同質ヒト疾患モデル

同質ヒト疾患モデルは、特定の患者集団の遺伝学をin vitro で正確にモデル化するために選択または操作された細胞ファミリーです。遺伝的に一致する「正常細胞」が提供され、疾患生物学および新規治療薬の研究のための同質システムを提供します。^[1]遺伝的基礎を持つあらゆる疾患をモデル化するために使用できます。がんは、同質ヒト疾患モデルが広く使用されている疾患の 1 つです。

歴史的モデル

ヒト同質遺伝子疾患モデルは、ヒトの遺伝性疾患に関する最新の研究を取り入れており、非ヒトモデルの使用に伴う困難や制限がないため、「試験管内の患者」に例えられています。^[2]

歴史的に、動物、特にマウスから採取した細胞は、がん関連経路のモデル化に使用されてきた。しかし、ヒトの遺伝的に決定された疾患のモデル化に動物を使用することには、明らかな限界がある。ヒトとマウスの遺伝的保存率が高いにもかかわらず、マウスとヒトの生物学的特性には、がん研究にとって重要な大きな違いがある。たとえば、テロメア制御の大きな違いにより、マウス細胞は、ヒトのがん形成の律速段階であるテロメラーゼの上方制御の必要性を回避することができる。別の例として、特定のリガンド受容体相互作用は、マウスとヒトの間で互換性がない。さらに、実験により、マウス由来の細胞と比較して、細胞を形質転換する能力に重要な違いがあることが実証されている。これらの理由から、ヒト細胞を使用するがんモデルの開発は依然として不可欠である。^[3]

標的ベクトル

同質遺伝子細胞株は、相同遺伝子ターゲティングと呼ばれるプロセスによって作成されます。相同組み換えを利用するターゲティングベクターは、研究対象となる疾患を引き起こす変異または SNP (一塩基多型) をノックインまたはノックアウトするために使用されるツールまたは技術です。疾患変異は癌患者から直接採取できますが、これらの細胞には通常、特定の関心対象の変異に加えて多くの背景変異が含まれており、一致する正常細胞株は通常得られません。その後、ターゲティングベクターを使用して遺伝子変異を「ノックイン」または「ノックアウト」し、 HCT116や Nalm6などの特徴付けられたヒト癌細胞株で、正常遺伝子型から癌遺伝子型へ、またはその逆の両方向の切り替えを可能にします。^[4]

望ましい突然変異を設計するために使用される遺伝子標的化技術はいくつかありますが、その中で最も一般的な技術について、主な利点と制限を含めて、以下の概要表に簡単に説明します。

癌細胞疾患モデルにおける相同組換え

相同組換え (HR) は、遺伝子配列が 2 つの類似した DNA セグメント間で交換される遺伝子組換えの一種です。HR は真核細胞分裂において重要な役割を果たし、DNA の対応するセグメント間の交換を通じて遺伝的多様性を促進し、新しい、潜在的に有益な遺伝子の組み合わせを生み出します。^{[引用が必要]}

HR は DNA 修復において 2 番目に重要な役割を担い、細胞のライフサイクル中によく起こる DNA の二重鎖切断の修復を可能にします。このプロセスは、上記の技術によって人工的にトリガーされ、特定の遺伝子の「ノックイン」または「ノックアウト」を生じさせるためにブートストラップされます 5、7。

最近の重要な進歩は、AAV 相同組換えベクターを使用することで発見されました。これは、遺伝子標的ベクター配列と組み合わせると、分化したヒト細胞における HR の低い自然率を増加させます。^{[引用が必要]}

典型的な rAAV ベクターの図 (出典: https://www.horizondiscovery.com/gene-editing/raav)

商業化

製薬業界や研究室向けの同質ヒト癌細胞疾患モデルの最近の商業化につながった要因は 2 つあります。^{[引用が必要]}

まず、強化されたターゲティングベクター技術の特許取得に成功したことで、これらの技術の応用から生まれた細胞モデルの商業化の基盤が築かれました。^[要出典]

第二に、医薬品研究開発における成功率が比較的低い傾向にあり、コストが莫大なことから、患者のサブグループが個々の遺伝子プロファイルに基づいて標的がん治療薬に対してどのように好反応を示すか、あるいは抵抗性を示すかを明らかにする新しい研究ツールが本当に必要になっています。^{[引用が必要]}

参照

参考文献

^ Torrance CJ、Agrawal V、Vogelstein B、Kinzler KW (2001 年 10 月)。「ハイスループットスクリーニングと創薬のための同質ヒト癌細胞の使用」Nat. Biotechnol . 19 (10): 940–5. doi :10.1038/nbt1001-940. PMID 11581659. S2CID 21633547.
^ Gupta, Piyush B.; Kuperwasser, Charlotte (2004). 「乳がんの疾患モデル」. Drug Discovery Today . 1 : 9–16. doi :10.1016/j.ddmod.2004.05.001.
^ Hirata R、Chamberlain J、Dong R、Russell DW（2002年7月）。「アデノ随伴ウイルスベクターによるヒト染色体への標的遺伝子挿入」Nat. Biotechnol . 20（7）：735–8. doi：10.1038/nbt0702-735. PMID 12089561. S2CID 11572520.
^ Masters JR (2000年12月). 「ヒト癌細胞株：事実と幻想」. Nat. Rev. Mol. Cell Biol . 1 (3): 233–6. doi :10.1038/35043102. PMID 11252900. S2CID 21839266.
^ Engelhardt JF (2006 年 8 月). 「AAV がゲノムの的を射る」. Nat. Biotechnol . 24 (8): 949–50. doi :10.1038/nbt0806-949. PMID 16900138. S2CID 26734696.
^ ab Urnov, Fyodor D.; Rebar, Edward J.; Holmes, Michael C.; Zhang, H. Steve; Gregory, Philip D. (2010). 「遺伝子組み換えジンクフィンガーヌクレアーゼによるゲノム編集」Nature Reviews Genetics . 11 (9): 636–646. doi :10.1038/nrg2842. PMID 20717154. S2CID 205484701.
^ Radecke S、Radecke F、Cathomen T、Schwarz K (2010 年 4 月)。「オリゴデオキシヌクレオチドによるジンクフィンガーヌクレアーゼ誘導遺伝子修復: 望ましい標的遺伝子座の修正と望ましくない標的遺伝子座の修正」。Mol . Ther . 18 (4): 743–53. doi :10.1038/mt.2009.304. PMC 2862519. PMID 20068556 。

出典

Bardelli A 、Parsons DW 、Silliman N 、他 (2003 年 5 月)。「大腸がんにおけるチロシンキノームの変異解析」。Science。300 ( 5621 ) : 949。doi :10.1126/science.1082596。PMID 12738854。S2CID 85934154 。
Kohli M、Rago C、Lengauer C、Kinzler KW、Vogelstein B (2004)。「組み換えアデノ随伴ウイルスを用いたヒト体細胞遺伝子ノックアウトの容易な生成法」。Nucleic Acids Res . 32 (1): 3e–3. doi :10.1093/nar/gnh009. PMC 373311 . PMID 14704360。
Wang Z、Shen D、 Parsons DW、他 (2004 年 5 月)。「結腸直腸がんにおけるチロシンホスファトームの変異解析」。Science。304 ( 5674 ): 1164–6。Bibcode : 2004Sci ... 304.1164W。doi :10.1126/science.1096096。PMID 15155950。S2CID 2974833 。
Topaloglu O、Hurley PJ、Yildirim O、Civin CI、Bunz F (2005)。「ヒト遺伝子ノックアウトおよびノックイン細胞株の生成のための改良法」。Nucleic Acids Res . 33 (18): e158. doi :10.1093/nar/gni160. PMC 1255732 . PMID 16214806。
Moroni M、Sartore-Bianchi A、Benvenuti S、Artale S、Bardelli A、Siena S (2005 年 11 月)。「大腸がんにおける EGFR 触媒ドメインの体細胞変異とゲフィチニブによる治療」Ann. Oncol . 16 (11): 1848–9. doi : 10.1093/annonc/mdi356 . PMID 16012179。
Di Nicolantonio F、Bardelli A (2006 年 1 月)。「がんにおけるキナーゼ変異: 敵の防御の弱点?」Curr Opin Oncol . 18 (1): 69–76. doi :10.1097/01.cco.0000198020.91724.48. PMID 16357567. S2CID 25857889.
Benvenuti S、Sartore-Bianchi A、Di Nicolantonio F、他 (2007 年 3 月)。「RAS/RAF シグナル伝達経路の発癌性活性化は、転移性大腸癌の抗上皮成長因子受容体抗体療法に対する反応を阻害する」。Cancer Res . 67 (6): 2643–8. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-06-4158 . PMID 17363584。
Arena S、Pisacane A、Mazzone M、Comoglio PM、Bardelli A (2007 年 7 月)。「癌細胞における Met 受容体のキナーゼ活性の遺伝的標的化」。Proc . Natl. Acad. Sci. USA . 104 (27): 11412–7。Bibcode :2007PNAS..10411412A。doi : 10.1073 /pnas.0703205104 . PMC 2040912 . PMID 17595299。
Konishi H, Karakas B, Abukhdeir AM, et al. (2007 年 9 月). 「K-ras 媒介性形質転換を研究するための新しいモデルとしての非腫瘍形成性ヒト上皮細胞における変異 K-ras のノックイン」. Cancer Res . 67 (18): 8460–7. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-07-0108 . PMID 17875684.
Arena S、Isella C、Martini M、de Marco A、Medico E、Bardelli A (2007 年 9 月)。「発癌性 Kras のノックインはマウスの体細胞を変換しないが、ヒトの癌を分類する転写反応を誘発する」。Cancer Res . 67 (18): 8468–76. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-07-1126 . PMID 17875685。
Grim JE、Gustafson MP、Hirata RK、他 (2008 年 6 月)。「Fbw7 ユビキチンリガーゼによるアイソフォームおよび細胞周期依存性基質分解」。J . Cell Biol . 181 (6): 913–20. doi :10.1083/jcb.200802076. PMC 2426948. PMID 18559665 。
Fattah FJ、Lichter NF、Fattah KR、Oh S、Hendrickson EA (2008 年 6 月)。「必須遺伝子 Ku70 は、ヒト体細胞における rAAV 媒介遺伝子標的化の頻度を調節する」。Proc . Natl. Acad. Sci. USA . 105 (25): 8703–8。Bibcode :2008PNAS..105.8703F。doi : 10.1073 / pnas.0712060105 . PMC 2438404 . PMID 18562296。
Di Nicolantonio F、Martini M、Molinari F、他 (2008 年 12 月)。「転移性大腸がんにおけるパニツムマブまたはセツキシマブへの反応には野生型 BRAF が必要である」。J . Clin. Oncol . 26 (35): 5705–12. doi :10.1200/JCO.2008.18.0786. hdl : 2434/349662 . PMID 19001320。2013 年 4 月 15 日にオリジナルからアーカイブ。
Di Nicolantonio F、Arena S、Gallicchio M、他 (2008 年 12 月)。「正常ヒト細胞のゲノムにおける正常対立遺伝子と変異対立遺伝子の置換により、変異特異的な薬物反応が明らかになる」。Proc . Natl . Acad. Sci. USA . 105 (52): 20864–9。Bibcode : 2008PNAS..10520864D。doi : 10.1073 / pnas.0808757105。PMC 2634925。PMID 19106301。
Gustin JP、Karakas B、 Weiss MB、他 (2009 年 2 月)。「変異 PIK3CA のノックインは複数の発癌経路を活性化する」。Proc . Natl. Acad. Sci. USA . 106 ( 8): 2835–40。Bibcode : 2009PNAS..106.2835G。doi : 10.1073 / pnas.0813351106。PMC 2636736。PMID 19196980。
Sartore-Bianchi A、Martini M、Molinari F、他 (2009 年 3 月)。「大腸がんにおける PIK3CA 変異は、EGFR 標的モノクローナル抗体に対する臨床的耐性と関連している」。Cancer Res . 69 (5): 1851–7. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-08-2466 . PMID 19223544。
Sur S、Pagliarini R、Bunz F、他 (2009 年 3 月)。「同質遺伝子ヒト癌細胞のパネルは、不活性化 p53 を伴う癌に対する治療法を示唆している」。Proc . Natl . Acad . Sci. USA . 106 (10): 3964–9。Bibcode :2009PNAS..106.3964S。doi : 10.1073/ pnas.0813333106。PMC 2656188。PMID 19225112。
Yun J 、Rago C、Cheong I 、他 (2009 年 9 月)。「グルコース欠乏は腫瘍細胞における KRAS 経路変異の発生に寄与する」。Science。325 ( 5947): 1555–9。Bibcode : 2009Sci ...325.1555Y。doi : 10.1126/science.11 74229。PMC 2820374。PMID 19661383。
Sartore-Bianchi A、Di Nicolantonio F、Nichelatti M、et al. (2009)。Cordes N (ed.)。「大腸がんにおける EGFR 標的モノクローナル抗体の臨床的有用性を予測するための分子変化の多重決定因子分析」。PLOS ONE。4 ( 10 ) : e7287。Bibcode : 2009PLoSO...4.7287S。doi : 10.1371 / journal.pone.0007287。PMC 2750753。PMID 19806185。
腫瘍性 PI3K 変異の内因性発現は、活性化 PI3K シグナル伝達と侵襲性表現型につながる。AACR /EORTC 分子標的および癌治療学会議 (米国ボストン、2009 年 11 月) で発表されたポスター。
Bardelli A, Siena S (2010 年 3 月)。「大腸がんにおけるセツキシマブおよびパニツムマブ耐性の分子メカニズム」。J . Clin. Oncol . 28 (7): 1254–61. doi :10.1200/JCO.2009.24.6116. PMID 20100961。2013 年 4 月 15 日にオリジナルからアーカイブ。
Fattah F、Lee EH、Weisensel N、Wang Y、Lichter N、Hendrickson EA (2010 年 2 月)。Pearson CE (編)。「Ku はヒト体細胞における DNA 二本鎖切断修復の非相同末端結合経路選択を制御する」。PLOS Genet . 6 (2): e1000855. doi : 10.1371/journal.pgen.1000855 . PMC 2829059 . PMID 20195511。
Buron N、Porceddu M、Brabant M、et al. (2010)。Aziz SA (編)。「ヒト癌細胞株ミトコンドリアを使用したBH3ペプチドおよびABT-737誘導ミトコンドリア膜透過性化のメカニズムの調査」。PLOS ONE。5 ( 3 ) : e9924。Bibcode : 2010PLoSO ...5.9924B。doi : 10.1371 / journal.pone.0009924。PMC 2847598。PMID 20360986。
腫瘍性 PI3K 変異の内因性発現はミトコンドリアにおける抗アポトーシスタンパク質の蓄積につながる2010 年 4 月、米国ワシントン DC で開催された AACR 2010 で発表されたポスター
PI3 キナーゼ阻害剤の活性プロファイルを定義するための「X-MAN」同質細胞株の使用AACR 2010 で発表されたポスター、ワシントン DC、米国、2010 年 4 月
「X-MAN」変異体 PI3CA の使用により、個々のチューブリンアイソフォームの発現が増加し、抗有糸分裂化学療法薬に対する耐性が促進される。2010年 4 月、米国ワシントン DC で開催された AACR 2010 で発表されたポスター。
Di Nicolantonio F、Arena S、Tabernero J、他 (2010 年 8 月)。「ヒト癌細胞における PI3K および KRAS シグナル伝達経路の調節解除がエベロリムスに対する反応を決定する」。J . Clin. Invest . 120 (8): 2858–66. doi :10.1172/JCI37539. PMC 2912177. PMID 20664172 。

[1] Torrance CJ、Agrawal V、Vogelstein B、Kinzler KW (2001 年 10 月)。「ハイスループットスクリーニングと創薬のための同質ヒト癌細胞の使用」Nat. Biotechnol . 19 (10): 940–5. doi :10.1038/nbt1001-940. PMID 11581659. S2CID 21633547.

[2] Gupta, Piyush B.; Kuperwasser, Charlotte (2004). 「乳がんの疾患モデル」. Drug Discovery Today . 1 : 9–16. doi :10.1016/j.ddmod.2004.05.001.

[3] Hirata R、Chamberlain J、Dong R、Russell DW（2002年7月）。「アデノ随伴ウイルスベクターによるヒト染色体への標的遺伝子挿入」Nat. Biotechnol . 20（7）：735–8. doi：10.1038/nbt0702-735. PMID 12089561. S2CID 11572520.

[4] Masters JR (2000年12月). 「ヒト癌細胞株：事実と幻想」. Nat. Rev. Mol. Cell Biol . 1 (3): 233–6. doi :10.1038/35043102. PMID 11252900. S2CID 21839266.

[5] Engelhardt JF (2006 年 8 月). 「AAV がゲノムの的を射る」. Nat. Biotechnol . 24 (8): 949–50. doi :10.1038/nbt0806-949. PMID 16900138. S2CID 26734696.

[Urnov2010-6] Urnov, Fyodor D.; Rebar, Edward J.; Holmes, Michael C.; Zhang, H. Steve; Gregory, Philip D. (2010). 「遺伝子組み換えジンクフィンガーヌクレアーゼによるゲノム編集」Nature Reviews Genetics . 11 (9): 636–646. doi :10.1038/nrg2842. PMID 20717154. S2CID 205484701.

[7] Radecke S、Radecke F、Cathomen T、Schwarz K (2010 年 4 月)。「オリゴデオキシヌクレオチドによるジンクフィンガーヌクレアーゼ誘導遺伝子修復: 望ましい標的遺伝子座の修正と望ましくない標的遺伝子座の修正」。Mol . Ther . 18 (4): 743–53. doi :10.1038/mt.2009.304. PMC 2862519. PMID 20068556 。