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遺伝学の分野において、自殺遺伝子とは、アポトーシス（プログラム細胞死）という過程を通して細胞を自滅させる遺伝子のことである。自殺遺伝子の活性化は様々な経路で細胞死を引き起こすが、アポトーシスを誘導する重要な細胞内「スイッチ」の一つがp53タンパク質である。自殺遺伝子の刺激や導入（遺伝子治療による）は、癌やその他の増殖性疾患の治療法として期待されている。
自殺遺伝子は、がん細胞を化学療法に対してより脆弱または感受性にするための戦略の基礎を形成します。このアプローチは、がん細胞で発現する遺伝子の一部を、無害な物質を腫瘍に毒性のある物質に変換できる哺乳類には存在しない酵素の遺伝子に結合させることです。[ 1 ]ほとんどの自殺遺伝子は、不活性な薬剤を核酸合成を阻害する毒性のある抗代謝物質に変換するウイルスまたは細菌の酵素をコードすることによって、この感受性を媒介します。自殺遺伝子は、できるだけ多くのがん細胞による取り込みと発現を確実にしつつ、正常細胞による発現を制限する方法で細胞に導入されなければなりません。がんに対する自殺遺伝子療法では、ベクターが標的細胞と非標的細胞、がん細胞と正常細胞を識別する能力を持つことが必要です。[ 2 ]
細胞死は主に壊死またはアポトーシスによって起こります。壊死は、毒物、身体の損傷、感染、血液供給の遮断など、外部からの力によって細胞が損傷を受けたときに起こります。壊死によって細胞が死ぬと、かなり厄介な事態になります。死は炎症を引き起こし、体内の損傷をさらに悪化させる可能性があります。一方、アポトーシスは炎症反応を引き起こすことなく細胞成分の分解を引き起こします。[ 3 ]
胎児の発育中、多くの細胞がプログラム細胞死、すなわちアポトーシスを起こします。これは、プログラムされた一連の事象によって、有害物質を周囲に放出することなく細胞が除去される細胞死の一種です。アポトーシスは、古い細胞、不要な細胞、不健康な細胞を除去することで、体の発達と健康維持に重要な役割を果たします。人体は、おそらく1秒間に100万個の細胞を入れ替えています。細胞が自殺を強いられると、カスパーゼと呼ばれるタンパク質が働き始めます。カスパーゼは生存に必要な細胞成分を分解し、DNaseと呼ばれる酵素の産生を促します。DNaseは細胞核内のDNAを破壊します。細胞は縮小し、ストレス信号を発信します。この信号にマクロファージが応答します。マクロファージは縮小した細胞を痕跡を残さずに除去するため、これらの細胞は周囲の壊死細胞に損傷を与えることはありません。アポトーシスは出生前の発達にも不可欠です。例えば、胚では、指とつま先は最初は組織によって隣接する指とつながっています。この結合組織の細胞はアポトーシスを起こして個々の指を形成します。脳の発達では、最初は何百万もの余分なニューロンが生成されます。シナプス結合を形成しない細胞はアポトーシスを起こします。プログラム細胞死は月経のプロセスを開始するためにも必要です。しかし、アポトーシスが完璧なプロセスだというわけではありません。アポトーシスを起こす細胞は、損傷によって死ぬのではなく、体内の信号に反応して死にます。細胞がウイルスや遺伝子変異を認識すると、損傷の拡大を防ぐために死を誘導することがあります。科学者たちは、どの細胞が生き残り、どの細胞がプログラム細胞死を起こすかを制御できるように、アポトーシスをどのように調節できるかを研究しています。例えば、抗がん剤や放射線は、病気の細胞でアポトーシスを誘発することによって作用します。多くの疾患や障害は細胞の生と死に関連しており、アポトーシスの増加はエイズ、アルツハイマー病、パーキンソン病の特徴であり、アポトーシスの減少はループスや癌の兆候となる可能性がある。アポトーシスを制御する方法を理解することは、これらの疾患を治療するための第一歩となる可能性がある。[ 4 ]
アポトーシスが少なすぎても多すぎても、多くの疾患に関与する可能性があります。アポトーシスが正しく機能しない場合、除去されるべき細胞が生き残り、不死化することがあります。たとえば、癌や白血病の場合です。アポトーシスが過剰に機能すると、多くの細胞が死滅し、深刻な組織損傷を引き起こします。これは、脳卒中や、アルツハイマー病、ハンチントン病、パーキンソン病などの神経変性疾患の場合です。プログラム細胞死または細胞自殺とも呼ばれます。[ 5 ]
がん治療の究極の目標は、すべてのがん細胞を完全に除去し、健康な細胞には害を与えないことです。この点で最も有望な治療戦略の一つが、がん自殺遺伝子治療（CSGT）であり、急速に新たな領域へと発展しています。CSGTにおける治療の成功は、治療用トランスジーンをがん細胞のみに正確に送達できるかどうかに大きく左右されます。これは、がん細胞およびがん幹細胞に発現する特異的または過剰発現しているバイオマーカーを発見し、標的とすることで実現されます。がん治療効果の特異性は、治療遺伝子をがん細胞特異的プロモーターの制御下に置くDNA構築物を設計することでさらに強化されます。がん細胞への自殺遺伝子の送達には、ウイルスベクターや合成ベクターが用いられ、これらはがん特異的抗体やリガンドによって誘導されます。送達方法としては、がん細胞への親和性を持つように遺伝子操作された幹細胞も挙げられます。がん細胞の死を誘導する主なメカニズムには、チミジンキナーゼ、シトシンデアミナーゼ、細胞内抗体、テロメラーゼ、カスパーゼ、DNaseの遺伝子導入による発現が含まれます。遺伝子導入に伴うリスクを排除するために予防措置が講じられています。ゲノミクスとプロテオミクスの進歩は、がんの標的型個別化遺伝子治療の臨床試験に向けた新しい戦略を開発するために、がん特異的なバイオマーカーと代謝経路を特定するのに役立つはずです。悪性腫瘍に遺伝子を導入することで、すべての細胞が遺伝子のコピーを受け取れば、腫瘍は縮小し、場合によっては完全に消失する可能性があります。
ウイルスのDNAサンプルが患者自身の健康な細胞から採取される場合、ウイルスは癌細胞と健康な細胞を区別する必要がない。さらに、腫瘍が死滅した際に転移を防ぐことができるという利点もある。
がん治療の課題の 1 つは、健康な細胞を傷つけずに悪性腫瘍を破壊する方法です。これを実現する上で大きな可能性を秘めた新しい方法として、自殺遺伝子の使用があります。自殺遺伝子とは、細胞がアポトーシスによって自らを死に至らしめる遺伝子です。自殺遺伝子療法では、細胞毒性物質をコードする遺伝子を腫瘍細胞に送達します。[ 6 ]これは、間接遺伝子療法と直接遺伝子療法の 2 つのアプローチで実現できます。間接遺伝子療法では、酵素活性化プロドラッグを使用し、酵素がプロドラッグを毒性物質に変換し、この酵素をコードする遺伝子を腫瘍細胞に送達します。例えば、単純ヘルペスウイルスチミジンキナーゼ(HSV-TK) のトランスフェクションとガンシクロビル (GSV) の投与に基づくよく研究されている戦略では、HSK-TK が GCV を DNA 合成を阻害して細胞死を引き起こす毒性化合物に変換するのを助けます。[ 7 ] [ 6 ] [ 8 ]一方、直接遺伝子治療では、毒素遺伝子または変異したプロアポトーシス遺伝子を修正する能力を持つ遺伝子を使用し、それによってアポトーシスを介して細胞死を誘導します。たとえば、がん治療で最も研究されている免疫毒素はジフテリア毒素であり、伸長因子2（EF-2）を不活性化することでタンパク質合成を阻害し、その結果タンパク質翻訳を阻害します。 [ 6 ] [ 9 ]さらに、p53はヒト腫瘍で頻繁に異常であることが確認されており、p53の機能を回復するとがん細胞のアポトーシスを引き起こすことが研究で示されています。[ 6 ]自殺遺伝子治療は、すべてのがん性腫瘍に対する化学療法と放射線治療の必要性を必ずしも排除するとは期待されていません。しかし、腫瘍細胞に与えられた損傷は、化学療法または放射線に対する感受性を高めます。このアプローチは、前立腺がんおよび膀胱がんに対してすでに有効であることが証明されています。自殺遺伝子治療の応用範囲は、他のいくつかの癌にも拡大されつつある。癌患者は免疫系が弱っていることが多いため、ウイルスを薬剤送達媒体として使用すると、副作用が生じる可能性がある。
自殺遺伝子送達は、ウイルスベクター、合成ベクター、細胞ベースベクターの 3 つのグループに大別できます。[ 6 ]遺伝子送達に最も効率的なベクターはウイルスベクターです。遺伝子治療に広く使用されているウイルスには、レトロウイルス、アデノウイルス (Ad)、レンチウイルス、アデノ随伴ウイルス (AAV) などがあります。合成ベクターなどの非ウイルスベクターは、免疫原性、挿入変異誘発など、ウイルスベクターのいくつかの欠点に対処するために使用されました。合成ベクターは、金ナノ粒子などのナノ粒子を使用して標的細胞に遺伝子を送達することを指します。[ 10 ]最後に、細胞ベースベクターは、自殺遺伝子のキャリアとして幹細胞を使用します。ここ数年で、間葉系幹細胞 (MSC) を使用した癌の細胞媒介遺伝子治療が特許を取得しました。[ 11 ]
傍観者効果（BE）は、自殺遺伝子治療において、形質導入された細胞に隣接する形質導入されていない腫瘍細胞を死滅させる可能性がある現象である。[ 8 ] [ 12 ] [ 13 ]すべての腫瘍細胞を100%形質導入することは非常に困難であるため、BEは自殺遺伝子治療の重要な特徴である。
この薬剤は効果を発揮するために癌に対して高い特異性を示す必要があるが、研究によるとこれはほとんど達成されていない。さらに、自殺遺伝子の発現はヒトテロメラーゼ（hTERT）、オステオカルシン、癌胎児性抗原などの腫瘍特異的プロモーターによって制御されているが、臨床試験に進むことができたのはhTERTプロモーターのみであった。[ 14 ]これは主に、自殺遺伝子発現のためのこれらの腫瘍特異的プロモーターの転写力が低いためである。加えて、標的細胞へのアクセス性の悪さは自殺遺伝子治療の重要な制限である。自殺遺伝子治療のもう1つの大きな障害は、影響を受けた細胞を標的とするベクターの特異性が部分的であることである。最後に、SGTの臨床結果やその他の影響を予測するための特定の動物モデルが不足している。
自殺遺伝子は、分子クローニングを補助するためにバイオテクノロジーでよく利用される。ベクターは、生物（例えば大腸菌）に自殺遺伝子を組み込む。クローニングプロジェクトでは、自殺遺伝子を目的の断片に置き換えることに重点が置かれる。自殺遺伝子を保持するベクターは細胞死を引き起こすため、目的の断片を運ぶベクターの選択精度が向上する。