大学院研究について

肺腫瘍グループ基礎研究

EGFR-TKI耐性メカニズムの解析

癌幹細胞は抗癌剤や分子標的治療薬に対する抵抗性が高く、近年、この癌幹細胞を治療標的とする新たな戦略の重要性が示唆されています。現在までに研究代表者である高橋史行らは、Harvard Medical School/MGH Cancer Centerとの共同研究でEGFR-TKI高感受性肺癌細胞株を高濃度のGefitinibで培養し、薬剤抵抗性を示し残存した細胞集団は癌幹細胞マーカーCD133が陽性で、そのほとんどは静止期に維持していることを報告しました(論文1)。また、この細胞集団をGefitinib-Resistant Persisters (GRPs)と名付け、GRPsは極めて幹細胞性の高い細胞集団であることを報告し(論文2, 3)、その静止期維持機構にFBXW7遺伝子が寄与していることも見出しています(論文4)。そして上皮間葉転換(Epithelial mesenchymal transition; EMT)と癌幹細胞性についても研究していますが、EMT誘導因子であるZEB-1遺伝子がmiR200cおよびBMI1遺伝子との相互作用を通してEGFR-TKI耐性に寄与していることも報告しました(論文5、Figure)。現在、EGFR遺伝子変異肺癌のFirst lineとなっている第三世代EGFR-TKIであるOsimertinib耐性についても、当研究グループでは複数のOsimertinib耐性細胞株を樹立しており、Whole exomeシークエンスやKinase arrayを用いて解析し、また患者腫瘍生検組織の解析によりIGF1R(Insulin-like growth factor-1 receptor)活性化がOsimertinib耐性に寄与している可能性を見出し、報告しています (論文6)。また国立がん研究センターの間野博行先生、高阪真路先生との共同研究で、肺癌臨床検体を用いて病的意義の不明なEGFR遺伝子バリアントのハイスループット機能解析も行い、幾つかのEGFR-TKI耐性に関わる重複変異Compound mutationも報告しています(論文7)。


Overexpression of ZEB1 increased sphere and CD133+ Gefitinib-Resistant Persisters (GRPs)

発表論文

  • Sharma SV, Lee DY, Li B, Quinlan MP, Takahashi F, Maheswaran S, McDermott U, Azizian N, Zou L, Fischbach MA, Wong KK, Brandstetter K, Wittner B, Ramaswamy S, Classon M, Settleman J. A chromatin-mediated reversible drug-tolerant state in cancer cell subpopulations. Cell 141:69-80. (2010)
  • Murakami A, Takahashi F, Tajima K, Takahashi K, et al. Hypoxia increases gefitinib-resistant lung cancer stem cells through the activation of insulin-like growth factor 1 receptor. PLoS One 28;9:e86459 (2014)
  • Kobayashi I, Takahashi F, Tajima K, Takahashi K, et al. Oct4 plays a crucial role in the maintenance of gefitinib-resistant lung cancer stem cells. Biochem Biophys Res Commun. 22;473:125-32. (2016)
  • Hidayat M, Mitsuishi Y, Takahashi F, Takahashi K. et al. Role of FBXW7 in the quiescence of gefitinib-resistant lung cancer stem cells in EGFR-mutant non-small cell lung cancer. BJBMS 19:355-367. (2019)
  • Nurwydia F, Takahashi F, Tajima K, Mitsuishi Y, Takahashi K. et al. ZEB1 plays a crucial role in maintenance of lung cancer stem cells resistant to gefitinib. Thoracic Cancer 12:1536-1548. (2021)
  • Hayakawa D, Takahashi F, Mitsuishi Y, Tajima K, Kohsaka S, Mano H, Takahashi K, et al. Activation of insulin-like growth factor-1 receptor confers acquired resistance to osimertinib in non-small cell lung cancer with EGFR T790M mutation. Thoracic Cancer 11:140-149. (2020)
  • Kohsaka S, Nagano M, Ueno T, Suehara Y, Hayashi T, Shimada N, Takahashi K, Suzuki K, Takamochi K, Takahashi F, Mano H. A method of high-throughput functional evaluation of EGFR gene variants of unknown significance in cancer. Science Transl Med 15;9. (2017)

肺癌における免疫チェックポイント阻害薬のバイオマーカー探索

近年、肺癌に対する免疫療法が目覚ましい発展を遂げています。しかし高い効果を認める症例を経験する一方で、まったく効果が得られない症例もあり、治療効果を予測するバイオマーカーの探索は急務です。免疫チェックポイント阻害薬の効果予測因子としてmicrosatellite instabilityの有用性も報告されていますが、肺癌においては厳しい状況です(論文1)。全エクソーム解析、トランスクリプトーム解析よりアミノ酸置換を引き起こす体細胞変異の同定と癌細胞における発現、また抗原提示にはHLAとの親和性が重要であり、HLAアレルの解析も必要です。CD8陽性T細胞、制御性T細胞、骨髄由来免疫抑制細胞、腫瘍会合性マクロファージ、樹状細胞は重要な因子であり、ほかにも様々なサイトカインが腫瘍微小環境において重要な役割を担っていると考えられます。現在、これらを網羅的に解析するために、東京医大医学総合研究所との共同研究により多重免疫染色での解析を実践しています(図参照)。

発表論文

  • Takamochi K, Takahashi F, Suehara Y, Kitano S, Sato E, Kohsaka S, et al. DNA mismatch repair deficiency in surgically resected lung adenocarcinoma: Microsatellite instability analysis using the Promega panel Lung Cancer. Lung Cancer 110:26-31. (2017)

エピジェネティクスを標的とした新たな治療標的の模索(中皮腫・小細胞肺がん)

中皮腫ならびに小細胞肺がんは極めて予後不良の悪性腫瘍であり、有効な分子標的治療薬や免疫療法の開発には至っておらず、生存期間の延長には新規の治療法の確立が急務です。現在までに研究代表者である田島健は、愛知県立がんセンターとの共同研究で、中皮腫におけるCD44のvariant isoformが抗がん剤耐性に関与している事を示しており(論文1)、また当グループの八戸敏史は慶応大学との共同研究によりCD44のvariant isoformの発現にエピジェネティクス、特にヒストンのメチル化が関与している事を明らかにしてきました(論文2)。さらに田島健はMGH Cancer Centerとの共同研究でヒストンメチル化酵素が治療標的になり得る可能性が高い事を報告しています(論文3)。

【中皮腫】
中皮腫においてエピジェネティクス、特にヒストンメチル化に焦点をあて、新たな治療戦略を研究しています。現在までにヒストン脱メチル化酵素が中皮腫において間葉系の遺伝子発現を制御していることを明らかにし、さらにこのヒストン脱メチル化酵素の抑制が殺細胞性抗がん剤の感受性を高めることを見出し、ヒストン修飾と上皮間葉転換を標的とした新規治療法の可能性を示した研究がMol Cancer Res誌に採択され、さらにこの論文はEditors Pickに選出されhigh lightとして巻頭を飾った(論文6)。これらの経験より、シングルセル解析により新規治療標的の同定を試みる新たなプロジェクトも開始しています(競争的資金1)。


【小細胞肺がん】
小細胞肺がんにおいても同様にエピジェネティクスに焦点をあて、ヒストン脱メチル化酵素のvariant isoformが治療標的になり得る事を報告しています(論文4)。また新たな知見として、ヒストンメチル化酵素であるSETD1Aの発現を抑制することにより、がん細胞において細胞老化が誘導されること明らかにし(論文5)、ヒストンメチル化酵素を標的とする新規治療法の開発をさらに大きく発展させ、今後新たな治療法としてなり得るか研究を継続しています。さらに小細胞肺がんにおいて、腫瘍抑制遺伝子の変異が多く報告されていることに着目し、腫瘍抑制遺伝子を標的とした新たな治療標的ならびに治療法を探索しています(競争的資金2)。

発表論文

  • Tajima K, Ohashi R, Sekido Y, Hida T, Nara T, Hashimoto M, Iwakami S, Minakata K, Yae T, Takahashi F, Saya H, and Takahashi K. Osteopontin-mediated enhanced hyaluronan binding induces multidrug resistance in mesothelioma cells. Oncogene 29, 1941-51 (2010).
  • Yae T, Tsuchihashi K, Ishimoto T, Motohara T, Yoshikawa M, Yoshida GJ, Wada T, Masuko T, Mogushi K, Tanaka H, Osawa T, Kanki Y, Minami T, Aburatani H, Ohmura M, Kubo A, Suematsu M, Takahashi K, Saya H, Nagano O. Alternative splicing of CD44 mRNA by ESRP1 enhances lung colonization of metastatic cancer cell. Nature Commun. 3:883. (2012)
  • Tajima K, Yae T, Javaid S, Tam O, Comaills V, Wittner B, Morris R, Liu M, Engstrom A, Takahashi F, Black J, Ramaswamy S, Shioda T, Hammell M, Haber DA, Whetstine JR, Maheswaran S. SETD1A modulates cell cycle progression through a miRNA network that regulates p53 target genes. Nat Commun 6, 8257 (2015).
  • Johtatsu T, Tajima K, Yagishita S, Takahashi F, Takahashi K, et al. LSD1/KDM1 isoform LSD1+8a contributes to neural differentiation in small cell lung cancer. Biochemistry and Biophysics Reports (2017).
  • Tajima, K., Matsuda, S., Yae, T., Drapkin, B. J., Morris, R., Boukhali, M., Niederhoffer, K., Comaills, V., Dubash, T., Nieman, L., Guo, H., Magnus, N. K. C., Dyson, N., Shioda, T., Haas, W., Haber, D. A., and Maheswaran, S. SETD1A protects from senescence through regulation of the mitotic gene expression program. Nature Commun. 10, 2854 (2019)
  • Wirawan, A., Tajima, K., Takahashi, F., Mitsuishi, Y., Winardi, W., Hidayat, M., Hayakawa, D., Matsumoto, N., Izumi, K., Asao, T., Ko, R., Shimada, N., Takamochi, K., Suzuki, K., Abe, M., Hino, O., Sekido, Y., and Takahashi, K. A Novel Therapeutic Strategy Targeting the Mesenchymal Phenotype of Malignant Pleural Mesothelioma by Suppressing LSD1. Mol Cancer Res. 20, 127-138 (2022)

競争的資金

  • 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 研究分担者 (21H02927)
    「中皮腫における細胞系譜構築による新規治療法の探究と臨床応用」
  • 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 研究代表者 (20H03535)
    「ユビキチン化を標的とした細胞死と細胞老化誘導による小細胞肺がん新規治療法の探索」

肺癌における酸化ストレス応答系の破綻機序の解明と治療標的の探索

近年の大規模な肺癌の包括的ゲノム解析により、多くドライバー遺伝子異常が同定されそれらを標的にした創薬が進められています。ドライバー遺伝子異常陽性例に対しては,それらを標的としたキナーゼ阻害薬の投与で予後が改善されることから、これらの阻害薬の投与機会を逸しないことが非常に重要になってきています。その一方で依然としてドライバー遺伝子異常が明らかではない、またはドライバー遺伝子異常があってもその標的に対する分子標的治療が開発途上にある症例も依然として多く存在しています。

研究代表者の光石陽一郎は肺腺癌の22%、肺扁平上皮癌の34%と高頻度に体細胞変異を認める酸化ストレス応答経路KEAP1-NRF2経路に着目しています。この経路は転写因子NRF2、そのE3ユビキチンリガーゼ複合体であるKEAP1とCUL3で構成され、酸化ストレス存在下でKEAP1がそれを感知しNRF2を誘導的に安定化し、各種生体防御遺伝子群を活性化する生体防御システムです(左図参照)。光石はこの経路の研究で先駆的な業績をあげてきた東北大学の山本雅之研究室で大学院博士課程を過ごし、非小細胞肺癌におけるNRF2の機能解析をテーマに研究を進めて来ました。2015-2017年の3年間、米国ダナファーバー癌研究所とブロード研究所(Matthew Meyerson研究室)でのポスドク時代にこの経路の創薬プロジェクトに関わり、2017年10月に帰国後に引き続きこのKEAP1-NRF2経路の肺癌における破綻の意義と創薬の可能性をテーマに研究を開始しています。

また近年ではThe Cancer Genome Atlas (TCGA)プロジェクトをはじめとした大規模なシーケンス情報が公開され、それらを用いて肺癌の新しい病態を解明することに強い関心を持っています。2019年より順天堂医院で同意をいただいた肺癌患者様の検体を用いてシーケンス解析を開始し、当院の呼吸器外科学講座・人体病理病態学講座と連携しながら適宜拡大していく予定です。

発表論文

  • Inoue D, Suzuki T, Mitsuishi Y, Miki Y, Suzuki S, Sugawara S, Watanabe M, Sakurada A, Endo C, Uruno A, Sasano H, Nakagawa T, Satoh K, Tanaka N, Kubo H, Motohashi H, Yamamoto M. Accumulation of p62/SQSTM1 is associated with poor prognosis in patients with lung adenocarcinoma.
    Cancer Sci. 103(4):760-6 (2012)
  • Mitsuishi Y, Taguchi K, Kawatani Y, Shibata T, Nukiwa T, Aburatani H, Yamamoto M, Motohashi H. Nrf2 redirects glucose and glutamine into anabolic pathways in metabolic reprogramming.
    Cancer Cell 10;22(1):66-79 (2012)
  • Mitsuishi Y, Motohashi H, Yamamoto M. The Keap1-Nrf2 system in cancers: stress response and anabolic metabolism. Front Oncol. 26;2:200 (2012)
  • Zhang X, Choi PS, Francis JM, Gao GF, Campbell JD, Ramachandran A, Mitsuishi Y, Ha G, Shih J, Vazquez F, Tsherniak A, Taylor AM, Zhou J, Wu Z, Berger AC, Giannakis M, Hahn WC, Cherniack AD, Meyerson M. Somatic Superenhancer Duplications and Hotspot Mutations Lead to Oncogenic Activation of the KLF5 Transcription Factor. Cancer Discov. 2018 Jan;8(1):108-125.
  • Kitajima S, Ivanova E, Guo S, Yoshida R, Campisi M, Sundararaman SK, Tange S, Mitsuishi Y, Thai TC, Masuda S, Piel BP, Sholl LM, Kirschmeier PT, Paweletz CP, Watanabe H, Yajima M, Barbie DA. Suppression of STING Associated with LKB1 Loss in KRAS-Driven Lung Cancer. Cancer Discov. 2019 Jan;9(1):34-45.
  • Llabata P, Mitsuishi Y, Choi PS, Cai D, Francis JM, Torres-Diz M, Udeshi ND, Golomb L, Wu Z, Zhou J, Svinkina T, Aguilera-Jimenez E, Liu Y, Carr SA, Sanchez-Cespedes M, Meyerson M, Zhang X. Multi-Omics Analysis Identifies MGA as a Negative Regulator of the MYC Pathway in Lung Adenocarcinoma. Mol Cancer Res. 2020 Apr;18(4):574-584.
  • Carrot-Zhang J, Soca-Chafre G, Patterson N, Thorner AR, Nag A, Watson J, Genovese G, Rodriguez J, Gelbard MK, Corrales-Rodriguez L, Mitsuishi Y, Ha G, Campbell JD, Oxnard GR, Arrieta O, Cardona AF, Gusev A, Meyerson M. Genetic Ancestry Contributes to Somatic Mutations in Lung Cancers from Admixed Latin American Populations. Cancer Discov. 2021 Mar;11(3):591-598.

Tyrosine kinase遺伝子異常の網羅的探索システムを用いた新規がん分子標的治療法の開発

近年、非小細胞肺癌をはじめとした複数の癌腫において、ゲノム網羅的な遺伝子解析により治療標的となる遺伝子異常が同定され、中でもチロシンキナーゼ(Tyrosine kinase; TK)遺伝子異常は、非小細胞肺癌患者の予後を飛躍的に改善させています。当科では、呼吸器外科、整形外科、人体病理学教室との共同研究により、非小細胞肺癌、小細胞肺癌、胸腺癌などの腫瘍組織検体を用いて、NanoStringシステム独自のmRNAベース・スクリーニング解析を行い、難治性疾患である胸部悪性腫瘍の治療標的になりうる新規チロシンキナーゼ(TK)遺伝子異常の同定および治療法の開発を目指しています。