統合単細胞解析により、タモキシフェン耐性乳がんにおけるエピジェネティックに制御されるがん細胞状態と異質性に基づくコアシグネチャーを明らかにする

学術的背景

乳がんは女性において最も一般的ながんの一つであり、内分泌療法（タモキシフェンなど）はエストロゲン受容体α（ER）陽性乳がん患者の標準治療法です。内分泌療法は再発リスクを大幅に減少させますが、約3分の1の患者は最終的に内分泌耐性を獲得し、再発します。腫瘍間および腫瘍内の異質性は、内分泌耐性の発症に重要な要因であると考えられています。近年、単細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）および単細胞ATACシーケンシング（scATAC-seq）技術の進歩により、単細胞解像度で腫瘍異質性を探ることが可能になりました。しかし、このような統合単細胞解析は、乳がんの内分泌耐性における転写産物とクロマチンアクセシビリティを特徴付けるためにまだ実証されていません。

論文の出典

この研究は、Kun Fang、Aigbe G. Ohihoin、Tianxiang Liu、Lavanya Choppavarapuらによって行われ、Medical College of Wisconsin、Luxembourg Institute of Health、Duke Universityなど複数の機関からなる研究チームによって実施されました。論文は2024年に「Genome Medicine」誌に掲載されました。

研究の流れ

1. サンプル収集と単細胞分離

研究では、8つのヒト乳腺組織サンプルを使用し、そのうち2つは正常組織（NTs）、3つは原発性腫瘍（PTs）、3つはタモキシフェン治療後の再発性腫瘍（RTs）でした。単細胞核分離技術を用いて、これらの組織から約82,400個の細胞を分離し、scRNA-seqおよびscATAC-seq解析を行いました。

2. 単細胞RNAシーケンシングとATACシーケンシング

scRNA-seqおよびscATAC-seqのライブラリ調製には、10x GenomicsのChromium Single Cell 3’ LibraryおよびATAC Solution Kitを使用しました。シーケンスデータは前処理後、SeuratおよびSignacなどのソフトウェアを使用してデータ統合と解析を行いました。

3. 細胞タイプのアノテーションと腫瘍異質性の評価

scRNA-seqデータを用いて、乳腺腫瘍組織中の多様な細胞タイプを同定し、PTsおよびRTsに特異的ながん細胞状態（CSS）を定義しました。scRNA-seqおよびscATAC-seqデータを統合することで、137の遺伝子からなる異質性に基づくコアシグネチャー（HCS）を同定しました。

4. 機能検証

研究チームは、コアシグネチャーのうちの1つの重要な遺伝子であるBMP7のタモキシフェン耐性乳がん細胞における発がん性の役割をin vitro実験で検証しました。siRNAを用いてBMP7をノックダウンすることで、MAPKシグナル経路を調節してがん細胞の増殖を抑制することが示されました。

主な結果

1. 乳がん組織における単細胞レベルの異質性

研究では、乳がん組織内に顕著な細胞間異質性が存在し、特にPTsとRTsの間でその異質性が顕著であることが明らかになりました。scRNA-seqデータを用いて、5つのPT特異的、3つのRT特異的、および1つのPT-RT共有のCSSを含む9つのがん細胞状態を定義しました。

2. エピジェネティックに制御されるがん細胞状態

scATAC-seqデータを用いて、RT特異的CSSにおけるオープンクロマチン領域を同定し、これらの領域がコアシグネチャー遺伝子の発現と密接に関連していることを発見しました。さらに、これらの遺伝子のエピジェネティック制御は、エンハンサー-プロモーターの協調作用を通じて実現されている可能性が示されました。

3. コアシグネチャーの機能検証

研究チームは、コアシグネチャーの1つの重要な遺伝子であるBMP7の機能をin vitro実験で検証しました。BMP7のノックダウンは、タモキシフェン耐性乳がん細胞の増殖を著しく抑制し、これらの細胞のタモキシフェンに対する感受性を回復させました。さらに、BMP7がMAPKシグナル経路を調節することで発がん性を発揮するメカニズムが明らかになりました。

結論

この研究は、統合単細胞解析を通じて、乳がんの内分泌耐性におけるエピジェネティック制御メカニズムを明らかにし、異質性に基づくコアシグネチャーを同定しました。これらの発見は、腫瘍異質性の理解と新しい治療戦略の開発に重要な科学的基盤を提供します。

研究のハイライト

1. 単細胞解像度での腫瘍異質性解析：研究は、単細胞レベルで乳がんの内分泌耐性における転写産物とクロマチンアクセシビリティを統合的に解析しました。
2. コアシグネチャーの同定と機能検証：研究では、137の遺伝子からなるコアシグネチャーを同定し、その中で重要な遺伝子BMP7の機能を実験的に検証しました。
3. エピジェネティック制御メカニズムの解明：研究は、エピジェネティック因子が乳がんの内分泌耐性において重要な役割を果たすことを明らかにし、新しい治療標的の開発に理論的基盤を提供しました。

意義と価値

この研究は、乳がんの内分泌耐性メカニズムの理解を深めるだけでなく、腫瘍異質性に基づく個別化治療戦略の開発に新しい視点を提供します。統合単細胞解析を通じて、エピジェネティック制御が腫瘍進行において重要な役割を果たすことを示し、今後のがん研究に新たな方向性を切り開きました。