Изменение фенотипа раковой клетки

Известно, что должны появляться аномальные опухолевые клетки, которые бесконтрольно размножаются. Эти мутации должны либо активизировать гены, известные как онкогены, чтобы опухоль могла распространиться, либо влиять на гены–супрессоры опухолей, которые отвечают за защитные механизмы в клетке. Это известно достаточно давно. Если появляются такие мутации, а они часто появляются в стволовых клетках, то они вызывают образование опухолей. Но есть интересное наблюдение, что опухолевые клетки растут, даже если у них нет таких мутаций, например, деактивированных генов-супрессоров. Как это работает? Оказалось, что это работает, потому что подавляется экспрессия таких генов. В них нет мутаций, но они и не экспрессируются. Каким образом это происходит?

Давайте вернемся к основам подавления экспрессии генов. В одной известной статье, опубликованной в конце 80-х, было написано, что исследователи из Балтимора изучали опухоли толстой кишки человека. Они обнаружили, что она развивается в несколько этапов. Сначала образуется полип за счет пролиферации клеток. Эта группа обнаружила, что общий уровень метилирования генома в таких полипах был понижен, гипометилирован. Был сделан вывод, что гипометилирование может быть первым и необходимым шагом на пути к образования злокачественной опухоли. Это было очень важное и интересное исследование. Мы работаем с мышами и ввели в основной энзим, участвующий в мителировании ДНК-метилтрансферазу. Если в организме нет метил-трансферазы, то он умирает, но можно создать мышей, у которых будет только одна рабочая копия, то есть половина нормального уровня этого энзима. В этом случае они прекрасно живут.

У человека встречается мутация в гене, которая располагает людей (или мышей, если они являются носителями такой же мутации) к образования злокачественной опухоли толстой кишки. Именно эту болезнь исследовал коллектив из Балтимора. Мы использовали похожу мутацию, предрасполагающую мышей к образованию большого количества полипов, точнее говоря сотни, в течение шести месяцев. Потом они умирали, так как полипов было очень много.

Мы задались вопросом, верны ли результаты той группы, мы хотели подтвердить правильность созданной для человеческих клеток модели, что гипометилирование является обязательной частью развития опухоли. Мы удалили один из генов, кодирующих метилтрансферазу, что привело к небольшому гипометилированию, но мыши чувствовали себя хорошо. Мы ожидали, что согласно прогнозу мыши должны будут умереть гораздо быстрее, так как у них образуется много опухолей. Но все произошло с точностью наоборот: гипометилирование подавило образование опухолей. Это было достаточно неожиданно.

Мы стали переосмыслять получившиеся результаты. Мы много думали над этим, и поняли, что дело в следующем: гипометилирование ослабляет способность опухолевых клеток подавлять экспрессию генов, так как подавление экспрессии происходит за счет гиперметилирования, избыточного метилирования.  Но если в клетке понижен уровень метилтрансферазы, которая необходима для гиперметилирования, то тем самым повышается риск превращения клеток в опухоли. Это было достаточно интересно. Когда мы изучили затронутые этим гены в мышах, оказалось, что это те же самые гены, экспрессия которых подавляется у человека, но в ситуации гипометилирования их экспрессия не так сильно подавлена.

Это имело смысл, и мы впервые показали, что метилирование причинно связано с опухолями посредством генетического манипулирования с метилтрансферазой. Несколько удивительным было заключение, что чем больше метилтрансферазы, тем больше опухолей, так как ближе к состоянию гиперметилирования. Это было начало области под названием эпигенетики злокачественных опухолей. В последующие 90-е годы и в XXI веке, был невероятный прогресс в этой области. Люди стали смотреть на конформационные изменения структуры хроматина или эпигенетическую регуляцию ДНК различными путями.

Метилтрансфераза – одно из таких важных веществ, также есть гистон, метилирование гистона, ацетилирование – все эти механизмы могут влиять на экспрессию генов, а в опухолевых клетках потенциально могут влиять на работу генов-супрессоров. Вмешиваясь в эти процессы, опухолевые клетки получают возможность бесконтрольно делиться. Получается, что некоторые гены в опухолях всегда мутировавшие. Экспрессия известного гена-супрессора опухолей p53 никогда не подавлена – он всегда мутантный. Но экспрессия других генов большую часть времени подавлена, но они не мутантные. То есть опухолевые клетки используют оба этих способа, чтобы преодолеть защитные механизмы ограничения в виде опухоли – и с помощью эпигенетики, и с помощью генетической регуляции активации/деактивации генов. Эти методы сбалансировано используются.

Мы также интересуемся клонированием. Что происходит во время клонирования? Клонирование может сбросить эпигенетическое состояние, но не сможет сбросить генетические изменения – это важно. Мы взяли опухолевую клетку, мы использовали меланому мыши, которая при введении в организм также приводит к меланоме – то, что эти опухолевые клетки делают. Мы задались вопросом: если взять ядро клетки меланомы и ввести в яйцеклетку мыши, затем получить из этой клетки эмбриональные стволовые клетки, будут ли эти стволовые клетки вызывать меланому приведении мышам? Или таким образом «сбросится» специализация клеток и в результате получатся мыши с нормальным поведением, способные на нормальное развитие, как происходит обычно при клонировании? Мы провели такой эксперимент и заинтересовались тем, что в действительности получилось. Мы взяли ядро клетки меланомы, поместили в яйцеклетку, получили эмбрион, из которого взяли эмбриональные стволовые клетки для введения в бластоциты, чтобы получить клонированных мышей.

В результате мы получили, что яйцеклетка способна «сбросить» специализацию опухолевого ядра, чтобы получилась клетка, способная на нормальное развитие. Но у всех таких мышей образовывались опухоли. Вывод такой: существенная часть фенотипа опухолевых клеток обусловлена эпигенетической регуляцией, которая может быть сброшена яйцеклеткой. Но очевидно, что также есть генетические изменения, которые не могут быть сброшены, а эти в свою очередь ведут к образованию опухолей. Таким образом, клонирование позволило различить эпигенетические и генетические изменения. Почему это важно? Как показали эксперименты с клонированием, эпигенетические изменения являются обратимыми, а генетические – нет.

Поэтому теперь в области лечения опухолей много усилий тратится на получение лекарств, воздействующих на эпигенетическое состояние опухолевых клеток, например, направленных на реактивацию генов с подавленной экспрессией посредством взаимодействия с эпигенетическими механизмами подавления экспрессии, то есть таких энзимов, как метилтрансфераза, гистонацетилтрансфераза и так далее. Уже проходят клинические испытания с использованием таких средств, которые показывают, как мне представляется, обнадеживающий результат.

Возвращаясь к основной мысли: эпигенетические изменения в принципе обратимы, генетические – нет, по крайней мере, такими лекарствами. Все это имеет потенциал для разработки методов лечения, поэтому я считаю, что это очень важно для лечения злокачественных опухолей.

Автор: Рудольф Йениш, Professor in Department of Biology at Massachusetts Institute of Technology

Источник: Постнаука