成果報告書詳細
管理番号20160000000030
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 健康安心イノベーションプログラム 後天的ゲノム修飾のメカニズムを活用した創薬基盤技術開発
公開日2016/2/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人東京大学 エピゲノム技術研究組合
プロジェクト番号P10005
部署名ロボット・機械システム部
和文要約エピゲノムという「ゲノムに加えられた後天的な化学修飾」の制御を通して新たな創薬分野を開拓することを目指すプロジェクトである。既にDNAメチル化、ヒストンアセチル化についてはDNAメチル化阻害剤、ヒストン脱アセチル化阻害剤が抗腫瘍薬として開発されてきた。一方、近年のエピゲノム解析技術の進歩により多彩なエピゲノム修飾が存在することが解明されつつある。例えば、DNA脱メチル化におけるヒドロキシメチルシトシンの役割の解明をはじめとして、ヒストンやDNAの脱メチル化機構について明らかにされたのはまさにこの十年間のことである。そこで疾患を特徴付けるような「後天的」修飾を同定し、制御する治療法は新たな創薬分野となり、エピジェネティクス研究はまさに疾患研究の重要な一分野となっている。一方、ゲノム、プロテオーム解析において次世代シーケンサーや高感度質量分析装置などの技術革新の速度はますます加速化しつつあり、一企業がキャッチアップすることは困難であり、先進的解析技術および成果をイノベーションに生かしていくためにはアカデミアが果たすべき役割が大きい。また、「京」等のペタフロップスコンピュータの開発をはじめとする計算科学の進歩に伴い、分子動力学による立体構造予測が実用的レベルにまで達しつつある。これら産官学のリソースを集中研に結集したオープンイノベーション体制からfirst in classの医薬品開発を目指すプロジェクトである。これまでに、参画企業4社から常時10名程度の研究者が集中研において研究を実施してきた。各年実施の運営会議でのコメント・意見でも、基盤的な技術開発と並行し創薬・診断薬開発を目指すべきとあり、「がん」に注力して創薬標的や診断薬マーカーの探索、評価を行った。以上の目的のためには良質なヒト腫瘍検体の確保および解析が必須であり、病理学教室に長年保存されたアーカイブである組織標本の利用に加え、創薬研究に繰り返し利用するにあたり、よりヒトの腫瘍検体に近い材料としてゼノグラフトの系統的樹立を行った。創薬プロセスにおけるバイオマーカーの重要性が最近注目されている。エピゲノム標識、とくにDNAメチル化の異常パターンは前癌病変である腺腫の段階で既に形成されていることを明らかにし、数十万に及ぶCpGサイトを半定量的に測定可能なマイクロアレイの開発を支援し、スクリーニングマーカーとしてのDNAメチル化マーカー開発を14癌種において進めた。また、数十に及ぶヒストン修飾を個別に測定する技術は次世代シーケンサーを用いて確立されてきた一方で、個別のヒストン分子でどのような修飾が組み合わされているかについては適切な解析技術がなかった。この解析法について高感度LC/MS/MSを用いた手法を確立し、数十種類の組み合わせパターンが細胞周期を通じてダイナミックに変動することを見いだした。当初、実証的探索研究としてかかげた4標的分子を含めて合計11分子の機能解析を行った。とりわけ、標的分子の妥当性の検証には標的分子の活性阻害活性を有する分子が腫瘍に与える影響を知ることが重要である。3分子についてはin silico創薬手法を用いてシード化合物が得られ、さらに共結晶化も試みた。また、2分子で従来型のHTS、4分子で結合ペプチドスクリーニングを実施した。
英文要約The aim of this project is to establish various novel technologies for the acceleration of diagnostic and drug discovery based on epigenomic modifications in cancer. Inhibitory drugs have been developed to inhibit DNA methylation and histone acetylation in cancer. Recent advancement in epigenomic analysis technology has revealed the presence of various epigenetic modifications. For example, demethylation processes of methylcytosine and histones, i.e. the role of hydroxymethylation by TET enzymes, was not elucidated until the last decade. Epigenomics research has become a relevant part of the medical research, while it has quickly generated a new area for drug development, where identification of disease specific epigenetic modifications and development of compounds to regulate such modifications are actively studied. Since, in genomics and proteomics research, technology progress in next generation sequencing and ultra-sensitive mass spectrometry has been so rapid, it become difficult for an individual company to catch up with novel technology. Academia should play a crucial role in translation of basic research into medical innovation. By establishing open innovation environment supported by public funding, industry and academia in the central laboratory, this project will aim to develop a first_in_class drug or biomarkers. Four companies actively participated in the research and development, with more than 10 full-time scientists. Following the recommendation from the steering committee meeting held annually that, besides technology development, such technologies should be applied to develop therapeutic drugs and diagnostic tests in cancer, discovery and validation of therapeutic targets and diagnostic markers were carried out. High quality clinical tissue specimens were required for this process, so in addition to archival specimens in pathology department of the hospital, patient-derived xenografts were established directly from tumor tissues to test tumors repeatedly in preclinical research. Biomarkers have become important in the drug development process. Among epigenetic modifications, aberrant DNA methylation was found to be present in the stage of adenoma, a precancerous lesion. We provided assistance in designing the microarray that can semi-quantitatively measure the DNA methylation status of more than 450K CpG islands, and developed DNA methylation markers as a screening in 14 cancer types. Methods to measure dozens of histone modifications individually were available, however, a sensitive method with a smaller number of cells was developed. Furthermore, ultrasensitive LC/MS/MS was used to detect a combination of histone modification and revealed the dynamic changes of histone modification throughout the cell cycle. Functional analysis of eleven target molecules, including 4 molecules listed in the beginning of the project, was performed. For target validation, molecules with inhibitory effect against the targets should be developed to see their effects on tumor. For 3 targets, seed compounds were designed by in silico method and used for co-crystallization with the target molecule. Conventional high throughput compound library screening and binding peptide screening were carried out for 2 and 4 targets, respectively.
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