鷹揚郷腎研究所

鷹揚郷腎研究所 Oyokyo Kidney Research Institute

鷹揚郷腎研究所には、腎疾患研究部門と癌免疫細胞生物学研究部門があり、総合的に腎疾患の臨床および基礎研究を行っています。

  腎疾患研究部門にはさらに、「代謝・生化学」「移植免疫・組織化学」「ラジオアイソトープ」「臨床医学」「病態画像」の各研究部が あり、山谷金光研究所長、弘前病院長、青森病院長を中心に各部署のスタッフが協力し合い、腎疾患治療の質の向上を目的として、腎不全患者さんの病態の解明 に向けて研究しています。

  癌免疫細胞生物学研究部は、坪井滋部長を中心に、腎がんをはじめとする泌尿器科的がんについて研究しています。

 

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癌免疫細胞生物学研究部

研究概要

 われわれの体を蝕む「がん」のうち、胃、肺、大腸などの臓器の上皮組織から生じたものを特に「癌」と表記します。癌患者の死亡の直接的原因の多く は、他臓器への転移、再発であることがわかっています。したがって、転移を抑えることができれば、多くの癌患者の命を救うことができます。癌の転移を抑え る薬剤、および、治療法を開発するために、癌の転移の過程をより深く理解しようとする努力が、多くの研究者によって続けられています。
 
  私たちは、癌の転移の過程をより深く理解するために、以下の2つの基礎的な研究を行っています。
1.腫瘍免疫逃避機構の研究

2.癌細胞の浸潤過程の研究

 

  本研究所は腎疾患関連の研究と診療を主たるミッションとしています。そこで私たちは、前立腺癌、膀胱癌、腎癌、精巣腫瘍の泌尿器 科系癌に焦点を絞り、弘前大学大学院医学研究科泌尿器科学講座と共同で研究を進めています。研究成果は、学会発表、および、論文を通じて世界に発信してい ます。これらの癌の転移の過程に関する理解を深め、臨床成績の向上に繋がるような基礎研究の成果を目指しています。

 

癌免疫細胞生物学研究部

部 長    坪井  滋

研究実績

研究テーマ紹介

1.腫瘍免疫の研究

 

私たちの体内に生じた癌細胞は、通常は免疫細胞によって攻撃されて排除される。この癌細胞の排除を行う免疫細胞の主要なものがナチュラル・キラー細 胞(Natural Killer Cell, NK cell)と細胞傷害性Tリンパ球(Cytotoxic T lymphocyte, CTL)である。これらの細胞は、私たちが進化の過程で獲得した極めて巧妙な方法で癌細胞を「排除すべき異物」と認識し、攻撃して排除する。しかしなが ら、このような監視の目をかいくぐって、免疫細胞による攻撃から逃避する能力を獲得した癌細胞が体内に生じることがある。そのような癌細胞は体内で長く生 存できるようになり、他の臓器に転移し、私たちの個体を死に至らしめる。

NK細胞による癌細胞排除のしくみ

NK細胞は、私たちが生まれながらにして持っている防御システムにおいて中心的役割を果たすリンパ球である。NK細胞は、体内で出 会った細胞を「自己」の細胞か「非自己」の細胞かを識別し、「非自己」と認識した細胞のみを攻撃し、傷害し、排除することができる。NK細胞の表面には、 この識別を行うNK活性化レセプターが発現している。このレセプターに、リガンド分子が結合すると、NK細胞が活性化され、活性化NK細胞は、このリガン ド分子を発現している細胞を「非自己」と認識して攻撃する。私たちの体を構成する正常な細胞は、このリガンド分子を発現していない。このため、正常細胞と 出会ってもNK細胞は活性化されず、NK細胞による攻撃も行われない。ところが、正常細胞は、癌化するとこのリガンド分子を発現するようにプログラムされ ている。NK細胞は、このリガンド分子とNK活性化レセプターの結合によって、癌化した細胞を「非自己」と認識し、活性化される。活性化されたNK細胞 は、癌細胞を「非自己」と認識して、攻撃し、死に至らしめる。これが、NK細胞が癌細胞を「非自己」と認識して、排除するしくみである(図1)。

コア2O-グリカン発現癌細胞によるNK腫瘍免疫逃避機構

癌に対するNK細胞の免疫反応をNK腫瘍免疫と呼ぶ。われわれは、ある種の癌細胞が、このNK腫瘍免疫から逃避していることを発見した。その癌細胞は、細胞表面にコア2O-グリカンと呼ばれる特殊なタイプの糖を付加していた。コア2O-グリカンとは、細胞膜のタンパク質のセリン、または、スレオニン残基に付加する糖(σ-グリカン)の一種で、N-アセチルグルコサミン(GlcNAc)とガラクトース(Gal)の枝分かれ構造を持つ(図2)。コア2O-グリカン生合成は、この枝分かれを形成する酵素、コア2N-アセチルグルコサミン転移酵素(C2GnT)の発現によって調節されている(図2)。

われわれのグループは、このC2GnTが発現した癌を持つ患者の転移による再発率が、C2GnT発現の見られない癌を持つ患者よりも著しく高いとい うことを見出した。このようなC2GnT発現と再発率の関係は、前立腺癌、膀胱癌、精巣腫瘍、肺癌、大腸癌で見られる。このことから、われわれは、まず、 C2GnT高発現膀胱癌について詳しく調べた。その結果、C2GnT高発現が膀胱癌の転移する能力を高めるしくみが明らかになった。C2GnT高発現膀胱 癌細胞は、次のようなしくみでNK腫瘍免疫から逃避することでわれわれの体内で長く生存できるようになり、転移することが明らかにされた(Tsuboi et al, 2011)。

① C2GnTが高発現している癌細胞では、NK活性化レセプターのリガンド分子、MHCクラスI-related chain A (MICA)の、NK活性化レセプター結合部位に多数のコア2O-グリカンを持つ糖鎖が付加している。

② このコア2O-グリカンを足場として、ガラクトース―N-アセチルグルコサミン (Galβ1-4GlcNAc) の繰り返し構造からなる直鎖状の糖鎖、ポリN-アセチルラクトサミンが合成される(図3)。

われわれは、このような戦略で癌細胞が腫瘍免疫から逃避して宿主内で生存し、転移・再発することを見出した。「癌細胞がNK腫瘍免疫からどのように して逃避しているのか?」この腫瘍免疫上の最も重要な問題に対し、われわれのグループは、一つ大きな成果を挙げることができた。われわれの研究により、癌 細胞は、細胞表面タンパク質の糖鎖構造を改変し、NK細胞による認識を逃れるという戦略を用いていることが明らかにされた(Tsuboi, 2012; Tsuboi et al, 2012)。

われわれの体は、もう一つ重要な腫瘍免疫システムを持っている。細胞傷害性Tリンパ球 (CTL) によるCTL腫瘍免疫である。これは獲得免疫システムの一つで、近年、臨床応用が盛んに研究されている「ペプチド・ワクチン療法」や「T細胞療法」は、こ のシステムの効率を上げることで癌に対抗しようとする療法である。
ところが、癌細胞は、このCTL腫瘍免疫からも様々な戦略を用いて逃避している ことが最近明らかになってきた。現在、われわれのグループでは、この「癌細胞によるCTL腫瘍免疫逃避機構の解明」に焦点を絞って研究を行っている。癌細 胞が、どのようにしてCTL腫瘍免疫から逃避しているのか、その戦略を理解することは、CTL腫瘍免疫システムを利用した療法の改良、開発に繋がることが 期待される。

2.癌細胞浸潤過程の研究

 

原発部位から離れた部位への転移には、血行性転移、リンパ行性転移、播種性転移の3つの経路が存在する。いずれの経路においても、原発部位から周り の組織・器官に広がっていく過程が必要である。この過程を浸潤と呼ぶ。癌細胞の浸潤には、基底膜や細胞外基質への接着、それらの分解、細胞移動などの過程 が含まれる。これらの過程がどのような分子機構によって行われるのか、まだ完全には解明されていない。

癌細胞が浸潤するためには、基底膜や細胞外基質を分解して、周辺組織へ移動して広がっていく過程が必要である。この過程には、浸潤突 起(Invadopodia)と呼ばれる突起状の膜構造の形成が必須の役割を果たすことがわかっている。しかしながら、この浸潤突起形成の分子機構は、ま だ完全には理解されていない(図5(a),(b))。われわれのグループはこの点に着目し、癌細胞の浸潤突起形成機構に焦点を絞って研究を行っている。浸 潤突起形成機構の解明は、癌細胞の浸潤をコントロールする手段の開発を可能にし、転移を抑制する薬剤の開発に繋がることが期待される。また、浸潤突起は、 マクロファージや好中球が組織内に浸潤する際に必須の役割を果たすポドソーム(podosome)(図5(c))と呼ばれる突起状の膜構造と相同であり、 その形成と調節の分子機構には共通点が多いと考えられている。したがって、浸潤突起形成機構の研究から得られた知識は、マクロファージや好中球による炎症 をコントロールする研究に繋がることも期待される。

膀胱癌肺転移過程において血管外脱出に関わる因子の同定

われわれは、癌細胞浸潤過程の研究のために、膀胱癌の肺転移過程の解析を行った。血行性に転移する膀胱癌は、膀胱で増殖した後、上皮 を破って筋層に浸潤し、血管内へ侵入する。血流によって全身に広がった膀胱癌細胞は、高頻度で肺、または、肝臓に転移することが知られている。この膀胱癌 が血行性に肺に転移する全過程の内、われわれは、まず、血管内の膀胱癌細胞が肺で血管外に脱出し、肺組織内に浸潤し、そこで増殖して転移を成立させる過程 に焦点を絞った。この過程を解析するために、われわれは、マウスを用いた肺転移モデル系を利用した。浸潤活性の高い細胞をマウス尾静脈に注入すると、肺に 数多くの(100個以上)転移結節が生じる。浸潤活性が低く、転移能の低いヒト膀胱癌細胞株KK-47をマウスの尾静脈に注入した場合は、ほんの数個転移 結節が形成されるのみである。このとき生じた、わずかな転移結節から転移したKK-47細胞を回収し、増殖させ、再びマウス尾静脈に注入する。この操作を 4回繰り返すことによって、ほとんど転移しない細胞株KK-47から、高頻度で肺に転移結節を形成させる細胞集団KK-47HM4を濃縮することができた (Sugiyama et al, 2013)(図6)。

次に、われわれは、KK-47HM4細胞の性質を調べ、もともとの細胞KK-47と比較した。その結果、KK-47HM4細胞は、 in vitroの系において、肺微小静脈の血管内皮細胞層を通り抜ける活性が高いことがわかった。このことと、KK-47HM4細胞がin vivoの系で肺に転移する活性が高いことを考え合わせると、KK-47HM4細胞は、血管外脱出の能力が亢進しており、その結果肺へ高頻度で転移する能 力を獲得した細胞であると考えられる。

そこで、われわれは、KK-47とKK-47HM4で発現している遺伝子をcDNAマイクロアレイを用いて比較してみた。その結果、KK-47に比べて、KK-47HM4で発現量が大きく変動した67個の遺伝子を同定することができた。これらの遺伝子の中には、癌細胞の血管外脱出過程に深く関わる遺伝子が存在すると考えられる(Sugiyama et al, 2013)(図6)。

現在、われわれは、この67個の中に存在する、癌細胞の血管外脱出過程に関与する遺伝子について、その機能を解析する細胞生物学的研究を展開している。その中で、細胞骨格関連因子であるビメンチンとプレクチンの機能に関する研究を以下に紹介する。

血管外脱出過程が亢進し、高い転移能を持つKK-47HM4細胞では、ほとんど血管外脱出も転移も行わないKK-47細胞に比べて、 中間径フィラメントと呼ばれる細胞骨格を形成するビメンチン、および、細胞骨格同士を連結する働きを持つプレクチンの発現が顕著に上昇していた。そこで、 血管外脱出活性が高く、高頻度で肺転移を起こすヒト膀胱癌細胞株YTS-1を用いて、YTS-1におけるビメンチンとプレクチンの役割を解析した結果、以 下のことが明らかになった。

  • YTS-1細胞では、ビメンチンープレクチンーF-アクチンという3つのタンパク質の連結が形成されていた。
  • YTS-1細胞の浸潤突起は、このビメンチンープレクチンーF-アクチンという連結によって、ビメンチン中間径フィラメントから形成される細胞骨格に固定されていた。
  • ビメンチンープレクチンーF-アクチンという連結の形成は、浸潤突起形成、YTS-1細胞の浸潤能、および、肺転移能に必須の役割を果たしていた。

ビメンチンは、癌が悪性化し、間葉様の性質もち、浸潤能・転移能が高くなった癌細胞に発現してくることが知られている。このことと、 われわれの研究から得られた上記の結果を考え合わせると、癌細胞は、以下の過程によって転移することが明らかになった(Sutoh Yoneyama et al, 2014)(図7)。

①上皮様から間葉様に形質転換した癌細胞は、ビメンチンとプレクチンの発現を上昇させる。

②ビメンチンが形成する細胞骨格は、プレクチンの働きにより浸潤突起のF-アクチンと連結される。

③この連結は、浸潤突起に足場を与え、浸潤突起を安定化する。

④安定化された浸潤突起の働きによって、癌細胞は、細胞外基質を分解し、周辺組織に浸潤することができるようになる。

⑤その結果、癌細胞は血管外へ脱出し、転移する能力を獲得する。

 

文献

Sugiyama N, Sutoh Yoneyama M, Hatakeyama S, Yamamoto H, Okamoto A, Saitoh H, Yamaya K, Funyu T, Inoue T, Habuchi T, Ohyama C, Tsuboi S (2013) In vivo selection of high-metastatic subline of bladder cancer and its characterization. Oncology Research 20: 289-295

Sutoh Yoneyama M, Hatakeyama S, Habuchi T, Inoue T, Nakamura T, Funyu T, Wiche G, Ohyama C, Tsuboi S (2014) Vimentin intermediate filament and plectin provide a scaffold for invadopodia, facilitating cancer cell invasion and extravasation for metastasis. Eur J Cell Biol 93: 157-169

Tsuboi S (2012) Tumor defense systems using O-glycans. Biol Pharm Bull 35: 1633-1636

Tsuboi S, Hatakeyama S, Ohyama C, Fukuda M (2012) Two opposing roles of O-glycans in tumor metastasis. Trends Mol Med 18: 224-232

Tsuboi S, Sutoh M, Hatakeyama S, Hiraoka N, Habuchi T, Horikawa Y, Hashimoto Y, Yoneyama T, Mori K, Koie T, Nakamura T, Saitoh H, Yamaya K, Funyu T, Fukuda M, Ohyama C (2011) A novel strategy for evasion of NK cell immunity by tumours expressing core2 O-glycans. EMBO J 30: 3173-3185