背景

炎症性腸疾患（IBD）の患者では、大腸上皮に、慢性的な炎症下で拡大し、持続する変異細胞の集団が蓄積する。これには、IL-17およびNF-κBシグナル伝達を弱める変異、またはクロマチン調節遺伝子ARID1Aの不活性化が含まれる。これとは対照的に、大腸炎関連がん（CAC）は、APC、KRAS、およびTP53などの腫瘍成長を直接促進する変異を選択することによって特徴づけられる。これらの2つの細胞集団の組織微小環境の組織的特徴が、どのように異なる運命を導くのかは、依然として不明である。

患者組織のみを使用して、腫瘍発生の初期段階を再構築することは困難である。変異クローンはまれであり、組織サンプルの範囲は限られており、細胞生態系に対する治療の影響を解き明かすことは難しい。特に、粘膜修復が単に組織損傷への反応であるのか、それともがん原性クローンの拡大の機会を提供するのかは不明である。これは、空間レベルではまだ検討されていない。

研究者らは、慢性大腸炎と異形成を発症する、ムチン遺伝子Muc2を欠損したマウスを使用した。彼らは、系統追跡、標的変異分析、空間トランスクリプトミクス、および計算モデリングを組み合わせて、存在する変異の種類だけでなく、これらのクローンが存在する「細胞近傍」も調べた。

主な発見

コンフェッティ系統追跡により、持続的な炎症を伴うMuc2欠損大腸では、複数の暗号窩にまたがる大きなクローンが、2か月後と比較して7か月後には有意に多く存在することが示された。暗号窩が損傷した領域を修復できるように設計された計算モデルでは、修復プロセス自体が、周囲のクローンの中立的な拡大を促進した。通常のクローンの暗号窩分裂確率を0.5に、有利なクローンの暗号窩分裂確率を0.95に設定すると、修復に必要な計算ステップ数は115,315から80,000に減少し、有利なクローンは損傷領域でより顕著に蓄積した。

研究者らは、8週間齢のMuc2欠損マウスに、変異原性物質であるN-エチル-N-ニトロソ尿素（ENU）を投与し、4か月後に大腸を分析した。5匹のマウスから得られた16個の組織切片を、10x Genomics Visiumを使用して分析した結果、16個の異なる細胞近傍が同定され、これらは上皮、免疫、筋肉、および腫瘍の構成要素を反映していた。高い胎児性上皮マーカーTrop2の発現と、好中球が豊富な近傍を示す「修復近傍」は、それぞれR = 0.81およびR = 0.66で、腫瘍領域と正の相関関係があった。組織中のTrop2陽性細胞の割合も、腫瘍の数と相関関係があり、R = 0.68であった。

この研究の注目すべき特徴は、同じ組織を直径2mmの288個の生検に分割し、IBDおよびCACに関連する22個の遺伝子を繰り返しシーケンスしたことである。Ctnnb1およびApcにおけるミスセンス変異およびナンセンス変異に対して、有意な正の選択が見られ、Ctnnb1変異アレル頻度は最大27%に達した。腫瘍関連変異の割合として計算された悪性度スコアは、Smad4（41%）およびCtnnb1（37%）で最も高かった。

これとは対照的に、「免疫耐性近傍」が観察された。Pigr、Arid1a、Nfkbiz、Il17ra、およびIl17rcの悪性度スコアはわずか4〜13%であり、これらの変異クローンは主に腫瘍の外側に分布していた。ARID1A欠損クローンは、免疫耐性近傍とともに増加したが、腫瘍および修復近傍とは負の相関を示した。これは、正常な上皮が修復および免疫耐性系統に分岐し、腫瘍発生において異なる結果をもたらすことを示唆している。

意義と展望

この研究は、細胞の運命は変異だけで予測できないことを示している。損傷後に形成されるTrop2陽性の修復環境は、暗号窩分裂を増加させ、がん原性変異クローンのより大きな領域を提供する。これとは対照的に、炎症シグナルに感受性のない、非腫瘍原性クローンは、がん原性クローンと競合し、腫瘍の発生を遅らせる可能性がある。これは、大腸炎を生き残るのに有利な変異は、がんにも有利であるという一般的な考えとは異なる。

ただし、修復環境と腫瘍負荷との相関関係だけでは、因果関係を確立することはできない。また、好中球が直接ゲノム不安定性を増加させるのか、または既存の腫瘍が別の操作実験を通じて修復反応を誘導するのかを決定する必要がある。この研究の限界は、主要な発見がENUで処理されたマウスモデルに基づいていることである。研究者らは、ヒトのCAC組織において、腫瘍の外側のARID1A欠損クローンの存在と、腫瘍内のARID1A発現の増加を確認したが、患者のサイズと臨床経過を結び付けるためには、さらなる検証が必要である。