単一細胞遺伝子発現適応の確率モデルが腫瘍サブクローンの進化における非ゲノム的貢献を明らかにする

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単細胞遺伝子発現の適応進化が腫瘍サブクローンの非ゲノム的貢献を明らかにする

学術的背景

がんは複雑な疾患であり、その進展は成長優位性を獲得した細胞の適応によって駆動される。従来、がん進化の研究は主に遺伝子変異に焦点を当てており、変異が腫瘍進化の主要な要因であると考えられてきた。しかし、エピジェネティックな変化や遺伝子発現の変化などの非遺伝的要因もがん進化において重要な役割を果たすことが増えている証拠が示されている。遺伝子発現の適応的な変化は細胞機能に直接影響を与える可能性があり、これらの変化を明らかにすることは腫瘍進化における選択圧を理解し、より効果的な治療法の設計に役立つ。しかし、技術的な制限、特にバルクシーケンシングに基づく研究では細胞レベルの発現変化と細胞集団の組成変化を区別することが難しいため、単細胞RNAシーケンシング（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）が遺伝子発現の進化を研究する新たな機会を提供している。

本研究チームは確率的モデルを構築し、マウスメラノーマのサブクローンの遺伝子発現の適応進化を分析し、腫瘍表現型、特に免疫療法に対する応答性との関連を明らかにした。単細胞遺伝子発現データと突然変異に基づく進化樹を組み合わせることで、研究者は異なる表現型に関連する遺伝子発現の適応パターンを特定し、特にWntシグナル経路に関連する遺伝子発現の変化を明らかにし、腫瘍サブクローンの進化を理解する新たな視点を提供した。

論文の出典

この論文はM.G. Hirsch、Soumitra Pal、Farid Rashidi Mehrabadiらによる共同研究で、研究チームは米国国立衛生研究所（NIH）の国立医学図書館（NLM）や国立がん研究所（NCI）などの複数の著名な機関に所属している。論文は2025年1月15日にCell Systems誌に掲載され、タイトルは《Stochastic Modeling of Single-Cell Gene Expression Adaptation Reveals Non-Genomic Contribution to Evolution of Tumor Subclones》で、DOIは10.1016/j.cels.2024.11.013である。

研究の流れと結果

研究の流れ

  1. データの生成とサブクローンの分離
    研究者はまず、異質性の高いメラノーマ細胞株（B2905）から24個の単細胞を分離し、培養することで独立したサブクローン株を確立した。これらのサブクローン株は、共通の起源を持つメラノーマ細胞のサブクローンを代表するものである。次に、これらのサブクローンに対して全エクソームシーケンシング（whole-exome sequencing, WES）と単細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）を行い、遺伝子発現データと突然変異情報を取得した。突然変異データに基づき、研究者は突然変異進化樹を構築し、後の遺伝子発現進化分析に使用した。

  2. 表現型の特性分析
    各サブクローンは遺伝的に同一のマウスに移植され、生体内での成長動態と免疫療法（anti-CTLA4治療）に対する応答性が記録された。成長速度と免疫療法の応答性に基づき、研究者はサブクローンを高度に侵襲的で耐性（HA-R）、次に侵襲的で感受性（SA-S）、および混合型で感受性（MA-S）の3つのグループに分類した。

  3. 確率的モデルの構築と適応的遺伝子発現の分析
    研究者は、遺伝子発現の進化をシミュレートするためにOrnstein-Uhlenbeck（OU）プロセス（確率的モデル）を使用した。このモデルでは、遺伝子発現の変化は中立進化、制約進化、または適応進化の結果であると仮定した。Evogenexソフトウェアを使用し、研究者は各サブクローングループの遺伝子発現データを分析し、特定のサブクローングループで適応的に発現する遺伝子を特定した。

  4. 機能分析と検証
    適応的に発現する遺伝子に対してKEGG経路富集分析を行い、これらの遺伝子が関与する生物学的機能を特定した。さらに、研究者は親株メラノーマ細胞株をマウスに移植し、免疫療法を行い、これらの遺伝子が治療応答に果たす役割を検証した。

主な結果

  1. 遺伝子発現の適応進化
    研究チームは、HA-R、SA-S、およびMA-Sサブクローングループでそれぞれ812、1277、616個の遺伝子が適応的に発現していることを特定した。これらの遺伝子の発現パターンはサブクローンの表現型と密接に関連しており、例えば、HA-Rサブクローンの遺伝子は主に細胞侵襲と非古典的Wntシグナル経路に関連し、SA-Sサブクローンの遺伝子は細胞増殖と古典的Wntシグナル経路に関連していた。

  2. 機能の富集
    HA-Rサブクローンで下方制御された遺伝子とSA-Sサブクローンで上方制御された遺伝子は、細胞成長に関連するリボソーム経路に富集していた。SA-Sサブクローンで下方制御された遺伝子は、細胞移動に関連するRap1シグナル経路と上皮細胞への細菌侵入経路に富集していた。

  3. 検証実験
    親株メラノーマ細胞株を用いた免疫療法後の腫瘍分析により、発現変化した遺伝子と適応的に発現する遺伝子が高度に重複していることが確認され、研究結果の信頼性がさらに裏付けられた。

結論と意義

研究結果は、マウスメラノーマサブクローンの表現型分化において、遺伝子発現の適応進化が重要な役割を果たすことを示している。単細胞RNAシーケンシングデータと突然変異進化樹を組み合わせることで、研究者はサブクローンの表現型に関連する遺伝子発現パターンを特定し、特に腫瘍増殖と侵襲におけるWntシグナル経路の異なる分枝の役割を明らかにした。この発見は、腫瘍進化における非遺伝的機構を理解する新たな視点を提供するだけでなく、特定の表現型に合わせた個別化治療法の設計に潜在的な標的を提供する。

さらに、研究チームが開発した確率的モデルは、単細胞データにおける遺伝子発現進化を分析する新たな方法を提供し、従来の差次的発現分析の限界を克服し、幅広い応用が期待される。

研究のハイライト

  1. 革新的な方法：本研究では初めてOrnstein-Uhlenbeckプロセスを単細胞がんデータに適用し、遺伝子発現の適応進化パターンを特定することに成功した。
  2. 非遺伝的機構の解明：研究は特に遺伝子発現の変化がサブクローンの表現型分化において重要な役割を果たすことを強調した。
  3. 潜在的な応用価値：免疫療法の応答性に関連する遺伝子発現パターンを特定することで、個別化がん治療の新たなアプローチを提示した。

その他の有用な情報

研究チームは、特にHA-Rサブクローンで発見されたヒストン修飾酵素遺伝子の発現変化などのエピジェネティック制御が遺伝子発現の適応進化において果たす役割についても検討し、今後の関連研究に方向性を提供した。