Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

すべてのヒト細胞の表面は、厚い糖の層で覆われており、これは盾としてもIDカードとしても機能する分子の外套です。グリコカリックスとして知られるこのコーティングは、タンパク質や脂質に結合した長い糖鎖で構成されています。これらの糖の中でも、シアル酸と呼ばれる特定のファミリーは、細胞がその周囲、特に免疫系とどのようにコミュニケーションをとるかにおいて極めて重要な役割を果たしています。健康なヒトでは、体内では主に1種類のシアル酸が生成されますが、他のほとんどの哺乳類に見られる、わずかに異なる第2のバージョンを作る能力は失われています。この欠落しているバージョンは、たった一つの酸素原子の違いによって化学的に区区分されますが、その微細な違いが、免疫系による細胞の認識方法を変えてしまいます。ヒトの体はこの第2の糖を自然に作ることができないため、細胞上にこの糖が存在することは、通常、その細胞が食事から摂取したか、あるいは一部のがん細胞のように、古代の遺伝的経路を何らかの形で再活性化してこれを作り出したことを示唆しています。がん細胞においてこれらの糖がどのように変化するかを理解することは極めて重要です。なぜなら、それらは一種の「変装」として機能し、腫瘍が体の防御機構から隠れるのを助けることがあるからです。

ヨーク大学の研究チームは、前立腺がん細胞をモデルとして用いて、この現象を調査することに着手しました。彼らは、もしがん細胞にこの欠落した糖を強制的に作らせたらどうなるか、つまり、がん細胞の表面化学を再設計したらどうなるかを調べたいと考えました。科学者たちは、この特定の糖を作成するために必要な酵素を自然に生成するラット由来の遺伝子を、本来はその糖を作ることができないヒトの前立腺がん細胞に導入しました。これにより、がん細胞がその外表面にこの外来の糖を表示し始めるという、実験室内のモデルを作り上げました。研究者たちは数ヶ月間、これらの改変された細胞を観察し、その糖がどのように現れ、どのような種類の分子鎖に結合し、表面にどの程度留まるのかを追跡しました。その結果、この糖は、それを作っている細胞に留まるだけでなく、全く改変されていない隣接する細胞にも現れることが判明しました。この発見は、少数の改変された細胞がこの新しい化学的シグネチャーを隣の細胞へと広めるメカニズムが存在することを示唆しており、すべての細胞が自身のDNAを変化させる必要なく、腫瘍の環境全体を変えてしまう可能性があることを示しています。

研究は、遺伝的なツールの慎重な選定から始まりました。研究者たちは、ラットやゼブラフィッシュを含むさまざまな動物の酵素のDNA配列を比較し、実験に最適な候補を見つけ出しました。彼らはコンピュータ・モデリングを用いてこれらの酵素の三次元構造を予測し、遺伝暗号には小さな違いがあるものの、ラットとゼブラフィッシュのバージョンは、糖の前駆体を保持するように設計された中心的なポケットを持つ、ほぼ同一の構造に折りたたまれることを確認しました。このラット版の遺伝子を前立腺がん細胞に挿入すると、細胞は正常に欠落していた糖の生成を開始しました。検出された糖が、細胞自体の新しい機構によるものであり、細胞の飼育によく使われる動物血清（この特定の糖を含まない）によるものではないことを確実にするため、研究者たちは、この特定の糖を含まないヒト血清のみを用いた食事へと細胞を切り替えました。

細胞が糖を生成し始めると、次にチームは、その糖が細胞表面の正確にどこに位置しているのかを確認する必要がありました。彼らは、糖鎖の先端を切り取る「分子のハサミ」として機能する広域スペクトルの酵素を用いて細胞を処理しました。この処理によって信号が除去されたことは、糖がまさに細胞の最外層にあり、環境に露出していることを証明しました。研究者たちは、次に2種類の異なる糖鎖（タンパク質に結合する特定の様式であるN型糖鎖と、異なる様式で結合するO型糖鎖）の生成をブロックするための特定の化学的阻害剤を使用しました。O型糖鎖の経路をブロックしたところ、細胞表面の新しい糖の量は大幅に減少しました。しかし、N型糖鎖の経路をブロックしても影響はありませんでした。この結果は、再設計された細胞が、主にO結合鎖にこの新しい糖を結合させていることを示しており、これらの鎖はしばしば、多くの組織を覆う厚い保護的な粘液状のタンパク質であるムチンに見られます。

より詳細な全体像を得るために、科学者たちは細胞を分解し、高度に感度の高い質量分析計を用いて、特定の糖とタンパク質の組み合わせを分析しました。彼らは数千のタンパク質を特定し、糖がどこに結合しているかをマッピングしました。未改変の細胞では、標準的なヒトの糖のみが見つかりました。改変された細胞では、新しい糖がいくつかのタンパク質、主にO結合鎖に結合していることがわかりました。しかし、分析では、最も糖がコーティングされたタンパク質、いわゆるムチンがいくつか見落とされました。これは、タンパク質を分解するために使用した標準的な方法が、これらの粘着性のある複雑な分子を扱うには穏やかすぎたためと考えられます。これらのムチンが実際に新しい糖の主要な担体であることを確認するため、研究者はムチンを特異的に標的として切断する特殊な酵素を使用しました。この酵素を適用したところ、細胞表面の新しい糖の量は激減し、糖が主にこれらのムチンに富む構造の中に隠されていることが確認されました。

最も驚くべき発見は、研究者が改変された細胞と未改変の細胞を混合したときに得られました。彼らは未改変の細胞を赤色の染料でラベルし、糖を生成する細胞と一緒にディッシュに入れました。数日後、彼らが赤い細胞を調べたところ、それらの細胞もまた、表面に新しい糖を獲得していることがわかりました。糖は、改変された細胞から周囲の液体へと移動したのです。研究者たちは、改変された細胞が、おそらく糖鎖をトリミングする天然の酵素の働きを通じて、糖でコーティングされた分子を放出しているのではないかと推測しています。そして、隣接する細胞がこれらの分子を吸収し、糖をリサイクルして、自身の表面に付着させるのです。これは、少数の改лоされた細胞が存在することで、その隣人の化学的なアイデンティティを変えてしまう「バイスタンダー効果」を生み出します。

この発見は、腫瘍の表面化学が個々の細胞の遺伝的構成のみによって決定されるという考えに疑問を投げかけるものです。むしろ、環境そのものがその中にある細胞を再形成できることを示唆しています。もし少数のがん細胞がこの外来の糖を生成し始めれば、それらは残りの腫瘍にこの特性を広め、腫瘍全体が免疫系を回避するための統一された盾を作り出す可能性があります。研究者たちは、このメカニズムが、すべての細胞がこの糖を生成するための遺伝子変異を持っていなくても、なぜ一部の腫瘍が高いレベルのこの糖を示すのかを説明できる可能性があると指摘しました。本研究は実験室の設定で行われたものであり、これがヒトの患者において実際に起こることをまだ証明するものではありませんが、このような広がりが起こり得る明確なメカニズムを提供しています。この研究は、がん細胞の表面の動的な性質を浮き彫りにしており、それが静的な特徴ではなく、隣接するものに影響を与え、また影響を受ける流動的なシステムであることを示しています。これらの糖がどのように移動し、変化するかを理解することで、科学者たちは、腫瘍が生存するために構築する保護的な盾を打破する新しい方法を、最終的に見つけ出すことができるかもしれません。