CRISPR-Cas9 Editing of Myeloid Lectins Reveals Target-Dependent Transcriptional Remodeling in Tumor-Associated Macrophages

体内という戦場において、腫瘍は単に増殖するだけでなく、要塞を築き上げます。彼らは普通の免疫細胞を徴兵し、癌を破壊するのではなく、癌を保護する味方へと変えてしまうのです。これら徴兵された兵士の中には、通常は組織をパトロールして死骸を食べて感染症と戦う大きな白血球であるマクロファージが含まれています。しかし、マクロファージが腫瘍内に入ると、彼らはしばしばその性質を変え、「腫瘍関連マクロファージ」となって、癌が免疫系から隠れたり、新しい血管を作ったり、転移したりするのを助けるようになります。科学者たちは以前から、これらの細胞が単一の信号によってオンになったりオフになったりするのではないと疑っていました。むしろ、彼らは癌細胞の表面にある化学的なタグの複雑な言語を絶えず読み取っているのです。この言語の一端は糖鎖（グリカン）に関わるもので、糖鎖は細胞の表面をユニークなIDカードのように覆っています。免疫細胞上のレクチンとして知られる特殊な受容体は、これら糖のIDカードを読み取る読者の役割を果たします。レクチンが腫瘍上の特定の糖パターンを掴むと、それは免疫細胞の中にメッセージを送り、その細胞がどのように振る舞うべきかを指示します。大きな疑問は、「これら糖を読み取る受容体のうち、どれが健康な免疫細胞を癌の助っ人に変える上で最も重要なのか、そしてその接続が断たれたとき、細胞の内部では何が起きるのか」ということでした。

これに答えるため、研究チームは、このプロセスにおける鍵となるプレイヤーであると彼らが考えていた5つの特定のレクチン受容体をテストすることに乗り出しました。彼らは結果が人間に適応可能なものになるよう、ヒト細胞を用いて研究することを選びましたが、これらの細胞を扱うことは非常に困難です。研究者たちは、生きたヒト免疫細胞内の各受容体を一時的に無効化し、何が変化するかを確認する方法を必要としていました。彼らは、特定の遺伝子を切り取る「分子のハサミ」として機能する、CRISCR-Cas9と呼ばれる精密な分子ツールを使用しました。このハサミを運ぶためにリスクのあるウイルスを使用する代わりに、彼らはハサミとその標的ガイドをタンパク質複合体にパッケージ化し、穏やかな電気パルスを使用して細胞に直接撃ち込みました。この方法により、ウイルスの余計な荷物を残すことなく細胞を編集することができました。彼らはまず、最適な「ハサミ」を見つけるために標準的なラボ用細胞株でこの手法をテストし、その後、健康なドナーから採取した新鮮なヒト免疫細胞へと移行しました。受容体の無効化に成功した後、彼らはこれらの編集された細胞を、実際の腫瘍の混み合った環境を模倣した3次元モデルの中で乳癌細胞と混合しました。1週間の相互作用の後、腫瘍環境に定着した免疫細胞を分離し、その挙動がどのように変化したかを知るために、彼らの遺伝的な指示（遺伝子発現）を読み取りました。

結果は、免疫細胞が単に「善」から「悪」へ、あるいはその逆にスイッチを切り替えているわけではないことを明らかにしました。むしろ、5つの糖読み取り受容体のいずれかとの接続を断つと、細胞は驚くべき方法で内部のエネルギーシステムを再編成していました。研究者たちは、これらの受容体が無効化されると、細胞が燃料の管理方法を一貫して変えることを発見しました。細胞は代謝を変化させ、エネルギーを生成するために脂肪や糖の処理方法を変えていました。この代謝の変化はランダムなものではなく、テストしたすべての異なる受容体に共通して起こった調整された反応であり、これらの糖のリーダーが細胞のエネルギー管理と深く結びついていることを示唆しています。しかし、具体的な変化は、どの受容体が除去されたかに依存していました。例えば、CLEC6Aと呼ばれる受容体を無効化すると、細胞の新しい血管を構築しようとする衝動が減少し、腫瘍をサポートする環境によく見られる低酸素に関連する信号が低下しました。別のCD209を無効化すると、血管の成長に対して同様の効果がありましたが、細胞が脂質を処理する方法も変化させました。

おそらく最も衝撃的な発見は、遺伝子編集の強さが必ずしも生物学的な変化の強さを予測するわけではないということでした。一つの受容体であるCLEC4Eは、無効化するのが非常に困難であり、研究者は約5分の1の細胞でしか遺伝子を壊すことができませんでした。しかし、この低い成功率にもかかわらず、編集に成功した細胞は、特にストレス管理や脂肪処理において、内部プログラムの劇的な刷新を見せました。これは、この特定の受容体を失う細胞がたと少量であっても、細胞の振る舞いに強力なシフトを引き起こす可能性があることを示唆しています。対照的に、別の受容体であるSELLは、ほとんどの細胞で遺伝子が壊されるほど無効化が容易でしたが、その結果としての細胞の振る舞いの変化は非常に限定的でした。このことは、受容体の重要性は、それがどれだけ簡単にオフにできるかではなく、細胞の全体的な機能にとってどれほど不可欠であるかにあるということを教えてくれます。

この研究はまた、これらの細胞が「していない」ことについても明確にしました。研究者たちは、これらの糖のリーダーを取り除くことが、単に免疫細胞を攻撃的で炎症を起こす機械に変えるのではないかと考えていました。データは、そうではないことを示しました。一様な「戦闘」モードへの切り替えではなく、欠落している受容体に応じた、複雑で混合した状態を採用していたのです。彼らは標準的な炎症細胞になったのではなく、独特の代謝的アイデンティティを持つ細胞になりました。これは、腫瘍内の免疫細胞は単一の「悪い」モードに陥っており、単一のスイッチで修正できるという古い考えに異を唱えるものです。むしろ、彼らは動的な状態にあり、腫瘍からの糖の信号に基づいてエネルギー使用量とシグナル伝達を絶えず調整しているのです。

これらの変化をマッピングすることで、研究者たちは将来の治療における有望なターゲットを特定しました。彼らは、CLEC4Eは編集が困難であったものの、その除去が細胞の振る舞いに最も大きな変化をもたらしたことから、CLEC6AとCLEC4Eが特に影響力を持っていることを見出しました。これは、これら2つの受容体が、腫瘍をサポートする状態を維持するために最も重要である可能性を示唆しています。また、本研究は、CD209とSIGLEC9が腫瘍の糖衣を感知する役割を果たしており、それらを阻害することで細胞の代謝が変化し、腫瘍の成長をサポートする能力が低下することも確認しました。この研究は、これらの変化が生きている人間の中で腫瘍の成長を止めるかどうかまではテストしていませんが、腫瘍を取り囲む免疫細胞の内部の生命を、これらの糖読み取り受容体がどのように制御しているかについての、明確で詳細な地図を提供しました。それは、腫瘍における免疫系の振る舞いを変えるためには、単純な活性化や抑制を超えて、これらの細胞がいかにエネルギーを管理し、腫瘍環境の糖の言語に反応しているかに焦点を当てる必要があることを示しています。