研究内容

がんの進展における
DNAメチル化異常の解明

がんは、変異や欠失などゲノムDNA配列の変化を伴うジェネティックな異常と、DNAメチル化やヒストン修飾のように塩基配列の変化を伴わないエピジェネティックな異常の両者が蓄積することで発生・進展します(図1)。

図.1 大腸発がんにおけるジェネティクス異常とエピジェネティクス異常
大腸発がん ジェネティクス異常 エピジェネティクス異常

本研究室ではがんにおけるエピジェネティックな異常を明らかにすることで、発がんメカニズムを理解し、診断・治療に応用しうる知見を得るため研究を行っています。
DNAメチル化やヒストン修飾は、遺伝子発現制御において重要な役割を担っています。遺伝子プロモーター領域のCpGアイランドのメチル化は、がん抑制遺伝子の転写抑制メカニズムとしてよく知られています。また、CpGアイランドのメチル化を高度に発生するタイプのがんは、CpG island methylator phenotype (CIMP) 陽性がんと呼ばれます。
大腸がんはAPC、KRAS、p53などの遺伝子変異が蓄積することで、腺腫からがんへと進展するというアデノーマ・カルシノーマ・シークエンスがよく知られています。
私達は、大腸早期病変のDNAメチル化を網羅的に解析することで、DNAメチル化異常やCIMPが発がんの早期から生じていることを明らかにしてきました(図2)。

図.2 大腸腫瘍の進展に伴って変化するDNAメチル化の解析
大腸腫瘍 DNAメチル化の解析
  1. Suzuki H, Igarashi S, Nojima M, Maruyama R, Yamamoto E, Kai M, Akashi H, Watanabe Y, Yamamoto H, Sasaki Y, Itoh F, Imai K, Sugai T, Shen L, Issa JP, hinomura Y, Tokino T, Toyota M. IGFBP7 is a p53-responsive gene specifically silenced in colorectal cancer with CpG island methylator phenotype. Carcinogenesis. 31: 342-349, 2010.
  2. Yamamoto E, Suzuki H, Yamano HO, Maruyama R, Nojima M, Kamimae S, Sawada T, Ashida M, Yoshikawa K, Kimura T, Takagi R, Harada T, Suzuki R, Sato A, Kai M, Sasaki Y, Tokino T, Sugai T, Imai K, Shinomura Y, Toyota M. Molecular dissection of premalignant colorectal lesions reveals early onset of the CpG island methylator phenotype. Am J Pathol. 181: 1847-1861, 2012.
  3. Kamimae S, Yamamoto E, Kai M, Niinuma T, Yamano HO, Nojima M, Yoshikawa K, Kimura T, Takagi R, Harada E, Harada T, Maruyama R, Sasaki Y, Tokino T, Shinomura Y, Sugai T, Imai K, Suzuki H. Epigenetic silencing of NTSR1 is associated with lateral and noninvasive growth of colorectal tumors. Oncotarget. 6:29975-29990, 2015.
  4. Kai M, Yamamoto E, Sato A, Yamano HO, Niinuma T, Kitajima H, Harada T, Aoki H, Maruyama R, Toyota M, Hatahira T, Nakase H, Sugai T, Yamashita T, Toyota M, Suzuki H. Epigenetic silencing of diacylglycerol kinase gamma in colorectal cancer. Mol Carcinog. 56:1743-1752, 2017.
  5. Aoki H, Yamamoto E, Takasawa A, Niinuma T, Yamano HO, Harada T, Matsushita HO, Yoshikawa K, Takagi R, Harada E, Tanaka Y, Yoshida Y, Aoyama T, Eizuka M, Yorozu A, Kitajima H, Kai M, Sawada N, Sugai T, Nakase H, Suzuki H. Epigenetic silencing of SMOC1 in traditional serrated adenoma and colorectal cancer. Oncotarget. 9:4707-4721, 2017.

がんにおける
非コードRNA遺伝子の役割

近年、マイクロRNA(miRNA)や長鎖非コードRNA(lncRNA)などの非コードRNAが、様々な生命現象や疾患発生に重要な役割を担うことが明らかにされつつあります。私達は、がんにおけるmiRNA発現異常にDNAメチル化やヒストン修飾が重要な役割を担うことを明らかにしました。
miR-34ファミリーはp53によって転写活性化され、METやCDK4などのがん遺伝子を抑制することで、がん抑制的に機能します。私達は、miR-34b/c遺伝子ががん細胞において、CpGアイランドのメチル化により転写抑制されることを報告しました
(図3)。

図.3 CpGアイランドメチル化によるmicroRNA遺伝子の転写抑制
CpGアイランドメチル化 microRNA遺伝子の転写抑制

また、miR-34b/c以外にも多くのmiRNAがDNAメチル化によって転写抑制を受けることを明らかにしました。miRNA遺伝子のエピジェネティックな不活化は、がん細胞の増殖能や抗がん剤耐性などに関わっています。
私達は、lncRNAの転写制御にもエピジェネティックな機構が重要であることを報告しました(図4)。
さらにHOTAIRやDLEU1などのlncRNAが、がん遺伝子的に機能し、がんの悪性度や予後と相関すること、それらのlncRNAが治療標的となりうることを報告しました。

図.4 大腸がんでDNAメチル化によって発現制御されるIncRNAの探索
大腸がん DNAメチル化によって発現制御されるIncRNA
  1. Suzuki H, Takatsuka S, Akashi H, Yamamoto E, Nojima M, Maruyama R, Kai M, Yamano HO, Sasaki Y, Tokino T, Shinomura Y, Imai K, Toyota M. Genome-wide profiling of chromatin signatures reveals epigenetic regulation of microRNA genes in colorectal cancer. Cancer Res. 71: 5646-5658, 2011.
  2. Niinuma T, Suzuki H, Nojima M, Nosho K, Yamamoto H, Takamaru H, Yamamoto E, Maruyama R, Nobuoka T, Miyazaki Y, Nishida T, Bamba T, Kanda T, Ajioka Y, Taguchi T, Okahara S, Takahashi H, Nishida Y, Hosokawa M, Hasegawa T, Tokino T, Hirata K, Imai K, Toyota M, Shinomura Y. Upregulation of miR-196a and HOTAIR drive malignant character in gastrointestinal stromal tumors. Cancer Res. 72: 1126-1136, 2012.
  3. Kumegawa K, Maruyama R, Yamamoto E, Ashida M, Kitajima H, Tsuyada A, Niinuma T, Kai M, Yamano HO, Sugai T, Tokino T, Shinomura Y, Imai K, Suzuki H. A genomic screen for long noncoding RNA genes epigenetically silenced by aberrant DNA methylation in colorectal cancer. Sci Rep. 6:26699, 2016.
  4. Nishiyama K, Maruyama R, Niinuma T, Kai M, Kitajima H, Toyota M, Hatanaka Y, Igarashi T, Kobayashi JI, Ogi K, Dehari H, Miyazaki A, Yorozu A, Yamamoto E, Idogawa M, Sasaki Y, Sugai T, Tokino T, Hiratsuka H, Suzuki H. Screening for long noncoding RNAs associated with oral squamous cell carcinoma reveals the potentially oncogenic actions of DLEU1. Cell Death Dis. 9:826, 2018.
  5. Shindo T, Niinuma T, Nishiyama N, Shinkai N, Kitajima H, Kai M, Maruyama R, Tokino T, Masumori N, Suzuki H. Epigenetic silencing of miR-200b is associated with cisplatin resistance in bladder cancer. Oncotarget. 9:24457-24469, 2018.

分子異常の診断への応用

DNAメチル化異常はほぼあらゆるがんに見られる変化であり、かつ発がん早期から発生することから、診断マーカーとしての応用が期待されます。
一例として私達は、胃粘膜のDNAメチル化異常が胃がんリスクマーカーとなり得ることを報告しました。
また、大腸がん由来のDNAメチル化異常を、大腸洗浄液から検出することで、大腸がん診断に応用できることを報告しました。さらに、膀胱がんにおいて高率にDNAメチル化異常を示す遺伝子を同定し、尿中からメチル化DNAを検出することで膀胱がん診断に応用可能であることを報告しました。
私達は、大腸腫瘍における分子異常・消化管内視鏡所見・病理所見の統合解析を行い、遺伝子異常が腫瘍の表面微細構造と相関することを明らかにしました(図5)。

図.5 大腸腫瘍における分子異常・病理組織像・内視鏡所見の相関
大腸腫瘍 分子異常 病理組織像 内視鏡所見
  1. Kamimae S, Yamamoto E, Yamano HO, Nojima M, Suzuki H, Ashida M, Hatahira T, Sato A, Kimura T, Yoshikawa K, Harada T, Hayashi S, Takamaru H, Maruyama R, Kai M, Nishiwaki M, Sugai T, Sasaki Y, Tokino T, Shinomura Y, Imai K, Toyota M. Epigenetic alteration of DNA in mucosal wash fluid predicts invasiveness of colorectal tumors. Cancer Prev Res. 4: 674-683, 2011.
  2. Kimura T, Yamamoto E, Yamano HO, Suzuki H, Kamimae S, Nojima M, Sawada T, Ashida M, Yoshikawa K, Takagi R, Kato R, Harada T, Suzuki R, Maruyama R, Kai M, Imai K, Shinomura Y, Sugai T, Toyota M. A novel pit pattern identifies the precursor of colorectal cancer derived from sessile serrated adenoma. Am J Gastroenterol. 107: 460-469, 2012.
  3. Shimizu T, Suzuki H, Nojima M, Kitamura H, Yamamoto E, Maruyama R, Ashida M, Hatahira T, Kai M, Masumori N, Tokino T, Imai K, Tsukamoto T, Toyota M. Methylation of a panel of microRNA genes is a novel biomarker for detection of bladder cancer. Eur Urol. 63:1091-1100, 2013.
  4. Suzuki R, Yamamoto E, Nojima M, Maruyama R, Yamano HO, Yoshikawa K, Kimura T, Harada T, Ashida M, Niinuma T, Sato A, Nosho K, Yamamoto H, Kai M, Sugai T, Imai K, Suzuki H, Shinomura Y. Aberrant methylation of microRNA-34b/c is a predictive marker of metachronous gastric cancer risk. J Gastroenterol. 49:1135-1144, 2014.
  5. Harada T, Yamamoto E, Yamano HO, Nojima M, Maruyama R, Kumegawa K, Ashida M, Yoshikawa K, Kimura T, Harada E, Takagi R, Tanaka Y, Aoki H, Nishizono M, Nakaoka M, Tuyada A, Niinuma T, Kai M, Shimoda K, Shinomura Y, Sugai T, Imai K, Suzuki H. Analysis of DNA methylation in bowel lavage fluid for detection of colorectal cancer. Cancer Prev Res. 7:1002-1010, 2014.
  6. Shindo T, Shimizu T, Nojima M, Niinuma T, Maruyama R, Kitajima H, Kai M, Itoh N, Suzuki H, Masumori N. Evaluation of Urinary DNA Methylation as a Marker for Recurrent Bladder Cancer: A 2-Center Prospective Study. Urology. 113:71-78, 2018.
  7. Harada T, Yamamoto E, Yamano HO, Aoki H, Matsushita HO, Yoshikawa K, Takagi R, Harada E, Tanaka Y, Yoshida Y, Eizuka M, Yorozu A, Sudo G, Kitajima H, Niinuma T, Kai M, Sasaki Y, Tokino T, Sugai T, Nakase H, Suzuki H. Surface microstructures are associated with mutational intratumoral heterogeneity in colorectal tumors. J Gastroenterol. 53:1241-1252, 2018.

がんエピゲノムを標的とした
治療法の研究

エピジェネティックな変化には可塑性があることから、がんエピゲノムは有望な治療標的として期待されており、DNAメチル化酵素やヒストン修飾酵素に対する阻害剤の抗腫瘍効果が盛んに研究されています。
本研究室では、DNAメチル化酵素阻害剤の抗腫瘍メカニズムとして、様々ながん抑制遺伝子やmiRNA遺伝子の発現回復が関わることをこれまで報告してきました。
多発性骨髄腫は形質細胞のがん化によって発生する予後不良な疾患です。多発性骨髄腫に対するエピジェネティック治療の可能性を探るため、私達は各種のヒストン修飾酵素阻害剤の抗腫瘍効果を検証し、ヒストンメチル化酵素DOT1Lの阻害剤が骨髄腫細胞の増殖を強く抑制することを明らかにしました。DOT1LはヒストンH3リジン79(H3K79)のメチル化酵素で、H3K79のメチル化は転写活性化に関わります。
私達はDOT1Lを阻害することで、骨髄腫細胞の生存にとって重要なIRF4-MYCシグナルが抑制されることを見い出しました(図6)。このことはDOT1Lが骨髄腫の新たな治療標的となりうることを示唆しています。

図.6 DOT1L阻害剤による骨髄腫細胞の増殖抑制(上段)と
    IRF4-MYCシグナル遺伝子のH3K79メチル化の抑制(下段)
DOT1L阻害剤による骨髄腫細胞の増殖抑制 IRF4-MYCシグナル遺伝子のH3K79メチル化の抑制
  1. Ishiguro K, Kitajima H, Niinuma T, Ishida T, Maruyama R, Ikeda H, Hayashi T, Sasaki H, Wakasugi H, Nishiyama K, Shindo T, Yamamoto E, Kai M, Sasaki Y, Tokino T, Nakase H, Suzuki H. DOT1L inhibition blocks multiple myeloma cell proliferation by suppressing IRF4-MYC signaling. Haematologica. 104:155-165, 2019.
  2. Niinuma T, Kitajima H, Kai M, Yamamoto E, Yorozu A, Ishiguro K, Sasaki H, Sudo G, Toyota M, Hatahira T, Maruyama R, Tokino T, Nakase H, Sugai T, Suzuki H. UHRF1 depletion and HDAC inhibition reactivate epigenetically silenced genes in colorectal cancer cells. Clin Epigenetics. 11:70, 2019.

基礎配属

生化学は発生や老化、疾患などの生命現象をDNAやRNA、タンパク質などの分子レベルで調べる学問です。分子生物学講座のメイン研究テーマは「エピジェネティクス」で、主に疾患におけるDNAメチル化による遺伝子制御機構について研究しています。DNAメチル化は遺伝子の配列に変化を与えることなく、分裂後の細胞に遺伝情報を伝達し、遺伝子発現制御に重要な役割を果たします。
基礎配属では、癌や炎症などの疾患におけるDNAメチル化の異常について、自ら実験し、疾患の新しい診断法や治療法開発につながる知見を見つけて頂きます。主な研究テーマは以下の通りです。

研究テーマ
  • 癌において異常メチル化している新規癌抑制遺伝子の同定。
  • 慢性胃炎におけるDNAメチル化の解析による発癌リスク予測
  • DNAメチル化を標的とした新しい癌治療法の開発
  • マイクロRNAや非コードRNAなどの機能性RNAのエピジェネティック異常
  • がん幹細胞におけるDNAメチル化、ヒストン修飾異常の解析

実験手法細胞培養、DNA・RNAの抽出、PCR、DNAメチル化解析、シークエンス、
遺伝子産物の細胞内局在の解析

研究テーマは、指導教員と相談の上決定し、実験手法や解析手法について指導を受けながら研究を行います。
研究成果は研究室のミーティングで発表して頂きます。希望者には、研究をさらに進め学会発表もして頂きます。
がん、遺伝子、ゲノムに興味がある学生さんは、ぜひ分子生物学講座の基礎配置で世界最先端の遺伝子研究を
体験して下さい。

講義

分子生物学

ヒトは遺伝子を通してゲノムの情報によってつくられています。遺伝子やゲノムの知識は遺伝病の診療に必要なだけでなく、あらゆる疾患の診断と治療に必要な知識です。
本講義では、遺伝子からタンパク質への遺伝情報に関する生化学的、分子生物学的基礎知識を理解し、発生、老化、疾患や再生などの生命現象を分子的視点から考えるための知識を身につけることを目標としています。
授業では、DNA・RNA・タンパク質の基本構造や生成と修飾、転写因子やDNAメチル化・ヒストン修飾による遺伝子発現の制御機構、シグナル伝達・細胞周期などの細胞レベルの分子機構、PCR・cDNAクローニング・遺伝子解析法などの遺伝子工学的手法とその応用について学習してもらいます。

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