Regulation of RAS-GTPase Activity by Oncofetal Chondroitin Sulfate (Chondroitin 4-Sulfate) and Arylsulfatase B

がんはしばしば、細胞内のたった一つの壊れたスイッチから始まります。このスイッチはRASと呼ばれるタンパク質で、細胞増殖の門番のような役割を果たしています。門が閉じているとき、細胞は静かな状態を保ちます。門が開いているとき、細胞は分裂の信号を受け取ります。多くの攻撃的な腫瘍では、この門が「開いた状態」で固まってしまい、細胞が制御不能に増殖してしまいます。数十年にわたり、科学者たちはこの壊れたスイッチを直そうと苦闘してきました。というのも、このタンパク質の形状が原因で、標準的な薬が掴みかかることがほぼ不可能だからです。最近の医薬品は、このスイッチの特定の壊れたバージョンを標的にすることを学習しましたが、それらはすべての患者に効くわけではなく、がんがそれらに抵抗する方法を見つけ出すこともよくあります。そのため、研究者たちは異なる戦略を模索してきました。それは、壊れたスイッチを直接修復しようとするのではなく、スイッチを開いたままにするように指示を出す「信号」そのものをオフにする方法です。

ジェシー・ブラウンVAメディカルセンターの研究者による新しい研究は、この問題を解決するための驚くべき経路を探っています。彼らは、RASスイッチの活性が、細胞表面にあるコンドロイチン硫酸A（chondroitin 4-sulfate）として知られる糖分子と深く結びついていることを発見しました。この糖は、私たちの細胞を覆う、いわば保護的な毛布や通信ネットワークのような役割を果たす、より大きな分子ファミリーの一部です。研究チームは、Arylsulfatase Bと呼ばれる酵素に注目しました。これは分子のハサミのような働きをします。その役割は、コンドロイチン硫酸Aという糖から、硫酸基という特定の化学的タグを切り取ることです。この酵素が正常に働くと、糖は特定の状態に保たれます。しかし、この酵素が欠損したり沈黙したりすると、糖には硫酸タグが過剰に蓄積されます。

チームは、この糖のバランスが崩れたときにRASスイッチに何が起こるかを調査しました。彼らはヒトメラノーマ細胞（一種の皮膚がん）のほか、正常な皮膚細胞や腸細胞を用いて研究を行いました。ラボでは、Arylsulfatase酵素を作る遺伝子を精密な手法でサイレンシング（抑制）しました。予想通り、酵素をサイレンシングすると、コンドロイチン硫酸Aの糖が蓄積しました。次に判明したことは驚くべきものでした。本来であれば静かであるはずのRASスイッチが、突如として活性状態へと反転したのです。このスイッチの活性は劇的に上昇し、ケースによっては最大222パーセントも増加しました。逆に、製造されたバージョンの酵素を細胞に戻すと、糖のレベルが低下し、RASスイッチの活性は半分以上に減少しました。このパターンは、細胞の培養皿の中だけでなく、メラノーマ腫瘍を持つマウスにおいても同様であり、動物に酵素を投与することで、肺や皮膚の腫瘍におけるRASスイッチの活性が減少しました。

糖分子がいかにしてタンパク質のスイッチを制御できるのかを理解するために、研究者たちはその中間ステップを辿りました。彼らは、硫酸化された糖の蓄積が、細胞内の他の分子の相互作用をどのように変化させるかを突き止めました。具体的には、通常は糖に付着するgalectin-3というタンパク質が、糖が硫酸タグで過負荷状態になると結合しにくくなることが分かりました。これにより、galectin-3は細胞内を自由に浮遊することになります。この浮遊するタンパク質が連鎖反応を引き起こし、EGFRと呼ばれる別のタンパク質の生成を増加させます。EGFRは細胞表面にあるアンテナのような受容体で、増殖信号を聴き取る役割を持ちます。このアンテナが増えると、細胞は増殖信号に対して過敏になり、それが結果としてRASスイッチを「開いた状態」に強制します。研究者たちは、EGFRの生成をブロックするか、あるいはEGFRに至るシグナル伝達ステップを停止させれば、糖のレベルが高くてもRAS活性の急増が消失することを示すことで、この事実を裏付けました。

研究では、細胞がこれらの硫酸タグをどのように作っているのかについても調査しました。タグは、PAPSと呼ばれる普遍的な燃料源に依存するスルフトランスフェラーゼ（硫酸転移酵素）によって追加されます。研究者がこの燃料源の量を減少させると、RASスイッチの全体的な活性がわずかに低下しました。これは、細胞の糖を硫酸化する能力が、RASスイッチがどれほど激しく働くかと直接関連していることを示唆しています。興味深いことに、すべての糖修飾酵素が同じ効果を持つわけではないことも分かりました。異なる種類のタグである「6-硫酸基」を追加する能力を取り除いても、RASスイッチには全く変化がありませんでした。これにより、コンドロイチン糖における特定の「4-硫酸」タグこそが、変化を駆動する決定的な要因であることが確認されました。

糖とスイッチの間のつながりは非常に強力であり、研究者たちは細胞内のコンドロイチン硫酸Aの量とRASスイッチの活性との間に、ほぼ完璧な一致を見出しました。糖のレベルが上昇するにつれて、スイッチの活性もそれに呼応して上昇したのです。彼らはまた、この特定のタイプの糖に強く結合することが知られているVAR2CSAというタンパク質についてもテストしました。酵素の欠如によって糖のレベルが高くなったとき、VAR2CSAがこの糖に対してより強く結合することを発見し、これにより糖の構造が変化して他のタンパク質との相互作用を変えたことが改めて裏付けられました。

この研究は、がんの増殖を制御するための新しい考え方を提示しています。壊れたRASスイッチを無理やり閉じようとする代わりに、スイッチを開いたままにする特定の糖のレベルを下げるという方法があります。Arylsulfatase酵素の活性を回復させるか、あるいは硫酸化された糖の生成を阻止することで、腫瘍を駆動する増殖信号のボリュームを下げる（音量を下げる）ことが可能になるかもしれません。研究者たちは、RASタンパク質の特定の変異を標的にする新しい薬の開発が進んでいる一方で、このアプローチは、特定の変異の種類に関わらず、さまざまな種類のがんに対応できる異なる角度を提供すると述べています。これらの知見は、細胞表面の糖分子の化学が、最も有名ながんのドライバー（駆動因子）の挙動を決定するという生物学的な経路を指し示しており、将来の治療法に向けた新鮮なターゲットを提示しています。