- 著者: Michaël Duruisseaux, Manel Esteller
- Corresponding author: Manel Esteller (Cancer Epigenetics and Biology Program [PEBC], Bellvitge Biomedical Research Institute [IDIBELL], Barcelona; ICREA, Barcelona)
- 雑誌: Seminars in Cancer Biology
- 発行年: 2018
- Epub日: 2017-09-14
- Article種別: Review
- PMID: 28919484
背景
肺癌は世界的な癌関連死の最大要因であり、依然として5年生存率が20%未満と予後不良な疾患である。近年、EGFR、ALK、KRAS、ROS1、BRAF、METなどのドライバー遺伝子変異の同定と、それらを標的とする分子標的治療薬の導入は、肺癌治療に革命をもたらした。特に、肺腺癌 (LUAD) の包括的な分子プロファイリング (Cancer et al. Nature 2014) は、分子分類の基盤を提供し、治療選択に大きな影響を与えている。しかし、ドライバー変異が陰性の腫瘍や、分子標的薬に対する後天性耐性の克服には、遺伝子変異とは異なる層での介入が必要とされている。この領域には依然として未解明な点が残されており、既存の治療戦略では対応しきれない患者群が存在するという知識ギャップが存在する。
エピジェネティックなリプログラミングは、がんの主要なホールマークの一つとして位置づけられており (Hanahan et al. Cell 2011)、DNAメチル化、ヒストン修飾、非コードRNA (ncRNA) 制御による可逆的な遺伝子発現制御として、肺癌の発癌、進展、治療反応性に広範に関与することが明らかになっている。EGFR変異陽性NSCLCではEGFR-TKIが標準治療を上回る効果を示すこと (Rosell et al. LancetOncol 2012)、PD-L1陽性NSCLCでは免疫チェックポイント阻害薬が化学療法を上回る効果を示すこと (Reck et al. NEnglJMed 2016) が確立されてきたが、いずれの治療法においても耐性化や非応答が大きな課題として残されている。
特に、エピジェネティックな異常は、免疫回避や薬剤耐性の根本的なメカニズムとして注目されており、エピドラッグ (epigenetic therapy) の臨床応用が加速している。しかし、肺癌におけるエピジェネティック治療の単独効果は限定的であり、どの患者がその恩恵を受けるかを予測するバイオマーカーは依然として未確立である。また、エピジェネティック治療の有効性を最大化するための併用戦略や、治療効果を予測するバイオマーカーの探索に関する研究は、これまで手薄であった。このため、基礎研究で得られた知見の臨床への橋渡しが不十分であり、この知識ギャップを埋めることが喫緊の課題である。本レビューは、肺癌エピジェネティクスの基礎から臨床応用までを包括的に整理し、この知識ギャップを埋めることを目的とする。
目的
肺癌 (非小細胞肺癌 [NSCLC]: 肺腺癌 [LUAD]、肺扁平上皮癌 [LUSC]; 小細胞肺癌 [SCLC]) におけるエピジェネティックな異常の分子基盤、バイオマーカーとしての応用可能性、およびエピドラッグによる治療戦略を系統的にレビューすることを目的とする。本レビューでは、特にDNAメチル化、ヒストン修飾、非コードRNAの異常が肺癌の病態にどのように関与するかを詳細に分析する。さらに、これらのエピジェネティック異常を標的とする治療薬の臨床的有効性、他の治療法との併用戦略、および治療効果を予測するためのエピジェネティックバイオマーカーの同定に焦点を当てる。最終的に、肺癌患者の個別化医療におけるエピジェネティック情報の統合の重要性を強調し、今後の研究の方向性を示すことを目指す。
結果
DNAメチル化異常 — 腫瘍抑制遺伝子サイレンシングとゲノム不安定性: 肺癌では、腫瘍抑制遺伝子プロモーターの高メチル化と全ゲノム低メチル化が同時に発生する。高メチル化により発現抑制を受ける代表的な腫瘍抑制遺伝子として、細胞周期制御のCDKN2A/p16、Rasシグナル抑制のRASSF1A (Ras association domain family 1A)、APC (adenomatous polyposis coli)、接着分子のCDH13 (cadherin-13)、アポトーシス関連のDAPK (death-associated protein kinase)、DNA修復のMGMT (O6-methylguanine-DNA methyltransferase)、レチノイン酸受容体のRARβが挙げられる。これらの遺伝子のメチル化は、肺癌の発癌初期段階から検出され、特にCDKN2Aのメチル化は前悪性病変で早期に認められる (Fig. 1)。一方、反復配列領域の全ゲノム低メチル化は、ゲノム不安定性と反復配列の活性化を引き起こす。組織型別では、LUADで転写因子SOX17・TCF21プロモーターのメチル化が顕著であるのに対し、LUSCでは特定のクロマチン制御因子の低メチル化が特徴的である。SCLCでは、網膜芽細胞腫遺伝子RB1の喪失やMYCファミリーの増幅と連動したエピジェネティックなリプログラミングが認められる。これらの組織型特異的なメチローム差異は、エピジェネティックバイオマーカーや治療標的が組織型に応じて最適化されるべきことを示唆し、肺癌の精密医療において遺伝子変異プロファイルと相補的な情報を提供する。例えば、CDKN2Aのメチル化はLUSCの前悪性病変である基底細胞過形成で発生し、異形成および上皮内癌への進行とともに有病率が増加することが報告されている (Belinsky et al., 1998)。
ヒストン修飾・非コードRNAの異常: ヒストン修飾では、活性化マークであるH3K4me3と抑制マークであるH3K9me3/H3K27me3のパターン異常が広く認められる。Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) の触媒サブユニットであるEZH2 (enhancer of zeste homolog 2) の過剰発現がLUAD/LUSCで頻繁にみられ、EZH2阻害薬tazemetostatの治療標的候補となる。ヒストン脱アセチル化酵素HDAC1-3 (histone deacetylase 1-3) の発現上昇はHDAC阻害薬感受性と関連し、SCLCではリジン脱メチル化酵素LSD1 (KDM1A; lysine-specific demethylase 1) が治療標的として注目される。非コードRNA異常としては、腫瘍抑制的なlet-7ファミリー・miR-34aの発現低下とがん促進的なmiR-21・miR-155の発現上昇、さらに長鎖非コードRNA (lncRNA) であるMALAT1 (metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1、転移関連)・HOTAIR・腫瘍抑制的なGAS5の発現異常が報告されている。これらのエピジェネティック異常は、がんの複数のホールマークの獲得を促進する (Fig. 2)。例えば、miR-487bの発現低下はプロモーターメチル化を介して喫煙によって引き起こされ、Wntシグナル伝達を介して肺癌の発生を促進することが示されている (Xi et al., 2013)。
ドライバー変異との相互作用とエピジェネティック耐性: エピジェネティック異常は、ドライバー変異と相互作用して標的治療への耐性に寄与する。EGFR変異LUADではlncRNA PCAT29やhsa-miR-21などがEGFR-TKI耐性に関与し、ALK融合LUADではEZH2発現上昇が第二世代ALK-TKI耐性に寄与する。KRAS変異LUADはDNMT1/EZH2依存性を示す。これらの知見は、ドライバー変異を標的とする治療が耐性化した症例においても、エピジェネティック層への介入が新たな治療機会を提供しうることを示唆する。例えば、IGFBP-3 (insulin-like growth factor-binding protein 3) のプロモーター高メチル化による発現低下は、NSCLC細胞のシスプラチン感受性を低下させることが報告されている (Ibanez de Caceres et al., 2010)。低用量の脱メチル化薬とHDAC阻害薬 (アザシチジンとトリコスタチンA) の併用は、候補遺伝子の脱メチル化と再発現を介してシスプラチン耐性を逆転させることが可能である (Zhang et al., 2014)。
リキッドバイオプシーによるエピジェネティックバイオマーカー応用: cfDNA (cell-free DNA) / ctDNA (circulating tumor DNA) のメチル化プロファイリングは、肺癌の診断・モニタリングに有用である。SHOX2・RASSF1Aのメチル化は高い感度・特異度で肺癌診断に寄与し、APC・RASSF1A・CDH13・CDKN2Aの経時的メチル化測定が治療反応性の監視に用いられる。本レビューが引用する研究では、エピジェネティック・細胞傷害性併用治療後にday 0からday 29にかけてcfDNAメチル化が低下し、良好な臨床アウトカムと相関したと報告されている。さらにエクソソーム由来核酸では、エクソソームmiRNAプロファイル (miR-21・miR-141・miR-200c等) が早期肺癌のバイオマーカー候補となり、エクソソーム内のメチル化DNAはcfDNAより分解されにくく長鎖メチル化プロファイル評価に優位である点が、本論文をBasic-EVカテゴリに配置する根拠となっている。例えば、SHOX2のメチル化は血漿中の肺癌診断バイオマーカーとして報告されており、診断感度 60%、特異度 90% を示す (Kneip et al., 2011)。
エピドラッグの臨床開発と主要試験成績: DNAメチル基転移酵素阻害薬 (DNMTi) のazacitidine (AZA) は骨髄異形成症候群 (MDS) に承認され、NSCLCでは細胞傷害性用量と低用量プライミングで設計が異なる臨床試験が行われている。decitabineは低用量での持続的奏効とMGMT・RASSF1脱メチル化が報告されている。HDAC阻害薬 (HDACi) のvorinostat (SAHA) は肺癌単独効果が限定的で併用が検討され、entinostat・romidepsin・panobinostatも各試験で評価されている。主要試験成績として、EGFR変異NSCLCを対象としたPhase I/II試験のerlotinib±vorinostat (n=33) では奏効率 (ORR) 0%・無増悪生存期間 (PFS) 2.0ヶ月・全生存期間 (OS) 10.3ヶ月と単独追加の明確なベネフィットは示されなかった (Table 1)。一方、前治療歴のあるNSCLCを対象としたazacitidine+entinostat試験 (Juergens et al. 2011) では1例の完全奏効・1例の部分奏効・PFS 7.4週ながら、治療完遂34名でのOS中央値が8.6ヶ月と予想外に良好であった。さらに4名が後続化学療法で大きな奏効を示し、うち2名がエピジェネティック治療後44-52ヶ月生存、1名はエピドラッグ不応後の抗PD-1療法で6年以上の長期生存を示した。これらはエピジェネティック治療が後続治療の効果を「プライミング」する可能性を示す重要な所見である。
エピジェネティック治療と免疫療法の併用 — viral mimicry機構: DNMTi/HDACiは内因性レトロウイルス因子 (endogenous retroviral element, ERV) を再活性化し、二本鎖RNAを介した「viral mimicry (ウイルス模倣)」を誘導してインターフェロン (IFN) 応答を惹起する。その結果、MHC class I発現上昇・ネオアンチゲン提示が促進され、骨髄由来抑制細胞 (MDSC) や制御性T細胞 (Treg) の抑制も加わって腫瘍免疫原性が高まる。この機構を背景に、エピジェネティック治療を先行させてから免疫チェックポイント阻害薬を投与する逐次併用 (sequential epigenetic priming) が複数の臨床試験で評価されている。例えば、decitabineはリンパ球の遊走と機能を高め、CTLA-4阻害と相乗効果を発揮することがマウス卵巣癌モデルで示されている (Wang et al., 2015)。
SCLCにおけるエピジェネティック異常: SCLCにおいても、エピジェネティクスは病因、生物学、治療反応性の理解に重要な洞察をもたらす。RASSF1Aのプロモーター高メチル化とその後の発現抑制は、ほぼ全てのSCLC腫瘍で認められる (Dammann et al., 2001)。DAPKはSCLC腫瘍の約3分の1でメチル化されている (Toyooka et al., 2003)。最近の包括的な遺伝子解析では、ヒストン修飾因子 (CREBBP, EP300) やエピジェネティックリーダー (MLL, MLL2) のホットスポット変異が同定された (George et al. JThoracOncol 2017)。また、ゲノムワイドメチル化解析では、73の遺伝子ターゲットが77%以上のSCLCでメチル化されており、他の癌種ではほとんど検出されないことが示された (Kalari et al., 2013)。これはSCLCの神経内分泌起源と一致し、NEUROD1、HAND1、ZNF423、RESTなどの神経細胞特異的転写因子が同定されている。さらに、DNAメチル化と遺伝子発現プロファイルのクラスタリングにより、組織学的に区別できないSCLC患者サンプル間で異なる疾患サブタイプが明らかになった。高レベルメチル化CpGアイランドの密なクラスタリングは他の肺癌とは異なり、E2Fターゲットおよびヒストンメチルトランスフェラーゼ遺伝子EZH2の高発現と強く相関している。EZH2はSCLCで過剰発現し、E2F駆動型腫瘍形成を促進することが多くの報告で確認されており、EZH2阻害が化学療法耐性を防ぐ可能性も示唆されている。
考察/結論
本レビューは、肺癌エピジェネティクス分野の権威ある総括であり、基礎分子機構から臨床応用までを統合したランドマークレビューとして機能する。著者Manel Estellerは、がんエピジェネティクス領域、特にメチローム解析における世界的な研究者であり、本文の信頼性が高い。遺伝子ドライバー変異とその標的治療に焦点を当ててきた従来の肺癌分子腫瘍学 (Cancer et al. Nature 2014) とは異なり、本レビューは可逆的なエピジェネティック層を治療機会として体系的に位置づけた点に特徴がある。がんのホールマークとしてのエピジェネティックリプログラミング (Hanahan et al. Cell 2011) を肺癌特異的な文脈で臨床応用へ接続した新規な統合的視点を提供する。
主要な概念的貢献:
- Epigenetic layer as therapeutic opportunity: ドライバー変異がない (driver-negative) LUAD・LUSC・SCLCにおいても、エピジェネティック治療は普遍的な介入点を提供する。
- “Priming” 概念の確立: エピドラッグは必ずしも単独での直接的な腫瘍縮小効果をもたらすだけでなく、後続の化学療法や免疫療法に対する感受性増強を介して長期的なベネフィットをもたらす可能性を示唆する。これは、azacitidine+entinostat試験で治療完遂者34名のOS中央値が8.6ヶ月と良好であり、後続治療で長期生存した患者がいたという結果によって裏付けられる。
- Epigenetic + Immunotherapy synergy: DNMTi/HDACiによる「viral mimicry」機構を介した腫瘍免疫原性の増強は、免疫チェックポイント阻害薬の応答率向上に寄与する可能性があり、この併用戦略は臨床応用において極めて臨床的意義が高い。
- リキッドバイオプシーによるエピジェネティックバイオマーカー: cfDNA/エクソソームのメチル化プロファイリングは、早期診断、治療モニタリング、再発予測の3領域で臨床トランスレーションが可能である。
臨床応用の進展と残された課題: 現在、肺癌に対するFDA承認されたエピドラッグは存在しないが、骨髄異形成症候群やT細胞リンパ腫ではAZA/decitabineが承認されている。肺癌における単独での活性は限定的であるが、他の治療法との併用によりその潜在能力が発揮される可能性がある。今後の検討課題として、治療効果を予測するバイオマーカーの不足が挙げられ、メチロームベースの層別化が必要である。また、用量最適化 (細胞傷害性用量 vs 低用量プライミング) の継続的な検討、副作用 (骨髄抑制、倦怠感) の管理、および費用対効果評価も重要な課題として残されている。
今後の方向性: 次世代のエピドラッグ (BET阻害薬、EZH2阻害薬tazemetostat、LSD1阻害薬、BRD4標的薬など) の開発が期待される。また、CRISPRベースのエピジェネティック編集 (dCas9-DNMT3A、dCas9-TET1) による精密な遺伝子発現回復、シングルセルエピゲノミクスによる腫瘍不均一性の解明、リキッドバイオプシーによる長期的なメチル化プロファイリングを用いた早期再発検出、そしてエピジェネティック治療と免疫療法の合理的な併用試験が今後の研究の方向性として挙げられる。小児肺腫瘍のエピジェネティクス研究は現在データが限定的であり、今後の開拓が望まれる。
肺癌マネジメントへの含意: 第三世代EGFR-TKIであるosimertinib耐性症例に対するエピジェネティック治療の併用療法が評価中である。また、免疫チェックポイント阻害薬の非応答者に対するエピジェネティックプライミング戦略、および早期切除NSCLCにおけるアジュバントエピジェネティック維持療法の可能性も示唆されている。本レビューは厳密なエクソソーム研究に特化したものではないが、エクソソーム由来のメチル化DNAがバイオマーカーとして言及されている点は、本論文をBasic-EVカテゴリに配置する根拠となっている。肺癌研究におけるエピジェネティック情報の、エクソソームを介した腫瘍から間質細胞への伝達 (tumor→stromal cell epigenome modification) は、今後のフロンティアトピックである。
方法
本稿はナラティブレビュー (narrative review) として構成されており、システマティックレビューのような明示的な検索プロトコルや統計的手法 (メタ解析) は適用されていない。著者らは、2000年から2017年にかけて発表された肺癌エピジェネティクス関連の文献を、PubMed / MEDLINEなどの文献データベースおよび主要ながん研究ジャーナルを情報源として網羅的に収集・統合した。検索戦略は、キーワード「lung cancer」「epigenetics」「DNA methylation」「histone modification」「non-coding RNA」「epigenetic therapy」「biomarker」などを組み合わせて実施された。
レビューの構成軸は、主に以下の3層構造である。(1) 分子機構: DNAメチル化、ヒストン修飾、非コードRNA (ncRNA) 制御といったエピジェネティックなメカニズム。これには、腫瘍抑制遺伝子のサイレンシングやがん遺伝子の活性化、ゲノム不安定性への関与が含まれる。(2) トランスレーショナル応用: cfDNA (cell-free DNA) やエクソソームを用いたリキッドバイオプシーによるエピジェネティックバイオマーカーの開発と応用可能性。これには、早期診断、予後予測、治療効果予測の側面が含まれる。(3) 臨床応用: エピドラッグ (DNAメチル基転移酵素阻害薬 [DNMTi]、ヒストン脱アセチル化酵素阻害薬 [HDACi] など) の臨床試験成績、および化学療法、分子標的薬、免疫療法との併用戦略の評価。
引用される臨床試験データ (奏効率 [ORR]、無増悪生存期間 [PFS]、全生存期間 [OS] など) は、各原著論文で報告された値をそのまま参照しており、本レビュー独自の症例集積や統合解析は行っていない。対象となる肺癌は、非小細胞肺癌 (NSCLC) の主要な組織型である肺腺癌 (LUAD) と肺扁平上皮癌 (LUSC)、および小細胞肺癌 (SCLC) を横断的に含んでいる。SCLCについては、その神経内分泌学的特性、分子学的特徴、予後、治療反応性がNSCLCとは異なるため、独立したセクションで議論されている。本レビューは、エビデンスレベルの評価にはGRADE (Grading of Recommendations Assessment, Development and Evaluation) アプローチのような体系的なフレームワークは採用していないが、各知見の科学的根拠の強さを文脈で示唆している。