がん遺伝子とがん免疫との関係

平成29年6月23日市民公開講座 文京シビックセンター

講師：東京医科歯科大学難治疾患研究所 ゲノム病理学分野石川 俊平

はじめに用語解説：遺伝子・ゲノム・DNAの関係

遺伝子： ゲノムDNAのなかの一部でRNAやタンパクに変換されて実際に機能する部分。

ゲノム： 細胞に含まれるすべての遺伝するDNAの情報全体でヒトでは約30億塩基（30億文字）のDNAよりなる。

https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology/section/8.1/

染色体： ゲノムのDNAが分割されて折りたたまれた構造で46本ある。

DNA： デオキシリボ核酸。ゲノムや遺伝子の化学物質としての名前

細胞ゲノム

染色体

遺伝子

3

がん がん細胞

～100mm～100µm

塩基配列解析

染色体の数の異常（コピー数異常）EGFR遺伝子の塩基配列の変異

http://www.stop-smoking-programs.org/

http://www.rikengenesis.jp/

がんのゲノム異常にはどのようなものがあるか？

http://win.eurocytology.eu/static/eurocytology/TUR/cervical/mod3img1c.html

染色体解析

がん

正常

メラノーマ（ほくろのがん）の全ゲノムの解読

染色体転座

（違う場所の染色体同士がつながる）

コピー数異常（数の異常）

塩基配列の変異

1番染色体

2番染色体

Y染色体

今では３０億塩基の全ゲノムの異常を一度に見れるようになりました。

サーカス プロット

Nature. 2010 Jan 14;463(7278):191-6.

30億塩基のがんゲノムを一度に解読する機械（次世代シーケンサー）

-www.illumina.com

約６兆塩基＝～6Tbp(テラベースペア）≒ ヒト全ゲノム60人分の情報

1回あたり２日で

(一人あたり～3Gbpx33カバレッジ≒100Gbpとした場合）

（1 DNA断片の長さ300bp）

x ( ２０億断片)

= 合計 ６兆塩基

次世代シーケンサーはどのような原理か？

https://biology.stackexchange.com/questions/16674/what-is-meant-by-single-molecule-sequencing

レーザーで画像をとる 塩基を判定

DNAを断片化してスライドグラスの上に張り付ける

ATCGなどのDNAの材料に蛍光色素をつけて見えるようにする。

1スライドグラスあたり

レーザー

がんゲノムを解読する費用は？

$1000/genome

Consumer Genome

の普及ライン

次世代シーケンサーの登場 （２００７）

ムーアの法則

（同じ半導体の性能＝部品数のコストが年間半分に）

• ヒトの全ゲノムの配列データを取得するのはそれほど難しくなくなりつつある。• むしろゲノム解析の情報解析の負荷・コストが今後の課題

（スーパーコンピューターが必要な場合もある）。

100億円

10万円

1億円

がんゲノムの解析の実際

@SEQ_IDGATTTGGGGTTCAAAGCAGTATCGATCAAATAGTAAATCCATTTGTTCAACTCACAGTTT,,,,,

これが延々と続く文庫本３００００冊分、新聞２５年分程度

この配列が正常か異常か判断するために、ヒトゲノム配列３０億塩基のどこに相当するかを探す。

＝Mapping（マッピング）という作業

次世代シーケンサー

どこの配列ですか？

？

？

？

https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology/section/8.1/Mapping（マッピング）という作業にはコンピューターで多くの計算を行う必要がある。

-パソコン１台（CPU１個）ではがんゲノムの解析に数日必要-医療機関で１００～１０００人分の解析ではスーパーコンピューターが必要

がんにとって重要な遺伝子変異とは

がん細胞の増殖シグナルの流れ

http://blog.goo.ne.jp/kfukuda_ginzaclinic/e/c81d4b1a97f31271f5ce1ca472f36b5d

細胞外からの刺激

細胞増殖や アポトーシス（細胞死）抵抗性につながるシグナル経路上の分子の遺伝子は変異を起こしやすい。

変異によってがん細胞は細胞外からの刺激なしでも、増殖するようになる。Neoplasia （悪性新生物）

がんに重要な遺伝子変異の探し方

-遺伝子は22,000個もあるので、どれが大事か探すのは簡単ではない。

重要な遺伝子の変異はランダムにはおこらない＝特定の部位に集中する（ホットスポット）

EGFR 遺伝子の例

EGFR タンパク質

重要な部位に集中して変異がおこる

１個の▽は１症例の変異

がんに重要な遺伝子や変異は多くの患者さんのがんゲノム情報をあわせてはじめてわかる。

Clin Cancer Res. 2004 Dec 15;10(24):8195-203.

N Engl J Med 2004; 350:2129-2139

がんで遺伝子変異が見つかるといいことはありますか？

６週間後投与前

遺伝子変異を持った肺がんの分子標的治療薬の著効例

遺伝子変異を持った肺がんの生存曲線（治験の結果）

EGFR タンパク質

重要な部位に集中して変異がおこる

EGFR に対する分子標的治療薬

特定の遺伝子の変異が見つかれば、分子標的治療薬がよく効く可能性がある。

無増悪生存率

N Engl J Med 2010; 362:2380-2388

月

N Engl J Med 2004; 350:2129-2139

分子標的治療薬通常の抗がん剤

N Engl J Med 2004; 350:2129-2139

遺伝子変異の情報が使われている抗がん剤の例

ほかにも治験などで利用できる薬があり、また今後も増えてきます。

遺伝子名 遺伝子変異の種類 対象となるがん 分子標的治療薬

EGFR 変異等 肺がん エルロチニブ

BRAF 変異 メラノーマ（ほくろのがん） ベムラフェニブ

ALK 融合遺伝子 肺がん クリゾチニブ

ABL 融合遺伝子 慢性骨髄性白血病（白血病の１種）イマチニブ

がんの遺伝子変異は遺伝しない？

http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/33-meiosis/somatic-vs-germline-mutatio.html

親から子に遺伝する

胚細胞遺伝子変異

親から子に遺伝しない

体細胞遺伝子変異胚細胞遺伝子変異

体細胞遺伝子変異

体ができた後に、一部の細胞のみに遺伝子変異が発生

体全体の細胞に遺伝子変異が入る。

精子にも遺伝子変異がはいり子供に伝わる

遺伝子変異は精子には入らず子供には伝わらない。

（今日お話ししている方の変異）

がん細胞のみに遺伝子変異が存在

がんの種類によって遺伝子変異の数は大きく異なる

-がん種ごとに見た遺伝子変異の数（密度）

Nature. 2013 Aug 22;500(7463):415-21

メラノーマ（紫外線）

肺扁平上皮がん（タバコ）

変異が特別多いがん！

小児のがん

環境要因の蓄積によるがん

１つの点が１症例（症例によってもかなりのバラツキ）

遺伝子変異の特別多いがんは何故できる？

Mod Pathol 2001;14(3):236–245

Tリンパ球が茶色に染まっている

遺伝子変異の特別多いがんの組織像

細胞にもともと備わるDNA複製のエラー修復のメカニズム

Nat Genet. 2013 Feb;45(2):121-2

この仕組みがおかしくなると急に変異が増える。代表的なものが、「マイクロサテライト不安定性のがん」と呼ばれる

DNA２本鎖

複製する酵素

複製する酵素

複製エラーを修復する酵素

黒い粒＝リンパ球

変異が多いがんには免疫がおこっている

がんの免疫と免疫療法のしくみ

Nat Rev Cancer. 2012 Mar 22;12(4):252-64

抗PD-1抗体で、リンパ球を不活性化のシグナルをブロック！（免疫チェックポイント阻害剤）

がん細胞 Ｔリンパ球

リンパ球ががん細胞を攻撃するしくみ

がん抗原を認識して攻撃

リンパ球を不活性化させて守る

ヒト正常タンパク： RAFGHYKIRVQ

ウイルスタンパク： RGFGHYRIRTQ

がんの遺伝子変異による異常タンパク： RAFCHYKIRVQ

抗原のタンパク

異物（免疫で強く排除）

免疫で排除されない

異物（免疫で弱く排除）

がんで変異したタンパクも異物として認識され免疫で攻撃される。

ゲノム変異の数と免疫チェックポイント阻害剤の効果

N Engl J Med 2015;372:2509-2520.

マイクロサテライト安定性大腸がん（変異の少ないがん）

マイクロサテライト不安定性大腸がん（変異の多いがん）

マイクロサテライト不安定性その他のがん（変異の多いがん）

遺伝子変異の数による抗PD-1抗体投与後の腫瘍マーカーレベルの違い

N Engl J Med 2012;366:2443-2454.

腫瘍マーカーのレベル（≒腫瘍の大きさ）

投与後の日数

遺伝子変異が多いほど、免疫療法が効きやすいことが分かってきた。

肺がんに対して著効した例

治療前 ２か月後 ４か月後

がん免疫療法をのがれる癌の仕組み

Nat Rev Cancer. 2012 Mar 22;12(4):252-64

抗PD-1抗体で、リンパ球を活性化へのブレーキを解き放つ！（免疫チェックポイント阻害剤）

がん細胞 Ｔリンパ球

がん抗原を認識して攻撃

リンパ球を不活性化させて守る

http://www.genome.gov/Multimedia/Slides/TCGA3/30_Bass.pdf

胃がんにおけるPD-L1の遺伝子の数の増加

遺伝子の数（コピー数）

複数の症例

がん細胞は自らのPD-L1遺伝子を増やして自分を守ろうとする！

今日のまとめ

• ゲノム・染色体・遺伝子・DNAの違い

• がんのゲノム異常の種類（配列の異常、数の異常）

• 次世代シーケンサーによるがんゲノム解析

• がんの遺伝子変異と分子標的治療薬

• 遺伝子変異の個数のばらつき

• がん免疫の仕組みと免疫治療薬・抗PD-1抗体

• 遺伝子変異の個数とがん免疫療法の効果

-がん遺伝子とがん免疫との関係