読み物：CRISPRスクリーンとTwist Bioscienceの合成DNAが切り拓く、治療抵抗性がんの秘密
Nature誌に掲載された最新の研究で、Twist BioscienceのDNAがCRISPRベースの変異導入実験に使用され、PARP1の特性がさらに深く探究されました。
年初にTwist Bioscienceブログでは、女優アンジェリーナ・ジョリーが、自身の家族が抱えるBRCA1遺伝子変異との闘いについて公に語ったことを取り上げました。ジョリー自身もこの変異の保因者であり、乳がんを発症する確率は87％にのぼるとされていました。現在、この変異を持つ人々に最も一般的な治療は、侵襲的ではあるものの予防的な外科手術です。
しかしながら、過去10年間の研究により、ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ1（PARP1）という有望な薬剤標的が特定されました。これはBRCA関連の腫瘍細胞を完全に死滅させる可能性を秘めています。Nature誌に掲載された研究では、Twist BioscienceのDNAを用いたCRISPR実験によってPARP1の性質が報告されました。この研究は乳がん治療の未来に重要な意味を持ちます。
乳がん感受性遺伝子1型・2型として知られる BRCA1 と BRCA2 は、DNA損傷、特に二本鎖切断（double-stranded breaks）の修復に関わるタンパク質です。二本鎖切断は、活性酸素種（ROS）、自然放射線、紫外線など、さまざまな要因によって日常的に細胞内で起こっています。私たちの細胞がこれらの損傷の影響を大きく受けずに済んでいるのは、“修復複合体”と呼ばれる多数のタンパク質群が常にゲノム損傷を監視し、修復しているためです。
BRCA1 と BRCA2 は、この修復複合体の中でも特に重要な役割を担っています。しかし、このいずれかのタンパク質に機能を損なう変異があると、修復が正しく行われなくなり、遺伝性乳がん・卵巣がん症候群（HBOC）につながります。この症候群は、女性における乳がんや卵巣がんの発症リスクを大きく高め、男性では前立腺がんのリスクを上昇させることが知られています。
一方で、BRCA1/2 の機能異常はがんの原因となるだけでなく、逆に治療の標的として利用できる可能性もあります。DNA二本鎖切断の修復は BRCA 依存の仕組みだけではなく、代わりに PARP1 や PARP2 といった別のタンパク質が担うこともできます。正常細胞では、PARP を阻害しても他の修復経路が働くため、影響は比較的少ないと考えられています。
しかし BRCA 変異を持つがん細胞では、PARP1 を阻害すると「非常に強い毒性（exquisite toxicity）」が生じ、細胞死（アポトーシス）へと誘導されます。BRCA 変異を持つ腫瘍細胞は、正常細胞に比べて PARP 阻害に対し数千倍も感受性が高いことが示されています。この特性を利用するため、製薬企業は PARP1 を不活性化するための低分子化合物を多数開発してきました。
細胞がアポトーシス（遺伝的に決められた自滅プログラム）を起こしていく様子のタイムラプス画像。出典：Wikicommons. Author: Egelberg. Image licensed under CC BY-SA 3.0
しかし、まだ戦いが終わったわけではありません。がん細胞にはもう一つ厄介な特徴があります。それは「非常に早く突然変異を起こす能力」です。この性質によって、がん治療は極めて難しくなります。突然変異が高速で起こることで、がん細胞は強い毒性環境下でも生き残る新しい方法を次々に生み出すことができてしまうからです。PARP1阻害によって腫瘍細胞が死滅する状況は、がん細胞集団に非常に強い選択圧をかけます。そのため、一部の進行したBRCA関連がんでは、PARP阻害剤で治療を行っても、がん細胞が耐性を獲得してしまい、再発するケースがあります。
多くの場合、この耐性獲得のプロセスの中で、PARP1タンパク質自体に変異が生じ、小分子阻害剤がもはや結合できなくなってしまいます。最近 Nature に掲載された、世界中の5つのがん研究センターと3つの研究機関による共同研究では、PARP阻害剤耐性に繋がるのはどのような変異なのか、まさにその点が詳しく調べられました。
研究チームは、CRISPR-Cas9によるDNA編集技術を活用し、PARP阻害剤への耐性を獲得した変異を生成・分離する「tag-mutate-enrich」という新しいプロセスを用いました。この方法では、PARP遺伝子全体にわたり密に配置された多数のガイドRNAライブラリを使って、耐性変異を効率よくスクリーニングすることができます。この研究に使用された489種類のガイドRNAをコードするDNAは Twist Bioscience が合成したものであり、TwistはCRISPR実験向けの合成DNAやオリゴプールの提供において業界をリードしています。
研究者らは、PARP阻害剤に対して耐性を持つPARP1変異の多くが、DNAと直接相互作用する領域に変異を獲得していることを発見しました。著者らはこの結果について、「PARP阻害剤はPARP1酵素をDNAに“固定”することで機能を阻害している」という既存の仮説を支持するものだと述べています。つまりDNAとの結合力が弱まる変異が生じると、この“固定”プロセスが阻害され、結果としてPARP阻害剤耐性が生じるのです。
PARP1の結晶構造 出典：PDB 1uKo（Wikicommons 経由） Author: EMW. Image licensed under CC BY-SA 3.0
さらに研究者らは、タンパク質の他の領域に生じる複数の変異についても、PARP阻害剤に対する耐性を付与することを確認しました。
本研究で最も臨床的に重要な発見のひとつは、「異なるPARP1変異を持つ細胞は、化学療法薬に対して異なる反応を示す」という点でした。これはPARP阻害剤に耐性を示すがん患者にとって極めて大きな意味を持ちます。
今後、PARP変異と化学療法薬の反応性の関係がより明確になれば、患者のPARP遺伝子型をスクリーニングすることで、最適な化学療法薬を選択できるようになる可能性があります。これは治療成功率の大幅な改善につながると期待されています。がん研究という成熟した分野において、Twist Bioscienceの合成DNAのような高品質な研究ツールへのアクセスは、新たな発見や研究の前進に重要な役割を果たしています。いつの日か、がんがこの世界からなくなることが望まれています。がん研究機関、アカデミア、製薬企業などの協力によって、そのゴールに着実に近づき続けています。
Featured image: がん細胞のイラスト（Adobe Stock）
