がん研究の忘れられたゲノムを探索する

はじめに

10年前、FRACP博士のDavid Thomas教授は、がん治療のためのプレシジョンメディシンの分野の拡大について興味深いことに気づきました。腫瘍DNAのシーケンスと解析には積極的で生産的な取り組みが世界中で行われていましたが、腫瘍が採取された被験者の生殖細胞系DNAに対する研究上の関心はほとんどありませんでした。生殖細胞系列は、がん研究の忘れられたゲノムになっていたと彼は考えていました。

それ以来、Garvan InstituteのKinghorn Cancer CenterのThomas教授らは仮説をテストしてきました。生殖細胞系DNAの解析は、この早期がんの遺伝的決定因子の理解の向上に役立つか？ また、より早期で効果的ながんの検出と治療が可能か？

研究者らは、International Sarcoma Kindred Study（ISKS）と呼ばれる、肉腫の被験者からなる新しい国際コホートの作成に着手し、がんリスクに関連する遺伝子のユニークな遺伝子パネルを開発しました。HiSeq 2500システムを用いて、1,000名以上の生殖細胞系DNAのターゲットエクソンシーケンスを実施しました。¹

iCommunityは、Thomas教授と、研究のユニークな側面とその結果の重要性について話しました。具体的には、ゲノムを忘れた場合、どのように研究コホートの構成に不可欠な要素となり、将来の医療行為の顕著な特徴となるかということです。

David Thomas教授、FRACP博士は、キングホーンがんセンターのディレクターであり、ニューサウスウェールズ州ガルバン研究所のがん部門長です。

Q：がん研究にどのように関与しましたか？

David Thomas（DT）：医師になるためのトレーニングを受け、変化をもたらすことに興味を持っていました。過去500年にわたり、すべての科学は現実的で分子的な世界観に集約され、がん治療の機会へと変換されてきました。がんは価値ある原因であり、変化をもたらすことができるものだと考えています。

Q：なぜ研究の焦点として肉腫を選んだのですか？

DT：腫瘍専門医として、臨床診療の早い段階で肉腫を専門にしていました。博士課程の研究では、骨肉腫細胞株の細胞生物学と生化学に焦点が当てられており、臨床的な関心領域として肉腫に至りました。満たされていないニーズの説得力のある領域であることに加え、肉腫が希少がんであることから、研究への貢献に不可欠な焦点が私に与えられました。

Q：肉腫とは何ですか？

DT：肉腫は、骨、筋肉、軟骨などの結合組織のがんで、画像や生検によって診断されます。すべてのがんのうち肉腫はわずか1%ですが、複雑で不均一な疾患群です。その1%には約50の異なる肉腫サブタイプがあり、すべて特性と分子ドライバーが異なります。

肉腫は特に若年層に影響を及ぼし、小児がんの20%、若年成人のがんの10%を占めます。その被害者は、ほとんどの上皮がんに罹患している人よりも、平均で20歳若いです。

Q：がん研究において、生殖細胞系列をゲノムの忘れ物と呼ぶのはなぜですか？

DT：2008年、プレシジョンメディシンが進化するにつれ、腫瘍の分子解析に過度に焦点が当てられてきたことに気づきました。International Cancer Genome ConsortiumとCancer Genome Atlasには11,000のゲノムまたはエクソームがあり、シーケンスされ、アクセス可能なデータベースに格納されています。しかし、生殖細胞系列ゲノムが結合しているのはわずか0.3%です。生殖細胞系列はがん研究で忘れられているゲノムになっています。

Q：がん研究における生殖細胞系列の潜在的な価値は何ですか？

DT：Kinghorn Cancer CenterのGenomics Cancer Medicine Programでは、早期発症がんの遺伝的決定因子を理解することで、早期かつ治癒可能な段階でがんを同定できる可能性があるという仮説を立てています。40歳未満のがん患者の85%を現在治療しているため、他の医療分野ですでに使用されている二次予防および管理戦略を導入することで、この割合をさらに向上させることができます。

例えば、心筋梗塞を発症した後は、2回目の心臓発作のリスクを管理する標準的な治療プログラムがあります。がんではそうはいきません。生殖細胞系列のゲノム解析は、がんを発症した理由を理解するのに役立つ可能性があり、リスク層別化された方法でフォローアップ医療プログラムを開始することができます。

“人々が持つ病原性バリアントの数と、がん発症年齢の低さとの間には、統計的に有意な相関関係が見られました。”

Q：ISKSの誕生のきっかけとなったものは何ですか？

DT：ISKSの発生は、がんの遺伝的リスクの理解に関連する情報で注釈付けされた患者中心のコホートの必要性でした。家族のがんのパターンは、遺伝子やアリルがどのように伝染するかを教えてくれます。その情報はめったに収集されないため、遺伝子リスク解析の目標に合ったコホートを作成するために特別な努力をする必要がありました。ISKSはオーストラリアで開始され、現在はすべての大陸の21のセンターにオープンしています。この研究は1,900家系に達し、成長しています。

Q：研究で使用するシーケンスパネルに含める遺伝子をどのように選択しましたか？

DT：当時利用可能であった商業的および学術的な遺伝性遺伝子パネルのスーパーセットを取り、外因性遺伝子EXT1やEXT2など、肉腫に関連するとわかっていたいくつかの遺伝子を追加しました。ERCC2などの遺伝子はDNA修復に関与しているため含まれていました。これは、肉腫集団においてこれらの遺伝子が変異した時に何が起こるかを尋ねることができる、他の疾患に関連することが知られている遺伝子のパネルとなることを意図していました。

Q：この研究のユニークな特徴は何でしたか？

DT：腫瘍を直接見るのではなく、肉腫を持つ1162人の発端者コホートの生殖細胞系DNAを解析しました。がんリスクに関連する72の遺伝子パネルでターゲットエクソンシーケンスを実施しました。コホートのほとんどは、家族歴に選ばれなかった個人で構成されていました。ISKSでは、世界中の専門肉腫ユニットに連続して導入される症例を選択しました。肉腫を発症した家族性乳がん症例であるkConFab（Kathleen Cuningham Foundation Consortium）の10名の被験者を除き、他のコホートでも同じでした。

研究には、がんのない6,545人の症例対照の希少バリアント解析も含まれました。肉腫リスクに関連する個々の遺伝子を同定するために、集団全体で症例対照デザインを使用することは、本研究の新たな構成要素でした。

Q：この5年間の病原性変動研究の主な所見は何でしたか？

DT：ISKSコホートが成長するにつれ、表現型の重要な定量的側面の1つががん発症年齢であることは明らかになりました。この研究では、人々が持っている病原性バリアントの数と発症年齢の低さとの間に統計的に有意な相関関係があることがわかりました。つまり、必ずしも肉腫型ではなく、発症年齢が遺伝遺伝の負担の強力な予測因子であるということがわかりました。

希少バリアント負荷解析を行い、パネル上の72のどの遺伝子が特に濃縮されたかを特定しました。汎肉腫パネルの明白な候補はTP53で、これは肉腫リスクと関連することが知られており、コホート全体で強力に濃縮されました。ATM、ATC、ERCC2など、肉腫との関連が予想されなかった他の遺伝子も、強力に濃縮されました。

肉腫患者のうち、APC、MLH11、MSH2、MSH6などの腸がんに関連する遺伝子に病原性変動が認められたのはMSH61名でした。また、乳がん医学でよく知られているBRCA1またはBRCA2変異を持つ肉腫コホートの28人の個人も特定しました。これらの遺伝子の重要性は、リスク管理のためのプログラムをすでに確立していることです。これは非常に重要な結果だと思います。

“研究に最適なHiSeq 2500システムを使用し、シーケンスを非常に手頃な価格にしました。”

Q：肉腫リスクのポリジェニックおよびモノジェニック決定因子を特定することは驚きでしたか？

DT：ポリジェニックリスクの所見は全く新しいものでした。これは、複数の病原性バリアントを持つ個人の進行性の発症年齢の低さに関する観察から生じました。私にとって印象的だったのは、例えばBRCA1のような遺伝子など、がんリスクと顕著に関連する最も強いアリルを2つ以上持つ人を見た場合、これらの人の発症年齢はTP53変異キャリアよりもさらに若かったということです。つまり、これまで認識されていなかったこの多遺伝子の希少な変異の複合的な影響は、肉腫リスクの最も強力な既知の単一遺伝子決定因子と少なくとも同等に大きいことを意味します。

また注目すべき点は、TP53変異のあるコホートに約20名、この多遺伝子パターンを持つ36名がいるということです。これは、多遺伝子効果の大きさが大きいだけでなく、コホートとしての寄与もほぼ2倍であることを意味します。2倍の人が、これらの複数のバリアントを保有しています。

Q：ターゲット遺伝子パネルシーケンスをどのように行いましたか？

DT：HiSeq 2500システムを使用しましたが、これは研究に最適で、シーケンスを非常に手頃な価格で実施できました。パネルのシーケンスコストはシーケンスあたり約200 AUDで、1,000を超える症例規模でこれを行う能力があったことを意味します。この研究は、希少疾患においてこの種のものとしては初めてのものであり、私たちが費やしたすべての資金から可能な限り多くのものを得ることは、当社の戦略の重要な部分でした。

3年間で10バッチのシーケンスを実施しました。その後のバッチでは、HiSeq 2500システムの高出力モードを使用して3日間でシーケンスを完了しました。1レーンで96プレックスとなり、十分なリード深度となりました。すべてのシーケンスは約3年前に完了しました。それ以来、私たちはそれを分析してきました。

"WGSでは、ターゲットエクソンシーケンスで検出したものから欠落している遺伝データを入力することができます。"

Q：研究では全ゲノムシーケンス（WGS）を使用しますか？

DT：このコホートのWGSの実施に着手しようとしています。それは非常にエキサイティングなことです。なぜなら、既知の遺伝子パネルを調べていた時よりも、より広範で深い質問をし始めることができるからです。例えば、パネル上の遺伝子に加えて、DNA損傷への応答に関与する多くの遺伝子があります。WGSでは、そのパスウェイ全体にわたる病原性の変動を探し、すべての遺伝子からシグナルが見られるか、パネル用に選択したシグナルだけが見られるかをたずねることができます。また、全ゲノムを調べることで、これまでがんと関連付けられていなかった新しい遺伝子を発見することができます。

WGSは、遺伝の欠損という謎を解く可能性があります。例えば、Li Fraumeni様症候群の臨床的特徴を持つ人は約130名ですが、コーディングシーケンスを調べてTP53変異を発見した人は約20名に過ぎません。TP53変異を有さないと思われる他の個人のうち、遺伝子のコード配列の上流20塩基にある変異を有することが判明する人は何人いるでしょうか。WGSでは、ターゲットエクソンシーケンスで検出したものから欠落している遺伝データを記入することができます。肉腫の早期発症に関連するバイオマーカーを、さらにいくつ発見できるかが興味深いでしょう。

Q：肉腫のリスクは出生時に決定されますか？

DT：環境因子や遺伝因子に関する公表済みの研究²と、当社の肉腫研究における72の遺伝子の解析によると、肉腫を発症した人の4人に1人が、その原因となる遺伝子変異または変異を持っていることがわかります。環境への影響がないというわけではありません。その中でも最も強いのが放射線被曝です。乳がん患者が放射線療法を受ける場合、二次性肉腫のリスクははるかに高くなります。ATMやATRなど、私たちが同定した遺伝子の一部は、放射線によるDNA損傷の修復に直接関与しています。そのため、放射線被曝による肉腫のリスクは、遺伝する遺伝子の影響を受ける可能性があります。同定したATMまたはATRバリアントがある場合、放射線誘発性肉腫の可能性は、それらのバリアントを持たない人よりもはるかに高い可能性があります。

Garvan Instituteのキングホーンがんセンターで使用されているHiSeq 2500システム。

Q：特定したバリアントの一部は、最終的に治療反応の予測に使用することができますか？

DT：がん患者の治療における有用性は生殖細胞系列変異の存在を前提として開発されている薬剤があります。例えば、PARP（ポリADPリボースポリメラーゼ）阻害剤は、BRCA1変異およびBRCA2変異を持つ卵巣がんや乳がんの患者で反応を引き起こすことがわかっています。^3-4同じ変異が見つかった個人がこれらの治療から恩恵を受ける可能性があると考えるのには、十分な理由があります。

私がPARPの話から外挿すると、ペンシルバニア大学のSusan Domcheck博士は、BRCA2変異を持つ前立腺がんと膵臓がんの被験者を調べる研究を数年前に発表しました。⁵ 彼らは、同じ変異を持つ乳がんと卵巣がんの患者に受け入れられているPARP阻害剤であるオラパリブで治療されました。データは、遺伝的に定義されたターゲットに対する治療が、原発の解剖学的臓器に関係なく活性を有するという仮説を裏付けています。

治療に対する反応の予測に関する同じルールは、肉腫にも当てはまると思います。肉腫の被験者を対象としたPARP阻害剤の研究に使用されたISKSで発見された情報をご覧になりたいと思っています。

Q：あなたの所見は臨床診療をどのように変えますか？

DT：私たちは、バイオ研究と臨床ケアを組み合わせることで、患者を治療する最善の方法がある歴史の時代にいます。エビデンスに基づく研究主導の臨床ケアを信じています。Kinghorn Cancer Centerは、ヒト中心のがん研究に焦点を合わせた翻訳を支援しています。今ではゲノミクスがあります。ゲノミクスは、ヒトの疾患を理解するための非常に強力なツールで、健康転帰を改善する機会を与えてくれます。これまで、複数の遺伝子間の相互作用は確認できませんでした。遺伝子シーケンスパネルでは、個々の遺伝子を同定し、遺伝子間の相互作用を調べることができます。過去には、バリアントの意義は不明確であったと言っていたかもしれません。しかし、2つのバリアントが発生している場合、それは何を意味しますか？ 我々のデータは、意義が不確かな2つのバリアントの影響が、単一遺伝子の場合に臨床的に重要と考えられる閾値を超えることを示唆しています。臨床遺伝学の実践を形作るものの一部と見なすのに十分な頻度で発生します。

将来的に、臨床遺伝学者は、肉腫のリスクがある個人を特定するために、単一遺伝子および多遺伝子の両方の要因について、パネルの結果をレビューできる可能性があります。これらの患者は、発症前の治癒可能ながんについてMRIでスクリーニングを受ける可能性があります。がんに罹患したことがないが、リスクの遺伝的予測因子を持っている人については、その情報を使用してがんを予防または治癒することができます。外科医が簡単に除去または治療できる場合に、がんを検出できるようにしたいと考えています。

"がんとの闘いにWGSを幅広く適用することで、がん症例のどの割合が修正可能かを判断することができます。"

Q：生殖細胞系列に臨床的価値はありますか？

DT：生殖細胞系列またはゲノムの忘れ込みに臨床的価値があることが示されました。がんの増殖に伴い、ある転移には変異がありますが、別の転移には変異がありません。病理ラボでは、生殖細胞系列を減算して、腫瘍の進行中に生成された固有の変異のみを残すことで、単純化します。この種の検査では、実行可能なバリアントはほとんど発生していません。皮肉なことに、私たちは人々を治療する機会を増やすために利用できる豊富な情報源をなくしているかもしれません。定義上、生殖細胞系列変異はトランカルです。その後のすべての転移とサブクローンで共有されます。治療のための生殖細胞系列バイオマーカーは、実際には臨床的により有用である可能性があります。

Q：肉腫治療における将来の展望について教えてください。

DT：私の将来に対するビジョンは、がんに罹患する40歳未満のすべての人にとって、診断のための精密検査の一部に、その理由を解明するための遺伝子検査を含める必要があるということです。その情報は、治療、フォローアップ計画、および個人の家族のがん予防管理に役立つ可能性があります。このアプローチは腫瘍学を根本的に変える可能性があります。これにより、がんに罹患しているコミュニティのかなりの割合の健康を改善する総合的な機会を考えることへと、狭い範囲の疾患治療から焦点を移すことができます。

Q：肉腫研究の次のステップは何ですか？

DT：まず、肉腫の被験者とその家族のWGSが不可欠です。ヒトの疾患とその遺伝基盤の膨大なライブラリーを構築する必要があります。ターゲットエクソームや全エクソームに限らない方法で行う必要があります。これを適切に行い、投資と見なす必要があります。

肉腫被験者のゲノムをシーケンスすると、永続的なリソースが作成されます。これに対し、新しい遺伝子が同定されるため、2年以内にパネルは冗長化します。私たちのコミュニティの40%以上ががんを発症し、そのうちの30%が最終的にがんで死亡します。⁶ がんと闘うためにWGSを広く適用することで、がん症例の何パーセントが修正可能であるかを判断することができます。その情報は、この疾患に対する公衆衛生上のアプローチとなるべきものに対する政府の投資を促進します。

第二に、研究プログラムでは、独立した情報のライブラリーを提供する方法で、がんリスクに関連する遺伝子の機能検証を行う必要があります。私が研究組織として投資している場合、スクリーニングで特定したバリエーションを検証するために、すべての可能な情報を導き出すことができる割合を引き上げます。

何千ものバリアントを生成できますが、その中のほんの一部が現在疫学について解釈可能です。症例対照デザインは、何かが病原性であるという証拠を提供します。バリアントが重要であることを個人に伝えると、変異のコンパニオンライブラリーに基づいてバリアントが生み出す効果に関する情報を提供することが有用です。また、がんの症例を定期的に追跡する必要があります。バリアントについて私たちが教わったことはすべて、実際には正しいと言えるでしょうか？ そのためには、当社の予測が真実であるかどうかを個人が長期的に追跡する必要があります。