腸内細菌叢が変異型p53機能をswitchingする
腸内細菌叢が変異型p53機能をswitchingする
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管理栄養士ですが、がんに興味をもって過ごしております。
患者さんをはじめ多くの人とお話していると、医科学にたいして間違った認識をもっている方がとても多く、研究現場と一般社会とでかなり隔たりがあることを痛感しています。その二つの場を橋渡しするような役割を担いたいと思い、情報を正しく分かりやすく伝えるにはどうしたら良いかを模索している次第です。
大須賀覚先生の著書『世界中の医学研究を徹底的に比較してわかった最高のがん治療』も拝読させていただき、日々のアクティブな発信にいつも関心を寄せておりましたが、このような場を立ち上げてくださったということで、参加させていただきました。よろしくお願いいたします。
今回紹介させていただく論文は7月にNatureでpublishされた『The gut microbiome switches mutant p53 from tumour-suppressive to oncogenic』という基礎研究の論文です。
Nature 2020 Oct;586(7827):133-138. doi: 10.10/s41586-020-2541-0. Epub 2020 Jul 29.
腸内細菌叢が様々な疾患に関与していることが明らかになり、がんにおいても腸内細菌叢や腫瘍環境中の微生物叢に関する報告を見かけるようになりました。腫瘍微小環境の一部として認識する考えもあるようです。一方、がん抑制因子として知られるp53の遺伝子変異は多くのがん種でみられ、がん研究はp53研究と言えるほどにがん生物学のほとんどに関与しています。
今回紹介する論文著者たちは、大腸癌モデルマウスにおいて
①変異型p53が特定の機能を有すること、
②p53R172Hという変異型は、Wntシグナルを介して腫瘍進展に影響を与えていること、
③その変異型p53は腸内細菌叢によって腫瘍形成を促進したり抑制したりする機能の可塑性がみられること
を明らかにしました。
この研究では、Csnk1a1floxed/Vil1-Cre-ERT2 mouse を使うことで、セリン/スレオニンキナーゼであるCK1aを腸上皮特異的に欠損させ、β-カテニン依存性のWntシグナル伝達経路の活性化による大腸癌発生モデルを用いています。このマウスにp53変異を入れたCklaΔgut+p53 R172Hと、p53を欠損させたCklaΔgut+p53Δgutをそれぞれ用意しています。がんにおけるp53の変異は多くのパターンがありますが、今回はヒトの腫瘍において最も多く見られる変異の一つである、構成アミノ酸172番目のアルギニン（R）がヒスチジン（H）に置換されたミスセンス突然変異に着目します。
（便宜上、CklaΔgut p53 R172Hを「p53 R172H変異マウス」、CklaΔgut p53Δgutを「p53欠損マウス」と記載させて頂きます）
これらのマウスを十二指腸から結腸にかけて部位別に組織を観察すると、通常の大腸癌マウスとp53欠損マウスでは上皮の過剰な増殖・異化（つまり腫瘍の形成）がみられたのに対し、p53 R172H変異マウスでは大腸上皮での著しい異化形成がみられたものの十二指腸や空腸では上皮の増殖は正常組織と変わらず、異形成はごくわずかであることが分かりました。このことから、十二指腸などにおいてはR172H変異型p53によって、p53欠損でみられるような（通常のp53機能欠失でみられるような）発がんの促進効果を覆すことが示唆されました。
次に、p53による制御遺伝子群が、大腸癌のgate keeper gene関連分子から構成されるWntシグナル伝達経路を阻害することに着目し、モデルマウスの小腸におけるWntシグナルに関与する分子の活性化をChip-seqで調べました。その結果、p53欠損マウスではWnt-signal pathwayの活性化がみられた一方で、p53 R172H変異マウスでは活性化がみられませんでした。
P53変異モデルにおける空腸と回腸でWnt-signalの活性化に違いがみられる原因を探るために、オルガノイドを使用して空腸と回腸でそれぞれp53 R172H変異または欠損させたときの腫瘍形成を観察しました。すると、p53 R172H変異型のオルガノイドでは、空腸と回腸のどちらにおいても腫瘍形成が阻害されることが確認されました。このことから、特定のp53変異で起こる腫瘍形成の阻害効果は、組織依存的ではないことが示唆されます。そして著者たちは、腸内細菌の存在が回腸・結腸におけるp53 R172H変異の腫瘍への影響に変化を及ぼしている可能性を仮定しました。
その仮定を実証するために、マウスに抗生剤投与をして腸内細菌叢を排除すると、彼らの狙い通り、p53 R172H変異マウスの回腸・結腸における腫瘍形成がみられませんでした。この時、通常のp53マウスとR172H変異マウス間で顕著な腸内細菌叢の組成の違いはみられなかったことから、空腸と回腸・結腸とで異なる細菌叢による代謝産物が関与していると目星を付けました。
腸内細菌叢の主要な代謝産物として知られる物質を何種類かオルガノイドに振りかけると、ガロン酸処理した際にp53 R172H変異オルガノイドで増殖能とWntシグナルの活性化がみられ、ガロン酸がp53 R172H変異によるWntシグナルの阻害効果を抑制することが示唆されました。
そして実際にマウスの空腸と回腸でガロン酸が存在することを確認し、ガロン酸を産生する細菌株（合成酵素をもつ細菌株）を除去するとp53 R172H変異マウスの回腸・結腸での腫瘍形成が抑えられることがvivoでも示されました。
さらに、ガロン酸をマウスに投与すると、p53 R172H変異マウスにおける腫瘍形成を促進し、特に空腸においては強い増殖がみられ、悪性度も高いことが分かりました。この時、空腸細胞でのChip-seqで転写因子であるTCF4のクロマチン結合とWntプロモーター領域クロマチンのH3K4me3の促進によって、Wnt関連分子の発現の増加がみられたことを確認しています。
結果は以上で、マウスモデルとオルガノイドを巧みに使用して腸内細菌叢の代謝産物の有無によってp53 R172H変異の機能の可塑性を明らかにしており、著者たちは経口からの治療の可能性にも言及しています。
一方で、腸内細菌叢は共生する細菌株の構成の違いによる影響が大きく、ある特定の細菌株をターゲットとした治療や腸内細菌叢を変化させることは、臨床的にはなかなか容易でないことを感じています。また、腸内細菌叢の影響を受けにくいがん種における変異型p53の機能の変化があるのか、ある場合は何に依存しているのかを明らかにできれば、それに即した治療法が開発できるかもしれません。ゲノムmutationを調べたうえで、治療法を選択する、ということが少しずつ現実味を帯びてきたのを感じる論文でした。
Keyword: p53, Wnt-signal pathway, microbiome, organoid, 大腸がん
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@kensho_2021pham 先生
ご質問頂きありがとうございます。質問を頂くと、私自身の勉強になりますし、他にご覧になられた方にもなにかの足しになることもあると思いますので、大変うれしく思います。
さて、まず最初の質問ですが、p53がWnt-signal pathwayを阻害することは一般的には認識されていないと思われます。
腸上皮特異的にCK1aを欠損させるとWnt活性化がみられますが、この時に変異型p53の安定性が増すことに彼らは気付きます。この論文を報告した研究室ではp53の転写因子としてのがんへの関与に着目しているようで、以前にCK1a欠損による腸がんの誘導にp53機能の欠損が必須で、それはWntのターゲット遺伝子らがp53によって抑制されるためであり、それらをPSIS（p53-suppressed invasiveness signature）として同定したことを報告しています。そのことを踏まえ、今回の論文でも実際にp53欠損腸がんマウスでPSISの発現が上昇することを確認しています。その一方で、p53R172H変異マウスでは発現上昇はみられず、トランスクリプトーム解析でも同様の結果を得ています。
下のFig.2bのImmunoblot図では、Wntの標的遺伝子であり細胞の増殖に関与するMycやCyclin D1がWT腸がん（左から2列目）とp53欠損（左から3列目）で発現しているのに対し、p53R172H変異（左から4列目）ではほとんど発現していないことが分かります。AXIN2はWnt-signalを介在する遺伝子です。
Wnt-signal pathwayはβ-カテニンが核移行し、TCF（ T cell factor）などと複合体を形成することで転写活性をもつことがしられています。このTCFの中で、腸上皮で特に多いとされるTCF4に着目し、さらに詳しいメカニズムを解明するために、彼らはChip-seqを行ってWntのターゲット領域のクロマチンにTCF4が結合しているかどうかやヒストン修飾を調べました。その結果、p53R172H変異マウスの空腸でのみTCF4の結合の低下やH3K4me3の減少が確認されました（つまりWnt-siganalのターゲット遺伝子の発現が低下）。
説明が長くなりましたが、以上の結果から、R172H変異型p53は空腸上皮におけるTCF4を介したエピジェネティック制御の阻害作用によってWnt-signal pathwayの標的遺伝子の発現を抑制するメカニズムが示唆されると思います。
2つ目のガロン酸についてですが、漢字では没食子酸（もっしょくしさん）と呼ばれていて、ポリフェノールの仲間になりますので、脂肪酸とは異なる分類になるかと思います。ガロン酸5分子がグルコース1分子とエステル結合したものがポリマーになったものがタンニンです。植物には含まれているものが多いので、日常的に少量は摂取していると思われます。食品加工学的には誘導体の没食子酸プロピルがバターなどに酸化防止剤として使われていたかと思います。また、中性脂肪や血糖値の上昇を抑える効果で機能性表示食品としての登録があります。
栄養補助食品（いわゆるサプリメント）がいくつもあるようなので、仮にガロン酸を投与するとなればそれほど難しいことではないと感じました。因みに、テアフラビンというポリフェノールからガロン酸を産生する細菌株としてLactobacillus plantarumとBacillus subtilisの2つがヒトの腸内細菌で確認されているようです。
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