乳癌細胞株のクロマチンアクセシビリティプロファイリングによる系統特異的エピジェネティック調節因子FOXA1とGRHL2の同定

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乳がん細胞株のクロマチンアクセシビリティ解析による系統特異的なエピジェネティック制御因子FOXA1とGRHL2の同定

背景紹介

乳がんは非常に異質性の強い疾患であり、現在の臨床では遺伝子発現パターン、内在分子サブタイプ、ホルモン受容体/ヒト上皮成長因子受容体2 (HER2) の発現に基づいて分類されています。しかし、既存の研究は乳腺腫瘍が遺伝子発現以外にも明確な異質性を示していることを明らかにしています。例えば、エストロゲン受容体陽性(ER+)乳がんのいくつかはER応答エレメントのアクセシビリティが低下しており、予後不良を引き起こす可能性があります。これらの発見に基づいて、エピジェネティック状態の識別は乳がんの異質性をより包括的に理解するために重要です。

乳がん細胞株は乳がん研究の重要なモデルであり、通常は内在サブタイプや受容体状態に基づいて分類されます。しかし、これらの細胞株が隠し持っているトランスクリプトームのエピジェネティック異質性はまだ完全には解明されていません。したがって、乳がんをより正確に模倣し、その主要な制御メカニズムを解明するためには、乳がん細胞株のエピジェネティック風景を解明することが重要です。

研究の出典

この研究はLiying Yang、Kohei Kumegawa、Sumito Saeki、Tomoyoshi Nakadai、Reo Maruyamaらによって行われ、日本の東京癌症研究基金に所属しています。この論文は2024年の《Cancer Gene Therapy》誌に掲載されています。

研究プロセス

分析プロセス

研究ではまず、23種類の乳がん細胞株の全ゲノムクロマチンアクセシビリティ解析が行われました。これらの細胞株は2種のER+/HER2-型、3種のER+/HER2+型、3種のHER2+型、15種のトリプルネガティブ乳癌 (TNBC) 細胞株を含む。クロマチンアクセシビリティ解析によりこれらの細胞株は三つのグループに分類されました：受容体陽性グループ (Group-P)、TNBCベーサル様グループ (Group-B)、TNBC間質様グループ (Group-M)。

Assay for Transposase-Accessible Chromatin sequencing（ATAC-seq）技術を使用し、研究者は140,246個の再現可能なシス制御エレメント（CREs）を見つけました。その大部分は遠位またはイントロン領域に位置しており、プロモーターエレメントは全CREsの21.7%しか占めませんでした。これは以前の研究結果と一致しています。

次に、核周期的なフラグメントパターンと転写開始点（TSS）リッチスコアの分析を通じて、これらの細胞株を分類し、クロマチンアクセシビリティの三つのグループ (Group-P、Group-B、Group-M) を確認しました。

モチーフリッチ分析

これらの三つのサブグループ間の違いを理解するために、研究者は全ての細胞株のクロマチンアクセス可能領域内の転写因子（TF）結合モチーフのリッチ分析を行いました。結果は、受容体陽性グループ（Group-P）はFOXA1とGRHL2モチーフの共リッチを示し、一方ベーサル様グループ（Group-B）はGRHL2モチーフのリッチを示し、Group-Mにはモチーフリッチがありませんでした。

遺伝子オントロジー分析

遺伝子オントロジー分析は、Group-BとGroup-Pの特定のアクセス可能領域がそれぞれの独自の系統特性と関連していることを示しました。さらに、遺伝子オントロジー分析は、異なるグループ間に特異なエピジェネティック風景が存在することを明らかにしました。

ノックダウン実験

FOXA1とGRHL2がクロマチンアクセシビリティ制御に及ぼす役割を研究するために、研究者はFOXA1とGRHL2のノックダウン実験を行い、ATAC-seq分析を行いました。結果は、FOXA1がGroup-Pの特異領域のアクセス可能性を維持する役割を果たし、Group-B細胞の特異領域のアクセス可能性を抑制することを示しました。対照的に、GRHL2はGroup-B細胞において、Group-PとGroup-Bの共有アクセス領域のアクセス可能性の維持に作用しました。

研究結果

クロマチンアクセシビリティ解析を通じて、研究者はテストされた23種類の乳がん細胞株がアクセス可能性パターンに基づいて三つの主要なサブグループに分類されることを発見しました。具体的な結果は次の通りです：

  • Group-PにはER+および/またはHER2+細胞株が含まれ、例えばT47D、MCF7など。
  • Group-Bは主にベーサル様TNBC細胞株で構成され、例えばHCC1937、MDA-MB-468など。
  • Group-Mは間質様および間質幹様細胞株を含み、例えばBT549、MDA-MB-436など。

FOXA1とGRHL2モチーフのリッチパターンに基づいて、Group-PとGroup-Mには顕著な差異があります。FOXA1はGroup-Pに特異的にリッチし、GRHL2はGroup-Bにリッチしています。

さらに分析により、Group-Pの細胞株はFOXA1転写開始点（TSS）とその上下流領域において相当なクロマチンアクセス可能性を示しており、エンハンサーエレメントの存在を示唆しています。一方、Group-BはFOXA1のTSS領域で中等度のアクセシビリティを示していますが、Group-Pで観察されるエンハンサー領域のアクセシビリティを欠いています。

FOXA1とGRHL2のノックダウンにより、研究者はFOXA1がGroup-P細胞で特異的なCREsのアクセシビリティを維持し、Group-B特異的なCREsのアクセシビリティを抑制することを発見しました。対照的に、GRHL2はGroup-B細胞でGroup-P/B共有CREsのアクセシビリティを維持する役割を果たしました。RNA-seq分析により、FOXA1のノックダウン後、T47D細胞で細胞周期関連遺伝子がダウンレギュレーションされ、GRHL2のノックダウンは上皮間葉転換（EMT）関連遺伝子のアップレギュレーションを示しました。

結論

研究結果は、FOXA1とGRHL2が乳がん細胞株内で特異的なクロマチンアクセシビリティを維持する過程で重要な役割を果たしていることを示しています。FOXA1は主にGroup-P細胞で調整を行い、GRHL2はベーサル様および間質様サブグループで異なる役割を果たしています。これらの発見は、乳がんのエピジェネティック異質性およびその潜在的な制御メカニズムを理解するための新たな洞察を提供しています。

研究のハイライト

この研究のハイライトは以下の通りです：

  1. FOXA1がER+乳がん細胞株における主要因子としての重要な役割を明らかにしました。
  2. GRHL2がベーサル様TNBCにおける重要な役割を特定し、異なるサブグループでエピジェネティック特性をどのように維持するかを示しました。
  3. 乳がん細胞株におけるクロマチンアクセシビリティの詳細な分析結果を提供し、将来の乳がん研究に重要な参考基準を提供しました。
  4. FOXA1とGRHL2が乳がん細胞のエピジェネティック特性を制御する上で相補的な役割を果たしていることを発見しました。

この研究は、FOXA1とGRHL2が乳がん細胞株でクロマチンアクセシビリティと系統特性を維持する上で重要な役割を果たしていることを示し、新たな視点と潜在的な治療標的を提供します。これにより、乳がん異質性のメカニズムに関するさらなる研究の基礎が築かれました。