倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成■受領№1453

がん代謝不均一性「メタボリックヘテロジェネイティ」を克服するがん治療法の開発
代表研究者

大澤毅

東京大学先端科学技術研究センター

特任准教授

Development of anti-cancer treatments to overcome metabolic heterogeneity
Principal Researcher

Tsuyoshi Osawa,RCAST, The University of Tokyo Associate Professor

がんの増殖・転移・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、過酷ながん微⼩環境が解糖系、酢酸代謝、グルタミン代謝という多重の代謝適応（メタボリックヘテロジェネイティ）を介して悪性化を促進することを報告してきた。本研究は、メタボリックヘテロジェネイ
ティを克服するがん治療法の開発のみならず、将来的に先天性アミノ酸代謝異常疾患の病態解明や治療法の開発にも繋がる研究を⽬指し実施した。
Tumor microenvironment plays an important role in the malignant transformation of cancer such asgrowth, metastasis, and drug resistance. Applicants have reported that the extreme tumor
microenvironment promotes malignant transformation through multiple metabolic adaptations (metabolicheterogeneity) of glycolysis, acetic acid metabolism, and glutamine metabolism. The purpose of this study
was not only to develop a cancer treatment that overcomes metabolic heterogeneity, but also to elucidate
the pathophysiology of congenital amino acid metabolic disorders to develop a treatment for them.

1．研究内容1.1 研究の背景・⽬的

図1

がんの転移・浸潤・薬剤耐性などの悪性化には、がん微⼩環境による代謝変動が重要な役割を果たす（PNAS 2011, Cell Reports 2017, Cell Reports
2019, 図１）
。近年、がん研究領域においてアミノ酸代謝が再注⽬されている。ロイシンなど必須アミノ酸には mTOR 複合体を介したアミノ酸⽋乏・感知機構が存在する。⼀⽅、申請者はグルタミンなど⾮必須アミノ酸の⽋乏で、がん細胞はシステム⽣物学的（ニュートリオミクス）アプロ

mTOR 複合体を介さない新しいアミノ酸感知機ーチから、多重のがん代謝適応機構の解明とメタ構が存在する可能性を⾒出した。本研究は、栄養ボリックヘテロジェネイティの克服を⽬指す。本を基軸とした多階層オミクス情報を統合解析する

研究は、がん治療法の開発だけではなく、難治性倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
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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応⽤可能であり、さらに「mTOR 研究」

図2や「オートファジー研究」などの学術体系の変⾰や技術⾰新にも繋がる可能性をもつ研究である。
1.2 研究結果・考察
がん微⼩環境におけるがん細胞は代謝不均⼀性を介して悪性化するが、本研究は、その最後の砦であるアミノ酸適応機構を解明し、新たな治療に繋げる。申請者が持つ独⾃の低栄養培養系(PNAS2011, MCB 2017)に、アミノ酸を１種類ずつ添加することで、これまで他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、エピゲノム、メタボロームのオミ
ク ス 統 合 解 析 を 正 常 細 胞 と が ん 細 胞 （ HeLa,PANC1 細胞株）を⽐較検討した。具体的には、本研究では以下の３項⽬を検討した。
1.2.1 アミノ酸⽋乏感知・適応機構の解明
がん細胞はロイシンなど必須アミノ酸の⽋乏を 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、その他アミノ酸の⽋乏を感知する分⼦機構は未だ不明な点が多い。本研究項⽬は、独⾃の低栄養培地に１アミノ酸のみを添加した培地を作成し１５種類の各アミノ酸存在下で、繊維芽細胞（NHDF 細胞）とがん細胞(HeLa、PANC1 細胞)を 24 時間培養し、１アミノ酸で特異的に発現誘導される遺伝⼦群、エピゲノム修飾、代謝物を同定し、各アミノ酸における上流制御因⼦を同定した。また、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ている（図 2）。
さらに、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データとの統合解析から、１アミノ酸に起因する上流制御因⼦やアミノ酸トランスポーターなど各々のアミノ酸の⽋乏で鍵となる感知・適応機構の⼀部として NRF 経路を⾒出した。現在、NRF 経路を介した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・制御機構を詳細に解析している。
また、がん細胞におけるアミノ酸⽋乏に対する適応機構の１つとして、オートファジー活性化や mTOR 阻害剤の存在下で検討し、ｍTOR⾮依存的な１アミノ酸由来の適応機構にも⼀部関与していることを⾒出した。
1.2.2 代謝物を介した細胞間相互作⽤によるがん悪性化機構の解明
がん組織には、がん細胞のみならず線維芽細胞、免疫細胞、⾎管内⽪細胞など様々な細胞が存在し、がん細胞とこれらの細胞のシグナル伝達を介した細胞間相互作⽤ががんの進展や悪性化に寄与すことが報告されている。
本研究では、⽣理活性代謝物を介したがん細胞と線維芽細胞や免疫細胞の細胞間相互作⽤が、如何にがん悪性化に寄与するか検討した結果、がん細胞と線維芽細胞をマウスに共移植した腫瘍組織において、トランスクリプトームとメタボロームのトランスオミクス解析から、細胞間相互作⽤を介したがん悪性化機構に線維芽細胞由来の分岐鎖アミノ酸（Ile, Leu, Val）が重要であることを⾒いださいた（図３）。この経路は、膵臓がんにおいて、重要な経路であることが⽰唆され、我々以外のグループも同様の研究成果を報告している（Zho et倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
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al. Nature Metabolism 2020）。現在、膵臓がん以について検討を⾏っている。

外の癌腫における、線維芽細胞を介した代謝連関
図3

1.2.3 メタボリックヘテロジェネイティを克服する治療法開発

1.3 結語・今後の展望
近年、次世代シークエンサー、質量分析器など

がん細胞は、糖・脂質・アミノ酸にわたる多重次世代基盤技術の普及により、ゲノム配列、転写、の代謝適応システムを介して進展する。しかし、翻訳、代謝、タンパク質複合体などの⽣命現象がこれら全ての代謝経路を制御する阻害剤や低分⼦網羅的にまた１細胞レベルで解析され、メガデー化合物は現存しない。そこで本研究では、がん細タを取り扱わなければ⽣命現象や病態の全体像は胞の悪性化の鍵であるメタボリックヘテロジェネ⾒えてこない時代を迎えており、システム⽣物学イティ（代謝不均⼀性）を克服するために、上述的な解析技術の開発が必要とされ科学技術上の要の代謝経路を中⼼に、律速酵素の基質代謝物を化請も強い。しかし、各階層の膨⼤な網羅的なデー学修飾した代謝物を合成し、それらの抗がん作⽤タの蓄積は医学・⽣物学的な意義付けを複雑化し、を検討する。本研究から１アミノ酸レベルの解像

１細胞レベルの代謝変動を同定する⽅法も未だ確度でのオミクス情報を取得し、がん細胞の最後の⽴されていない。本研究は、栄養を基軸としたオ砦である、ノンカノニカルな mTOR アミノ酸感知

ミクス情報を統合解析するトランスオミクス解析機構の探索、及び、がん悪性化機構の解明し⽬指技術を開発し、科学技術上の要請に応える意義をした。本研究から、ゴルジ体や ER、ミトコンドリ有する。

アといった細胞⼩器官が栄養を感知することを⾒また、がん組織内では、がん細胞と腫瘍⾎管、出しており、さらに詳細な解析を⾏っている。

線維芽細胞、免疫細胞の細胞間相互作⽤により、

本研究は、がん研究のみならず、アミノ酸代謝治療抵抗性を⽰す難治性がんに進展することが知

疾患研究の治療法への応⽤や、mTOR 研究やオーられている。このことから、がん細胞のみならずトファジー研究などの学術体系の変⾰や転換にもがん組織ネットワークを制御する新たながん治療繋がることが期待され、本研究の新しいアミノ酸戦略が必要である。近年、新たな試みとして、が⽋乏認識・適応機構を基軸としたがん悪性化や治ん代謝阻害剤が臨床に登場しているが、がん細胞療抵抗性克服のアプローチは、新たながん治療法の代謝適応機構（メタボリックヘテロジェネイテのみならず、先天性アミノ酸代謝異常疾患の病態ィ）が代謝阻害耐性の原因になっている。本研究⽣理解明や治療への応⽤も期待できると考えていは、がんの多重の代謝適応機構を解明し、メタボる。

リックヘテロジェネイティを克服するための「新技術」の開発を試みた。本研究成果を応⽤し将来倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
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的には、がんの病態解明と⾰新的な診断マーカ

Midorikawa Y, Tateishi K, Ichinose M, Aburatani

ー・治療薬の創出が期待できる。

H. TET1 upregulation drives cancer cell growth by

本研究のまとめとして、今後本研究を⽣かしてaberrant enhancer hydroxymethylation of HMGA2

糖、脂質、アミノ酸にわたるがん細胞の多重の代

in hepatocellular carcinoma. Cancer Science,

謝適応システムを解明し、引き続きワーブルグ効

112(7), 2855-2869, 2021.

果を包括するがん研究領域における新たな概念提5. Morihiro K, Ishinabe T, Takatsu M, Osumi H,唱に挑みたいと考えておる。本研究からがん微⼩Osawa T, Okamoto A. Fluoxuridine Oligomers

環境に起因するメタボリックヘテロジェネイティ

Activated under Hypoxic Environment. J. Am.

を克服する画期的な制がん法の開発に繋がること

Chem. Soc. 143, 9, 3340‒3347, 2021.

が期待される。
2.2 学会招待講演等

2．発表（研究成果の発表）

1. ⼤澤毅、“造⾎細胞、エクソソーム、多階層オ

2.1 原著論⽂

ミクス解析からみる全⾝性疾患⽣物学” 第94回⽇

1. Pan M, Zorbas C, Sugaya M, Ishiguro K, Kato

本⽣化学会, 横浜（ZOOM）, Nov. 3-5, 2021

M, Nishida M, Zhang H, Candeias MM, Okamoto

2. ⼤澤毅、“がん微⼩環境におけるがん細胞と線A, Soga T, Aburatani H, Sakai J, Matsumura Y,維芽細胞の代謝相互作⽤” 第80回⽇本癌学会学術Suzuki T, Proud CG, Lafontaine DLJ, Osawa T§,

総会, 横浜 , Sep. 30-Oct. 2, 2021

Glutamine deficiency in solid tumors confers

3. ⼤澤毅、“ニュートリオミクス、がんと代謝”

resistance to ribosomal RNA synthesis inhibitors.

2021年度若⼿⽀援技術講習会, WEB開催, Sep. 6,

Nature Commun. In press. (§ Correspondence)2021

2. Yoneshiro T, Kataoka N, Walejko JM, Ikeda K,

4. ⼤澤毅、“ニュートリオミクスから迫るがん悪Brown Z, Yoneshiro M, Crown SB, Osawa T,性化機構の解明” 第121回北海道癌談話会春季シ

Sakai J, McGarrah RW, White PJ,Nakamura K,ンポジウム, 札幌（ZOOM）, Jun. 26, 2021

andKajimura

mitochondrialS,MetabolicBCAA

carrier

flexibilityvia

5. ⼤澤毅、“ニュートリオミクス、がんと代謝” 第SLC25A44

is25回⽇本がん分⼦標的治療学会学術集会, 東京,

required for optimal fever. eLife, 10, e66865,2021.
3. Muramatsu M#, Osawa T#, Miyamura Y,Nakagawa S, Tanaka T, Kodama T, Aburatani H,Sakai J, Ryeom S, Minami T. Loss of Down
syndrome critical region-1 leads to cholesterol
metabolicdysfunction

thatexaggerates

hypercholesterolemia in ApoE-null background.

Journal of Biological Chemistry, 296 : 100697,2021. (# Equally contributed)
4. Shirai K, Nagae G, Seki M, Kudo Y, Kamio A,Hayashi A, Okabe A, Ota S, Tsutsumi S, Fujita T,Yamamoto S, Nakaki R, Kanki Y, Osawa T,May. 28, 2021