表現型プロファイリング：アクチンに焦点を当てたがん治療 CYTOSKELETON NEWS 2019年12月号

アクチンは哺乳動物の細胞骨格に必須の構成成分であり、細胞増殖、運動性、輸送、および、分裂といった多数の生理学的機能に関与しています。これらの基本的な機能には、アクチンを基盤とする神経突起（例えば、lamellipodia；葉状仮足、Filopodia；糸状仮足）の伸展や退縮と同様にアクチン細胞骨格のリモデリングが必要です。これらは線維状アクチン（F-アクチン）と単量体アクチン（G-アクチン）間の迅速な動的サイクルに依存しています¹⁾。このことに相応して、アクチン細胞骨格ダイナミクスの機能障害は多くのヒト疾患の病態生理学的特徴であり、がんが典型的な例です。このような理由から、アクチンは理論的に考えて魅力的な抗がん治療標的です。しかしながら、実際にはアクチンはその有毒な副作用のため標的としてあまり適切でないことが示されています。その理由として、治療においてアクチンのアイソフォームを区別できないことが挙げられます^{2, 3)}。このため、がん細胞および正常細胞内のアクチンは、アクチンに直接作用するがん治療の影響を受けて様々な臓器系（例えば、心臓や横隔膜）に毒性副作用を引き起こします^{2, 3)}。近年、創薬はアクチンからArp2/3複合体やトロポミオシン（Tpms）のようなアクチン関連構造タンパク質へと移行しています。これらのタンパク質には選択標的を可能にする複数のアイソフォームがあり、毒性副作用を避けられる可能性があるためです^2-4)（Fig. A）。

Fig. A：トロポミオシンアイソフォーム3.1(Tpm3.1)は、がん関連アクチン結合タンパク質です。Tpm3.1のN末端断片の結晶構造。PDB ID: 60TN。
Fig. B：Tpm3.1はF-アクチンが非筋肉ミオシンIIおよびADF/コフィリンとどのように相互作用するかを制御する。参考文献[12]より引用。

構造タンパク質を標的としたアクチンダイナミクスを制御する薬物の開発には多くの課題があります。合理的な薬物設計を始める前に、機能ドメインマッピングと潜在的な薬物結合ポケットを同定し標的タンパク質の構造知識を取得します³⁾。Arp2/3やTpmsのようなアクチン関連制御タンパク質ではこれらのデータがありません（Fig. A）。完全な構造データがない場合、研究者は標的タンパク質に対する既存の化合物ライブラリを用いて機能阻害する薬物をスクリーニングします³⁾。推定される治療標的の特性は、特に特定のアイソフォームのみが疾患に関連している場合、選択的ターゲティングの可能性を提供する複数のアイソフォームの存在です。さらに、構造的なアイソフォームはより多くの薬物結合ポケットを提供します。これは、別の薬物が潜在的に異なる作用機序を介して同じタンパク質を調節できることを意味します。既存の低分子化合物ライブラリを利用し、アクチン結合タンパク質候補の構造知識の欠如に対処するために採用されている1つの技術は、表現型プロファイリングです³⁾。このスクリーニングプロトコルは、細胞イメージングを利用し、細胞サイズ、形態を含む複数の複雑な細胞構造に化合物がどのように影響するかを測定します。アクチンの場合には、関連する生物学的作用を有する化合物を同定するため、計算および自動画像分析によってフィラメントの詳細な特徴（数、長さ、形状、細胞内分布、シグナル強度）を測定します。さらに、関連する化合物の作用機序が既知の場合、得られた情報はこの化合物をさらに評価し、類似の表現型を有する他の化合物の作用機序を予測するためにも使用されます^{3, 7)}。

Arp2/3複合体およびTpmsは、がん創薬プログラムにおける有望な治療標的です^{3, 8-12)}。Arp2/3の活性は、異なる作用機序を介して異なる薬物によって阻害されます¹¹⁾。Tpmアイソフォームは、アクチン調節薬に対するF-アクチンの感受性を特異的に制御します^{3, 12)}。Tpmsは40以上のアイソフォームがあり、細胞/組織の発生段階において、個々に空間的・時間的局在パターンを示します¹²⁾。アクチン細胞骨格は、アクチンとTpmの共重合体とTpmなしのアクチンの重合体の両方から構成されていますが¹³⁾、最近の研究ではTpmsがヒト細胞のFアクチンの大部分を覆っていることが報告されています¹⁴⁾。Tpmsは、アイソフォーム依存的にアクチンフィラメントの機能的能力を決定します^15-21)（Fig. A）。治療標的としてさらなる研究に適しているタンパク質の重要な特徴のひとつに、がん細胞での活性/発現の特異的な調節があります。Tpmsでは、アイソフォーム3.1は複数のがん細胞株において有意かつ選択的に上方制御されています。それゆえ、特異的に標的化が可能な疾患関連アイソフォームといえます^{2, 14, 22, 23)}（Fig. A）。また、筋肉のTpmsがこのアイソフォームを発現しないため、Tpm3.1を標的とすることで毒性副作用を回避できる点が重要です^{22, 24, 25)}。現在研究されているのは、Tpm3.1の結合ポケット内の異なる分子相互作用を介してTpm3.1を選択的に標的とする構造的に特異的な3つの低分子化合物です^{3, 22, 24, 25)}。

まとめ

新規抗がん治療標的としてアクチン関連構造タンパク質を研究することは、特異的な新しいがん治療法の開発に大きな可能性をもたらしますが、表現型スクリーニングを用いる場合にはいくつかの注意点と方法論的考察があります。例えば、

• 候補細胞株は、高度に保存されたアクチン細胞骨格を有していなければならない。
• アクチン細胞骨格染色は自動化操作に対応しなければならない。
• 異なるアクチン表現型は、特定のスクリーニングセットアップを用いて検出可能でなければならず、複数のパラメータが測定可能でなければならない（例えば、フィラメント数と長さ、細胞の形態と大きさ、F-アクチンの細胞内分布とその異なる構造形態など）。
• 心筋細胞と骨格筋細胞内のアクチンダイナミクスに影響を与えてはならない。³⁾

■ CYTOSKELETON NEWS バックナンバー

• 2020年10月号　紡錘体 - 可視化に向けた新規ツール
• 2020年8月号　細胞膜染色用蛍光プローブ
• 2020年4月号　生細胞におけるF-アクチンプローブ
• 2020年3月号　コロナウイルスと細胞骨格
• 2020年2月号　タウ（Tau）の将来性をMapping
• 2020年1月号　Rho GTPaseによる細胞遊走制御

• 2019年12月号　表現型プロファイリング：アクチンに焦点を当てたがん治療
• 2019年11月号　チューブリンの過剰グルタミル化、ミトコンドリア、神経変性
• 2019年9月号　細胞運動性を制御するために相互作用する膜張力とアクチン細胞骨格
• 2019年8月号　Rac1B、がん、およびRac1
• 2019年7月号　Rhoファミリー GTPases、神経可塑性、およびうつ状態
• 2019年6月号　アクチンメチオニン酸化： 動的制御の次の段階
• 2019年5月号　ミクログリアと神経変性疾患
• 2019年2月号　生細胞画像化に対するCNS疾患や障害

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