マイクロサテライト不安定性

マイクロサテライト不安定性( MSI ) は、 DNA ミスマッチ修復(MMR) の障害によって生じる遺伝的高変異性 (突然変異を起こしやすい素因)の状態です。MSI の存在は、 MMR が正常に機能していないことを示す表現型の証拠となります。

MMRは、一塩基の不一致や短い挿入および欠失など、DNA複製中に自然に発生するエラーを修正します。MMRに関与するタンパク質は、DNAの不一致部分に結合して複合体を形成し、エラーを除去し、その代わりに正しい配列を挿入することで、ポリメラーゼエラーを修正します。 ^{[1] MMRの機能に異常がある細胞は、DNA複製中に発生するエラーを修正できず、結果としてエラーが蓄積します。これにより、新しい}マイクロサテライト断片が生成されます。ポリメラーゼ連鎖反応ベースのアッセイは、これらの新しいマイクロサテライトを明らかにし、MSIの存在の証拠を提供できます。

マイクロサテライトは、DNA の繰り返し配列です。これらの配列は、1 ～ 6塩基対の長さのユニットで構成され、ゲノム内で繰り返し、互いに隣接して存在します。マイクロサテライトの長さは人によって異なり、個々の DNA「指紋」に寄与しますが、各個人には一定の長さのマイクロサテライトがあります。ヒトで最も一般的なマイクロサテライトは、ヌクレオチド CとAのジヌクレオチド繰り返しで、ゲノム全体で何万回も発生します。マイクロサテライトは、単純配列繰り返し (SSR) とも呼ばれます。

マイクロサテライト不安定性構造は繰り返しヌクレオチドで構成され、GT/CA繰り返しとして最もよく見られます。^[2]

研究者は、MSI 構造の正確な定義をまだ確認していません。すべての研究者がマイクロサテライトが反復配列であることに同意していますが、配列の長さは疑問のままです。一部の研究では、MSI はゲノム全体にわたる 1 から 6 塩基対の短いタンデム DNA 反復配列であると示唆していますが、他の研究ではその範囲は 2 から 5 である可能性があると示唆しています。^[3]

研究者はマイクロサテライトを構成するタンデムリピートの数の特定の閾値については合意していないが、それらの相対的なサイズについてはコンセンサスがある。より長い配列はミニサテライトと呼ばれ、さらに長い配列はサテライトDNA部位と呼ばれる。一部の科学者は塩基対の最小数で3つのカテゴリを区別し、他の科学者は反復単位の最小数を使用する。反復の大部分は非翻訳領域、具体的にはイントロンで発生する。しかし、コーディング領域で発生するマイクロサテライトは、多くの場合、ほとんどの下流イベントの拡大を阻害する。マイクロサテライトはヒトゲノムの約3％、つまり100万以上のDNA断片を構成する。マイクロサテライト密度はゲノムサイズとともに増加し、染色体本体よりも染色体腕の末端で2倍多く見られる。^[4]

MSI は 1970 年代から 1980 年代にかけて発見されました。

広い意味では、MSI はミスマッチ修復 (MMR) タンパク質が DNA 複製エラーを修正できないことから生じます。DNA 複製は細胞周期の「S」期に発生します。MSI 領域を作成する障害イベントは 2 回目の複製イベント中に発生します。元の鎖は無傷ですが、娘鎖は DNA ポリメラーゼのずれによりフレームシフト変異を経験します。具体的には、DNA ポリメラーゼのずれにより一時的な挿入削除ループが作成され、これは通常 MMR タンパク質によって認識されます。ただし、MSI の場合のように MMR タンパク質が正常に機能しない場合は、このループにより挿入または削除のいずれかによるフレームシフト変異が発生し、機能しないタンパク質が生成されます。^[5]

MSI は、複製エラーが配列ではなく長さで変化するという点で DNA 多型に特有です。MSI を生じる突然変異の速度と方向は、遺伝的差異を決定する主要な要素です。現在までに、科学者は突然変異率が遺伝子座の位置によって異なることに同意しています。MSI の長さが長いほど、突然変異率は高くなります。^[4]

MSIの変異のほとんどはフレームシフト変異の結果ですが、MSIにつながる変異イベントはh MLH1（MMRタンパク質）プロモーターの過剰メチル化に由来することもあります。過剰メチル化は、DNAヌクレオチドにメチル基が追加されたときに発生し、遺伝子サイレンシングを引き起こし、MSIを引き起こします。^[6]

研究者らは、酸化損傷がフレームシフト変異を引き起こし、MSI を引き起こすことを明らかにしたが、正確なメカニズムについてはまだ合意に至っていない。システムにかかる酸化ストレスが大きいほど、変異が起きる可能性が高くなることがわかっている。さらに、カタラーゼは変異を減らすが、銅とニッケルは過酸化物の還元を増やすことで変異を増やす。一部の研究者は、特定の遺伝子座に対する酸化ストレスにより DNA ポリメラーゼがその部位で停止し、DNA スリップが発生する環境が作られると考えている。^[7]

研究者は当初、MSIはランダムであると信じていましたが、MSIの標的となる遺伝子のリストは増え続けていることを示唆する証拠があります。例としては、トランスフォーミング成長因子ベータ受容体遺伝子やBAX遺伝子などがあります。それぞれの標的は、異なる表現型や病理を引き起こします。^[8]

イントロン/非コード領域に形成されるマイクロサテライトは、修復されなければDNA損傷や細胞死につながる二次DNA構造（例：グアニン四重鎖）の形成につながると考えられています。これは、MSI-H癌におけるウェルナー症候群ヘリカーゼの依存性によって例証されます。 ^[9]

マイクロサテライト不安定性は、大腸がん、胃がん、子宮内膜がん、卵巣がん、肝胆道がん、尿路がん、脳腫瘍、皮膚がんと関連しています。MSI は大腸がんとの関連で最も多く見られます。毎年、世界中で 50 万人以上の大腸がん患者が発生しています。MSI 高 (MSI-H)、MSI 低 (MSI-L)、またはマイクロサテライト安定 (MSS) 大腸がんに分類された 7,000 人以上の患者の調査結果に基づくと、MSI-H 腫瘍の患者は、MSI-L または MSS 腫瘍と比較して 15% 予後が良好でした。^[10]

MSIを伴う大腸腫瘍は右結腸に見られ、分化不良組織、高粘液原、腫瘍浸潤リンパ球、クローン病様宿主反応の存在と関連している。^{[11] [12]}大腸がんの原因となるMSI-H腫瘍は、他の大腸がん由来のものよりも転移が少ない。これは、MSI-H腫瘍がステージIIIのがんよりもステージIIのがんに多く見られることを示す過去の研究によって実証されている。^[3]

科学者たちは、空胞タンパク質選別（VPS）タンパク質とMSIとの関連を調査してきました。MSIと同様に、VPSは胃がんや大腸がんと関連しています。ある研究では、VPSタンパク質はMSI-Hがんと関連しているが、MSI-Lがんとは関連していないと報告されており、そのためVPSはMSI-H特異的がんに限定されています。^[13]

MSI-Hの状態はリンチ症候群の可能性を示唆しますが、MSI-Hはリンチ症候群のない患者にも発生する可能性があり、リンチ症候群の確認には生殖細胞系DNAの検査が必要です。リンチ症候群はMSIと関連しており、結腸、子宮内膜、卵巣、胃、小腸、肝胆道、尿路、脳、皮膚のがんのリスクを高めます。^[3]

ある研究では、120人以上のリンチ症候群患者を対象に、MSIに関連するクローン病様反応（CLR）は「MSI-H発癌中に生成される腫瘍特異的新ペプチド」に起因すると結論付けました。この研究はさらに、「MSI-H CRC患者における抗転移免疫保護の存在は、この集団において補助的5-FU化学療法が有益な効果も有害な効果もないという最近の研究結果を説明できるかもしれない」ことを裏付けました。研究者らは、MSI-H CRCに対するリンパ球の保護的役割が腫瘍の転移を予防すると推測しています。^[14]

散発性大腸癌の15％におけるMSI腫瘍はMLH1遺伝子プロモーターの過剰メチル化に起因するが、リンチ症候群におけるMSI腫瘍はMLH1、MSH2、MSH6、およびPMS2の生殖細胞系列変異によって引き起こされる。^[3]

MSIは脂腺癌の原因として明らかである。脂腺癌は、より大きな病態であるミュア・トーレ症候群のサブセットである。MSIはミュア・トーレ症候群で多様に発現し、大腸癌患者に共通の病態で最もよく発現する。さらに、MMRタンパク質MLH 1、MSH 2、MSH6、およびPMS2は眼周囲脂腺癌に重要な役割を果たしており、脂腺癌の40％でまぶたに見られる。^[15]

2017年5月、FDAは、前治療後に進行した切除不能または転移性の高マイクロサテライト不安定性（MSI-H）またはミスマッチ修復欠損（dMMR）固形腫瘍の患者に対して、キイトルーダ（ペンブロリズマブ）（PD -1阻害剤）と呼ばれる免疫療法薬を承認しました。この適応症は、 PD-L1発現評価、組織型、腫瘍の位置とは無関係です。 ^[16]

MSI は、リンチ症候群を検出し、癌治療の予後を判定するための優れたマーカーです。1996 年に、国立癌研究所 (NCI) はリンチ症候群に関する国際ワークショップを主催し、これが「ベセスダ ガイドライン」と MSI 検査のための遺伝子座の開発につながりました。この最初のワークショップで、NCI は MSI の存在を判定するために必要な 5 つのマイクロサテライト マーカー (2 つのモノヌクレオチド BAT25 と BAT26、および 3 つのジヌクレオチド反復 D2S123、D5S346、および D17S250) に同意しました。MSI-H 腫瘍は、不安定な MSI 遺伝子座が 30% を超える MSI (5 つの遺伝子座のうち 2 つ以上) から生じます。MSI-L 腫瘍は、不安定な MSI バイオマーカーが 30% 未満から生じます。MSI-L 腫瘍は、代替病因の腫瘍として分類されます。いくつかの研究では、MSI-H患者は化学療法と手術よりも手術単独のほうが最もよく反応することが示されており、患者が不必要に化学療法を受けることを防ぐことができます。^[3]

6年後の2002年、NCI主催のリンチ症候群再考ワークショップでベセスダガイドラインが改訂され（後に2004年に出版^[17]）、MSI検査の新しい基準が推奨されました。具体的には、ジヌクレオチド座位は実際にはそうではないのにシフトしているように見える可能性があり、MSI-Hの結果が偽陽性になる可能性が高くなるため、モノヌクレオチド座位とジヌクレオチド座位の混合よりも5つのモノヌクレオチド座位の方が優れていることが特定されました。

最初の市販キットは、ウィスコンシン州マディソンのPromega Corporationが提供した、Microsatellite Instability 1.2 Analysis System (RUO) と呼ばれていました。それ以来、Promega MSI RUO は 2004 年から広く採用されており、120 を超える査読済み出版物で、がん組織の MSI 状態を判定する上での世界的なゴールド スタンダードとして評価されています。

最近、リアルタイムPCRベースのMSI検出キット^[18]が市場に導入され、成功を収めています。シングルステップのクローズドチューブ形式、従来の方法（PCR後にフラグメント分析を行う）と比較して、PCR増幅後の追加分析が不要なリアルタイムPCRベースの製品の高精度および高感度が重要な利点と考えられています。

人工知能は、顕微鏡下での腫瘍の外観からMSIを予測するためにも使用されています。^{[12] [19]}デジタル病理学は機械学習技術に適用でき、分子検査を行わずにMSIの予測を行うことができます。^[12]これらの方法はまだ、臨床ケアに組み込むのに十分な結果を示していません。

化学療法耐性には直接的メカニズムと間接的メカニズムが関与している。直接的メカニズムには薬剤を代謝する経路が含まれ、間接的メカニズムには化学療法治療に反応する経路が含まれる。NER DNA修復経路は、5-FUなどの化学療法剤によって引き起こされる細胞損傷を元に戻す上で重要な役割を果たしている。^[20]

MSI-H がんは、拡大した TA マイクロサテライトによって形成される DNA 二次構造を修復するためにウェルナー症候群ヘリカーゼ(WRN)に依存していることが示されています。 ^[9]この標的治療仮説により、WRN の阻害は MSI-H 悪性腫瘍の治療において非常に興味深い分野となっています。^[21] 2 つのファーストインクラスの WRN 阻害剤、HRO791 (アロステリック阻害剤、ノバルティス) と VVD-133214 (共有結合阻害剤、ビビディオン セラピューティクスとロシュ) が現在臨床試験中です。^{[22] [23]}これらの阻害剤は両方とも、同様のメカニズムを通じて WRN の分解を引き起こします。^[24]

2017年5月、FDAは、前治療後に進行した切除不能または転移性の高マイクロサテライト不安定性（MSI-H）またはミスマッチ修復欠損（dMMR）固形腫瘍の患者に対して、キイトルーダ（ペンブロリズマブ）（PD -1阻害剤）と呼ばれる免疫療法薬を承認しました。この適応症は、 PD-L1発現評価、組織型、腫瘍の位置とは無関係です。 ^[16]

研究者らは、選択されたテトラヌクレオチド反復配列におけるマイクロサテライト変異の増加（EMAST）と呼ばれる別のMSIを発見しました。しかし、EMASTはMMRに由来しないという点で独特であり、TP53変異とよく関連しています。^[5]

EMASTは、肺、頭頸部、大腸、皮膚、尿路、生殖器など、さまざまな癌で見られます。外部臓器部位ではEMASTが発生する可能性が高くなります。一部の研究者は、EMASTは突然変異の結果である可能性があると考えています。癌のマージンが陰性であるのにEMASTのマージンが陽性である場合、患者の病気の再発を示唆します。^[25]