ニュートリオミクスから迫るがんアミノ酸代謝適応システムの解明
Mechanism of cancer metabolism adaptation to amino acids deficiency throughnutriomics approach

代表研究者 東京大学

大澤 毅

The University of Tokyo

Tsuyoshi OSAWA

協同研究者 東京大学

児玉 龍彦

The University of Tokyo

Tatsuhiko KODAMA東京大学

油谷 浩幸

The University of Tokyo

Hiroyuki ABURATANI

慶応大学

曽我 朋義

Keio University

Tomoyoshi SOGA名古屋大学

島村 徹平

Nagoya University

Teppei SHIMAMURA

Extreme tumor microenvironments such as hypoxia, nutrient starvation and acidic pH induce tumor
aggressiveness including metastasis, invasion and drug resistance. We reported metabolic adaptations through glycolysis,lipid/acetic acid metabolism and glutamine metabolism may contribute to promote the malignant transformation ofcancer (Cell Reports 2017, Cell Reports 2019, Nat Commun. 2022). In recent years, adaptive mechanism of cancer cells
in amino acid metabolism has attracted attention in cancer research. Deficiency of essential amino acids such as leucine
isoleucine and valine regulates an amino acid recognition mechanism mediated by mTOR complex. On the other hand,
the we found that cancer cells may utilize unknown amino acid recognition mechanism through the Golgi apparatus andendoplasmic reticulum transport independent of mTOR complex, when deficient in non-essential amino acids“glutamine”. In the future, using comprehensive neutriomics approach which enables integration of multilayered data
analysis of this research, we will elucidate a novel sensing mechanism for amino acid deficiency within the tumor
microenvironments. Using our nutriomics approach, we will develop cancer treatment against tumor aggressiveness.

研究目的
がん細胞が正常細胞とは異なる代謝機構を有する
ことは、1950 年代オット・ワーブルグ博士が提唱した「Origin of Cancer」まで遡る(Science 1956)。
低酸素環境におけるがん細胞は低酸素誘導因子（HIF1α）を介し解糖系（ワーブルグ効果）を促進
し（Cell 2008）、乳酸や H+細胞外排出に伴って腫瘍内の一部は低 pH に陥る（ Nature Review Cancer2017）。申請者や Corbet らは、低ｐH のがん細胞はステロール調節配列結合蛋白（SREBP2）を介し酢酸代謝（ACSS2）を促すことを報告し、低 pH が単なる低酸素やワーブルグ効果の結果ではなく低 pH が原因となってがん進展を促進することを報告してきた(Cell Metabolism 2016, Cell Reports 2017,
Nature Commun. 2017)。
近年、がん代謝研究領域では、解糖系、脂質代謝、１炭素代謝、酢酸代謝に加えて、アミノ酸代謝が注目されている。ロイシン、バリンなどの必須アミノ酸は、mTOR 複合体を介し転写・翻訳・増殖・転移などがんの進展・悪性化を促すだけでなく、HIF1α、SREBP2、ATF4 のストレス適応機構と協調的に働くことが最近示唆され、mTOR 複合体を介したアミノ酸代謝研究の重要性が報告されている(Manning ら,
Sabatini ら, Cold Spring Harbor)。このことからラパマイシン、ラパログなどの mTOR 複合体阻害剤が新しいがん治療薬として登場し一定の治療効果は得られているが、がんの根治には至っていない。一方、申請者はグルタミンやセリンなど非必須アミノ酸において mTOR 複合体を介さないアミノ酸欠乏感知・適応機構が存在する可能性を見出している（図1）。

図1の栄養素の作用が混在し解析が困難であった１アミノ酸に起因する系統的な遺伝子発現解析、エピゲノム解析やメタボローム解析を正常細胞とがん（HeLa,PANC1）細胞を比較した。具体的には、申請者独自の実験系を駆使して本研究期間内で、以下の３項目を検討した。
（１）アミノ酸欠乏感知機構の解明
がん細胞はロイシンなどの必須アミノ酸欠乏をmTOR 複合体を介したシグナル伝達系で感知することが知られている。一方、その他アミノ酸欠乏の感知機構は未だ不明な点が多い。本研究は、独自の低栄養培地に各アミノ酸のみを添加した培地を作成し本研究第１の目的は、がん微小環境でがん細胞の生存の鍵となる mTOR 複合体非依存的なアミノ酸感知・適応機構の解明である。また、アミノ酸を始めとする代謝物のシグナル伝達機構は、核、ミトコンドリア、小胞体、リソソームなどの細胞小器官ごとに異なることが考えられるが、細胞小器官ごとの詳細な代謝物の解析はこれまで困難であった。
そこで本研究第２の目的は、１アミノ酸に起因する代謝機構は細胞小器官でどのように変動するかである。本研究の成果から将来的には、がん細胞で鍵となるアミノ酸感知適応機構を標的とした画期的ながん治療法の開発に繋がることが期待できる。
具体的には、本研究は、「がん微小環境におけるアミノ酸欠乏の感知・適応システムの理解」を目的とし、（１）アミノ酸欠乏感知機構の解明、（２）低酸素・低栄養・低 pH ストレス応答と糖・脂質・アミノ酸代謝クロストークの検討、（３）がん微小環境における細胞相互作用の解析、の３項目について検討した。

２０種類の各アミノ酸存在下で、繊維芽細胞とがん細胞(HeLa、PANC1 細胞)を 24 時間培養し、各アミノ酸で特異的に発現誘導される遺伝子群を同定し、パスウェイ解析を用いて各アミノ酸における上流制御因子を同定する。既に、申請者はグルタミンで誘導され、ロイシンやその他のアミノ酸では変動しない遺伝子群を見出した（図 2）。

図2

本研究は、これまで申請者が行ってきた細胞レベルの単なるオミクス情報取得研究とは全く異なり、細胞小器官ごと、且つ、１アミノ酸レベルの解像度でのオミクス情報の取得し、がん細胞の最後の砦である、mTOR 非依存的なアミノ酸感知・適応システ
ムの解明を目指す独創的且つ挑戦的な課題である。
本研究は、小児科領域の難治性疾患である先天性アミノ酸代謝異常疾患の病態生理解明や治療法にも将来的には応用可能であり、さらに「mTOR 研究」や「オートファジー研究」などの学術体系の変革や転換にも繋がる可能性があり学術的、医療経済的な波及効果を有する課題である。

また、各種アミノ酸で特異的なヒストン修飾情報（H3K4me3, H3K27ac）を取得し、プロモーター、エンハンサーの同定、クロマチン相互作用のデータとの統合解析から、パスウェイ解析で得られなかった上流制御因子やアミノ酸トランスポーターなど各アミノ酸欠乏で必須となる感知機構を解明を目的とし研究を行った。申請者は、グルタミン標的遺伝子群、グルタミン標的エンハンサー、グルタミンで変動するクロマチン相互作用の解析から感知・制御因子候補として NRF2 を同定した。近年、薬剤耐性や転移浸潤能を持つパーシスターがん細胞に NRF2 が関与することが報告されているが(Cell 2021)、申請者

研究経過
腫瘍微小環境におけるがん細胞は mTOR 非依存的なアミノ酸感知・適応機構を介しがん悪性化を促進するという研究仮説をもとに、申請者が持つ独自の低栄養培養系(PNAS 2011, Cell Reports 2017)に、アミノ酸を１種類ずつ添加することで、これまで他らは、この NRF2 依存的なパーシスターがん細胞のメカニズムに新たにグルタミン依存的なエピゲノム制御が関与する可能性を見出した（未発表データ）。
(2)低酸素・低栄養・低 pH ストレス応答と糖・脂質・アミノ酸代謝クロストークの検討

がんの増殖・転移・浸潤・薬剤耐性などの悪性化には、がん微小環境が重要な役割を果たす。申請者
は、がん細胞が低酸素・低栄養・低 pH の過酷ながん微小環境で、解糖系・脂質代謝・アミノ酸代謝の多重の代謝適応システムを介して悪性化することを報告してきた（ PNAS 2011, Cell Reports 2017 図４)。また、ロイシン、イソロイシン、バリンなどの分岐鎖必須アミノ酸は、mTOR 複合体を介し転写・翻訳・増殖・転移などがんの進展・悪性化を促すだけでなく、HIF1α、ATF4、SREBP2 のストレス適応機構と協調的に働くことが近年示唆され、mTOR複合体を介したストレス応答とアミノ酸代謝研究が
注 目 さ れ て い る (Manning ら , Cold SpringHarbor)。
一方、申請者は、がん微小環境において、低酸素・低栄養・低 pH の組み合わせが、低酸素誘導転写因子 HIF1α の下流として知られる血管内皮増殖因子（VEGF）の発現や低栄養（小胞体ストレス）応答転写因子である ATF3 の発現を相乗的に誘導することを見出している（図 3）。これら転写応答機構を、申請者独自の１アミノ酸培養系で行い、低酸素 ・ 低 栄 養 ・ 低 pH 、 お よ び 、 HIF1 α ・ ATF4 ・SREBP2 のストレス適応とアミノ酸シグナルがどのように協調的に働くか、エンハンサー領域のモチーフ解析、発現遺伝子の上流パスウェイ解析やメタボローム解析を行った。本研究では、これまで申請者が報告してきた糖、脂質、アミ図3ノ酸にわたる多重の適応機構を、
25!!
低酸素・低栄VEGF
20!!
養 ・ 低 pH の15!!
「組み合わせ」
10!!
で 、 HIF1 α ・5!!
ATF4 ・ SREBP20!!
160!! 1! 2! 3! 4! 5!のストレス適応
140!!
ATF3
120!!
機構が相補的に100!!
80!!
制御している可60!!
40!!
能性を見出した。
20!!
0!!
この様に、がん細胞の多重の代謝適応機構に寄与する転写因群の組み合わせの統合的な理解は、がん微小環境におけるがん細胞の悪性化にはにおけるその多重の転写適応機構の解明に必須であると考えられる。この詳細なメカニズムは、現在も引き続き検討を続けており将来必ず明らかにしたいと考えている。

本研究項目では、がん細胞と線維芽細胞や免疫細胞(3)がん微小環境における細胞間相互作用の解析

Harbor 2018)。このことからラパマイシン、ラパロ

申請者はこれまで、がん細胞における低酸素・低グなどの mTOR 複合体阻害剤が新しいがん治療薬と栄養・低ｐH に対する適応機構を解明してきた。しして登場し一定の治療効果は得られているが、がんかし、がん微小環境には、がん細胞の他に、線維芽の根治には至っていない。一方、申請者はグルタミ細胞、免疫細胞、血管内皮細胞など多様な細胞が存

ンやセリンなど非必須アミノ酸において mTOR 複合在し、これらの細胞間の代謝物を介した相互作用が体を介さない細胞小器官の変動を伴ったアミノ酸欠がんの進展に寄与することが知られている。そこで

乏感知・適応機構が存在する可能性を見出しているとの細胞間代謝物の相互作用が、如何にがんの進展に寄与するか解明を試みた。申請者らは、必須アミノ酸や細胞間相互作用におけるアミノ酸の役割を、膵癌細胞と PSC の共培養マウスモデルと子宮頸がん（HeLa、A431 細胞）+vCAF 共移植モデルを比較対象に用いて、１細胞解析、スライドシーク、メタボローム解析で検討した結果、線維芽細胞由来の必須アミノ酸により、がん細胞と協調して腫瘍微小環境内の免疫細胞の免疫寛容に寄与する可能性を見出し、現在論文の投稿に向けて準備中である。本研究よりがん悪性化を促進する新しいアミノ酸欠乏の感知・適応システムを細胞連関の視点から解明し、新たな治療法の開発に繋げたいと考えている。
考察

がん代謝研究は 1950 年代のワーバーグ効果提唱に端を発し、近年のメタボローム解析技術の革新により大きく発展し競争を増している。低酸素環境におけるがん細胞は HIF1αを介し解糖系（ワーブルグ効果）を促進し（Cell 2008）、乳酸や H+の細胞	!+!
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外 排 出 に よ り 微 小 環 境 の 一 部 は 低 pH に 陥 る（ Nature Review Cancer 2017）。申請者や Corbetらは、低ｐH のがん細胞は SREBP2 や FAO を介し酢酸代謝（ACSS2）を促すことを報告し、低 pH が単なる低酸素やワーブルグ効果の結果ではなく低 pH が原因となってがん進展を促進することを報告した(CellMetabolism 2016, Cell Reports 2017,Nature Commun. 2017)。近年、がん代謝研究領域では、解糖系、脂質代謝、１炭素代謝、酢酸代謝に加えて、アミノ酸代謝が注目されている。ロイシン、イソロイシン、バリンなどの必須アミノ酸は、mTOR複合体を介し転写・翻訳・増殖・転移などがんの進展・悪性化を促すだけでなく、HIF1α、SREBP2、ATF4 のストレス適応機構と協調的に働くことが示唆され、mTOR 複合体を介したアミノ酸代謝研究の重要性が報告されている(Manning ら, Cold Spring（図２、図 3）。

季 シ ン ポ ジ ウ ム , 札 幌 （ ZOOM ） ,本研究は、腫瘍微小環境で鍵となる mTOR 複合体非依存的なアミノ酸感知・適応機構の解明に挑戦した。また、代謝シグナル伝達機構は、核、ER、リソ

2021
7. 大澤毅 、“ニュートリオミクス、がんと代謝”
第２５回日本がん分子標的治療学会学術集会,

ソームなどの細胞小器官ごとに異なることが知られ

東京, May. 28, 2021ているが、細胞小器官ごとの詳細なメタボローム解析はこれまで困難であった。本研究から将来的には、

Jun. 26,

8. 大澤毅、“がん微小環境におけるエピジェネテ１アミノ酸に起因する細胞小器官ごとの代謝機構のィック制御” 第１４回日本エピジェネティク

解明に挑み、低栄養で悪性化するがん細胞を攻略す

ス研究会, 名古屋, 31 March, 2021

る画期的ながん治療法の開発に繋がることが期待できる。

9. 大 澤 毅 、 “Integrative Nutriomics Approach

また、本研究は、小児科領域の難治性疾患である

for understanding Cancer and Metabolism”

先天性アミノ酸代謝異常疾患の病態生理解明や治療

International Conference on Cancer Systems法にも応用可能であり、さらに「mTOR 研究」やBiology Beyond, 東京 Jan. 29, 2020

「オートファジー研究」などの学術体系の変革や転換にも繋がる可能性がある学術的、医療経済的な波

誌上発表及効果を有する課題である。本研究を発端として今1.

Aki S, Nakahara R, Maeda K, Osawa T §. Cancer

後さらに本研究を発展させて、アミノ酸代謝異常疾

metabolism within tumor microenvironments.

患の新たな概念提唱に挑戦したい。

Biochemica et Biophysica Acta, 2023. In press(§ Correspondence)

研究の発表

口頭発表（主な招待講演）

2.

Nakahara R, Maeda K, Aki S, Osawa T §.

1. 大澤毅、ニュートリオミクスから迫るオルガネ

Metabolic adaptations of cancer in extreme tumor

ラダイナミクス” iSeminar (異分野融合セミ

microenvironments. Cancer Science, 2023. Inナー),（ZOOM）, May. 12, 2022

press (§ Correspondence)3.

2. 大澤毅、“ニュートリオミクスから迫るがんのHirose S, Waku T, Tani M, Masuda H, Endo K,
Ashitani S, Aketa I, Ktano H, Nakada S, Wada A,

治療戦略” 第 4 回 JST 産学共創プラットフォ

Hatanaka A, Osawa T, Soga T, Kobayashi A. NRF3ーム共同研究推進プログラム TUT-OPERA Webnar,

activates mTORC1 arginine-dependently for cancer（ZOOM）, Dec. 9, 2021

cell viability. iScience. 2023 In press.

3. 大澤毅、“造血細胞、エクソソーム、多階層オ

4.

KanekoY,

Yamatsugu

K,

Yamashita

T,

Takahashi K, Tanaka T, Aki S, Tatsumi T,

ミクス解析からみる全身性疾患生物学” 第 94

Kawamura T, Miura M, Ishii M, Ohkubo

回 日 本 生 化 学 会 , 横 浜 （ ZOOM ） , Nov. 3-5,K, Osawa

2021

T,

KodamaK,Ishikawa

S, Tsukagoshi M, Chansler M, Sugiyama A,

4. 大澤毅、“がん微小環境におけるがん細胞と線Kanai M, Katoh H, Pathological complete

維芽細胞の代謝相互作用” 第 80 回日本癌学会

remission of relapsed tumor by photo-activating

学術総会, 横浜 , Sep. 30-Oct. 2, 2021

antibody–mimetic

5. 大澤毅 、“ニュートリオミクス、がんと代謝”
2021 年度若手支援技術講習会, WEB 開催, Sep.
6, 2021
6. 大澤毅 、“ニュートリオミクスから迫るがん悪性化機構の解明” 第 121 回北海道癌談話会春

drugconjugate

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