Вчені вдарили по слабкому місцю пухлини: індукція оксидативного стресу в клітинах раку легень

Клітини раку є сенсибілізованими до оксидативного стресу через певні особливості метаболізму, і якщо їх трошечки підштовхнути в бік продукції реактивних форм кисню – вони приречені на смерть, чи бодай зупинку проліферації. Таку тезу демонструє нам дослідження американських вчених UT Southwestern Medical Center, яким вдалося спинити розмноження клітин раку легенів застосувавши звичайний антидіабетичний препарат. Але за таким здавалось би простим підходом стоять роки кропіткої наукової роботи і сучасна методологічна база, що знадобилися для розкриття молекулярного механізму дії цього препарату.

Загальна схема експерименту та основні отримані результати. Деталі у тексті, посилання наприкінці.

Однією з особливостей біології пухлин є те, що вони існують в умовах поганого постачання кисню – гіпоксії. Це зумовлено тим, що не всі пухлини здатні утворювати судинну сітку навколо себе, але якщо вини все ж мають таку здатність (неоангіогенез – одна з визначальних ознак злоякісних пухлин на відміну від доброякісних), то васкуляризація «не встигає» за темпами росту самої пухлини. Але, як це не парадоксально, зменшення кількості кисню в клітині призводить до збільшення його реактивних форм (РФК). Цей «парадокс» насправді легко пояснити, якщо звернути увагу на те як саме кисень використовується клітиною. Молекула O2 є кінцевим акцептором електронів в ланцюгу транспорту електронів мітохондрії. Cu-вмісна цитохром оксидаза переносить на кожний атом молекули кисню два електрони, з матриксу мітохондрії надходить два протони і молекулярний кисень перетворюється на дві молекули води. Якщо в мітохондрії не вистачає кисню, то кінцевий етап переносу електронів порушується, а ланцюг транспорту електронів перевантажується ними. В умовах надлишку електронів  проміжні цитохроми, які за норми не повинні передавати електрони кисню, усе-таки час від часу виконують цю реакцію. Але через те, що «правильно вміє це робити» лише цитохромоксидаза, то відновлення кисню проміжними комплексами ланцюга транспорту електронів призводить до продукції не води, а реактивних форм цієї сполуки. Таким чином, чим менше кисню – тим більше РФК. Саме через це, неопластичні клітини зазвичай мають редуковані мітохондрії та посилену продукцію антиоксидантів, зокрема глутатіону. Зменшення об’єму мітохондрій в злоякісних клітинах є одним з пояснень ефекту Ваарбурга: коли пухлину штучно вміщують в умови із нормальним постачанням кисню, вона просто не в змозі перейти назад до окисного фосфорилювання і продовжує утилізувати глюкозу в шаленому темпі. У нормальних клітин немає описаних вище проблем із постачанням кисню, тому, теоретично, вони можуть «пережити» тимчасове відключення антиоксидантних систем, тоді як для клітин раку це може виявитися летальним.

Вчені вирішили дослідити, яким чином можна вплинути на статус реактивних форм кисню у злоякісних клітинах. У центрі уваги дослідників опинився протеїн peroxisome proliferation-activated receptor gamma (PPARγ) – ядерний рецептор і транскрипційний фактор (представник родини рецепторів стероїдних гормонів), який задіяний у регуляції метаболізму ліпідів, гомеостазу глюкози та диференціюванні клітин.  У разі зв’язування із своїм лігандом, яким для PPARγ є простагландин J2, він утворює гетеродимер із RXR (рецептором ретиноєвої кислоти)  та запускає експресію генів, що містять у своєму промоторі специфічну  консенсусну послідовність, яку розпізнає PPARγ-RXR комплекс. Історія досліджень пероксисом-проліфераторного рецептору гама розпочалася із інсулін-нечутливого діабету, коли було показано, що синтетичні агоністи PPARγ підвищують чутливість клітин печінки до інсуліну in vitro, але разом із тим відмічалося підвищення кількості пероксисом у клітинах (звідки, власне, рецептор і отримав свою назву). Згодом з’явилися повідомлення про те, що PPARγ грає ключову роль у диференціації адипоцитів, а також про те, що застосування агоністів PPARγ може викликати зупинку проліферації і апоптоз багатьох типів пухлин включно з раком передміхурової залози, підшлункової зали та прямої кишки. Молекулярні механізми цих ефектів довгий час залишалися незрозумілими, і останнє дослідження вчених UT Southwestern Medical Center покликане пролити світло на цю проблему.

Для початку було досліджено так званий цистром транскрипційного фактора PPARγ, тобто визначення генів, які містять у собі промотори під контролем цього фактора (цистром є черговим «модним терміном» із приставкою «-ом», частина «цис» очевидно означає cis-регуляторний елемент гену). Таке дослідження передбачало проведення індукції транскрипційного фактора за допомогою його аготісна з групи тіазолідінедонів (TZDs) із наступним виконанням хроматин-імунопреципітації і секвенування (CHIP-seq). Даний підхід дозволив ідентифікували de novo сигнальні послідовності, які розпізнає фактор та проаналізувати найближчі гени (в межах 100 kb), на які поширюється безпосередній активуючий вплив PPARγ. В результаті  було виявлено активацію транскрипції гену PDK4, що кодує специфічну кіназу піруватдегідрогенази. Наслідком активності PDK4 є блокування надходження пірувату в цикл трикарбонових кислот, що тягне за собою переключення енергетичного обміну на гліколіз та бета-окиснення жирних кислот. Далі експеримент з індукцією PPARγ повторили, тільки на цей раз дослідили зміни транскриптому за допомогою мікроматриць. Цей аналіз дозволив з одного боку підтвердити безпосередній вплив на гени, ідентифіковані раніше за допомогою CHIP-seq, а з іншого – виявити зміни у генній експресії, що є результатом опосередкованих ефектів індукції PPARγ. Так, було встановлено, що серед непрямих ефектів PPARγ – зниження рівнів транскрипції генів прогресії клітинного циклу (зокрема циклін-залежних кіназ CDK2, та CDK6), а також підвищення – генів відповіді на оксидативний стрес (SOD3, CAT та MUC1). Надалі дослідники зосередилися на вивченні взаємозв’язку між цими двома відтермінованими ефектами індукції транскрипційного фактору PPARγ. Насправді, на перетині  сигнальних шляхів проліферації та оксидативного стресу стоїть лише одна клітинна система – система контролю за цілісністю геному та репарації ДНК.

В клітині існують спеціальні механізми відслідковування стану геномної ДНК. Їхня діяльність здебільшого забезпечується сигнальними каскадами білків супресорів пухлинного росту, таких як p53 та Rb. Головним їх завданням є зупинка клітинного циклу у разі виявлення пошкоджень генетичного матеріалу. Таку зупинку прийнято називати точкою перевірки цілісності ДНК (DNA damage checkpoint). І дійсно на фоні індукції PPARγ дослідники спостерігали дефосфорилювання Rb, тобто переведення його у форму, що пригнічує експресію генів прогресії клітинного циклу. Ось так був знайдений останній шматочок цієї головоломки, і загалом картина набула наступного вигляду (див. рис. нижче): Активація PDK4 та запуск генів ліполізу транскрипційним фактором PPARγ викликає переключення на бета-окиснення ліпідів другим комплексом ланцюга транспорту електронів – сукцинатдегідрогеназою, що веде за собою підвищення продукції реактивних форм кисню.  Це в свою чергу призводить до зростання частоти пошкодження ДНК і активації систем репарації та арешту клітинного циклу. Але довершує цю картину зменшення темпів перетворення глутаміну на глутамат під дією  PPARγ. Глутамат – важливий компонент молекули-антиоксиданту під назвою глутатіон. На відміну від супероксиддисмутази (SOD3) та каталази (CAT), глутатіон – універсальний антиоксидант, тож втрата глутатіону це нищівний удар по переродженій клітині. Зниження кількості доступного глутаміну викликано тим, що він здебільшого витрачається на енергетичні потреби клітини в умовах переключення метаболізму на гліколіз та ліполіз, стаючи цінним субстратом для глюконеогенезу та обміну нітрогену. На синтез глутатіону його просто не вистачає. Отже, кількість реактивних форм кисню в клітині раку невпинно зростає і призводить до масованого пошкодження геномної ДНК і зупинки клітинного циклу.

Молекулярний механізм зупинки клітинного циклу у відповідь на індукцію транскрипційного фактора PPARγ. Повне пояснення у тексті вище. PDC – піруватдегідрогеназа; PDK4 – кіназа піруватдегідрогенази; ЦТК – цикл трикарбонових кислот; I-IV – комплекси ланцюга транспорту електронів; І – NADH-дегідрогеназний комплекс; ІІ – сукцинатдегідрогеназний комплекс (виконує бета-окиснення жирних кислот і є одним з основних продуцентів реактивних форм кисню); ІІІ – комплекс цитохромів С (за надлишку електронів виконують одноатомне відновлення кисню з утворенням його реактивних форм); IV – комплекс цитохромів В (цитохромоксидази); Rb – ретинобластома (супресор пухлинного росту).

Таким чином, американським вченим вдалося розшифрувати молекулярний механізм впливу PPARγ на клітинний цикл. При цьому вони використовували методи аналізу цистрому та транскриптому, а також методи класичної біохімії із використанням радіоактивно мічених речовин для відслідковування метаболічних шляхів клітини. Як бачимо, такий підхід заснований на використанні «вроджених вад» злоякісних клітин (і дещо подібний до концепції синтетичної летальності), тож PPARγ можна розглядати як потенційну ціль для специфічної терапії раку. Єдине застереження виникає у зв’язку із тим, що описаний вище сигнальний каскад блокування клітинного циклу зав’язаний на протеїн Rb. Річ у тім, що цей супресор пухлинного росту зазнає мутацій принаймні у 20 % усіх неоплазій. Відтак, у разі застосування агоністів PPARγ у якості протиракової терапії, існує ймовірність селекції злоякісного клону (в ході клональної еволюції) у бік неактивного Rb і, відповідно, зростання агресивності пухлинної хвороби. Такі наслідки скоріше за все можна буде подолати застосовуючи комбінацію таргетних препаратів із урахуванням такого сценарію розвитку подій.

Посилання

ScienceDaily_Logo

Advertisements

Залишити відповідь

Заповніть поля нижче або авторизуйтесь клікнувши по іконці

Лого WordPress.com

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис WordPress.com. Log Out / Змінити )

Twitter picture

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Twitter. Log Out / Змінити )

Facebook photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Facebook. Log Out / Змінити )

Google+ photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Google+. Log Out / Змінити )

З’єднання з %s