ALSのiPS細胞を用いたマルチオミックス解析とiPSC創薬起点の臨床試験

//背景//ーー
アルツハイマー病、パーキンソン病、認知症などの
神経変性の疾患は
他者が客観的に知覚できる機能を
脳神経が主に担っている事から
疾患の進行度というのが目に見えてわかります。
長らく記事にできていなかった
筋萎縮性側索硬化症(ALS)においても同様です。
運動障害、構音障害、嚥下障害、呼吸障害などが
少しずつ進んでいくといわれています。
中には十数年かけてゆっくり進行していく患者さんもいます。
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現時点では一旦脳の機能に障害がでると
上述した他の疾患のように完治することはないので、
できるだけ初期の段階で、病変に気付いて
それ以上進行しないようにすることが治療の王道となります。
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ALSに関しては遺伝性のfALSに関しては
高い頻度でC9orf72遺伝子の変異がみられることがわかっていることから
その遺伝子をオフにするアンチセンス遺伝子治療が
現在、臨床試験中です(2,3)。
(clinicaltrials.gov: NCT03626012)
しかしながら、ALSの90-95%は遺伝性ではない
散発的なSporadic ALS(sALS)となっています。
上述した遺伝性のfALSは全体の5-10%にすぎません(4)。
従って、遺伝性ではないsALSの遺伝子的な特徴を把握する事は
非常に重要になっています。
--
しかし、脳神経の場合は、神経を傷つけるわけにはいかないので
患者さんの脳神経特異的な生検を得る事は難しいとされています(1)。
その乖離、壁を乗り越えるための効果的なツールとして
Emily G. Baxi氏らも利用している
人多能性幹細胞技術であるiPS細胞技術があります。
--
今回、Emily G. Baxi(敬称略)らは
今まで未知とされていた
多くを占める遺伝性ではないsALSも含めた
ゲノミクス、
トランスクリプトミクス、
ATAC-seq
　Assay for Transposase-Accessible Chromatin with 
　high-throughput sequencing
プロテオミクス
これらのマルチオミックス解析
を患者さんのiPSの脊髄神経細胞から行われています。
また、臨床状況と関連付けるため
スマートフォンなども活用して、
身体の機能評価(ALS Functional Rating Scale)も
同時に実施されています(1)。
今回対象とされた患者さんは1000人以上と大規模です(1)。
プロジェクト名はAnswer ALSとされています。
--
本日は大規模分析から抽出された遺伝子的な情報と
タンパク質の情報を抜き出し、
遺伝子に対して詳しい調査を行いました。
その内容と、
iPSC創薬によって一部身体機能評価において
進行を止めることができた臨床結果にについて
読者の方と情報共有したいと思います。

//ゲノミクスによる関連する遺伝子//ーー
以下、12種類の関連性の深い遺伝子異常が抽出されました。
-----
ALS2,  
ALS関連遺伝子
--
CCNF,  
細胞サイクルの遷移を制御する遺伝子。
ALSとの関連性が指摘されています(5)。
--
CHCHD10,  
ミトコンドリア疾患と関わる遺伝子。
ミトコンドリアと関連があるTDP43蓄積と
ALSの進行の関係から、それとの関連が疑われます(6)。
--
FUS,  
転写因子活性化。タンパク質、RNAとの結合性に関与。
ALSの原因遺伝子の1つ。
--
OPTN,  
細胞死、炎症、血管収縮に関わる。
細胞内外の物質の交換、細胞の表面形状に関わる。
ALSとの関連が指摘されています(7)。
機能に細胞の表面形状がありますが、
神経細胞においては神経のつながりを示す
軸索の形成に影響を与えているかもしれません。
--
PFN1,  
細胞内のアクチンの重合体化に関わる遺伝子。
ALSとの関連性が指摘されています(8)。
--
SOD1,  
スーパーオキシドラジカルを分解する遺伝子。
これに異常がでると8-OHdGが蓄積して
ALS発症と関係すると考えられています。
--
TARDBP, 
TDP-43は(神経細胞の)DNAとRNAを結びつけ、
転写抑制、Pre-mRNA スプライシング、
翻訳調節において複数の機能を持ちます。
M337V変異とQ331K変異はALSと関連しています(10)。
--
TBK1, 
免疫機能やサイトカインなど
様々な信号経路と関連している遺伝子です。
ALSとの関連も指摘されています(11)。
--
UBQLN2,  
プロテアソームとユビキチンリガーゼと関連する遺伝子.
fALSとの関連性も指摘されています。
--
VAPB  
血中や細胞内小胞被膜タンパク質と関わる遺伝子。
ALSとの関連が指摘されています(12)。
--
VCP
タンパク質の質の制御、クロマチン関連機能、
細胞膜融合、信号連携などに関わる遺伝子。
ALSとの関連が指摘されています(13)。
-----
これら12個のALSとの関連が指摘されている遺伝子異常が
今回の大規模遺伝子調査で患者さん由来のiPS細胞から
作製した脊髄神経細胞から抽出されました(1)。
-----
ALS関連遺伝子であるC9orf72, ATXN2
これらが繰り返し構造を作る
遺伝子異常拡張構造が確認されています(1)。
-----
HNRNPA2B1の結合が確認されています。
これもALSと関連が指摘されている遺伝子異常です(14)。
-----
ALSの患者さんに多く発現されていたタンパク質として
ECH1 and PCKGM
これらがあります。
(参考文献(1) Fig. 5d) 

//iPSC創薬について//ーー
Emily G. Baxi氏らもDiscussionの中で、
ALS患者さんから取り出したiPS細胞から
効果的な薬剤を探す取り組みが重要であるとされています(1)。
これに関して
京都大学iPS細胞研究所（CiRA）の井上治久(敬称略)らは
慢性骨髄白血病につかわれるボスチニブが
iPS細胞による薬剤スクリーニングで効果があったことから
実際のALS患者さんに対して第一相試験を行われています(18)。
その結果、9人中5人の患者さんで
ボスチニブ投与中3か月の期間において
運動機能指数の維持が確認され
進行が停止したことが示されています。
全体を通しての有害事象としては
下痢、肝機能障害などがみられています。
この薬は細胞増殖などを止める
チロシンキナーゼ阻害薬となっています。
このようなチロシンキナーゼ阻害薬とALSの
関係についてはいくつかの報告があります(15-17)。

//筆者の視点//ーー
ALSを含む神経変性の疾患において、
進行を遅らせる、停止させることはできても
なぜ回復させる事ができないのか？
それは一つの未解決問題です。
例えば、
大人になってゴルフを始めれば、
練習をすれば、ゴルフ特異的な運動機能は向上します。
しかし、子供の頃にすれば、
もっとスムーズに上達するという事は考えられます。
基本的な言葉の習得は
第一外国語の場合は大人になって習得するプロセスと
子供のプロセスは異なると言われます。
それも言語機能の改善ではあります。
この発達依存的な違いはどこにあるのか？
このような可塑性のある機能改善は
ALSでの指標となる機能とは根本的の異なるのか？
Emily G. Baxi氏らが行っているように
身体の機能評価(ALS Functional Rating Scale)と
マルチオミックス解析を紐づけて考えることで
上述した問いの"Answer"になるのか？
脳神経系を医療によって回復させて、
その出力である身体の機能評価の改善につなげることができたら
また、その科学的なつながりを理解する事が出来たら、
他のアルツハイマー病、パーキンソン病
認知症などの神経変性の疾患も同様に不治の病では
なくなる可能性があります。
井上氏らが目標として掲げているように
機能回復できたら脳神経疾患の治療において
大きなブレークスルーであると考えられます。

(参考文献)
(1)
Emily G. Baxi, Terri Thompson, Jonathan Li, Julia A. Kaye, Ryan G. Lim, Jie Wu, Divya Ramamoorthy, Leandro Lima, Vineet Vaibhav, Andrea Matlock, Aaron Frank, Alyssa N. Coyne, Barry Landin, Loren Ornelas, Elizabeth Mosmiller, Sara Thrower, S. Michelle Farr, Lindsey Panther, Emilda Gomez, Erick Galvez, Daniel Perez, Imara Meepe, Susan Lei, Berhan Mandefro, Hannah Trost, Louis Pinedo, Maria G. Banuelos, Chunyan Liu, Ruby Moran, Veronica Garcia, Michael Workman, Richie Ho, Stacia Wyman, Jennifer Roggenbuck, Matthew B. Harms, Jennifer Stocksdale, Ricardo Miramontes, Keona Wang, Vidya Venkatraman, Ronald Holewenski, Niveda Sundararaman, Rakhi Pandey, Danica-Mae Manalo, Aneesh Donde, Nhan Huynh, Miriam Adam, Brook T. Wassie, Edward Vertudes, Naufa Amirani, Krishna Raja, Reuben Thomas, Lindsey Hayes, Alex Lenail, Aianna Cerezo, Sarah Luppino, Alanna Farrar, Lindsay Pothier, Carolyn Prina, Todd Morgan, Arish Jamil, Sarah Heintzman, Jennifer Jockel-Balsarotti, Elizabeth Karanja, Jesse Markway, Molly McCallum, Ben Joslin, Deniz Alibazoglu, Stephen Kolb, Senda Ajroud-Driss, Robert Baloh, Daragh Heitzman, Tim Miller, Jonathan D. Glass, Natasha Leanna Patel-Murray, Hong Yu, Ervin Sinani, Prasha Vigneswaran, Alexander V. Sherman, Omar Ahmad, Promit Roy, Jay C. Beavers, Steven Zeiler, John W. Krakauer, Carla Agurto, Guillermo Cecchi, Mary Bellard, Yogindra Raghav, Karen Sachs, Tobias Ehrenberger, Elizabeth Bruce, Merit E. Cudkowicz, Nicholas Maragakis, Raquel Norel, Jennifer E. Van Eyk, Steven Finkbeiner, James Berry, Dhruv Sareen, Leslie M. Thompson, Ernest Fraenkel, Clive N. Svendsen & Jeffrey D. Rothstein
Answer ALS, a large-scale resource for sporadic and familial ALS combining clinical and multi-omics data from induced pluripotent cell lines
Nature Neuroscience (2022)
---
Author information
Affiliations
Brain Science Institute, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA
Emily G. Baxi, Alyssa N. Coyne & Jeffrey D. Rothstein
Department of Neurology, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA
Emily G. Baxi, Alyssa N. Coyne, Elizabeth Mosmiller, Lindsey Hayes, Aianna Cerezo, Omar Ahmad, Promit Roy, Steven Zeiler, John W. Krakauer, Nicholas Maragakis & Jeffrey D. Rothstein
On Point Scientific Inc., San Diego, CA, USA
Terri Thompson
Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Jonathan Li, Divya Ramamoorthy, Aneesh Donde, Nhan Huynh, Miriam Adam, Brook T. Wassie, Alex Lenail, Natasha Leanna Patel-Murray, Yogindra Raghav, Karen Sachs, Tobias Ehrenberger & Ernest Fraenkel
Center for Systems and Therapeutics and the Taube/Koret Center for Neurodegenerative Disease, Gladstone Institutes and the Departments of Neurology and Physiology, University of California, San Francisco, San Francisco, CA, USA
Julia A. Kaye, Leandro Lima, Stacia Wyman, Edward Vertudes, Naufa Amirani, Krishna Raja, Reuben Thomas & Steven Finkbeiner
UCI MIND, University of California, Irvine, CA, USA
Ryan G. Lim, Ricardo Miramontes & Leslie M. Thompson
Department of Biological Chemistry, University of California, Irvine, CA, USA
Jie Wu & Leslie M. Thompson
Advanced Clinical Biosystems Research Institute, The Barbra Streisand Heart Center, The Smidt Heart Institute, Cedars-Sinai Medical Center, Los Angeles, CA, USA
Vineet Vaibhav, Andrea Matlock, Vidya Venkatraman, Ronald Holewenski, Niveda Sundararaman, Rakhi Pandey, Danica-Mae Manalo & Jennifer E. Van Eyk
Cedars-Sinai Biomanufacturing Center, Cedars-Sinai Medical Center, Los Angeles, CA, USA
Aaron Frank, Loren Ornelas, Lindsey Panther, Emilda Gomez, Erick Galvez, Daniel Perez, Imara Meepe, Susan Lei, Louis Pinedo, Chunyan Liu, Ruby Moran, Dhruv Sareen & Clive N. Svendsen
Computational Biology Center, IBM T.J. Watson Research Center, Yorktown Heights, NY, USA
Barry Landin, Carla Agurto, Guillermo Cecchi & Raquel Norel
Department of Neurology, Healey Center, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, USA
Sara Thrower, Sarah Luppino, Alanna Farrar, Lindsay Pothier, Hong Yu, Ervin Sinani, Prasha Vigneswaran, Alexander V. Sherman, Merit E. Cudkowicz & James Berry
Technome LLC, Herndon, VA, USA
S. Michelle Farr
The Board of Governors Regenerative Medicine Institute, Cedars-Sinai Medical Center, Los Angeles, CA, USA
Berhan Mandefro, Hannah Trost, Maria G. Banuelos, Veronica Garcia, Michael Workman, Richie Ho, Robert Baloh, Dhruv Sareen & Clive N. Svendsen
Zofia Consulting, Reston, VA, USA
Jennifer Roggenbuck
Department of Neurology and Genetics, Ohio State University Wexner Medical Center, Columbus, OH, USA
Matthew B. Harms, Carolyn Prina, Sarah Heintzman & Stephen Kolb
Department of Psychiatry and Human Behavior and Sue and Bill Gross Stem Cell Center, University of California, Irvine, CA, USA
Jennifer Stocksdale, Keona Wang & Leslie M. Thompson
Texas Neurology, Dallas, TX, USA
Todd Morgan & Daragh Heitzman
Department of Neurology, Emory University, Atlanta, GA, USA
Arish Jamil & Jonathan D. Glass
Department of Neurology, Washington University, St. Louis, MO, USA
Jennifer Jockel-Balsarotti, Elizabeth Karanja, Jesse Markway, Molly McCallum & Tim Miller
Department of Neurology, Northwestern University, Chicago, IL, USA
Ben Joslin, Deniz Alibazoglu & Senda Ajroud-Driss
Microsoft Research, Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA
Jay C. Beavers
Microsoft University Relations, Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA
Mary Bellard & Elizabeth Bruce
Department of Neurobiology and Behavior, University of California, Irvine, CA, USA
Leslie M. Thompson
(2)
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Minwoo Baek, Yun-Jeong Choe, Sylvie Bannwarth, JiHye Kim, Swati Maitra, Gerald W. Dorn II, J. Paul Taylor, Veronique Paquis-Flucklinger & Nam Chul Kim 
TDP-43 and PINK1 mediate CHCHD10S59L mutation–induced defects in Drosophila and in vitro
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https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/pressrelease/news/211001-000000.html