潰瘍性大腸炎の大腸組織の遺伝子変異を、オルガノイドを用いて解析

慶應義塾大学は12月19日、潰瘍性大腸炎の大腸組織において、特定の遺伝子変異が蓄積していることを発見したと発表した。この研究は、同大医学部坂口光洋記念講座（オルガノイド医学）の佐藤俊朗教授らの研究グループによるもの。研究成果は、英科学誌「Nature」のオンライン版に掲載されている。

画像はリリースより

潰瘍性大腸炎は、大腸に原因不明の慢性炎症が生じる炎症性腸疾患のひとつ。国内の患者数は約17万人以上と、増加の一途をたどっている。また、罹病期間が長くなると大腸がんの発生が増加すると報告されているが、なぜ大腸がんが増えるのか、その明確な理由は解明されていなかった。

ヒトの組織の多くは幹細胞によって維持されているが、発がんには幹細胞そのものに遺伝子変異が生じることが必要となる。一方、大腸では10～20個の幹細胞が陰窩（いんか）と呼ばれるくぼみの中で、数か月の期間で、全て単一の幹細胞とその子孫細胞に置き換わることが知られている。大腸では狭い領域に陰窩が無数に存在するため、従来の方法では、変異をもつ幹細胞と持たない幹細胞のクローンが混在したサンプルを用いることしかできず、個々の幹細胞にどのように遺伝子変異が蓄積されているのかを調べることができなかった。しかし、近年オルガノイド培養技術の応用により、単一の幹細胞クローンを培養して増殖し、各陰窩の幹細胞を個別に解析する手法が開発された。その結果、正常の大腸上皮幹細胞では年齢に比例して遺伝子変異が蓄積していることが報告され、遺伝子変異の蓄積には個人差があることも示された。

IL-17シグナル関連遺伝子にさまざまな変異を発見

今回研究グループは、この個人差に腸内環境が関与しているのではないかと推察。オルガノイド培養技術を応用し、健常人と潰瘍性大腸炎患者の大腸組織の体外培養を行い、それぞれの幹細胞でどのように遺伝子変異が生じているかを明らかにするために解析を行った。その結果、罹病期間が長い潰瘍性大腸炎の患者の大腸上皮細胞には、健常人の大腸上皮に比べて、より多くの遺伝子変異が検出された。しかし炎症を原因とする遺伝子変異の頻度の増加は小さかった。そこで、どの遺伝子に変異が蓄積しているかを調べた結果、潰瘍性大腸炎の患者の大腸上皮幹細胞では、がんの発症に寄与する遺伝子変異は比較的少なく、一方で、炎症性サイトカインのひとつであるIL-17を介した炎症シグナルの経路上に、さまざまな遺伝子変異があることを発見した。

この遺伝子変異のクローンの広がりを調べるため、生検鉗子で採取された領域に含まれる全ての大腸幹細胞に、どの程度これらの遺伝子変異が生じているか、より多くの患者由来のサンプルを用いて探索した。調査した潰瘍性大腸炎の患者45人のうち、6割の27人でこれらの遺伝子変異が確認され、また、大腸がんを合併している患者では75％以上の症例で、がんではない大腸上皮細胞に遺伝子変異が生じていた。さらに、これらの遺伝子変異をもつ幹細胞のクローンが増えていることを確認した。

発がんに関連する変異だけでなく、炎症に適応するための変異も蓄積と判明

活動性潰瘍性大腸炎の患者の大腸上皮細胞は、炎症により慢性的に細胞傷害が生じており、IL-17はそれに重要な役割をもつことが知られている。そこで、発見した遺伝子変異が生じている細胞と正常な細胞において、IL-17で刺激した際の細胞傷害性について比較。その結果、正常な大腸上皮細胞はアポトーシスを起こしたが、遺伝子変異が生じた大腸上皮細胞はアポトーシスに耐性を示し、IL-17の存在下（IL-17による炎症下）でも生存可能であることが確認された。このことから、生体内での炎症下において、正常な細胞は細胞傷害が生じ脱落するのに対し、今回同定した遺伝子変異が生じた細胞は、細胞傷害を回避し生存し続けるため、徐々に変異細胞のクローンの領域が広がっていくことが考えられた。つまり、潰瘍性大腸炎の患者の大腸では、炎症環境で生存しやすい遺伝子変異の上皮細胞が選択的に増え、正常な大腸上皮細胞を置き換えていくことが明らかになった。

ヒトの大腸は遺伝子変異を蓄積することによって大腸がんを発生することが既に報告されているが、今回の研究により、慢性炎症などの腸内環境の変化に適応するための変異も蓄積していくことが判明した。研究グループは、「遺伝子変異が生じた大腸上皮細胞の蓄積が潰瘍性大腸炎の病態やがん化にどのような影響を及ぼすか、今後の研究が期待される」と、述べている。（QLifePro編集部）