がん細胞の特徴の一つに代謝系の変容がある．たとえば，好気環境下における解糖系の亢進はワールブルグ効果として古くより知られている．また，がん細胞の急速な増殖に要求される大量のエネルギーを産生供給する上で，核酸・アミノ酸代謝もまた著しく変化しており，このようなエネルギー代謝のリプログラミングはがん細胞の生存・増殖能の維持に有利に作用する．他方，特定の代謝系へと偏重した生存機構は時にがん細胞の脆弱性へと転じる場合があるため，がん代謝の基礎的理解を深めることは創薬上重要な意義を持つ．
エネルギー代謝に加えて，生体膜を構成するリン脂質の代謝変化もまた近年のがん細胞生物学におけるトピックの一つである．リン脂質の構造はきわめて多様であって，グリセロール（あるいはスフィンゴシン）を基本骨格として，極性頭部の構造に基づいて“クラス”へと分類され，さらに結合する脂肪酸の炭素鎖長・不飽和度に基づいて“脂肪酸分子種”にまで細分化される．多様なリン脂質分子種の組成や脂質二重層内外葉における分布は，膜ドメイン形成をはじめとする生体膜のさまざまな物理化学的特性，ひいては生体膜上で起こる生化学反応にまで大きく影響する．特に，細胞内外を隔てる形質膜は受容体をはじめとするさまざまなシグナル伝達分子の機能場でもあり，そのリン脂質組成がシグナル強度を正負に調節することはがん細胞研究においても報告されている1, 2）- 1) Bi, J., Ichu, T.-A., Zanca, C., Yang, H., Zhang, W., Gu, Y., Chowdhry, S., Reed, A., Ikegami, S., Turner, K.M., et al. (2019) Oncogene amplification in growth factor signaling pathways renders cancers dependent on membrane lipid remodeling. Cell Metab., 30, 525–538.e528.
- 2) Bunney, T.D. & Katan, M. (2010) Phosphoinositide signalling in cancer: Beyond PI3K and PTEN. Nat. Rev. Cancer, 10, 342–352.
．本稿では，形質膜に偏在するリン脂質クラスの一種であるホスファチジルセリン（phosphatidylserine：PS）に焦点をあて，近年明らかになってきたがんの生存戦略におけるPS代謝系の意義について，我々の研究成果を含めて紹介したい3）- 3) Omi, J., Kato, T., Yoshihama, Y., Sawada, K., Kono, N., & Aoki, J. (2024) Phosphatidylserine synthesis controls oncogenic B cell receptor signaling in B cell lymphoma. J. Cell Biol., 223, e202212074.
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PSは極性頭部にセリンを有するグリセロリン脂質であり，主として形質膜やエンドソーム膜の細胞質側に偏在して種々のシグナル伝達分子の足場として機能する．哺乳類細胞においては，PSはホスファチジルコリン（PC）とホスファチジルエタノールアミン（PE）を前駆体として，2種類のPS合成酵素（phosphatidylserine synthase 1：PTDSS1ならびにPTDSS2）による頭部のセリン交換反応により合成される（図1A）．各酵素の単独欠損マウスでは諸臓器の総PS量は大きく減少せず，明らかな発生異常も示さないことから，両酵素によるPS産生は互いにある程度の補完が可能であると理解されている．一方で，両酵素の二重欠損マウスは胎致死性を示し，また，両酵素活性の大部分を欠く変異哺乳類細胞株はPSを外的に補完しない限りは増殖できない．したがって，哺乳類細胞が生存する上でPSは必須のリン脂質クラスであって，両酵素の機能欠失は合成致死の関係にある．第一三共株式会社の吉濱らは，このようなPS合成系の不全による合成致死を応用した抗がん戦略を報告している4）- 4) Yoshihama, Y., Namiki, H., Kato, T., Shimazaki, N., Takaishi, S., Kadoshima-Yamaoka, K., Yukinaga, H., Maeda, N., Shibutani, T., Fujimoto, K., et al. (2022) Potent and selective PTDSS1 inhibitors induce collateral lethality in cancers with PTDSS2 deletion. Cancer Res., 82, 4031–4043.
．PTDSS2遺伝子が位置するヒトゲノム領域（11p15.5）は肺がんや乳がんをはじめとするさまざまながん種において高頻度に欠失がみられる，いわゆるがん抑制遺伝子座として知られており，実際にがん抑制遺伝子とともにPTDSS2遺伝子が欠失したがんが存在する．そのようなPTDSS2欠損がん細胞では，低分子性PTDSS1阻害剤によって高い効率で合成致死が誘導される．その一方で，PTDSS1阻害剤はPTDSS2を欠損しない正常細胞に対しては有効濃度の100倍程度まで顕著な毒性を示さないため，PTDSS2欠損がん細胞に対する高い選択性を備えた抗がん戦略といえる．
PSは形質膜において機能する他，小胞体やエンドソームをはじめとするオルガネラの機能・恒常性の維持においても重要な機能を持つ5）- 5) Kawasaki, A., Sakai, A., Nakanishi, H., Hasegawa, J., Taguchi, T., Sasaki, J., Arai, H., Sasaki, T., Igarashi, M., & Nakatsu, F. (2021) PI4P/PS countertransport by ORP10 at ER–endosome membrane contact sites regulates endosome fission. J. Cell Biol., 221, e202103141.
．このような普遍的な細胞生物学的プロセスにおいてPSが必要である以上，前述の例のようにPSがほぼ完全に欠乏した極端な状況下では，がん・正常を問わず哺乳類細胞は生存しえない．それでは，PSが「ある程度」欠乏したような状況下ではどうであろうか．実は，PSの部分的欠乏時における増殖・生存能はがん細胞種間で異なることが明らかとなってきている．以降，本稿ではこのようながん細胞ごとの特徴を「PS依存性」と表現する．たとえば，転写共役因子であるYAP依存的に増殖するMDA-MB-231細胞などの乳がん上皮由来細胞株は強いPS依存性を示す6）- 6) Matsudaira, T., Mukai, K., Noguchi, T., Hasegawa, J., Hatta, T., Iemura, S.I., Natsume, T., Miyamura, N., Nishina, H., Nakayama, J., et al. (2017) Endosomal phosphatidylserine is critical for the YAP signalling pathway in proliferating cells. Nat. Commun., 8, 1246.
．これは，リサイクリングエンドソーム膜の細胞質側層に濃縮されたPSがEvectin-2やPPP1R12A等のYAPの活性化を担う複合体形成の足場として機能することよると理解されている（図1A）7）- 7) Inoue, C., Mukai, K., Matsudaira, T., Nakayama, J., Kono, N., Aoki, J., Arai, H., Uchida, Y., & Taguchi, T. (2023) PPP1R12A is a recycling endosomal phosphatase that facilitates YAP activation. Sci. Rep., 13, 19740.
．その他，がん遺伝子であるK-Rasの恒常活性化型変異を有するA549細胞などの肺上皮がん由来細胞株もまた強いPS依存性を示す8）- 8) Kattan, W.E., Chen, W., Ma, X., Lan, T.H., van der Hoeven, D., van der Hoeven, R., & Hancock, J.F. (2019) Targeting plasma membrane phosphatidylserine content to inhibit oncogenic KRAS function. Life Sci. Alliance, 2, e201900431.
．これは，K-Rasがシグナル伝達場である形質膜へと集積する際に形質膜の細胞質側層のPSと相互作用することが重要であるためである．
このようながん細胞種間におけるPS依存性のバリエーションに興味を持って，我々はさまざまな組織に由来するヒトがん細胞株47種について，PTDSS1阻害剤存在下におけるリン脂質組成と増殖能を解析した3）- 3) Omi, J., Kato, T., Yoshihama, Y., Sawada, K., Kono, N., & Aoki, J. (2024) Phosphatidylserine synthesis controls oncogenic B cell receptor signaling in B cell lymphoma. J. Cell Biol., 223, e202212074.
．PTDSS1の阻害によって，由来組織に関係なく多くのがん細胞株ではPS量がおおむね5～8割程度にまで減少するとともに，PSと密接な代謝関係にあるPEについても同程度に減少した．また，後に詳述するが，一部のがん細胞株においてのみホスファチジルイノシトール（PI）の増加がみられた．PS・PEの変化に対して，生存・増殖能に対する影響はさまざまであり，まったく増殖性への影響がみられない細胞株が存在する一方で，前述の上皮系がん細胞株はPTDSS1の抑制によって確かに増殖が遅延する傾向を示した（図1B）．注目すべきは7種のB細胞リンパ腫由来細胞株のうちの4種（Ramos, SU-DHL-6, SU-DHL-2, Jeko-1細胞）がK-Ras変異がん細胞株よりも強いPS依存性を示した点である．COSMICデータベースによると，これらのB細胞リンパ腫株は恒常活性化型K-Ras変異を持たないため，B細胞リンパ腫にはPS合成系を要求する別の生存・増殖機構が備わっていると考えた．
我々はB細胞リンパ腫に特徴的な生存機構としてB細胞受容体（B cell receptor：BCR）に着目した．BCRは膜結合型の免疫グロブリン分子とCD79A/Bの複合体であり，抗原の結合によって架橋されることでホスホリパーゼγ2（PLCγ2）をはじめとする下流エフェクター分子を活性化する．B細胞リンパ腫においては，BCRは抗原非依存的な自発的活性化によって生存へと寄与するが，その一方で過剰なBCRシグナルは細胞死を誘導する二面性を持つ9）．そこで，PLCγ2の下流で作動する小胞体のCa2＋放出を指標として，Ramos細胞におけるBCRシグナルを評価したところ，PTDSS1抑制下では抗原非依存的なBCRの活性化が著しく亢進することを見いだした（図1C）．ゲノム編集によるBCR複合体コンポーネントの欠損，あるいはカルシウム放出の薬理学的阻害によってPTDSS1阻害剤の増殖抑制効果は減弱したことから，PTDSS1抑制下では，異常亢進したBCR依存的な自発的Ca2＋シグナルがRamos細胞の生存能を低下させていることが明らかとなった．
4. PS合成系とイノシトールリン脂質代謝系のリンク
それでは，PS合成系とBCR依存的なCa2＋シグナルはどのようにリンクしているのか．PTDSS1の抑制はBCR複合体コンポーネントの形質膜発現や下流PLCγ2のリン酸化状態にはほとんど影響を及ぼさない一方で，イノシトール三リン酸（IP3）の産生を亢進することを見いだした．IP3はホスファチジルイノシトール4,5-ビスリン酸（PI（4,5）P2）を前駆体としてPLCγ2のホスホリパーゼC活性によって産生され，IP3受容体を開口させることで小胞体からのCa2＋放出を誘導する．そこで，形質膜におけるPI（4,5）P2，ならびにその前駆体であるホスファチジルイノシトール4-リン酸（PI4P）の量を測定したところ，PTDSS1抑制下では特にPI4Pが著増することを見いだした．形質膜においてPI4P産生を担うPI4KIIIαを薬理学的に阻害すると，PTDSS1抑制下で過剰となるBCR依存的Ca2＋シグナルが正常化した．したがって，PTDSS1抑制下では形質膜のPI4Pプールが増大することで，BCR活性化に応じた下流のPI（4,5）P2およびIP3の産生，ならびにCa2＋放出がシグナルフローとして亢進すると考えた．
このようなPSとPI4Pのリンクを説明する分子としてORP5とORP8に着目した．ORP5/8は1回膜貫通型の小胞体タンパク質であり，PHドメインによるPI4Pとの相互作用を介して形質膜-小胞体膜との膜接触場を形成し，脂質輸送ドメインを介してオルガネラ膜間のPS/PI4P交換輸送を担う（図2A）10）- 10) Chung, J., Torta, F., Masai, K., Lucast, L., Czapla, H., Tanner, L.B., Narayanaswamy, P., Wenk, M.R., Nakatsu, F., & De Camilli, P. (2015) INTRACELLULAR TRANSPORT. PI4P/phosphatidylserine countertransport at ORP5- and ORP8-mediated ER-plasma membrane contacts. Science, 349, 428–432.
．通常，小胞体ではホスファターゼによるPI4PからPIへの代謝分解が，一方で形質膜ではPI4KIIIαによるPIからPI4Pへの変換が恒常的に起こっているため，形質膜-小胞体膜間にはPI4Pの濃度勾配が存在する．ORP5/8は濃度勾配に従ってPI4Pを形質膜から小胞体膜へと輸送するとともに，それが駆動力となって小胞体膜から形質膜へのPSの逆向き輸送を推進するため，PI4P代謝系が形質膜のPS量をコントロールすると理解されている．一方で，恒常活性化型のPTDSS1の発現によって形質膜のPI4P量が著減することも明らかとなっており11）- 11) Sohn, M., Ivanova, P., Brown, H.A., Toth, D.J., Varnai, P., Kim, Y.J., & Balla, T. (2016) Lenz-Majewski mutations in PTDSS1 affect phosphatidylinositol 4-phosphate metabolism at ER-PM and ER-Golgi junctions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 4314–4319.
，小胞体において合成されるPSと形質膜において合成されるPI4Pは互いの量をコントロールする密接な関係にある．Ramos細胞においてORP5/8の細胞内局在を観察したところ，PTDSS1抑制下では小胞体から形質膜への著明な局在変化を示した（図2B）．このような局在変化はPI4KIIIαの阻害によって正常化したことから，PS合成系の抑制によってPI4Pの小胞体膜への輸送活性が低下し，形質膜にPI4Pが蓄積すると考えた．そこで，ORP5/8を二重欠損するRamos細胞を作製したところ，PTDSS1抑制時と同方向の表現型として，総PI4P量の増加とともにBCR依存的Ca2＋シグナルの亢進がみられた（図2C）．しかしながら，いずれの指標についてもPTDSS1抑制時と比較すると増加幅は限定的であったことから，PSとPI4Pをリンクする他の分子機構の関与が想定された．
前半で述べたとおり，一部のがん細胞株はPTDSS1抑制時にPI量の増加を示し，強いPS依存性を示す4種のB細胞リンパ腫もまたそのような応答を示す．前駆体であるPIの増加もまたPTDSS1抑制下におけるPI4P量の増加へと寄与しうると考え，PIの代謝系へと着目した．形質膜上においてPIはPIPsへと変換されたのち，PLC反応とリン酸化反応を経ることでホスファチジン酸（PA）にまで変換される．一方，小胞体ではPAを前駆体として2ステップの酵素反応を経てPIが再合成される．このようなPIの代謝回転を担う重要な分子としてNir2/3がある12, 13）- 12) Kim, Y.J., Guzman-Hernandez, M.L., Wisniewski, E., & Balla, T. (2015) Phosphatidylinositol-phosphatidic acid exchange by Nir2 at ER-PM contact sites maintains phosphoinositide signaling competence. Dev. Cell, 33, 549–561.
- 13) Chang, C.L. & Liou, J. (2015) Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate homeostasis regulated by Nir2 and Nir3 proteins at endoplasmic reticulum-plasma membrane junctions. J. Biol. Chem., 290, 14289–14301.
．Nir2/3はPLC経路の活性化に伴って小胞体膜-形質膜の膜接触場へと移行し，形質膜から小胞体膜へのPAの輸送，ならびに小胞体膜から形質膜へのPIの逆向き輸送を行うことで，形質膜におけるPIPsプールの維持に寄与する．そこで，Nir2/3を二重欠損するRamos細胞を作製したところ，PTDSS1抑制下におけるPI量，PI4P量の増加，ならびにBCR依存的Ca2＋シグナルの亢進がいずれもNir2/3の二重欠損によって減弱することを見いだした（図2C）．この結果は，PS合成系の抑制時においてPI/PA交換輸送系が亢進することを示唆している．
以上の知見をまとめると，PTDSS1の抑制時には1）ORP5/8によるPI4P/PS交換輸送の減弱，ならびに2）Nir2/3によるPI/PA交換輸送の亢進が同時に起こることで形質膜におけるPIPsプールが増大し，結果として過剰となるBCR依存的Ca2＋シグナルにより細胞死が誘導されていると考えられる．すなわち，B細胞リンパ腫はBCRという生存・増殖機構のシグナル出力を最適範囲にチューニングするためにPS合成系を起点とするリン脂質代謝系へと強く依存した生存戦略をとるがん細胞種であるといえる．
本稿ではB細胞リンパ腫を一例として，がん細胞の生存におけるPS合成系の意義を紹介した．PS合成系の抑制はPSを枯渇させるのみならず，PEやPI, PIPsなどのさまざまなリン脂質クラスの代謝にまで影響して細胞の膜リン脂質組成を変容させること，B細胞リンパ腫のような特定のがん細胞種ではその変容が生存・増殖において致命的であることが明らかとなった．本知見は，近年提唱されている「さまざまな細胞種に応じて最適な膜リン脂質組成が存在する」とのコンセプトを支持する一例である．また，PS合成系とPI代謝系のように，脂質代謝系にはいまだ理解が及んでいない意外なリンクが存在する．今後のリピドミクス研究の進展によってリン脂質代謝系の全容が明らかになるにつれ，がん創薬の標的となりうる脆弱性もまた新たに見いだされることが期待される．
引用文献References
1) Bi, J., Ichu, T.-A., Zanca, C., Yang, H., Zhang, W., Gu, Y., Chowdhry, S., Reed, A., Ikegami, S., Turner, K.M., et al. (2019) Oncogene amplification in growth factor signaling pathways renders cancers dependent on membrane lipid remodeling. Cell Metab., 30, 525–538.e528.
2) Bunney, T.D. & Katan, M. (2010) Phosphoinositide signalling in cancer: Beyond PI3K and PTEN. Nat. Rev. Cancer, 10, 342–352.
3) Omi, J., Kato, T., Yoshihama, Y., Sawada, K., Kono, N., & Aoki, J. (2024) Phosphatidylserine synthesis controls oncogenic B cell receptor signaling in B cell lymphoma. J. Cell Biol., 223, e202212074.
4) Yoshihama, Y., Namiki, H., Kato, T., Shimazaki, N., Takaishi, S., Kadoshima-Yamaoka, K., Yukinaga, H., Maeda, N., Shibutani, T., Fujimoto, K., et al. (2022) Potent and selective PTDSS1 inhibitors induce collateral lethality in cancers with PTDSS2 deletion. Cancer Res., 82, 4031–4043.
5) Kawasaki, A., Sakai, A., Nakanishi, H., Hasegawa, J., Taguchi, T., Sasaki, J., Arai, H., Sasaki, T., Igarashi, M., & Nakatsu, F. (2021) PI4P/PS countertransport by ORP10 at ER–endosome membrane contact sites regulates endosome fission. J. Cell Biol., 221, e202103141.
6) Matsudaira, T., Mukai, K., Noguchi, T., Hasegawa, J., Hatta, T., Iemura, S.I., Natsume, T., Miyamura, N., Nishina, H., Nakayama, J., et al. (2017) Endosomal phosphatidylserine is critical for the YAP signalling pathway in proliferating cells. Nat. Commun., 8, 1246.
7) Inoue, C., Mukai, K., Matsudaira, T., Nakayama, J., Kono, N., Aoki, J., Arai, H., Uchida, Y., & Taguchi, T. (2023) PPP1R12A is a recycling endosomal phosphatase that facilitates YAP activation. Sci. Rep., 13, 19740.
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9) Kume, K., Chen, L., Lee, J., & Müschen, M. (2019) Autonomous Ca2+ oscillations reflect oncogenic signaling in B-ALL cells. Blood, 134(Supplement 1), 1253.
10) Chung, J., Torta, F., Masai, K., Lucast, L., Czapla, H., Tanner, L.B., Narayanaswamy, P., Wenk, M.R., Nakatsu, F., & De Camilli, P. (2015) INTRACELLULAR TRANSPORT. PI4P/phosphatidylserine countertransport at ORP5- and ORP8-mediated ER-plasma membrane contacts. Science, 349, 428–432.
11) Sohn, M., Ivanova, P., Brown, H.A., Toth, D.J., Varnai, P., Kim, Y.J., & Balla, T. (2016) Lenz-Majewski mutations in PTDSS1 affect phosphatidylinositol 4-phosphate metabolism at ER-PM and ER-Golgi junctions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 4314–4319.
12) Kim, Y.J., Guzman-Hernandez, M.L., Wisniewski, E., & Balla, T. (2015) Phosphatidylinositol-phosphatidic acid exchange by Nir2 at ER-PM contact sites maintains phosphoinositide signaling competence. Dev. Cell, 33, 549–561.
13) Chang, C.L. & Liou, J. (2015) Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate homeostasis regulated by Nir2 and Nir3 proteins at endoplasmic reticulum-plasma membrane junctions. J. Biol. Chem., 290, 14289–14301.
著者紹介Author Profile
近江 純平（おうみ じゅんぺい）東京大学大学院薬学系研究科衛生化学教室 特任助教．博士（理学）．
略歴1992年兵庫県生まれ．2014年同志社大学生命医科学部卒業．19年同大学院生命医科学系研究科博士後期過程修了，現所属において特任助教，学振PD研究員（20～23年）を経て24年より現職．
研究テーマと抱負計測技術と操作技術の両方を活かして細胞におけるリン脂質多様性の意義の解明に取り組んでいます．
ウェブサイトhttps://sites.google.com/view/eiseikagaku-jp/
趣味水泳・野球観戦．
