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ダウン症候群に合併した急性巨核芽球性白血病の新規原因遺伝子を発見 -ダウン症候群児に発症する血液がんの大規模遺伝子解析を実施-

2013年9月23日

 小川誠司 医学研究科教授、伊藤悦朗 弘前大学医学系研究科小児科学教授、小島勢二 名古屋大学医学研究科小児科学教授、林泰秀 群馬県立小児医療センター院長、宮野悟 東京大学医科学研究所教授らを中心とする国際共同研究チームは、次世代遺伝子解析装置を用い、ダウン症候群に合併する一過性異常骨髄増殖症(TAM)および急性巨核芽球性白血病(DS-AMKL)の網羅的遺伝子解析を行い、本症にみられる遺伝子異常の全体像を解明しました。

 今回の研究成果は、本症の予後予測や新規治療法の開発につながるとともに、すべての白血病の発症機構の解明と治療法の開発に役立つことが期待されます。

 本研究成果は、米国科学誌「Nature Genetics(ネイチャージェネティクス)」(米国時間2013年9月22日付の電子版)に掲載されました。

研究のポイント

  1. TAMの全エクソンシーケンスを行った結果、TAMではGATA1以外の遺伝子変異はきわめて稀であり、TAMは21番染色体の過剰(トリソミー)とGATA1遺伝子の変異によって起こっていると考えられた。
  2. DS-AMKLの全エクソンシーケンスにより、TAMからDS-AMKLへの進展に関与するコヒーシン複合体やCTCFEZH2、およびRAS/TKなどのシグナル伝達系分子をコードする遺伝子群の変異を発見した。
  3. 特に、コヒーシン複合体を構成する五つの遺伝子の変異と機能的に関連のあるCTCFの遺伝子変異はDS-AMKLの65%の症例に変異が認められ、DS-AMKL発症に関わる重要な遺伝子変異と考えられた。

背景

 ダウン症は21番染色体の過剰(トリソミー)が原因で起こるヒトで最も多い染色体異常で、近年高齢出産の増加にともない増加傾向にあります。ダウン症は白血病発症リスクが非ダウン症に比較して10~20倍とされ、さらに急性巨核芽球性白血病(以下AMKL)に限ると、そのリスクは400~500倍とされています。このダウン症にみられる AMKL(以下DS-AMKL)は、発症までの過程が特異であることから注目されています。まず、新生児の5~10%に、一過性異常骨髄増殖症(以下TAM)と呼ばれる血液疾患が発症します。この疾患の芽球は白血病のものと区別がつかず、約20%は早期死亡に至ります。しかし、その多くが自然寛解することから、一過性白血病とも呼ばれています。TAM寛解例の20~30%は生後3年以内にDS-AMKLを発症します。非ダウン症のAMKL(以下non-DS-AMKL)に比べ、DS-AMKLは比較的治療成績のよい疾患群と考えられています。しかし、10~20%は予後不良の経過をたどります。また、ダウン症は抗がん剤の副作用が出やすいことが知られています。このため、身体への負担が少なくより効果的な治療法の開発が求められています。ダウン症候群は、TAMから真の白血病であるDS-AMKLに進行する過程を観察することができるため、白血病の多段階発症の仕組みを研究するための興味深い疾患群です。一方、TAMやDS-AMKLをはじめとして「がん」は「ゲノム」の異常(遺伝子変異)によっておこる病気であると考えられており、実際にこれまですべてのTAMとDS-AMKL症例では、血球系転写因子GATA1の遺伝子変異があることが知られていましたが、「TAMの発症にはGATA1変異で十分であるのか?」、「TAMからDS-AMKLへの進展には付加的遺伝子異常が必要か?」、「もし必要ならどのような付加的遺伝子変異が起こっているか?」などの問題が残されていました。

研究内容と成果

次世代シークエンサーとスーパーコンピュータによる塩基配列の解読

 がん細胞において生じている遺伝子異常は、症例によっても大きく異なるため、TAMあるいはDS-AMKLにおける遺伝子変異のプロファイルを明らかとするためには、多数の症例を対象として、網羅的にゲノムの塩基配列を解読することが重要です。このため、共同研究チームは、次世代シークエンサーを用いて、15例のTAM症例と14例のDS-AMKL症例について、ゲノムのうちタンパク質をコードする領域(エクソン)の全塩基配列を徹底的に解読することにより(全エクソンシーケンス)、その遺伝子変異の網羅的解析を行いました。今回の研究には、次世代シークエンサーによる塩基配列情報の収集と、スーパーコンピュータによる高速度のデータ解析が中心的な役割を担いました。

TAMは21番染色体の過剰とGATA1遺伝子変異により発症する

 すべてのサンプルで確認されたGATA1変異を含め、全エクソームシーケンスで同定された1症例あたりの体細胞遺伝子変異(がん細胞だけに起こっている変異)数は、TAMでは1.7個と少なく、これは他のさまざまな腫瘍と比較して、はるかに少数でした。一方、DS-AMKLでは5.8個と、より有意に多く変異が認められました(図1)。

 TAMではGATA1変異以外に繰り返し(高頻度に)認められる遺伝子変異は検出されず、TAMはダウン症候群の特徴である21トリソミーとGATA1遺伝子の変異によって起こっている疾患であることが示唆されました。


図1:29例のTAM、AMKLの全エクソンシーケンスによって同定された変異の個数

TAMでは1症例あたりの平均の変異の数は1.7個と少なく、一方AMKLでは1症例あたり5.8個とより多くの変異が検出された。

ダウン症候群児に発症するAMKLにおいて新たに発見された遺伝子変異

 DS-AMKLではGATA1以外の8個の遺伝子(RAD21STAG2NRASCTCFDCAF7EZH2KANSL1TP53)に繰り返し(高頻度の)変異が認められました(表1)。


表1:14症例のDS-AMKLで複数の変異が認められた遺伝子

TP53遺伝子以外はこれまでAMKLで変異の報告がない遺伝子であった。赤字はコヒーシン複合体を構成する遺伝子(RAD21STAG2)。

 この結果を受けて、41例のTAM、49例のDS-AMKL、19例のnon-DS-AMKL(非ダウン症児に合併するAMKL)について、これらの遺伝子や白血病で高頻度に変異がみられる他の遺伝子群を詳細に検索しました。

 その結果、TAMではGATA1以外の遺伝子変異はきわめて稀ですが、DS-AMKLではコヒーシン複合体(RAD21STAG2NIPBLSMC1ASMC3)(53%)、CTCF (20%)、EZH2などのエピゲノムの制御因子(45%)、およびRAS/チロシンキナーゼ(以下TK)などのシグナル伝達系分子(47%)をコードする遺伝子群に高頻度に変異が存在することが明らかになりました。特に、コヒーシン複合体(図2)にみられた遺伝子変異は変異がみられた症例では遺伝子変異は完全に相互排他的であり、DS-AMKLの発症に重要な役割を果たしていることが推定されました(図3)。


図2:コヒーシンの構造と機能

コヒーシンはSMC1、SMC3、RAD21とSTAG蛋白からなる蛋白複合体で、細胞が分裂するときにリング上の構造をとって染色体を束ね、DNA合成後姉妹染色体が二つの娘細胞に正確に分配されるのに重要な役割をはたしている。この過程で、NIPBLはコヒーシンの染色体への結合に不可欠である。また、コヒーシンはDNA修復や転写調整に関わっている。コヒーシンの変異により、コルネリア・デ・ランゲ症候群という遺伝病が生じることが知られている。


図3:コヒーシン複合体/CTCFの遺伝子異常

コヒーシンの五つの遺伝子にみつかった変異は、変異がみられた症例では完全に重複なく「排他的」に生じていた。この結果は、コヒーシンを構成するどの分子が障害されても、共通の機序でTAMから真の白血病であるDS-AMKLに進展することを示唆している。また、CTCFはジンクフィンガー型蛋白で、コヒーシンと一緒に遺伝子発現の制御に関わっている。CTCFの変異を含めるとDS-AMKLの65%に変異が検出された。

 一方、non-DS-AMKLでは、コヒーシン、EZH2GATA1などの変異はDS-AMKLより少なく、逆にnon-DS-AMKLでよく認められるCBFA2T3/GLIS2OTT/MALキメラ遺伝子は、TAMとDS-AMKLには1例も検出されませんでした。この結果より、DS-AMKLとnon-DS-AMKLは遺伝学的に異なった疾患群であることが改めて確認されました。

TAMからAMKLへの進行のメカニズムを解明

 次世代シークエンサーを用いて、変異部分の遺伝子配列を何千回も読みこむことで、DS-AMKLの症例で、すでに知られていたGATA1遺伝子変異と他の経路の遺伝子変異(コヒーシン、CTCFEZH2、TKおよびRAS)の遺伝子変異を持っている腫瘍細胞の割合を計算・比較しました。その結果、GATA1変異を有する腫瘍細胞の割合はコヒーシン/CTCFあるいはEZH2変異を有する腫瘍細胞の割合と同程度でしたが、TK/RAS変異を有する腫瘍細胞の割合は低いことがわかりました。これは、コヒーシン/CTCFおよびEZH2の変異は、DS-AMKL発症早期に獲得された、DS-AMKL発症に関わる重要な遺伝子であり、TK/RAS変異はその後の腫瘍の進展に関与していることを示唆します(図4)。


図4:DS-AMKLの多段階発症のモデル

ダウン症の急性巨核芽球性白血病の発症過程において、最初に21トリソミーを持った造血幹細胞にGATA1変異が起こってTAMが発症する。その後、いったんは寛解したTAMの腫瘍細胞にコヒーシンとCTCFの変異およびエピゲノムの制御因子などの遺伝子変異が起こって白血病(DS-AMKL)へ進展し、さらにRAS伝達系やチロシンキナーゼの変異が生じて白血病が進行する。

今後の展開

 今回の成果によって、TAMおよびDS-AMKLの発症メカニズムの解明が大きく前進しました。新規の遺伝子異常が判明したことで、これらの遺伝子を標的にした新たな治療法の開発が期待できます。また、さらに多くのDS-AMKLの解析をすることにより、再発する可能性の高いハイリスクの患者を予測できるようになることが期待されます。さらに、この研究成果は、ダウン症に限らず、すべての白血病の発症機構の解明と治療法の開発に役立つことが期待されます。

本成果は、以下の研究事業によって得られたものです。

  • 厚生労働省厚生労働科学研究費補助金 難治性疾患克服研究事業「稀少小児遺伝性血液疾患の迅速な原因究明及び診断・治療法の開発に関する研究」
    研究代表者:小島勢二
  • 文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究「多方向かつ段階的に進行する細胞分化における運命決定メカニズム」
    領域代表者:北村俊雄(東京大学医科学研究所幹細胞治療研究センター)、公募研究代表研究者:伊藤悦朗
    研究課題名:「ダウン症候群に伴う急性巨核芽球性白血病の多段階発症の分子機構」
  • 文部科学省科学研究費補助金 基盤研究A
    研究代表者:小川誠司
    研究課題名:「白血病幹細胞の維持と再発に関わる遺伝学的基盤の解明」
  • 文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究「システム的統合理解に基づくがんの先端的診断、治療、予防法の開発」
    領域代表者:宮野悟、計画研究代表研究者:小川誠司
  • 厚生労働省厚生労働科学研究費補助金 難治性疾患克服研究事業「一過性骨髄異常増殖症の病態解明と診断・治療法の確立に関する研究」
    研究代表者:林泰秀
  • 内閣府 「最先端研究開発支援プログラム(FIRST)」 
    研究代表者:永井良三(自治医科大学学長)

用語解説

ゲノム

ある生物のもつすべての遺伝情報、あるいはこれを保持するDNAの全塩基配列。タンパク質のアミノ酸配列をコードするコーディング(エクソン)領域とそれ以外のノンコーディング領域に大別される。

遺伝子変異

細胞の遺伝情報を担うゲノムDNAの配列の変化。がん細胞では、染色体全体の数が増加あるいは減少する大きな構造変化・染色体数の異常から、一塩基のみが変化する変異まで、多様な遺伝子の変異が認められる。

エピゲノム

DNA の塩基配列情報の変化をともなわずに遺伝子の発現を調整する機構であり、発生・細胞の分化、発がんにおいても重要なメカニズムと考えられている。DNAのメチル化や脱メチル化による遺伝子発現の制御が代表的

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/ng.2759

論文名

The landscape of somatic mutations in Down syndrome–related myeloid disorders
(ダウン症候群関連骨髄性疾患の遺伝子変異の全貌)

著者

Yoshida Kenichi, Toki Tsutomu, Okuno Yusuke, Kanezaki Rika, Shiraishi Yuichi, Sato-Otsubo Aiko, Sanada Masashi, Park Myoung-ja, Terui Kiminori, Suzuki Hiromichi, Kon Ayana, Nagata Yasunobu, Sato Yusuke, Wang RuNan, Shiba Norio, Chiba Kenichi, Tanaka Hiroko, Hama Asahito, Muramatsu Hideki, Hasegawa Daisuke, Nakamura Kazuhiro, Kanegane Hirokazu, Tsukamoto Keiko, Adachi Souichi, Kawakami Kiyoshi, Kato Koji, Nishimura Ryosei, Izraeli Shai, Hayashi Yasuhide, Miyano Satoru, Kojima Seiji, Ito Etsuro, Ogawa Seishi.

掲載誌

Nature Genetics, Published online 22 September 2013.

 

  • 朝日新聞(10月3日 21面)、日刊工業新聞(9月23日 11面)および日本経済新聞(9月24日 11面)に掲載されました。