薬物エピジェネティクス

薬物エピジェネティクスは、個人の医療に対する反応の多様性につながる根本的なエピジェネティックマーキングパターンを研究する新興分野です。 ^[1]

遺伝的異質性、環境要因、病態生理学的原因により、同様の疾患発現を示す個人が、同一の薬物治療に対して異なる反応を示す場合がある。年齢、体表面積、体重、性別、疾患段階などの要因に基づいて治療法を選択することは、この問題に完全には対処できないことが示されているため、医療専門家は最適な治療法を選択するために患者のゲノムデータを使用する方向にシフトしている。現在、エピジェネティクスが患者の薬物治療の安全性と有効性を決定する上で重要な役割を果たすことを示す証拠が増えている。^[2]エピジェネティクスは、個人の遺伝学と環境要因を結び付けて遺伝子発現のいくつかの側面を説明する架け橋である。具体的には、環境要因は、遺伝子の発現に影響を与えるために、人のエピジェネティックなメカニズムを変化させる可能性がある。例えば、タバコを吸うと、遺伝子のDNAメチル化状態が変化し、それによってさまざまなメカニズムを通じて遺伝子の発現が変化する可能性がある。

環境などの要因によって引き起こされる遺伝子のエピジェネティックな変化は、異常な遺伝子発現や病気の発症につながる可能性があります。病気の進行は、ゲノム全体のエピジェネティックなパターンをさらに変化させます。エピジェネティックな変化は一般的に長期間持続し、場合によっては永久的ですが、遺伝子のエピジェネティックな状態を変える可能性は依然として残っています。そのため、細胞内の異常なエピジェネティックなパターンを標的とし、エピジェネティックに変化した遺伝子発現を活性化または抑制する薬剤が開発されています。これはエピジェネティック療法として知られています。薬剤の標的であることに加えて、エピジェネティックな変化は、病気のリスクと進行を予測するための診断および予後指標としても使用されており、これは個別化医療の改善に有益である可能性があります。

ヒトエピゲノムプロジェクトの発展とエピゲノミクスの進歩により、薬物エピジェネティクスと呼ばれる急成長分野が生まれました。薬物エピジェネティクスは当初、薬物トランスポーター、薬物代謝酵素、核受容体のエピジェネティックパターンが、薬物に対する個人の反応にどのように影響するかを研究するために開発されました。現在、薬物エピジェネティクスには、エピゲノムに変化をもたらし、個人の病気の原因や症状を軽減できる治療用エピドラッグの開発という新たな焦点があります。薬物代謝メカニズムのエピジェネティックな変化に関する知識と臨床応用の間には依然として大きなギャップが残っていますが、薬物エピジェネティクスは急速に成長している分野であり、個別化医療で重要な役割を果たす可能性があります。

効果的なエピジェネティック療法を開発するためには、基礎となるエピジェネティックメカニズムと関与するタンパク質を理解することが重要です。DNAメチル化、ヒストン修飾、共有結合修飾、RNA転写、マイクロRNA、mRNA、siRNA、ヌクレオソーム配置など、さまざまなメカニズムと修飾がエピジェネティックリモデリングとシグナル伝達に関与しています。特に、科学者はDNAメチル化、ヒストン修飾、調節マイクロRNAと疾患の発症との関連性を広範囲に研究してきました。^{[3] [4] [5]}

DNAメチル化は、最も広く研究されているエピジェネティックメカニズムです。そのほとんどはCpG部位で発生します。DNAメチルトランスフェラーゼがこの部位にリクルートされ、 CpGジヌクレオチドのシトシンにメチル基を追加します。これにより、メチルCpG結合タンパク質がメチル化部位に結合し、遺伝子のダウンレギュレーションを引き起こします。 ^[6]ヒストン修飾は主にヒストンのN末端テールを修飾することによって達成されます。メカニズムには、アセチル化、メチル化、リン酸化、非ビキチン化などがあります。これらはクロマチン構造の凝縮、DNAのアクセシビリティ、したがって特定の遺伝子の転写レベルに影響を与えます。

さらに、マイクロRNAは非コードRNAの一種で、mRNA転写産物を標的にして分解の標的とすることで遺伝子発現を変化させる役割を担っています。このプロセスは転写後の修飾であるため、DNA配列の変化は伴いません。マイクロRNAの発現は、他のエピジェネティックメカニズムによっても制御されます。マイクロRNAの異常な発現は疾患の発症を促進するため、エピジェネティック療法の標的として適しています。遺伝子転写の制御に関与するエピジェネティックタンパク質は、ライター、イレイザー、リーダーの3つのカテゴリに分類されます。ライターとイレイザーはどちらも酵素活性を持ち、DNAまたはヒストンタンパク質を共有結合で修飾することができます。リーダーは、クロマチン上の特定の部位を認識して結合し、エピジェネティックシグネチャを変化させる能力を持っています。

基礎となるエピジェネティックメカニズムが理解されると、「エピドラッグ」やエピゲノム編集などのエピジェネティックマークを変更する新しい方法を開発することが可能になります。エピドラッグは、人工信号を使用してエピジェネティックパターンを上書きし、エピジェネティックタンパク質を標的遺伝子座に誘導するものです。^[2]さらに、患者固有のエピジェネティックパターンに基づいて、医療専門家は患者に合わせた適切なエピジェネティック薬を含む安全で効果的な治療をより正確に割り当てることができます。

薬物代謝および反応の個人差は、エピジェネティックな変化によって部分的に説明できます。^{[7] [8]}薬物標的、酵素、または輸送タンパク質をコードする遺伝子のエピジェネティックな変化は、身体にとって異物（異物）を吸収、代謝、分配、排泄する身体の能力に影響し、毒性レベルや薬物反応に変化をもたらします。^{[7] [8]}幼少期の薬物曝露の主な影響の1つは、ADME（吸収、分布、代謝、排泄）遺伝子発現の変化です。^[7]これらの遺伝子は、DNAメチル化、ヒストンアセチル化、およびmiRNAによって制御されているという証拠があります。^{[9] [8]}薬物エピジェネティクスと密接に関連する新しい分野は、さまざまな化合物（薬物、食品、環境）への曝露の結果として生じる毒性のエピジェネティックな変化を捉えるトキシコエピジェネティクスです。この分野では、ヒストン修飾の変化とその考えられる結果をマッピングすることに関心が高まっています。^[10]

これらのメカニズムについてはまだ理解を深める必要がありますが、適切な薬剤の選択と投与量につながることが期待されています。^[11]さらに、薬剤耐性はエピジェネティックなメカニズムを通じて獲得される可能性があります。これは特に化学療法でよく見られ、治療に対して耐性を生じた細胞は分裂を続け、生き残ります。^[7]薬物エピジェネティック治療計画は、単一のエピドラッグクラスで構成することも、独自の治療法で複数のクラスを組み合わせることもできます。以下は、薬剤反応または代謝関連タンパク質がエピジェネティックなメカニズムによってどのように制御されるかの例です。

マウスCyp2e1の調節領域におけるエピジェネティック修飾の加齢変化は、それがコードするタンパク質によって媒介される代謝と関連している。Cyp2e1はプローブ薬物クロルゾキサゾンを代謝物である6-ヒドロキシクロルゾキサゾンに水酸化するが、マウスミクロソーム抽出物中のDNAメチル化とは負の相関があり、ヒストンアセチル化とは正の相関があった。^[12]

CXCR4はHIVの侵入に対する共受容体として機能するタンパク質です。抗HIV療法の薬物ターゲットとして開発されました。ある研究では、一部の癌における異常なメチル化パターンによってCXCR4の発現が調節不全になっていることが示されています。したがって、これは抗HIV療法の効率と薬物反応に影響を与える可能性があります。^[1]

CYP1A1は、化合物や薬物代謝における役割でよく知られているタンパク質です。^[13]前立腺がんの研究では、タンパク質の調節領域がヒストン修飾H3K4me3の制御下にあることが実証されました。これは通常、非がん細胞での遺伝子発現が活発であることを示します。^[1]この異常なメチル化は通常、ヒストン修飾と局所レベルでのクロマチン構造の変化を引き起こし、遺伝子発現に影響を与えます。^[14]

ABCG2は癌化学療法における多剤耐性の原因となるタンパク質です。ABCG2の発現増加は、さまざまな薬剤耐性癌細胞株および腫瘍組織で確認されています。マイクロRNAの改変の1つは、mRNAを不安定化させることにより、遺伝子およびタンパク質の発現を変化させます。^[15]

腫瘍発生のさまざまな段階での特定の癌のエピジェネティック修飾に関しては、まだ多くの研究が必要ですが、異常な発現やさまざまな種類の癌につながる遺伝子のエピジェネティック修飾については、一般的な理解があります。これらのエピジェネティックバイオマーカーは、疾患の検出、腫瘍の分類、標的化合物、従来の化学療法剤、エピジェネティック薬物などの治療に対する薬物反応の理解のためのツールとして臨床使用が検討されています。ヒトの癌は一般に、特定のプロモーターの過剰メチル化（通常はDNA修復遺伝子と腫瘍抑制遺伝子の発現を阻害する）と、全体的規模でのDNAメチル化の喪失を特徴とし、^[16]癌遺伝子の発現を可能にしたり、インプリンティングの喪失をもたらしたりすることがあります。^[17]ヒストン修飾は細胞プロセスの調節に重要な役割を果たしているため、構造変化をもたらすエピジェネティック変化は、異常な転写、DNA修復、複製につながる可能性があります。^[17]以下にいくつかの例を示し、その後、これらのエピジェネティック修飾が標的とされている方法の概要を示します。

エピジェネティックな変化は癌に多く見られるため、エピジェネティックな薬剤を使用して遺伝子発現を増強または抑制するさまざまな方法を評価するのに適したモデルです。^[7]

DNAメチルトランスフェラーゼ阻害剤は、がん細胞で観察されている腫瘍抑制遺伝子の過剰メチル化とDNMTの増加のために研究されている。これらの阻害剤の導入により、プロモーターのメチル化が減少し、以前はサイレンシングされていた腫瘍抑制遺伝子の発現が減少する可能性がある。DNAに組み込まれ、メチルトランスフェラーゼを共有結合で捕捉するアザシチジンとデシタビンは、骨髄異形成症候群（骨髄からの血液細胞が健康な血液細胞に適切に成熟しない癌のグループ）の治療薬としてFDAに承認されており、現在は白血病などの他の癌の治療薬として研究されている。DNMTに共有結合できる非ヌクレオシド類似体など、他の種類の薬剤も開発されている。^[18]

例としてはプロカイン、ヒドララジン、プロカインイミドなどがあるが、特異性と効力が不足しており、臨床試験でテストすることが難しい。DNAメチルトランスフェラーゼ阻害剤は、特異性の欠如と正常細胞への毒性のため、通常は低用量で使用される。ヒストンのアセチル化の変化とHDACの増加が観察されるため、HDAC阻害剤も使用されている。メカニズムはまだ調査中であるが、HDAC阻害剤を追加するとヒストンのアセチル化が増加し、腫瘍抑制遺伝子の転写が再活性化されると考えられている。^[18]

さらに、HDAC はヒストン以外のタンパク質からアセチル基を除去することもできるため、HDAC 阻害剤を追加すると転写因子の活性が変化する可能性があると考えられています。血液腫瘍および固形腫瘍の臨床試験では約 14 種類の HDAC 阻害剤が研究されていますが、その特異性と阻害メカニズムについてはさらに研究が必要です。エピジェネティック修飾を変更するもう 1 つの方法は、ヒストンメチルトランスフェラーゼ阻害剤を使用することです。^[18]

DNA脱メチル化酵素をコードする遺伝子の機能喪失またはDNAメチル基転移酵素の過剰発現は、DNAプロモーターの過剰メチル化を引き起こす可能性がある。^[18] DNAメチル基転移酵素の機能喪失は、低メチル化につながる可能性がある。染色体リモデリング、DNA修復、および細胞周期調節遺伝子の機能喪失は、癌を引き起こす細胞の制御不能な増殖につながる可能性がある。^[18]ヒストン修飾パターンは、ゲノムの変化にもつながり、これらのシステムやその他のシステムに悪影響を及ぼし、癌の可能性を高める可能性がある。

機能喪失変異を持つ細胞は、合成致死を誘発する薬剤の標的となる可能性があります。合成致死とは、遺伝子/タンパク質の相互作用で、一方の成分が失われてもほとんど変化はありませんが、両方の成分が失われると細胞死が起こります。相互作用の片側で機能喪失変異が起こったがん細胞では、もう一方の相互作用を薬剤治療で中断して、がん細胞の細胞死を誘発することができます。合成致死は、健康な細胞への影響が最小限または全くないため、がん患者にとって魅力的な治療オプションです。

例えば、SWI/SNF機能喪失変異では、DNAの複製と修復に悪影響が及び、細胞増殖が抑制されない場合、腫瘍が発生する可能性があります。これらの遺伝子の変異は、がんの一般的な原因です。これらの変異は直接標的にすることはできませんが、いくつかの合成致死相互作用は、がん治療薬によって早期のがん増殖を殺すために利用することができます。^[18]

さらに、ヒストン修飾の動的状態を利用することで、機能喪失変異を標的にすることができます。KDMK6Aなどの脱メチル化酵素の機能喪失変異は、癌でよく見られます。^[18]メチルトランスフェラーゼ阻害剤の発現誘導により、機能喪失変異の影響を軽減することができます。^[18]

標的遺伝子のエピジェネティック シグネチャを標的とするか、または変更する薬剤の開発は、バイオインフォマティクス分析によってヒトゲノムに関する知識が増加し、合成致死相互作用の探索が加速するにつれて、増加しています。潜在的な合成致死相互作用を評価するために最も広く使用されているのは、siRNA とCRISPR-Cas9 を使用して標的遺伝子を変更する方法です。CRISPRiおよびCRISPRaテクノロジーにより、研究者は標的遺伝子を活性化または不活性化できます。

肺癌では、優性および劣性癌遺伝子の活性化と腫瘍抑制遺伝子の不活性化が観察されている。^[17]肺癌で頻繁に観察されるのは、細胞周期制御、DNA修復、細胞接着、増殖、アポトーシス、運動性などの重要な機能に関与する遺伝子プロモーターのメチル化である。頻繁に観察される一般的な遺伝子には、 APC、CDH1、CDKN2A、MGMT、およびRASSF1A（腫瘍抑制遺伝子）がある。^[16] CDKN2AおよびRASSF1A DNAの場合、これらの遺伝子はメチル化され、腫瘍抑制遺伝子が失われる。^[17]

非小細胞肺癌の臨床試験では、エンチノスタットやアザシチジンなどの薬剤を使用するなど、さまざまな戦略が観察されています。ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤であるエチノスタットは、遺伝子が転写機構にアクセスできるようにすることで、遺伝子のサイレンシングを防ぐことができるという考えに基づいています。アザシチジンは代謝されて DNA に組み込まれ、DNA メチルトランスフェラーゼの基質として認識されますが、酵素が結合しているため、メチルトランスフェラーゼはメチル化マークを追加できず、重要な遺伝子をサイレンシングできません。

ヒストン修飾、DNAメチル化、マイクロRNAは、心臓病において重要な役割を果たすことがわかっています。^[19]これまで、ヒストンテールのアセチル化は、心筋細胞のサイズの増加やその他の心筋の変化によって通常生じる心臓肥大または異常な心筋肥大に関連付けられてきました。^[20]心筋細胞で起こる肥大変化は、アセチルトランスフェラーゼを介したヒストンテールの必要なアセチル化によって生じます。アセチルトランスフェラーゼに加えて、ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）も筋細胞の調節に役立ちます。クラスII HDAC 5および9は、ミオサイトエンハンサー因子2（MEF2）と呼ばれる因子の活性を阻害します。MEF2は結合できないため、肥大効果を生み出す遺伝子の発現が妨げられます。

さらに、 PECAM1、AMOTL2、ARHGAP24などの遺伝子座は、心臓組織における遺伝子発現の変化と相関する異なるメチル化パターンで観察されている。^[19]

miRNAが心不全のさまざまな側面で重要な役割を果たしていることを発見する科学出版物が増えています。^[19] miRNAの機能の例には、心筋細胞周期の調節や心筋細胞増殖の調節などがあります。^{[21] [22]}エピジェネティックな修飾を知ることで、標的配列のエピジェネティックな状態を変更する薬剤の使用が可能になります。アンタゴミールを使用してmiRNAを標的にすることもできます。アンタゴミールは相補的な一本鎖RNAで、miRNAをサイレンシングする化学的に設計されたオリゴヌクレオチドであり、正常なレベルの発現に必要なmRNAを分解することはできません。

CpG の DNA メチル化は遺伝子発現の低下につながる可能性があり、場合によってはこの遺伝子産物の減少が病気の一因となることがあります。したがって、そのような場合には、遺伝子のメチル化状態を変えて発現レベルを高めることができる潜在的な薬剤を持つことが重要です。遺伝子発現を高めるには、デシタビンや 5-アザ-2'-デオキシシチジンなどの DNA メチルトランスフェラーゼ阻害剤として作用する薬剤を使用して CpG メチル化を低下させることを試みることができます。^[1]

一方、一部の疾患はアセチラーゼ活性の低下に起因し、その結果遺伝子発現が低下します。いくつかの研究では、HDAC活性を阻害すると心臓肥大を軽減できることが示されています。^[19] トリコスタチンAと酪酸ナトリウムは2つのHDAC阻害剤です。トリコスタチンAは、クラスIおよびII HDACがアセチラーゼを除去して遺伝子発現を低下させるのを阻害する能力があることで知られています。酪酸ナトリウムはクラスI HDACを阻害する別の化学物質であり、その結果、転写因子が遺伝子に簡単にアクセスして発現できるようになります。

幅広い医療用途に向けたエピジェネティック療法の開発には、多くの課題があります。実験結果では、遺伝子と薬物相互作用の関係が突然変異の影響を緩和する可能性があることが示されていますが、ヒトゲノムとエピゲノムの複雑さにより、安全で効率的で一貫性のある治療法の開発は困難です。エピジェネティックな変化は、標的遺伝子よりも多くのシステムに影響を与える可能性があり、治療によって有害な影響が生じる可能性があります。さらに、エピジェネティックな突然変異は、系統の結果である可能性があります。^[5]

組織遺伝子発現は主にエピジェネティックな相互作用によって制御されるため、特定の組織特異的な癌はエピジェネティック療法で標的にするのが困難です。さらに、細胞内のある種類の癌を予防する要素をコードする遺伝子が、別の細胞では機能を変え、別の種類の癌を引き起こす可能性があります。EZH2 などのこれらのタンパク質を変更しようとすると、他の種類の癌が発生する可能性があります。選択性は、治療法の開発におけるもう 1 つのハードルです。多くのタンパク質は構造的に類似しており、特に同じタンパク質ファミリー内では、1 つのタンパク質の調節を変更すると、ファミリー内の他のタンパク質にも同じ影響が及ぶ可能性があるため、広域スペクトル阻害剤を常に使用できるわけではありません。^[5]

これらのエピジェネティックパターンの違いに基づいて、科学者や医師は各患者の薬物反応をさらに予測することができます。最も説得力のある例の1つは、MGMTをコードするプロモーター配列での腫瘍抑制遺伝子のメチル化です。^[23] MGMTは、DNA内のO(6)-アルキルグアニンからメチル基を自分自身に転送する役割を担うDNA修復タンパク質であり、突然変異誘発やアルキル化剤に起因する毒性化合物の蓄積と戦います。^[24]

したがって、MGMTは毒素によって損傷を受けた領域の修復を担っています。このMGMTプロモーター領域は、さまざまな種類の癌患者で高度にメチル化されており、それによって抑制されていることがわかっています。^[24]プロカルバジン、ストレプトゾトシン、BCNU（カルムスチン）、テモゾラミドなどのいくつかの薬剤は、MGMTが正常に発現してDNAを修復できるように、この異常なメチル化修飾を逆転させるようにDNAを再構築するように設計されています。プロモーターのメチル化状態は、脳腫瘍患者におけるBCNUとテモゾラミドに対する反応の最良の予測因子になります。

ブロモドメインを含むタンパク質は、ヒストンのアセチル化 リジン残基を認識して結合し、クロマチン構造の変化とそれに続く遺伝子発現レベルの変化を引き起こします。ブロモドメインと末端外（BET）タンパク質はアセチル基に結合し、RNAPIIと連携してクロマチンの転写と伸長を助けます。BET阻害剤は、BETタンパク質とアセチル化ヒストンの相互作用を阻害することができます。^[18] BET阻害剤を使用すると、異常なクロマチンリモデリング、転写調節、ヒストンアセチル化を引き起こす可能性のあるブロモドメインタンパク質の過剰発現を減らすことができます。^[18]

いくつかの研究では、ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）阻害剤は、ヒストンアセチルトランスフェラーゼの活性を停止してクロマチン凝縮を防ぐことで、腫瘍抑制遺伝子の発現を再誘導するのに有用であることが示されている。^[25]

タンパク質メチルトランスフェラーゼ（PMT）阻害剤：PMTはリジンとアルギニン残基をメチル化して遺伝子の転写レベルに影響を与える重要な役割を果たします。その酵素活性は癌だけでなく神経変性疾患や炎症性疾患にも影響を与えることが示唆されています。^[25]

ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）阻害剤を使用すると、遺伝子の転写活性を維持できます。HDACiは、全身性エリテマトーデス、関節リウマチ、全身発症型若年性特発性関節炎など、さまざまな自己免疫疾患に使用されています。^[7]また、構造的に多様であり、発現遺伝子の2〜10％にしか影響しないため、がんの治療にも有効であることが証明されています。^[25]精神疾患や神経変性疾患の治療にHDAC阻害剤を使用すると、初期の研究で有望な結果が得られています。^[25]さらに、研究では、HDACiが脳卒中後の損傷を最小限に抑え、胚細胞の血管新生と筋形成を促進するのに役立つことが実証されています。^[25]

さまざまな種類の癌に共通する特徴の 1 つは、腫瘍抑制遺伝子の過剰メチル化です。標的部位でのこのメチルトランスフェラーゼの作用を抑制すると、これらの部位へのメチル基の繰り返し転移を防ぎ、転写機構に開放したままにして、より多くの腫瘍抑制遺伝子が作られるようになります。これらの薬剤は通常、シチジン誘導体です。これらの薬剤は DNMT を DNA につなぎ、その継続的な作用を防ぎます。DNA に結合せずに DNMT 機能を阻害する治療法 (毒性作用を引き起こす可能性があります) は、効果的な治療オプションとなる可能性がありますが、広く使用されるほど十分に開発されていません。^[7]

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