- 著者: Tarragó-Celada J, Mahmood AS, Panina Y, et al.
- Corresponding author: Mariia Yuneva (The Francis Crick Institute, London, UK)
- 雑誌: Cancer Research
- 発行年: 2026
- Epub日: N/A
- Article種別: Original Article
- DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-25-3883
背景
乳がん (breast cancer) は女性において最多の罹患数と死亡数を示す悪性腫瘍であり、その主要な死因は遠隔転移、なかでも肺転移 (lung metastasis) である。転移プロセスに腫瘍細胞の代謝リプログラミングが重要な役割を果たすことが近年明らかになりつつある。特に腫瘍細胞の高い抗酸化能が転移成功に不可欠であることが示され、反応性酸素種 (ROS: reactive oxygen species) の過剰産生に対する耐性が転移細胞の生存に必須の要件と考えられている。グルタチオン (GSH: glutathione) はシステイン (cysteine) を律速基質とするglutamate-cysteine ligase (GCLC) によって合成される主要な細胞内抗酸化分子であり、フェロトーシス (ferroptosis) という鉄依存的な脂質過酸化による制御性細胞死に対するブレーキとして機能する。Kang et al. NatRevClinOncol 2026 が概説するように、フェロトーシスは癌治療の有望な標的として注目されている。一方、GSH合成のシスチン (cystine) 源供給と、de novoシステイン合成を担うトランスサルフレーション (TS: transsulfuration) 経路の役割については、転移巣において未解明であった。TS経路はcystathionine β-synthase (CBS) が律速酵素としてメチオニンサイクルからホモシステインを引き込み、下流のcystathionase (CTH) がシスタチオニンを開裂してシステインを生成する経路である。工学的なシスチン/システイン分解酵素cyst(e)inaseが原発腫瘍を抑制することは Cramer et al. NatMed 2017 で示されていたが、転移巣に対する効果は検討されておらず、転移特異的なシスチン依存性を治療的に標的とする戦略が不足していた。Ehara et al. CancerImmunolRes 2026 がインターフェロンγ (IFN-γ: interferon-gamma) 由来の抗原特異的T細胞によるフェロトーシス増強を示しているように、ROS産生増加とシスチン枯渇の組み合わせが相乗的フェロトーシス誘導をもたらす可能性があるが、転移モデルでの実証は不足していた。
目的
乳がん肺転移細胞においてGSH合成がシスチン由来システインに優先的に依存し、TS経路への依存度が転移能の獲得とともに低下するという代謝特性を多角的手法で明らかにするとともに、この転移特異的シスチン依存性 (cystine addiction) をcyst(e)inaseと焦点放射線の併用によって治療的に標的とする戦略の有効性を検証する。
結果
肺転移巣でのGSH蓄積とscRNA-seq解析による抗酸化経路の活性化：
MMTV-cMYC (mouse mammary tumor virus promoter-driven c-MYC) 駆動の同系マウス乳がんモデルから樹立した転移能の異なる細胞株群を用いて、原発腫瘍と比較した肺転移巣のGSH動態を複数の代謝解析手法で検討した。液体クロマトグラフィー質量分析法 (LC-MS) による定量では、転移性細胞株由来腫瘍でGSH総量およびGSH/GSSG (oxidized glutathione) 比が有意に上昇していた (Fig. 1)。脱着エレクトロスプレーイオン化質量分析イメージング [DESI-MSI: desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging] を用いた腫瘍組織切片の空間的解析では、肺内の転移巣領域に特異的にGSHシグナルが濃縮されることが確認された。さらに10x Genomicsプラットフォームを用いた単細胞RNA-seq [scRNA-seq: single-cell RNA sequencing] では、肺転移細胞において原発乳腺腫瘍細胞と比較して抗酸化経路遺伝子の発現が顕著に上昇していた。scRNA解析ではさらに血管壁との相互作用、血小板・免疫細胞との相互作用に関わる経路も有意に上昇しており、転移細胞が循環系を経由して肺へ到達する過程での適応を反映していると考えられた。転移性細胞ではGCLC発現量の増加も確認されており、GSH合成酵素活性自体が強化されることが示された。
システインが転移細胞の主要GSH合成源；トランスサルフレーション経路の転移特異的低下：
GSH合成に対するシスチン由来システインの寄与を安定同位体分解能代謝解析 [SIRM: stable isotope-resolved metabolomics] で定量した。[U-13C, 15N]シスチンを添加した培地でのトレーサー実験において、転移性細胞株ではGSH M+3 N+1 アイソトポローグの分子標識率 [FE: fractional enrichment] がおよそ10%に達した一方、[U-13C]セリンを用いたTS経路経由のGSH標識率は0.5%にとどまり、シスチン由来の寄与がセリン由来に比べて~20-fold高かった (Fig. 2; 各実験n=3以上の独立した生物学的反復実験)。より高い転移能を持つ細胞株 (MYAZ16.1e < Myc310 < LM1 < LM1-LM の順) ほどシスチン由来FEが高い傾向があり、転移能獲得とともにシスチン依存的GSH合成が強化されることが示された。転移能の高い細胞株ではTS経路の律速酵素CBSのmRNAおよびタンパク質発現量が低下し、一方でCTH発現は増加していた (Fig. 3)。シスチン/システイン枯渇条件下ではこの傾向がさらに顕著となった。4T1 (高転移性) vs 67NR (低転移性) 独立モデルでも同様の結果が再現された：67NR細胞ではシスチン枯渇によりセリンのGSHへの寄与が約30%減少したのに対し、転移性4T1細胞では同条件下でセリン由来GSH標識が検出限界以下となった (Fig. 5J)。これらの結果は転移細胞がTS経路を選択的に低下させながら外部シスチンへの依存度を高めることを示している。
転移性細胞のシスチン依存的フェロトーシス感受性とCBS発現の役割：
シスチン/システイン枯渇が転移能の高い細胞に選択的な細胞死をもたらすかを検討した。培地からシスチン/システインを除去したところ、より転移性の高い細胞株 (Myc310、LM1、LM1-LM) では細胞生存率が著明に低下し、ROS上昇および脂質過酸化マーカーの増加が確認された (Fig. 4)。この細胞死はフェロトーシス阻害剤ferrostatin-1およびliproxstatin-1の添加によって有意に抑制されたが、ROS消去剤N-acetylcysteineは完全な保護効果を示さず、脂質過酸化依存的フェロトーシスが主要な細胞死メカニズムであることが示された。4T1 vs 67NRモデルでも同様で、高転移性4T1細胞が非転移性67NR細胞と比較してシスチン枯渇に著しく感受性であった (Fig. 5)。因果関係を検証するため、低転移性MYAZ16.1e細胞に短ヘアピンRNA (shRNA: small hairpin RNA) によるCBSノックダウンを行ったところ、TS経路への依存度が低下し、シスチン依存的フェロトーシス感受性が高転移性細胞と同等に再現された (Fig. 4H)。これによりCBS発現低下がシスチン依存性の主要な決定因子の一つであることが機能的に示された。
Cyst(e)inaseと焦点放射線の相乗的作用による乳がん肺転移の縮小：
この転移特異的シスチン依存性を治療標的とするため、まずシスチン/システイン除去食 [CFD: cysteine-free diet] の効果をLM1細胞の乳腺脂肪体同所性移植モデルで評価した。CFDではマウス体重の変化なく、血清シスチン/システイン値も肝臓の代償的なde novo合成により低下しなかったため、腫瘍体積・転移巣ともに有意差を認めなかった (Supplementary Fig. S6A-E)。そこで工学的なcysteine/cystine分解酵素cyst(e)inase (100 mg/kg、隔日腹腔内投与) を10日間投与したところ、血清シスチン/システイン値は有意に低下したが、微小コンピュータ断層撮影 [micro-CT] 評価での転移巣縮小は達成されなかった (Fig. 6C/D)。転移巣内ではシステイン値が維持されており、転移細胞が周辺組織の残存シスチンを取り込んでいる可能性が示唆された。そこで放射線によるROS産生増加が転移細胞のGSH消費を加速し、シスチン供給不足との相乗作用でフェロトーシスを選択的に誘導するとの仮説を検証した。In vitroでは分割照射 (最大累積60 Gy) とcyst(e)inaseの組み合わせがMyc310およびLM1細胞に対して単独治療を大きく上回る相乗的な細胞殺傷効果を示した (Fig. 6E/F)。In vivoでは小動物放射線照射装置 [SARRP: small animal radiation research platform] による焦点肺照射とcyst(e)inaseの併用療法が、いずれかの単独治療または対照群と比較して転移巣を相乗的かつ有意に縮小させ (micro-CT、Fig. 6G/H)、原発乳腺腫瘍容積には有意差を認めなかった。血清シスチン/システイン値が依然低下した状態においても体重減少などの有害事象は観察されず、良好な忍容性が確認された (Supplementary Fig. S6N)。
考察/結論
本研究は、乳がん肺転移細胞が外部シスチンへの依存度を高めながらTS経路を選択的に低下させるという転移特異的な代謝リプログラミングを、DESI-MSI・SIRM・scRNA-seqという相補的手法の組み合わせで新規に明らかにした。これまで報告されていなかった知見として、転移能の階層的な上昇に応じてCBS発現が段階的に低下しCTH発現が上昇するという動的な調節が存在することを初めて示した点が特に重要である。
先行研究の Cramer et al. NatMed 2017 はcyst(e)inaseが前立腺がんや乳がんの原発腫瘍抑制に有効であることを示していたが、これまでの知見と異なり本研究では転移巣に対してはcyst(e)inase単独が不十分であることが明らかとなった。この相違は、転移巣が周辺組織から残存シスチンを取り込むことでcyst(e)inaseによる枯渇を部分的に回避できるためと考えられる。対照的に、焦点放射線との組み合わせはこの抵抗性を打破し相乗的な転移巣縮小を達成した。Ehara et al. CancerImmunolRes 2026 がIFN-γによるフェロトーシス増強を示しているのと同様に、外部からのROS産生増加とシスチン枯渇の相乗性は転移細胞選択的なフェロトーシス誘導の普遍的なメカニズムである可能性が示唆される。
臨床応用の観点からは、肺転移に対する定位放射線照射 (SBRT: stereotactic body radiation therapy) は既に標準治療に組み込まれており、cyst(e)inaseとの併用は実現可能性の高い治療戦略と考えられる。正常細胞が機能的なTS経路を介してシスチン非依存的にGSHを合成できることが、転移細胞に選択的な毒性を与えるための治療ウィンドウの根拠となっており、良好な忍容性として実証された。また乳がんにとどまらず、シスチン依存的なGSH合成を高める他のタイプの転移性癌にも、ROS誘導療法とシスチン枯渇の組み合わせ戦略が広く適用できると考えられる。
残された課題として、本研究で使用したcyst(e)inaseは主に酸化型シスチン分解効率に限界があり還元型システインの枯渇が不完全であること、次世代分解酵素の開発が求められる。また転移微小環境内の他の細胞 (免疫細胞・癌関連線維芽細胞) からのシステイン供給が転移細胞のGSH維持にどの程度寄与するかは今後の検討が必要である。CBS/CTH発現を転移依存的に制御する分子機構の解明と、ヒト乳がん転移巣でのシスチン依存性の臨床的確認も今後の研究の方向性として挙げられる。
方法
モデル: MMTV-cMYC 駆動の同系マウス乳がんモデルから樹立した転移能の異なる細胞株群 (MYAZ16.1e、Myc310、LM1、LM1-LM) および独立モデルとして4T1 (高転移性)/67NR (非転移性) 細胞を使用。In vivo実験はLM1細胞の乳腺脂肪体同所性移植マウスモデル (野生型マウス)。
代謝解析: SIRM: [U-13C, 15N]シスチンおよび[U-13C]セリントレーサーを用いGSH合成経路の分子標識率 (FE) をLC-MSで定量。DESI-MSIによる腫瘍組織切片でのGSH空間分布マッピング。scRNA-seq (10x Genomics Chromium) および bulk mRNA-seq (DESeq2; GEO: GSE287197, GSE294562)。
分子生物学: RT-qPCR、ウェスタンブロットによるCBS/CTH/GCLC/GSR (glutathione reductase) タンパク質定量。shRNA (small hairpin RNA) によるCBSノックダウン (MYAZ16.1e細胞)。ROSおよび脂質過酸化マーカー測定。フェロトーシス阻害: ferrostatin-1、liproxstatin-1投与。細胞生存: Incucyte livecell imagingシステム。
In vivo治療実験: CFD (cysteine-free diet) 投与。Cyst(e)inase 100 mg/kg腹腔内隔日投与。焦点放射線: SARRP装置による肺への焦点照射、in vitro分割照射は最大累積60 Gy。転移巣定量: micro-CT (SARRP)。全データは血液生化学 (cystine/cysteine) を含め統計的に解析 (適宜t検定・一元配置分散分析、DESeq2)。