Summary

悪性末梢神経鞘腫瘍細胞におけるフロックス対立遺伝子の Ex vivo アブレーションによる腫瘍形成における遺伝子機能の定義

Published: August 25, 2021
doi:

Summary

ここでは、遺伝子操作されたマウスモデル由来腫瘍において、インビボで胚致死性である遺伝子ノックアウトを行い、そのノックアウトが腫瘍の成長、増殖、生存、遊走、浸潤、およびトランスクリプトームに及ぼす影響をインビトロおよびインビボ評価するためのプロトコルを提示する。

Abstract

ヒトがんの主要タンパク質を正確に標的とする新薬の開発は、がん治療薬を根本的に変えています。しかし、これらの薬剤を使用する前に、それらの標的タンパク質を特定のがんタイプの治療標的として検証する必要があります。この検証は、多くの場合、がんの遺伝子操作マウス(GEM)モデルで治療標的候補をコードする遺伝子をノックアウトし、これが腫瘍増殖にどのような影響を与えるかを決定することによって行われます。残念なことに、従来のノックアウトにおける胚致死性や条件付きノックアウトにおけるモザイク性などの技術的問題により、このアプローチが制限されることがよくあります。これらの制限を克服するために、GEMモデルで生成された悪性末梢神経鞘腫瘍(MPNST)の短期培養において、目的のフロックス胚致死遺伝子を切除するアプローチが開発された。

この論文では、適切な遺伝子型を持つマウスモデルを確立し、これらの動物から短期間の腫瘍培養物を導き出し、Creリコンビナーゼと増強緑色蛍光タンパク質(eGFP)を発現するアデノウイルスベクターを使用して、フロックス胚致死遺伝子をアブレーションする方法を説明します。蛍光活性化細胞選別(FACS)を用いたアデノウイルスを導入した細胞の精製、および遺伝子アブレーションが細胞増殖、生存率、トランスクリプトーム、および同所性同種移植片増殖に及ぼす影響の定量化が詳述される。これらの方法論は、イン ビトロおよびインビボで 治療標的を同定および検証するための効果的かつ一般化可能なアプローチを提供する これらのアプローチはまた、 インビトロ 増殖アーチファクトを減少させた低継代腫瘍由来細胞の再生可能な供給源を提供する。これにより、セクレトームによって媒介される遊走、浸潤、転移、細胞間通信などの多様な生物学的プロセスにおける標的遺伝子の生物学的役割を研究することができる。

Introduction

過去20年以前、ヒトのがんの治療は、DNAを損傷したり、DNA合成を阻害したりすることによって急速に増殖する細胞集団を広く標的とする放射線療法および化学療法剤に大きく依存していました。これらのアプローチは癌細胞の増殖を阻害したが、腸上皮細胞や毛包細胞などの正常な急速に増殖する細胞型にも有害な副作用をもたらした。より最近では、がん治療は、個々の患者の新生物の増殖にとって決定的に重要なシグナル伝達経路内のタンパク質を正確に標的とする化学療法剤を利用し始めている。一般に「プレシジョンメディシン」と呼ばれるこのアプローチは、モノクローナル抗体と小分子阻害剤のレパートリーの拡大を続ける開発につながっています。これらの薬剤は、腫瘍細胞の増殖および生存を効果的に阻害する一方で、従来の化学療法剤および放射線療法で見られる正常な細胞型に対する有害な副作用を回避する。ヒト癌の治療に使用されるモノクローナル抗体は、最も一般的には、成長因子受容体1(例えば、膜貫通受容体チロシンキナーゼの大ファミリー)および免疫応答モジュレーター2(例えば、プログラム細胞死タンパク質1、プログラム死リガンド1)などの細胞表面分子を標的とする。小分子阻害剤は、細胞内に位置する細胞表面タンパク質またはシグナル伝達タンパク質のいずれかを阻害することができる3。しかしながら、これらの新しい治療薬を効果的に採用するためには、特定の癌が候補治療薬によって標的とされている分子に依存していることを確立しなければならない。

これらの新しい治療薬はより焦点を絞った効果を有するが、それらの多くは依然として複数のタンパク質の作用を阻害する。さらに、異なる有効性および特異性を有する複数の薬剤が、特定のタンパク質を標的とするためにしばしば利用可能である。したがって、前臨床研究中には、遺伝子アブレーションなどの追加のアプローチを使用して、候補タンパク質を治療標的として検証することが賢明です。治療標的としてのタンパク質を検証するための特に有用なアプローチの1つは、目的の特定の癌タイプを発症する遺伝子操作動物モデルにおいて候補タンパク質をコードする遺伝子をアブレーションすることである。このアプローチは、ヌル変異(自然突然変異、遺伝子操作されたヌル突然変異[ノックアウト]、または遺伝子トラップによって導入されたヌル突然変異のいずれか)を有するマウスが利用可能であり、マウスが成体期まで生存可能である場合、比較的単純であり得る。残念なことに、これらの基準を満たすヌル変異を有するマウスは、典型的には、ヌル突然変異が胚性または出生後の最初の日に死をもたらすため、しばしば利用できない。このような状況では、目的の腫瘍タイプを発症しやすいマウスを、目的の遺伝子の主要セグメントがloxPサイトによって隣接しているマウス(「floxed」)に交配することができ、これにより、Creリコンビナーゼを発現する導入遺伝子を腫瘍細胞に導入することによって遺伝子をアブレーションすることができる(条件付きノックアウト)。このアプローチには、いくつかの利点があります。第1に、従来のノックアウトで死をもたらした細胞型では発現しない腫瘍では発現するCreドライバーが利用可能な場合、このアプローチは候補治療標的を潜在的に検証することができる。第2に、腫瘍細胞では候補タンパク質をコードする遺伝子をアブレーションするが、腫瘍関連線維芽細胞や免疫細胞などの他の腫瘍内要素ではアブレーションしないことで、研究者は治療標的の細胞自律効果と非細胞自律効果を区別することができる。最後に、タモキシフェン誘導性Creドライバー(CreERT2)により、研究者は腫瘍発生のさまざまな段階で目的の遺伝子を削除し、候補治療薬が有効である可能性が最も高いウィンドウを定義することができます。

残念なことに、GEMモデルで生じる腫瘍における条件付きノックアウトの使用を制限する可能性のある技術的な問題もあります。例えば、腫瘍細胞で発現され、生命に不可欠な正常細胞における遺伝子欠失を回避するCreドライバは利用できない可能性がある。過小評価されるかもしれないもう一つの問題は、CreおよびCreERT2 ドライバーがしばしばマウスのフロックス対立遺伝子を可変的にアブレーションし、GEM癌におけるヌル変異のモザイク性をもたらすことである。これが起こると、標的遺伝子がアブレーションされていない腫瘍細胞は急速に増殖し続け、アブレーションされた対立遺伝子を有する腫瘍細胞を過剰増殖させる。Creドライバラインにおけるモザイク作用は、標的とする系統における非ユビキタスなCre発現、およびCre発現4とは無関係の個々の細胞における組換えの失敗によって起こり得る。これは、細胞型に依存するCreドライバの既知の現象であり、実験計画およびデータ解釈中に考慮されるべきである。モザイクはノックアウトの効果を隠し、目的の遺伝子が腫瘍細胞の増殖および/または生存に不可欠ではなく、したがって有効な治療標的ではないと誤って結論付ける研究者を導く可能性がある。

これらの問題のいくつかは、受容体型チロシンキナーゼerbB4がMPNST細胞における潜在的な治療標的であるかどうかを決定しようとした以前の研究で遭遇した5。これらの研究では、シュワン細胞特異的ミエリンタンパク質ゼロプロモーターの制御下でノイレグリン-1(NRG1)アイソフォームグリア増殖因子-β3(GGFβ3)をコードする導入遺伝子を発現するマウス(P0-GGFβ3マウス)を用いた。P0-GGFβ3マウスは、常染色体優性腫瘍感受性症候群神経線維腫1型(NF1)6の患者に見られる神経線維腫の病因および神経線維腫-MPNST進行の過程を反復するプロセスを介してMPNSTになるために進行する複数の神経線維腫を発症する。Trp53ヌル変異を有するマウスに交配すると、P0-GGFβ3を生じる;Trp53+/-マウスはcis-Nf1+/に見られるようにMPNSTをde novoで発症する。Trp53+/- マウス。

これらのMPNSTは、ヒトに見られる世界保健機関(WHO)グレードIIからWHOグレードIV病変への進行を要約する7。P0-GGFβ3マウスにおいて、MPNST(58%)は三叉神経(58%)および脊髄背側神経根(68%)の既存の叢状神経線維腫内で生じる7;P 0-GGFβ3において生じるMPNSTと;Trp53+/-マウスは非常によく似た分布を有する。ヒトでは、MPNSTは坐骨神経で最も一般的に発生し、続いて上腕神経叢、脊髄神経根、迷走神経、大腿骨、中央値、仙骨神経叢、膝窩閉塞器、および後脛骨および尺骨神経が続く8。これらのGEMモデルにおけるこの腫瘍分布は、ヒトで見られるものとは多少異なる。しかしながら、P0-GGFβ3およびP0-GGFβ3において生じるMPNST;Trp53+/-マウスは組織学的にヒトMPNSTと同一であり、ヒトMPNSTに見られるのと同じ変異の多くを有し、NF1患者に見られる神経線維腫-MPNST進行の過程を再現する。P0-GGFβ3またはP0-GGFβ3の生成;Erbb4-/-であったTrp53+/-マウスは、2つのErbb4ヌル対立遺伝子を有するマウスが胚発生日10.5で子宮内で死亡し、心臓欠損に続発したため、実現不可能であった9。心臓特異的Erbb4導入遺伝子(α-ミオシン重鎖(MHC)-Erbb4)を導入することによって心臓におけるErbb4発現を救出することは、生存可能なErbb4-/-マウス10をもたらすので、複雑なP0-GGFβ3を有するマウスの生成;Trp53+/-;α-MHC-Erbb4;Erbb4-/-遺伝子型が試みられた。

しかし、交配は期待されたメンデル比でマウスを産生せず、所望の遺伝子型が有害であったことを示している。したがって、P0-GGFβ3の生成;フロックス処理Erbb4対立遺伝子11およびCreERT2ドライバーを有するTrp53+/-マウスは、これらのマウスにおいて生じるMPNSTにおけるErbb4欠失を可能にすることを試みた。これらの動物では、無傷のErbb4対立遺伝子を有する多数の腫瘍細胞が依然として存在していた(モザイクシズム)。観察されたモザイクは、非効率的なタモキシフェン送達に起因する可能性があり、その結果、組織内の組換え効率に差が生じた。自発的な代償機構の可能性は、Erbb4発現の要件をバイパスすることによって、タモキシフェン媒介性組換えにおけるモザイクズムにさらに寄与する可能性がある。Trp53の喪失は、腫瘍細胞を、データの解釈を混乱させる可能性のある追加の自発的な「許容的」突然変異の影響を受けやすくすることは可能である。Erbb4インタクトなMPNST細胞が他の腫瘍細胞でErbb4を切除することの結果を隠す可能性が高いと思われたので、このアプローチは放棄された。

これらの障害は、CreリコンビナーゼおよびeGFPを発現するアデノウイルスを用いてMPNST細胞の非常に初期の継代においてErbb4をアブレーションするための方法論の開発につながった。これらの細胞は、アブレーションされたErbb4遺伝子のモザイク性を著しく減少させるFACSを使用して非感染細胞から分離することができる。以下、これを達成するために用いられる方法を、インビトロおよびインビボでの遺伝子アブレーションの効果を評価するために使用される方法と共に、記載する。以下のプロトコールは、in vivo同種移植片腫瘍増殖評価の前に、エキソビボ切除のために目的の胚致死遺伝子のフロックス対立遺伝子を有する腫瘍を産生する担癌マウスを製造する方法の例である。これには、Erbb4アブレーションがインビトロでの腫瘍細胞の増殖、生存、および遺伝子発現に及ぼす効果、および同所性同種移植片における増殖、生存、および血管新生を分析するために使用されるアプローチの説明が含まれる。

Protocol

マウスで処置を行う前に、すべての処置は、施設動物管理および使用委員会によって検討および承認されなければならない。この原稿に記載されているプロトコルは、サウスカロライナ医科大学の施設動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。このプロトコルは、MUSCの施設動物ケアガイドラインに従って、適切に訓練された人員によって実施されました。 1. <em…

Representative Results

図4は、P0-GGFβ3を形質導入するときに得られる典型的な結果を示す;Trp53-/+;Ad5CMV-eGFPアデノウイルスまたはAd5CMV-Cre/eGFPアデノウイルスのいずれかを有するErbb4fl/fl MPNST細胞(図4A)。培養物を蛍光顕微鏡で観察してeGFP発現細胞を同定し、位相差顕微鏡で10倍(上)と40倍(下)で同じフィールドに存在する細胞の総数を決定?…

Discussion

ここで紹介する詳細な方法は、MPNSTのGEMモデルを使用して開発されました。しかしながら、目的の腫瘍組織を個々の細胞に分散させることができる場合、これらの方法論は、GEMSにおいて生じる様々な腫瘍タイプに容易に適応可能である。フロックス対立遺伝子が、i)腫瘍をスクリーニングするのに十分なマウスを得ることを困難にする生存率の低下、またはii)十分な担癌マウスを得ることを?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、国立神経疾患・脳卒中研究所(R01 NS048353、R01 NS109655)、国立がん研究所(R01 CA122804)、国防総省(X81XWH-09-1-0086、W81XWH-11-1-0498、W81XWH-12-1-0164、W81XWH-14-1-0073、およびW81XWH-15-1-0193)、および小児腫瘍財団(2014-04-001および2015-05-007)からの助成金によって支援されました。

Materials

Ad5CMV-eGFP Gene Transfer Vector Core, Univ of Iowa VVC-U of Iowa-4
Ad5CMVCre-eGFP Gene Transfer Vector Core, Univ of Iowa VVC-U of Iowa-1174
alexa 568 secondary antibody Thermo/Fisher GaR A11036
Bioconductor Open Source Software for Bioninformatics Bioconductor http://www.bioconductor.org alternative statistical analysis tool used for step 4.4
CD31 Abcam ab28364
Celigo Image Cytometer Nexcelom Bioscience N/A
Cell Stripper Corning 25-056-Cl mixture of chelators
DAB staining kit Vector Labs MP-7800
DAVID (Database for Annotation, Visualization, and Integrated Discovery) DAVID https://david.ncifcrf.gov functional enrichment analysis software used for step 4.5
DMEM Corning 15-013-Cl
DreamTaq and Buffer (Genotyping PCR) Thermo/Fisher EP0701 and K1072
erbB4 antibodies Santa Cruz sc-284
erbB4 antibodies Abcam ab35374
erbB4 antibodies Millipore HFR1: 05-1133
FACS Sorter BD Biosciences Aria II
Forskolin Sigma F6886
GenomeSpace Tools and Data Sources GenomeSpace https://genomespace.org/support/tools/ general resource for several types of open source bioinformatic tools for step 4.5
Glutamine Corning 25-005-Cl
Gorilla Gene Ontology enRIchment anaLysis and visuaLizAtion tool Gorilla N/A, http://cbl-gorilla.cs.technion.ac.il functional enrichment analysis software used for step 4.5
GSEA Gene Set Enrichment Analysis Broad Institute N/A, https://www.gsea-msigdb.org/gsea/index.jsp functional enrichment analysis software used for step 4.5
HSD: Athymic Nude-FOxn1nu mice Envigo (Previously Harlan Labs) 69
Illumina HiSeq2500 (next generation DNA sequencer) Illumina Hi Seq 2500 DNA sequencer used for step 4.2
Lasergene: ArrayStar Gene expression and variant analysis DNAStar LaserGene software N/A software statistical and normalization analysis used for step 4.4
Lasergene: SeqMan NGen sequence alignment assembly software alignment used for step 4.3 N/A software alignment used for step 4.3
Matrigel, low growth factor basement membrane matrix Corning 354230
NRG1-beta In house Generated by SLC, also commercially available from R & D Systems(396-HB-050/CF).
Nuclear Stain Hoeschst 33342 Thermo 62249
Panther Gene Ontology Classification System Panther http://pantherdb.org functional enrichment analysis software used for step 4.5
Partek (BWA aligner and analyzer) Partek, Ver 7 N/A software alignment and statistical/normalization used for step 4.3
Pen/Strep Corning 30-002-Cl
Primer 1: 5′-CAAATGCTCTCTCTGTTCTTTGT
GTCTG- 3′
Eurofins Genomics Primer 1 + 2: 250 bp ErbB4 null product and a 350 bp Floxed ErbB4 product;
Primer 2: 5′-TTTTGCCAAGTTCTAATTCCATC
AGAAGC-3′
Eurofins Genomics Primer 1 + 2: 250 bp ErbB4 null product and a 350 bp Floxed ErbB4 product;

Primer 3: 5′-TATTGTGTTCATCTATCATTGCA
ACCCAG-3′

Eurofins Genomics Primer 1 + 3: 350 bp wild-type ErbB4 product.
Propidium Iodine Fisher 51-351-0
Proteom Profiler Phospho-Kinase Arrays R&D Systems ARY003B
Real time glo Promega G9712 bioluminescent cell viability assay
ToppGene Suite ToppGene https://toppgene.cchmc.org functional enrichment analysis software used for step 4.5
Trizol (acid-quanidinium-phenol and choloroform based reagent) Invitrogen 15596026
Tyramide Signal Amplification Kit Perkin Elmer NEL721001EA

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Cite This Article
Longo, J. F., Brosius, S. N., Carroll, S. L. Defining Gene Functions in Tumorigenesis by Ex vivo Ablation of Floxed Alleles in Malignant Peripheral Nerve Sheath Tumor Cells. J. Vis. Exp. (174), e62740, doi:10.3791/62740 (2021).

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