Застосування системи геномного редагування CRISPR/Cas9 для швидкого моделювання канцерогенезу

Канцерогенез – багатостадійний процес. В загальних рисах його поділяють на ініціацію, промоцію та прогресію. Кожний з етапів характеризується набуттям специфічних мутацій в генах, що відіграють ключову роль в розвитку пухлин, головно – прото-онкогенах та генах-супресорах пухлинного росту. Дослідження індивідуального внеску кожного з таких генів у «спільній справі», результатом якої є злоякісне новоутворення, є вкрай проблемним. На сьогодні існують дуже ефективні методи секвенування геному, настільки чутливі, що дозволяють визначати якісну та кількісну структуру генів окремої клітини. Такі методи активно застосовуються для дослідження гетерогенності популяції пухлинних клітин і є інформативними для вивчення пізніх стадій канцерогенезу. Проте, вони дають лише підсумкову картинку і не дозволяють прослідкувати історію мутацій і роль кожної з них на ранніх етапах неопластичної трансформації.

В наші дні з’явилася безпрецедентна можливість слідкувати за онкогенними мутаціями в режимі реального часу за допомогою…

Агенти впливу пухлини: злоякісні екзосоми

Дедалі більшої уваги набуває відносно нещодавно описаний феномен  дистанційної взаємодії пухлини зі здоровими тканинами організму через секрецію екзосом. Деякі злоякісні клітини здатні до виділення у міжклітинний простір та тілесні рідини наноскопічні везикули – кулясті мішечкі, оточені плазматичною мембраною, які можуть містити різноманітні активні речовини, здатні впливати на фізіологічні процеси, що проходять всередині нормальних клітин. Вчені припускають, що таким чином трансформовані клітини можуть впливати на оточуючі тканини і програмувати їхню діяльність на підтримання пухлини. Зокрема у 2012 році вчені Університету Штату Огайо продемонстрували здатність пухлин пригнічувати імунну відповідь за допомогою екзосом, що містили мікроРНК. А нещодавнє дослідження вчених Техаського Університету виявило взагалі неймовірні речі: біогенез мікроРНК може автономно проходити у везикулах, а потрапляння їх вмісту в нормальні епітеліальні клітини може призводити до їхнього неопластичного переродження. Фактично, отримано ще один доказ того, що «рак» може передаватися від клітини до клітини.

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.

Українська протиракова вакцина на марші

На написання цієї статті мене підштовхнув новинний сюжет, який нещодавно з’явився у Фактах ICTV. В ньому розповідається про передову розробку українських вчених в галузі імунотерапії раку, що допомагає подовжити період безрецедивного виживання пацієнтів після хірургічного видалення пухлини. Наразі я пропоную переглянути сюжет, а далі перейти до безпосереднього обговорення того, що, власне, відбувається на молекулярному та клітинному рівні:

Точкова мутація в каталітичній субодиниці фосфоінозитол-3-кінази веде до її рецептор-незалежної активації

Група дослідників Case Western Reserve вперше описала новий шлях активації онкогенного каскаду, керованого фосфоінозитол-3-кіназою (PI3K). Отримані ними дані свідчать на користь того, що каталітична субодиниця кінази p110α  набуває здатності вступати в протеїн-протеїнові взаємодії зі своїм функціональним партнером у разі виникнення точкової мутації – заміни залишку глутамату на лізин в 545-му положенні. За таких обставин p110α втрачає потребу у посередництві регуляторної субодиниці p85, попередньо активованій шляхом  фосфорилюванням з боку рецепторної тирозинкінази, і може напряму взаємодіяти із фактором IRS1 (insulin reseptor substrate 1) і залучати його для допомоги у здійсненні фосфорилювання фосфоінозитолу (як показано на рисунку) і подальшій активації проліферативного каскаду PIK3/Akt. Таким чином мутована каталітична субодиниця p110α починає діяти як внутрішньоклітинний незалежний від рецептору онкоген.

Ген PI3KCA, який кодує p110α, часто мутує на ранніх стадіях розвитку різноманітних пухлин, зокрема в раку молочної залози, прямої кишки та меланомі. Наразі відомі дві «гарячі точки мутації» в білку PI3KCA, одна з них знаходиться в альфа-спіралі в позиції 545, друга – в кіназному домені в позиції 1047. Вчені показали, що саме мутація в альфа-спіральному, а не кіназному, домені призводить до того, що каталітична субодиниця набуває здатності уникати інгібуючого впливу p85 та взаємодіяти із нефосфорильованим IRS1. Останній же стабілізує p110α (робить його недоступним для протеасоми) і, що найголовніше, спрямовує його до клітинної мембрани, де знаходяться залишки фосфоінозитолу. На моделі in vivo з використанням мишей із видаленим тимусом було продемонстровано абсолютна необхідність здаємодії p110α, який несе мутацію E545K, із IRS1 для експансії трансформованих клітин перещеплювальної пухлини.

Загалом, дані свідчать на користь того, що мутація E545K в альфа-спіралі каталітичної субодиниці фосфоінозиол-3-кінази веде до пришвидшення мітотичних циклів та посилення рухливості клітин, що відповідає прояву злоякісного метастазуючого фенотипу пухлини. В довершення дослідження вчені сконструювали пептид, що містив частину альфа-спірального домену із вищезгаданою сутацією, і ввели цей пептид в злоякісні клітини. Виявилося, що пептид конкурентно зв’язував IRS1 і не давав йому взаємодіяти із мутованою каталітичною субодиицею p110α, перериваючи таким чином онкогенний сигнал. На моделі in vivo це проявлялося як значне зменшення пухлинної маси ксенотрансплантату. Дослідники резюмують, що рентгеноструктурний аналіз комплексу мутантної форми p110α та IRS1 та подальший підбір низькомолекулярних сполук, що будуть здатні інгібувати утворення такого комплексу, є перспективним напрямом розробки таргетної терапії злоякісних новоутворень, які несуть мутацію E545K в альфа-спіральному домені каталітичної субодиниці фосфоінозитол-3-кінази.

Посилання

Супер-енхансери – ахіллесова п’ята злоякісної клітини

Не секрет, що системи сигнальних каскадів, які регулюють поведінку клітин, є напрочуд заплутаними і складними. Та розуміння того, як вони влаштовані, є конче необхідним, особливо, коли мова йде про перетворення нормальної клітини на ракову, оскільки цю інформацію можна використати для розробки підходів до терапії різних онкозахворювань. Після завершення секвенування геному людини на початку 2000-х відразу стартував інший проект під назвою ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements project), покликаний дослідити значення тих послідовностей ДНК, які не кодують протеїни та РНК. У 2007 році були опубліковані результати цього дослідження, за якими виявилося, що в геномі людини міститься більше мільйона послідовностей, які відіграють роль перемикачів транскрипції – енхансерів, репресорів та інсуляторів. Попри більш, ніж достатню інформативність дослідження, воно також ставило перед вченими завдання, незбагненне за обсягом: описати роль кожного з цих елементів у нормальному розвитку та канцерогенезі.

Протеїнкіназа С зета задіяна у регуляції метаболізму глюкози в пухлинній клітині

Залежність життєздатності неопластичної клітини від наявності глюкози в середовищі є давно встановленим фактом. Темпи поглинання глюкози пухлиною на порядок (в 10 – 15 разів) перевищують такі в здорових тканинах головним чином через високу експресію мембранних транспортерів глюкози (GLUT1) та надміру швидку утилізацію цього моносахариду. 90 % АТФ трансформованої клітини виробляється у ході процесу гліколізу – це зумовлено переважно анаеробними умовами, в яких знаходяться пухлини, та відповідним перепрограмуванням їхнього метаболізму. Ще у 1930-х роках Отто фон Варбург спостерігав феномен, який пізніше був названий його ім’ям – злоякісні клітини не підкоряються ефекту Пастера: у разі перенесення з анаеробних умов в аеробні утилізація глюкози та продукція лактату в ракових клітинах не зменшуються. Попри можливість переходу на більш ефективний шлях отримання АТФ – окисне фосфорилювання – такого переходу не відбувається: пухлина продовжує сильно залежати від надходження глюкози. Цю особливість спочатку почали використовувати для діагностики злоякісних новоутворень (позитронно-емісійна томографія), а сьогодні намагаються застосувати для спрямованої протипухлинної терапії.

Нарешті стало відомо як працює Chd5 – найпотужніший супресор пухлинного росту

Група дослідників Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) описала молекулярний механізм дії найпотужнішого з нині відомих генів супресів пухлинного росту – Chromodomain Helicase DNA binding protein 5 (Chd5). Протягом досить тривалого часу активність Chd5 в нормальній клітині та його інактивація в злоякісних клітинах залишалися загадкою для молекулярних біологів. Розуміння ролі згаданого пухлинного супресора має в майбутньому призвести до створення нових типів протиракових препаратів.

Відслідковування процесу фізіологічного старіння тканин в реальному часі

Нова мишача модель дозволяє прослідковувати експресію пухлинного супресора p16^INK4a в тканинах піддослідної тваринах в режимі реального часу протягом повної тривалості їх життя. Метод є доробком University of North Carolina Lineberger Comprehensive Cancer Center і переслідував ціль дослідити кореляцію експресії p16^INK4aз  фізіологічним старінням (senescence) та ініціацією пухлин. Візуалізацію експресії р16 було досягнуто за допомогою методу генної інженерії під назвою knockin – одна з алелей Cdkn2a (так називається ген, що кодує p16^INK4a) була заміщена на ген люциферази, причому конструкт спроектований так, що зберігаються інтрони між першими трьома екзонами Cdkn2a  – таким чином досягається збереження cis-регуляторних елементів генної експресії та  максимальне наближення регуляції експресії люциферази до такої у р16. Надалі кількісна оцінка експресії люциферази (а відтак і р16) проводилася за допогою зняття покозників люмінесценції від різних тканин та органів.

Отримання великої клількості пухлиноспецифчних T-лімфоцитів із застосуванням методу індукованої плюрипотентності

Центр дослідження алергії та імунології в Японії (Research Centre for Allergy and Immunology, Yokohama Institute) повідомляє про успішне перепрограмування Т-кіллерів, специфічних до певного пухлинного антигену, за методом індукованої плюрипотентності (induced pluripotent stem cells – iPS cells). Однією з проблем використання Т-кіллерів в терапії раку є те, що вони мають обмежену тривалість життя і тому не встигають нанести пухлині відчутної шкоди. Ще однією проблемою є те, що після культивування Т-клітин ex vivo можна отримати лише обмежену кількість готових до боротьби із пухлиною лімфоцитів. Відповідно постало питання яким чином можна збільшити вихід пухлино-специфічних Т-кіллерів та подовжити їхній термін життя в організмі пацієнта.