大腸がんの新しい治療戦略－ゲノム情報の読み取りから大腸がんの

新規治療へ－

東京医科歯科大学ゲノム応用医学部門遺伝生化学北嶋 繁孝

平成２７年６月１９日 1

がんの統計‘１３ 国立がんセンターがん対策情報センター

●2人に1人が「がん」になり、その3人に1人が「がん」で死ぬ。

●2015年の癌罹患数98万2100人（男56万300例、女42万1800例）で、昨年より約10万増加

大腸癌（13万5800例）、肺癌（13万3500例）、胃癌（13万3000例）、前立腺癌（9万8400例）、乳癌（女性、8万9400例）

●死亡数37万900人（男21万9200人、女15万1700人）

肺癌（7万7200人）、大腸癌（5万600人）、胃癌（4万9400人）、膵臓癌（3万2800人）、肝臓癌（2万8900人）

我が国のがんの現状

2

米国におけるがん死者数、ここ20年間で22％減少（米国がん協会2015年のがん発症・死亡推計を発表）

何故減ったか？ 食事改善と禁煙！

●1971年、ニクソン米元大統領が「がんの撲滅」宣言。米厚生省は10年ごとに具体的な目標を設けたレポート「ヘルシー・ピープル」作成。禁煙や運動の必要性、食生活の改善を中心とした対策を国民に呼びかけた。1975年、米国議会上院、1980年以降、厚生省（HHS）と農務省（USDA）で理想的な食生活ガイドラインを提示。1990年、国立ガン研究所が「5 A DAY(ファイブ・ア・デイ)」：野菜や果物を1日5皿分以上摂るキャンペーン。

野菜・果物の摂取量は3．8皿から4．4皿へと増加、脂肪の過剰摂取、穀物や食物繊維食品の摂取を推奨。

かたや、我が国は、2015年 がん罹患数98万例、がん死亡数37万人2014年の予測から罹患約10万例、死亡約4千人増加

3

1手術治療（内視鏡含む）2化学療法（抗がん剤療法）3 放射線療法4 緩和医療

大腸がんの治療

4

●大腸がんなぜ出来る？

大腸がんの治療がんゲノムと分子標的薬分子標的薬の問題点

●ゲノム情報の読み取り

●がん細胞のストレス応答を読み取り、分子標的薬の落とし穴を埋める併用療法のはなし

さて、本日の話は、

5

ヒトの細胞は、正常な状態では分裂・増殖しすぎないような制御機構が働いているのに対して、がん細胞では、生体の細胞の遺伝子に異常がおきて、正常なコントロールから外れて自律的に増殖するようになる。

•遺伝子異常 ＝ 発がん遺伝子＋ がん抑制遺伝子の遺伝子異常

•遺伝子の異常は、遺伝的にも、生活習慣あるいは環境ストレスによる

がんとは？

6

正常

正常細胞から、がん化の過程では、がん遺伝子、がん抑制遺伝子の変異が蓄積する

そして、がん細胞を取り巻く環境の中で、免疫、ストレス応答によるがん細胞の選択と淘汰が行われている！

がん

7

大腸がんの遺伝子異常

●家族性大腸腺腫症（Familial Adenomatous Polyposis)

●遺伝性非ポリポーシス性大腸がん（hereditary nonpolyposis colorectal cancer: HNPCC）

しかし

●多くの大腸がんは、正常粘膜が発癌刺激を受けて癌が発生するde novoがんであり、遺伝子変異の種類と働きは一部しかわかっていない！！ 8

腺腫－癌連関

正常大腸上皮の分化

9

●吸収上皮細胞，杯細胞，腸管上皮内分泌細胞，Paneth細胞と主に４種●幹細胞から分化し1週間程度で入れ替わり●クリプトと呼ばれる窪みの下辺部に存在

腺腫ーがん連関

●各分化段階の細胞からがん化●悪性度、治療効果は分化度に依存●主な変異は5つのパスウエイWNT, TGF-β, PI3K, RTK-RAS, p53

大腸がんの治療１）早期発見、早期治療が原則２）根治治療を目指す

切除困難な転移などの時期では、手術に加え放射線、化学療法（抗がん剤治療）を行う。

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分子標的薬特定の分子を狙い撃ちし、より安全で有効に治療する目的で開発された薬剤

○「がん研究で も大きな希望は、遺伝子のDNA配列の解析で変異を同定し、標的薬で細胞増殖阻害薬をデザインすること」スローン・ケタリングMark Ptashne

しかし、標的治療薬はがんを治癒できていない。

×「これらが効くのはほんの数ヶ月間、がん細胞は多くの逃げ道をもっており、非小細胞性肺がんのイレッサやタルセバでシグナルの一つを阻害しても、がん細胞は別のルートを活性化させて増殖を維持することができる」MITのRobert Weinberg

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略語、商品名薬品名スペル略語

商品名 作用

ベバシズマブBevacizumab

（Bmab）アバスチン

抗VEGF抗体＝血管新生阻害

セツキシマブCetuximab（Cmab）

アービタックス抗EGFR抗体

（キメラ）＝成長抑制

パニツムマブPanitumumab

（Pmab）ベクティビックス

抗EGFR抗体（完全ヒト型）＝成長抑制

東京医科歯科大学総合外科学 植竹 宏之教授

12

患者さんが増えています

補助化学療法 切除不能大腸癌

：新規開始患者数

0

20

40

60

80

100

120

0

20

40

60

80

100

120

東京医科歯科大学総合外科学 植竹 宏之教授

13

分子標的薬使用 → OS延長

全生存期間（か月）

累積生存率

0

.2

.4

.6

.8

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

P < 0.001

使用あり使用なし

18か月 33か月

(n=167) (n=96)

東京医科歯科大学総合外科学 植竹 宏之教授

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●どれくらい薬剤費がかかる？治療法 １ヶ月の費用 （患者負担） 差額 （８ヶ月治療） 予後の延長

5FUのみ １万８千円 （５千円） − −

FOLFOX６ ３６万円 （１１万円） ２７０万円 １１ヶ月

FOLFOX6＋ ６２万円（１９万円） ４８０万円 １３か月アバスチン

FOLFOX6＋ ９０万円（２７万円） ７００万円 １７か月アービタックス

分子標的薬ベバシズマブ（アバスチン）：抗VEGF抗体バニツムマブ：抗EGFR抗体セツキシマブ（アービタックス）：抗EGFR抗体

さらに、分子標的薬はコストが高い！

15

がんの5年生存率は約６割、「死に直結する病い」から「長くつきあう慢性病」に。

働くことは私たちに収入と生き甲斐やアイデンティティを与えてくれます。平成２４年度からの５か年がん対策推進基本計画にも就労支援の必要性が明記され、働くがん患者と家族を社会全体で支えるための取り組みが求められています。

がん患者の就労

通院治療センター（国立がん研究センター中央病院）

16

17

ゲノム医学とその読み取り

基礎科学からヒトゲノム医学研究への進展参考図書：DNA JD. Watson 青木薫訳（講談社）2005ヒトゲノムを解読した男 JC Ventor（化学同人）2008やわらかな遺伝子 M.リドラー（紀井国屋）2004遺伝子医療革命F.コリンズ(ＮＨＫ出版）2011

若年性ハンチントン病

鎌型赤血球

遺伝子改変マウス（FosB KO)

Watson & Crick, 1953

DNA配列決定

ヒトゲノム配列決定2000

18

2013年、「私」のDNA配列が、10万円、1時間でわかる

HiSeq 2500

Oxford Nanoporeが作っているシーケンサは、ざっくり言えば基盤に固定された穴あきタンパクをDNAが通ったときに発生する電流変化を読み取ることで、DNA配列を読む ...

Life TechnologiesOxford Nanopore

参考：ヒトゲノム計画では１０００億円、１３年

19

DNA sequencing has long been viewed as a research tool, not a diagnostic method. Now the field has its first big success story, which could lend credence to the idea that DNA sequencing shouldn’t just be a medical tool of last resort, but is a valuable asset for getting to the root of otherwise undiagnosable illness.

DNAシーケンスで初めて救われた子供The First Child Saved By DNA Sequencing

20

●６歳男児 Nicholas Volker原因不明の頑固な腸の炎症のため瀕死の状態●Wisconsin大学はNicholasの全ゲノムのDNA解読●炎症応答に関わる遺伝子変異を見出し骨髄移植

21

Francis Collins “神を信じる科学”The language of God: A Scientist Presents Evidence for Beliefゲノム研究とキリスト教は両立する

●未来はとっくに始まっている●遺伝子のエラーがあなたに出る時●あなたの秘密を知る時が来た●がんはパーソナルな病気である●あなたの遺伝子にふさわしい薬をふさわしい量で●一人ひとりが主役の未来へ

糖尿病

アルツハイマー(APOE）

遺伝子医療革命 F Collins NHK出版 2011

MR Stratton et al. Nature 458, 719-724 (2009) doi:10.1038/nature07943

点変異染色体間再構成

染色体内再構成

コピー数変化

がんゲノムも高い解像力で読むことが出来るしかし、がんは複数のゲノム異常による疾患であり、しかもヘテロな集団．果たして、すべてに対応できる治療法があるか？

22

Controlling the double helixGary Felsenfeld and Mark GroudineNature 421, 448-453 (23 January 2003)

核

細胞核とDNA

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DNA DNA mRNA 蛋白質

太い道 狭い道 太い道

複製 転写 翻訳

ゲノム情報の読み取り

転写は、イバラの道を進むようなもの・複製や翻訳と比べて速度が遅い・途中で停止しやすい・DNA傷害部位では、転写は停止する・転写と同時にmRNAの加工や品質管理を行い成熟したものだけを翻訳の場に送る

遺伝情報の流れのセントラルドグマ

24

●読み取り（転写）は遺伝子発現を調節する生物機能の要で、総数～2000の転写因子が指令●転写因子は、細胞の分化もリセットするそして、iPSでは、４つの転写因子が、細胞の分化を逆戻りさせた！！

25

大学院生小高さん自作

遺伝子ネットワーク～「職場・社会における人間関係」のようなもの～

「働け」と命令する人（遺伝子）

仕事の進みを助けてくれる人（遺伝子）

仕事の進みをじゃまする人（遺伝子）

前線で仕事をする人（遺伝子）

ヒト遺伝子数はおよそ３万個で、そのネットワークが細胞の働きを決める．転写因子（総数およそ2,000個）が、遺伝子ネットワークの司令塔の役目を果たしている．いわば、転写因子は会社の役員ないし管理職の役目を果たしている

26

1. 生体を遺伝子が統合された相互作用ネットワークとして捉える

2. タンパク質、生化学反応の集体としてとらえる．“collective body of genes, proteins and biochemical reactions”

3. 個別の素反応を全体システムの部分として、あくまでも１つの大きなシステムの中で捉える．遺伝子を個ではなく全体でとらえる

さて、この複雑でかつ大量のデータを、整理して、ヒントを得る方法はあるのか

“21世紀のサイエンスとしてのシステムズバイオロジー”生命科学＋計算科学を用いたアプローチ

27

ヘモグロビンの酸素解離曲線pHやDPG, 温度は、

赤血球の代謝と深く関係しており、

酸性に傾くと酸素解離曲線は右に、逆にアルカリ性に傾くと左へ移動する

肺：

酸素に富み、二酸化炭素の少ない肺（酸素分圧100mmHG、

二酸化炭素分圧5mmHg程度)では

ヘモグロビンの酸素飽和度はほぼ100％になる。全身抹消：

赤血球はそのまま酸素の少ない組織（例えば酸素分圧30mmHg、図の赤

線）に行くが、全身組織では、二酸化炭素（40mmHg）が高い

ので、多くの酸素を放出することが出来る

例えば、赤血球は肺で取り入れた酸素を、全身に運搬しているが、その運搬の働きは計算科学（システムズ解析）で説明できる

代謝亢進右へ

代謝低下左へ

28

遺伝子ネットワークを

コントロールするのが

転写因子

遺伝子ネットワーク（＝転写因子の働き）が、がんの悪性度、治療抵抗性、副作用などを決める

個人特有のがんゲノム異常 個人特有の遺伝子ネットワーク

29

c-IAP1

p53 world

apoptosis

ANK1

fodrin, tubulin, desminVIM

ADRB1adrenergic receptor

F-actin CD2AP RHOA

ALNL

lung cancer

APAF1

Caspase 9APC

AdenomatosisPolyposis coli

Wnt pathway

b-catenin

ARHGAP5

RHO GTPase

GAP

ARHGEF7

Rac1

CALD1

CASP10

DR5

defects in NHLsensitizes breast carcinoma to TRAIL

CAV1

integrins FYN

tumour suppressor

cell cycle

CCNG2

CBLC

EGFR

CCNK

CDK9 CDK2 (CAK)CDKAL1

type 2 DM

CHMP4C

endosome

DNA repair

DDB2

UV-damage

DDIT4

mTOR

colorectal cancermultiple myeloma

VDR

vit D3

DNMT1

E2F1

PCNA

DTWD1

DUSP1

ERK1ERK2

oxidative stress (p53)

EEA1

translation

EEF1A1EIF2AK3

Nrf2

cell survival at ER stressglucose homeostasis

UV-induced apoptosis

FAS

FAT1

adhesion

FDXR

oxidative stress5-FUdoxorubicin

FOS JUN

GADD45A UV, MMS-induced

G2 arrest

GDF15

GNAI1

GPX1

Caspase 3

ASK1

GSPT1HSP90AB1

HSP8protein folding

IER5KITL

G

HIF-1a

cell proliferationmigrationadhesion

p53

MDM4

MED18

transcription

MET

MDM2

HGF

MLH1 MSH2

MutSa/b

nonpolyposiscolon cancer

NCAPD2

condensin complex

DNA damage

NDRG1

N-myc

NMU

metastasis

NOS3

ODC

Bcl-2

OSBP1

PCCA

PERP

desmosome junction

PLK3

NF-kB

PPFIBP1

disassembly of focal adhesion

PPM2Cprotein

phosphatase

PRDM1

PSTPIP2

PI3K/AKT

PTEN

tumour suppressor

PTK2

focal adhesion

RB1

RBL1

SUV420

RPS27L

RRM2B

S100A2

SCD1

unsaturated fatty acid synthesis

SCN3B

SERPINB5

SERPINE1

Bax

CDK4

SERTAD1

SESN1

hypoxiaradiation

chemothrepeuticsSFN/14-3-3s

Bcl2l1/Bclx

SIVA1

SLC38A2

STARD4

ER stress

DR4

Caspase 8

NF-kB

TRAIL-R3

UBP1

UBTD1

XRCC5/Ku86

DSDB repairtelomere maintenance

PUMA

PI3K/AKT

activated by ATF3repressed by ATF3

ras

src

ARHGEF4

miR-34a

BCL2L14

BCAS3

GPR39 LGALS3

BNIP3L

overexpressed in cancer

DKK1

SPAG9

BB1, HDAC1

EPHA2

DUSP5

Tanaka Y et al. pLosONE, 2011

30

HSP90AB1

c-IAP1

p53-ATF3 axis

apoptosis

ANK1

fodrin, tubulin, desminVIM

ADRB1

adrenergic receptor

F-actin CD2AP RHOA

ALNL

lung cancer

APAF1

Caspase 9APC

AdenomatosisPolyposis coli

Wnt pathway

b-catenin

ARHGAP5

RHO GTPase

GAP

ARHGEF7

Rac1

CALD1

CASP10

DR5

defects in NHLsensitizes breast carcinoma to TRAIL

CAV1

integrins FYN

tumour suppressor

cell cycle

CCNG2

CBLC

EGFR

CCNK

CDK9 CDK2 (CAK)CDKAL1

type 2 DM

CHMP4C

endosome

DNA repair

DDB2

UV-damage

DDIT4

mTOR

colorectal cancermultiple myeloma

VDR

vit D3

DNMT1

E2F1

PCNA

DTWD1

DUSP1

ERK1ERK2

oxidative stress (p53)

EEA1

translation

EEF1A1EIF2AK3

Nrf2

cell survival at ER stressglucose homeostasis

UV-induced apoptosis

FAS

FAT1

adhesion

FDXR

oxidative stress5-FUdoxorubicin

FOS JUN

GADD45A UV, MMS-induced

G2 arrest

GDF15

GNAI1

GPX1

Caspase 3

ASK1

GSPT1

HSP8protein folding

IER5KITLGHIF-1a

cell proliferationmigrationadhesion

p53

MDM4

MED18

transcription

MET

MDM2

HGF

MLH1 MSH2

MutSa/b

nonpolyposiscolon cancer

NCAPD2

condensin complex

DNA damage

NDRG1

N-myc

NMU

metastasis

NOS3

ODC

Bcl-2

OSBP1

PCCA

PERP

desmosome junction

PLK3

NF-kB

PPFIBP1

disassembly of focal adhesion

PPM2Cprotein

phosphatase

PRDM1

PSTPIP2

PI3K/AKT

PTEN

tumour suppressor

PTK2

focal adhesion

RB1

RBL1

SUV420

RPS27L

RRM2B

S100A2SCD1

unsaturated fatty acid synthesis

SCN3B

SERPINB5

SERPINE1

Bax

CDK4

SERTAD1

SESN1

hypoxiaradiation

chemothrepeuticsSFN/14-3-3s

Bcl2l1/Bclx

SIVA1

SLC38A2

STARD4

ER stress

DR4

Caspase 8

NF-kB

TRAIL-R3

UBP1

UBTD1

XRCC5/Ku86

DSDB repair

PUMA

PI3K/AKT

activated by ATF3repressed by ATF3

angiogenesis

ras

src

ARHGEF4

miR-34a

BCL2L14BCAS

3

GPR39 LGALS3

BNIP3L

overexpressed in cancer

DKK1

SPAG9

BB1, HDAC1

EPHA2

DUSP5

Tanaka Y et al. pLosONE, 2011

31

Hallmarks of Cancer: The Next Generation Douglas Hanahan, Robert Weinberg 144, 646-674, 2011

細胞が死ににくい

持続的な細胞増殖指令

増殖停止命令からの回避

血管を新しく作る

細胞の不死化

浸潤と転移

がんの特性＝治療の標的 バニツムマブ：抗EGFR抗体セツキシマブ：抗EGFR抗体

ベバシズマブ：抗VEGF抗体

32

33

TRAILは、生体内の免疫システムで作られ、悪性腫瘍（癌）を攻撃する．

TRAILを治療に用いる利点は、従来の化学療法や放射線治療に比べて、周囲の正常組織に影響を与えずに、癌細胞を特異的に攻撃できること．

Pavet et al. Oncogene (2011) 30, 1–20

TRAIL mimic/dr5 in vivo effectson tumor cell growth（HCT116）

がん選択的TRAIL併用療法の臨床前研究

J Lemke et al. Cell Death and Differentiation(2014) 21, 1350–1364;

34

Camptothecin (CPT)＝IRI (Irinotecan)

cytosine

Topo I

●キャンサーツリー （喜树）

(Camptotheca acuminata)

●自然化合物（Natural compounds）

ゼロンボン(ZER)：ハナショウガ由来

セㇾコックス（CCB）：消炎鎮痛剤

●ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤（ＳＡＨＡなど）

皮膚T細胞リンパ腫治療薬（FDA認定）

35

DNA傷害

ROS/ERストレスDR5誘導剤

p53野生型悪性度が低いがん

p53変異型の悪性度が高い難治がん

すでに臨床で使われている抗がん剤Camptothecin, Doxorubicin, Etoposide

未承認、別目的で使われているものZerumbone, Celecoxib（消炎鎮痛剤）HDAC阻害薬

ＴＲＡＩＬ併用でがん細胞死をさらに増強

Apoptosis

TRAIL/DR5アゴニスト

p53

ATF3

DR5

Extrinsic Pathway

単独の抗がん作用＋細胞死受容体プレコンディショニング

36

がんのストレス応答と治療抵抗性のシステムズ解析北嶋繁孝（東京医科歯科大学・難治疾患研究所）

がん細胞のストレス応答のシステム解析により、がんの治療抵抗性の新たな治療戦略を見出す

stress response core network

細胞死 細胞増殖

代謝制御

DNA修復

細胞老化

細胞ホメ­オスターシス

細胞レベル、モデルマウス実験とスーパーコンピューターを駆使した大規模データ解析によるネットワークの推定や、システムの動的モデリング、および、その実験的検証

**

がん細胞のストレス応答実験（正常vsがん、悪性度）

治療抵抗性がんの新規治療戦略と副作用軽減バイオマーカーの創出

37

●進行がんに対する分子標的薬は、阻害された経路を迂回する活性獲得のために、早期に耐性となる例が多い．

●化学療法剤（化学療法剤、自然産物、消炎鎮痛剤、HDAC阻害剤など）は、がん細胞表面の細胞死受容体レベルを誘導する機能があり、TRAILアゴニストとの併用療法のいい標的となる．

●ゲノム情報（特にその動き）の読み取りは、システムズバイオロジーによって可能となり、新たなヒントを与えてくれる．

38

大腸がんのリスクファクター

○食事脂肪・肉類の摂取過剰食物繊維と野菜・果物の摂取コーヒー、緑茶、カルシウム，ビタミンＤは予防効果？

○運動

○喫煙，飲酒

○その他の要因非ステロイド系抗炎症剤(NSAIDS）の予防効果家族歴

39

禁煙、節酒、肥満防止

40

ヒトゲノムセンター宮野悟井元誠也⼭⼝瑠依

遺伝⽣化学武⾕憲⼆ Liu Jia井上允 新井菜⽉平⽥学 藤沢晃久宮城知⾹ ⼤塚菜央⼤屋沙織 酒井菜摘宮本⼤貴 ⻫藤翔太三⽥村潤 ⾼橋拓也⼩⾼愛未枝川真五嶋⼤統福本悟史内⽥洋平

川内潤也⽥中裕⼆郎

⼤阪成⼈病センター三好純

岡本美紀⽯崎弘義

九州⼤学医学部前原喜彦

京都府⽴医科⼤学酒井敏⾏

順天堂⼤学⼋⽊⽥秀雄

41

42

ご清聴ありがとうございました