Ученые превратили здоровые клетки в опухолевые с помощью вирусов
Алхимики прошлого пытались с помощью трансмутации превратить одни элементы в другие. Биологи современности с помощью вирусов превращают клетки эпителия легких и простаты в клетки нейроэндокринной карциномы этих же органов. Рассказываем, почему это важно и как может помочь в исследовании злокачественных опухолей.
Злокачественные опухоли эпителиального происхождения приобретают резистентность к лечению с помощью множества различных механизмов. Некоторые опухоли изменяют свой фенотип и становятся крайне агрессивной формой заболевания, получившей название мелкоклеточной нейроэндокринной карциномы (МНЭК). Развитие МНЭК у пациентов прогностически крайне неблагоприятно из-за ограниченного понимания молекулярных механизмов, вызывающих озлокачествление, и отсутствия эффективных методов лечения. Не ясно, лежат ли в основе этого одинаковые процессы, но в своей работе Парк с соавторами выяснили, что один набор транскрипционных факторов превращает здоровые клетки эпителия простаты и легких в опухолевые клетки соответствующей формы. Что удивительно, полученная линия раковых клеток не отличалась по своим характеристикам от тех клеток, которые были получены в ходе биопсии у пациентов. Понимание механизмов, лежащих в основе такой трансформации, может открыть окно возможностей для изучения совершенно новых методов лечения нейроэндокринных опухолей, тем более, что в настоящий момент такие опухоли считаются неизлечимыми.
Для изучения того, как различные типы человеческих эпителиальных клеток могут быть превращены в МНЭК при помощи общих онкогенных факторов, авторы исследовали этот процесс при помощи анализа трансформации клеток (АТК, tissue transformation assay). Мелкоклеточный рак простаты (МКРП) представляет собой тип нейроэндокринного рака простаты (НЭРП) — класса злокачественных опухолей, к числу которых относится чрезвычайно редкая крупноклеточная карцинома простаты, подробное изучение и описание которой еще только предстоит.
Ученые выделили 5 факторов, которые предположительно влияли на развитие заболевания. Целью исследования было определить воздействие доминант-негативного p53 (TP53DN) (P), myrAKT1 (A), RB1-короткой шпилечной РНК (кшРНК) (R), c-Myc(C) и BCL2 (B) на развитие мелкоклеточного рака простаты и механизмов, лежащих в основе генетических изменений в этом, а также в других видах рака простаты. Эти пять генетических факторов в дальнейшем будут обозначаться как PARCB. Первичные базальные эпителиальные клетки были изолированы из предстательных желез восьми людей-доноров, и затем при помощи лентивируса в них были трансдуцированы PARCB-факторы.
Вскоре после этого клетки были культивированы в виде органоидов и трансплантированы иммунодефицитным мышам, в которых они образовали опухоли. Экспрессия генов PARCB и человеческое происхождение клеток были в дальнейшем подтверждены при помощи методов иммунофлюоресценции. Все PARCB-опухоли, полученные из клеток базального эпителия предстательной железы, демонстрировали свойства человеческого МКРП, в том числе высокое ядерно-цитоплазматическое отношение, часто встречающиеся признаки апоптоза и митоза и экспрессию маркеров нейроэндокринной дифференцировки (NED).
Ученые задались вопросом, а насколько важны эти факторы, и что будет, если в клетке будут присутствовать не все из них? Путем исключения они выделили те генетические факторы PARCB без которых процесс трансформации нормальных клеток в клетки МКРП был невозможен. Опухоль не развивалась при отсутствии c-Myc либо myrAKT1. В отсутствии BCL2 оставшиеся факторы PARC продолжали приводить к развитию опухолей, которые обладали гистологическими характеристиками, соответствующими МКРП, а кроме того продолжали экспрессировать маркер NED. В противоположность этому, наличие RB1-shRNA и TP53DN вместе или по отдельности является обязательным для развития нейроэндокринного рака. Опухоли, которые развивались без этих факторов — PACB (без RB1-shRNA), ARCB (без TP53DN) и ACB (без RB1-shRNA и TP53DN) гистологически характеризовались как низкодифференцированная аденокарцинома простаты. PACB- и ARCB-опухоли продолжали экспрессировать NED, но только фокально. Таким образом, потеря RB1 и инактивация p53 являются необходимыми для превращения эпителиальных клеток в нейроэндокринные во время развития МКРП у человека и эпителиальной трансформации в процессе онкогенеза. В процессе этого реверс-инжиниринга авторы также выяснили, что именно одновременное нарушение работы RB1 и p53 приводит к развитию синаптической пластичности в ходе трансформации клеток эпителия простаты.
После этого авторы сравнили полученную PARCB-линию клеток с другими линиями опухолевых клеток путем анализа 938 генетических профилей существующих линий, в которых также происходила активация факторов PARCB. Выяснилось, что наиболее похожими являются клетки мелкоклеточного нейроэндокринного рака легких и линия нейроэндокринного рака простаты NCI-H660. Чтобы установить сходства между нейроэндокринным раком простаты и нейроэндокринным раком легких, авторы проанализировали данные экспрессии генов этих опухолей с помощью Атласа ракового генома (The Cancer Genome Atlas, TCGA). Результат был удивителен: несмотря на разное происхождение, гистологически и транскрипционно все клинические образцы мелкоклеточного рака простаты и легких были очень похожи.
Используя полученные данные, авторы решили проверить свою гипотезу и создать из здоровых клеток эпителия бронхов мелкоклеточный рак. И у них это получилось: несмотря на то, что эпителий бронхов отличался от базального эпителия простаты, полученные опухолевые клетки мелкоклеточного рака легкого были транскрипционно похожи на клетки мелкоклеточного рака простаты. Опухоль успешно выросла в культуре, а затем была пересажена мышам. После этого авторы провели те же самые исследования, что и в случае с полученными клетками рака предстательной железы.
Важную роль в процессе такого превращения играет хроматин. Авторы предполагают, что открытые или закрытые участки хроматина могут указывать на регуляторные элементы транскрипции и таким образом «предсказывать» транскрипционную активность генов в опухоли. Проанализировав структуру хроматина и его связь с транскрипционными программами в образцах созданных в лаборатории PARCB-линий и клеток человеческого мелкоклеточного рака легких и простаты, авторы обнаружили выраженное сходство между ними. При этом они отличались от клеток эпителия бронхов и простаты.
Таким образом, выделенные PARCB-факторы являются тем, что в генетике называется генами — главными регуляторами (master regulator gene) которые вершат судьбы клеточных линий, определяя их дальнейшее развитие. Это открытие важно по нескольким причинам. Во-первых, доказано сходство между нейроэндокринным раком простаты и легких. Во-вторых, понимая на глубоком уровне механизм развития опухоли, можно разработать новые методы лечения. В-третьих, это совершенно новый метод получения культур клеток злокачественных нейроэндокринных опухолей простаты и легких.
Источник:
Park J. W. et al. Reprogramming normal human epithelial tissues to a common, lethal neuroendocrine cancer lineage. // Science. — 2018. — Т. 362. — №. 6410. — С. 91–95.
