CRISPRを用いた系統追跡により構築された肺癌細胞の系図から、癌が初期の段階からどのように進化し、侵攻性を持ち、全身に広がることができるようになるか詳細に明らかになった。癌細胞は、時間の経過とともに、治療に対する耐性、攻撃性、転移性（体内の別の場所に広がり、新たな腫瘍を形成する能力）を持つように進化する可能性がある。このような特徴を持つ癌は、進化すればするほど、より致命的なものになる。研究者らは、致命的な癌を予防し治療するために、癌がどのようにこれらの特徴を進化させるのかを理解したいと考えている。しかし、患者に癌が発見されるまでに、癌は通常何年も、あるいは何十年も存在しており、重要な進化の瞬間は観察されることなく過ぎ去っているのだ。
ホワイトヘッド研究所のメンバーであるジョナサン・ワイズマン博士と共同研究者は、癌細胞を世代を超えて追跡し、研究者がその進化の歴史を追うことを可能にするアプローチを開発した。この系統追跡法は、CRISPR技術を使って、各細胞に継承可能かつ進化可能なDNAバーコードを埋め込むものである。細胞が分裂するたびに、そのバーコードはわずかに修正される。やがて元の細胞の子孫を採取すると、研究者は細胞のバーコードを比較して、近縁種の進化系統図のように、個々の細胞の系図を再構築することができる。そして、細胞の関係から、その細胞がいつ、どのように重要な形質を進化させたかを復元することができるのだ。研究者らは、同様の手法でCovid-19の原因となるウイルスの進化を追跡し、懸念される変異型の起源を追跡している。
ワイズマン博士と共同研究者らは、以前にもこの系統追跡法を用いて、転移性癌がどのように全身に広がるかを研究している。今回の研究では、ワイズマン博士、マサチューセッツ工科大学（MIT）のダニエル・K・ルートヴィヒ奨学生兼デヴィッド・H・コッチ生物学教授のタイラー・ジャックス博士、カリフォルニア大学バークレー校およびワイツマン科学研究所のコンピュータ科学者ニル・ヨセフ教授が、これまでにない包括的な癌細胞の歴史を記録した。
2022年5月5日にCell誌に掲載されたこの研究は、肺癌細胞を、癌を引き起こす変異の最初の活性化から追跡している。この詳細な腫瘍の歴史は、肺癌がどのように進行し転移するかについての新しい洞察を明らかにし、系統追跡が提供できる豊かな理解を示している。このCellの論文は「系統追跡は腫瘍進化の系統力学、可塑性、経路を明らかにする（Lineage Tracing Reveals the Phylodynamics, Plasticity, and Paths of Tumor Evolution）」と題されている。
MITの生物学教授であり、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもあるワイズマン博士は、「これは、癌の進化をより高い解像度で見ることができる新しい方法だ。これまでは、腫瘍が生命を脅かすようになる重要なイベントは、腫瘍の遠い過去に失われているため不透明だったが、これは、その歴史を覗く窓を与えてくれる。」と述べている。
癌をその初期から追跡するために、研究者達は、細胞内で癌を引き起こす突然変異を誘発すると同時に、その細胞の履歴を記録し始めるというアプローチを開発した。研究チームはマウスを作製し、その肺細胞を特製のウイルスにさらすと、Kras遺伝子に癌を引き起こす変異が生じ、細胞内の癌抑制遺伝子Trp53が不活性化し、さらに系統追跡技術も活性化するようにしたのだ。ジャックス博士の研究室で開発されたマウスモデルも、肺癌がヒトの場合と非常によく似た形で発生するように設計されている。
「このモデルでは、癌細胞は正常細胞から発生し、腫瘍の進行は本来の環境下で長期間にわたって起こる。これは、患者で起こっていることを忠実に再現している」とジャックス博士は言う。実際、この研究者らの発見は、肺癌患者における疾患の進行に関するデータと密接に一致している。
この研究者らは、癌細胞を採取する前に、数ヵ月間、癌細胞を進化させた。その後、以前の研究で開発された計算機手法を用いて、修正したDNAバーコードから細胞の系図を再構築した。さらに、RNA配列解析により細胞内の遺伝子発現を測定し、個々の細胞の状態を明らかにした。これらの情報をもとに、この種の肺癌がどのようにして侵攻性・転移性を獲得するのかが解明され始めた。
「腫瘍内の細胞間の関係を明らかにすることは、細胞の遺伝子発現プロファイルを理解し、攻撃的な状態の出現について洞察するための鍵となる」と、今回の研究および前回の系統追跡論文の共同責任著者であるヨセフ教授は語っている。
腫瘍内の競争
その結果、同じ腫瘍内でも、細胞の亜集団の間で著しい多様性があることがわかった。このモデルでは、癌細胞は、遺伝子の突然変異ではなく、主に遺伝子の発現の変化を通じて進化してきた。ある種の亜集団は、より適合性が高く（成長や生存に有利）、より攻撃的になるように進化し、やがて腫瘍を支配するようになった。研究チームは、最も適した細胞に共通して発現している遺伝子を特定し、今後の研究において治療標的の候補となる可能性を示した。さらに研究チームは、転移はこれらの優勢な細胞群からのみ生じ、しかも進化の後半にのみ生じることも発見した。これは、細胞が進化の初期に転移能力を獲得する可能性があるとされる、いくつかの他の癌について提唱されていることとは異なるものである。癌が致命的な状態になるのは転移がきっかけであることが多く、どの種類の癌がこのように段階的に転移能力を獲得していくかがわかれば、転移の進行を止めるための介入策を考案することができるだろう。
「より優れた治療法を開発するためには、腫瘍がどのような原理で発生するのかを理解することが重要だ。」「将来的には、患者が来院した時の癌細胞の状態を見て、その癌がどのように進化していくのか、どんなリスクがあるのか、その進化を止めるにはどんな治療法がベストなのかを予測できるようになりたいと思う。」と、共同筆頭著者であり、ワイズマン研究室のDamon Runyon 研究員であるダイアン・ヤン博士は語っている。
また、研究チームは、癌の亜集団が適応的かつ攻撃的になるために取る進化の道筋の重要な詳細を明らかにした。細胞は、その時点で細胞がもつ主要な特性によって定義されるさまざまな状態を経て進化する。この癌モデルでは、初期には腫瘍内の細胞が急速に多様化し、さまざまな状態を切り替えていることがわかった。しかし、ある部分集団が特に適した攻撃的な状態になると、そこに留まり、その安定した状態から腫瘍を支配するようになった。さらに、最終的に優勢となった細胞は、異なる細胞状態を経て、2つの異なる経路のうちの1つを辿るようであった。これらの経路のいずれかが、癌をさらに進行させ、転移に関連する攻撃的な「間葉系」細胞状態に移行させる可能性があるのである。
研究チームは、癌細胞の進化の道筋を完全に把握した後、癌細胞がさらに癌に関連する変異を受けた場合、これらの道筋にどのような影響が及ぶかを考え、さらに2つの腫瘍抑制因子のうちの1つを不活性化した。このうち1つは細胞が安定化する状態に影響を与え、もう1つは細胞が体力維持のために全く新しい進化経路を辿るようにした。
研究者らは、この方法を用いて、癌の進化に関するあらゆる問題を研究することを期待しており、すでに自分たちでもいくつかの問題を考えている。
1つの目標は、さまざまな治療法に反応して癌がどのように進化するかを見ることで、治療抵抗性の進化を研究することである。もうひとつは、癌細胞の局所的な環境が進化をどのように形成するかを研究することだ。
「このアプローチの長所は、癌の進化をきめ細かく研究できることだ。ある技術や手法において、バルク解析からシングルセル解析へと移行するたびに、得られる生物学的洞察の幅が劇的に広ががるが、今回もそのようなことが起こっていると思う。」と、ワイズマンとヨセフの研究室の大学院生で共同研究者のマシュー・ジョーンズは述べている。
