泌される乳酸やキヌレニンなどの代謝物質が免疫細胞の免疫抑制機能を増強することが知られている^9）。さらに、T細胞の代謝異常は、がん細胞に対する免疫応答を抑制することが報告されている^10）。当研究室においても、がん細胞単独、あるいは多細胞連関モデルを用いた腫瘍形成実験を行ったところ、がん細胞－CAF－免疫細胞の代謝相互作用が腫瘍形成に大きく寄与することを見出している。
　これらの代謝相互作用を介した細胞間連関は、がん細胞の遺伝子やエピジェネティックな変化を誘導することが知られており、がんの進行や治療耐性に影響を与える可能性がある。例えば、CAFはがん細胞の増殖を促進するサイトカインを分泌することで、がん細胞の遺伝子発現プロファイルを変化させることが報告されている。また、腫瘍微小環境に存在する酸素の欠乏は、がん細胞の遺伝子発現や代謝プロセスを変化させ、治療抵抗性を引き起こすことが報告されている。したがって、腫瘍微小環境における細胞間相互作用の理解は、新しい治療法の開発に重要な役割を果たすことが期待される。

3.3 オルガネラ-オルガネラ代謝相互作用を介した疾患制御

　近年、疾患オミクス解析が臓器間や細胞間、さらにはオルガネラレベルの解像度で明らかになってきており、組織や細胞間相互作用だけでなく、オルガネラレベルでの代謝相互作用が注目されている。オルガネラは、時々刻々とその形態や局在を変化させ、局所的な生体物質の調節やシグナル伝達の場として機能し、多様な生理学的プロセスを調節することで、積極的に細胞機能を制御している。近年、超解像度顕微鏡をはじめとしたイメージング技術の飛躍的な向上により、個々のオルガネラが直接的な接着を介して互いに連関し、オルガネラ相互作用（ネットワーク）を形成していることが明らかになってきた。あるオルガネラの機能や形態変化が他のオルガネラにも影響するように、このネットワークは物理的な繋がりに留まらず、代謝物やシグナル伝達、オルガネラ形態制御など互いの機能を協調的に制御することで生体恒常性に重要な役割を果たしている^11）。我々は、腫瘍微小環境下におけるゴルジ体と小胞体（ER）の融合が起因となり転写因子が活性化し、コレステロール生合成を促進することを発見し、オルガネラの形態変化を介したがんや生活習慣病の新たな転写調節メカニズムとして注目している。また、ミトコンドリアの分裂が小胞体やゴルジ体との相互作用によって調節されていることが報告されているが^12）,^13）、我々も他のオルガネラを介したPIPsの代謝変換により制御される、新たなミトコンドリア外膜融合機構を見出している（図4）。さらに、PIPs代謝酵素KOマウスはミトコンドリア形態の異常を示し、循環機能不全を呈することから、オルガネラの独自構造が生体恒常性の維持は密接に関連しており、細胞内の正常な機能とバランスを維持するために重要な要素であることが示唆される。
　がんでは、オルガネラが腫瘍微小環境への適応を調節する上で重要な役割を果たし、細胞内でのミトコンドリア、ゴルジ体、小胞体、オルガネラの機能の変化は、がんの増殖、浸潤、そして転移や生活習慣病に関与すること報告されている^14）。最近では、ミトコンドリアがSTING活性化に関与していることが示唆されており、ミトコンドリア由来小胞からのDNAの放出やミトコンドリアのストレス応答がSTINGを刺激し、免疫応答を誘導することが報告されている^15）。さらに、従来ミトコンドリアは細胞内で生成・維持されるものと考えられてきたが、細胞間でミトコンドリア輸送を行う細胞間ミトコンドリア転送も観察され、オルガネラを介した細胞間連関という、新たな階層の細胞間オルガネラ相互作用の存在も示唆されている^16）。細胞間ミトコンドリア転送は、細胞の生存や代謝に重要な役割を果たす可能性があり、疾患の理解に新たな展望を提供する研究領域となり得る。細胞は、環境の変化やストレスに応じてオルガネラの形態を調節し、適切な機能を維持する仕組みを有しており、腫瘍微小環境下に晒されたがん細胞では、劇的なオルガネラ構造変化が起こり、オルガネラ相互作用が変動すると考えられる。これら病態の克服には、細胞内代謝適応の要となるミトコンドリアをはじめとしたオルガネラ間の代謝物を介した相互作用の理解が必須であり、がんや生活習慣病の新たな治療法の開発に繋がることが期待される。

4．おわりに

　生命は核酸、糖質、脂質、タンパク質などの複雑な有機化合物から構成されている。近年、次世代シークエンサー、質量分析器やクライオ電子顕微鏡などの普及により、ゲノム配列、転写、翻訳、代謝、タンパク質複合体、などの生命現象が網羅的に解析されてきており、従来の多細胞間相互作用、あるいは1細胞解析では捉えきれない、オルガネラレベルの代謝相互作用の解析へと展開され、がんの病態の研究はさまざまなスケールでの組織微小環境における代謝相互作用の評価が可能となってきている。本項では、（1）がん細胞自身は、がん代謝を変化させることにより、低酸素、栄養飢餓、酸性 pH などの腫瘍微小環境に適応する。これは、治療に抵抗性を持つがん細胞が存在する理由の一つであり、適応がんが創薬の新たな標的になる可能性がある。（2）がん細胞と異なる細胞間の代謝相互作用は、がんの進行と生存に不可欠な栄養素を供給する。CAFは、腫瘍微小環境内で最も豊富な細胞であり、腫瘍の形成に必要な栄養素の供給源である。したがって、CAFを標的とした治療法の開発が期待される。（3）オルガネラ間相互作用は、がんや生活習慣病における細胞増殖・老化、生存、転移、環境適応など本質的な特徴に関与している可能性がある。オルガネラを標的としたがんの治療は、細胞内での特定の代謝経路やオルガネラを制御のみならず生体における代謝ロバストネス制御に繋がる新しいがん治療戦略となることが期待される。