Две группы исследователей независимо и одновременно показали, что некоторые клетки раковой опухоли при делении могут образовывать особые специализированные клетки. Эти специализированные клетки включаются в микроокружение родительских, синтезируют и секретируют белки, обеспечивающие рост и прогрессию опухоли. Полученные результаты могут стать основой для разработки новой стратегии лечения рака.
Рис. 1. Схема формирования и взаимодействия опухолевых клеток и их ниши. a. Некоторые клетки аденокарциномы легких при делении дают два типа клеток. Клетка первого типа воспроизводит свойства родительской опухолевой клетки, а клетка другого типа (поддерживающая, Support cell) включается в состав окружающей первую клетку ниши и поддерживает ее существование и функционирование. b. Поддерживающая клетка ниши (синяя) продуцирует фермент поркупин (Porcupine), который присоединяет к сигнальному белку Wnt липидный компонент (Lipid), превращая Wnt в зрелую активную форму. Активный Wnt секретируется в межклеточное пространство, взаимодействует с Wnt-рецептором клетки опухоли (красная) и запускает сигнальный путь Wnt, стимулирующий рост опухоли.
Развитие раковой опухоли в общих чертах напоминает развитие многоклеточного организма. Но таких процессов, как регуляция деления клеток, их узкая специализация, формирование тканей и органов, не наблюдается. Тем не менее, ранее было показано, что опухоли свойственна гетерогенность и наличие клеток со свойствами стволовых клеток нормальных тканей — стволовых раковых клеток. Клетки со свойствами стволовых найдены также в самостоятельно возникших и трансплантированных раковых опухолях. Но данных о свойствах и функционировании этих стволовых раковых клеток и особенно окружающей их ниши в раковых опухолях человека еще мало. Кроме того, опухоли и ее различным клеткам присущи неодинаковая устойчивость к терапевтическим средствам, а также различное участие в прогрессии опухоли. Сигнальные пути и клетки, которые обеспечивают рост опухоли, а также формирование в ней различных типов клеток, изучены пока недостаточно.
«Обычные» стволовые клетки играют ключевую роль в образовании органов и тканей. При их делении одна из дочерних клеток сохраняет свойства и функции стволовой, а другая уходит в дифференцировку. Процессы деления, сохранения свойств стволовых клеток и направления в дифференцировку контролируются внешними сигнальными факторами, которые продуцируют и секретируют окружающие клетки. Среди этих факторов важную роль играют сигнальные липопротеины семейства Wnt. Они обеспечивают сигнальные пути, контролирующие множество биологических процессов — и при развитии организма, и в зрелом состоянии. Нарушения сигнальных путей Wnt вызывают различные патологические проявления, в том числе рак.
Для существования и функционирования клетки, ответственные за развитие раковых опухолей, нуждаются в специфическом микроокружении, которое называют нишей. В двух исследованиях, результаты которых опубликованы одновременно в журнале Nature (первое и второе), расшифрованы механизмы, посредством которых клетки опухоли строят себе ниши и обеспечивают прогрессию рака.
Туомас Таммела с коллегами исследовал роль Wnt в развитии аденокарциномы легких (АКЛ). Это заболевание является одной из самых частых причин смерти от рака. Известно, что в ~30% случаев АКЛ связана с мутациями, активирующими онкогены KRAS. Эффективной терапии против таких АКЛ нет. В экспериментах на мышах ранее было показано, что сигнальный путь Wnt важен для инициации и прогрессии раков легких, связанных с мутациями генов Kras и Braf. При прогрессии АКЛ и формировании ее метастазов у человека наблюдаются активация сигнального пути Wnt и подавление активности негативных регуляторов этого пути. Недавно было показано, что факторы роста клеток R-спондины (Rspo) активируют сигнальный путь Wnt через рецепторы, содержащие обогащенные лейцином повторы, сопряженные с белком G (leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptors), — Lgr4, Lgr5 и Lgr6. Известно, что Lgr5 является специфическим маркером стволовых клеток многих эпителиальных тканей и аденом кишечника.
Группа Таммелы выделила раковые клетки АКЛ мышей и получила из них in vitro культуры органоидов — трехмерных сфероидных микроструктур, напоминающих органы. Обработка сфероидов белками Rspo1 и/или Wnt3а значительно увеличивала количество сфероидов и содержание в них делящихся клеток. Активировалась также общая пролиферация клеток сфероидов. И наоборот, подавление сигнального пути Wnt с помощью химического соединения LGK974 (ингибитора поркупина) резко ограничивало пролиферацию сфероидов. Поркупин — это фермент, присоединяющий липидный компонент к белку Wnt, что переводит Wnt в активную форму (рис. 2).
Рис. 2. Рост клеток аденокарциномы легких стимулируется лиганд-зависимым сигнальным путем Wnt. Сфероиды, полученные из клеток АКЛ мышей через 14 дней культивирования. Зеленые — пролиферирующие клетки (также отмечены белыми стрелками). Vehicle — контроль. Опытные культуры обрабатывались белками Wnt3a, Rspo1; RW — одновременная обработка Wnt3a и Rspo1. LGK974 — ингибитор поркупина, DKK1 — антагонист Wnt. Длина масштабного отрезка 100 мкм.
Аналогично действовали shRNA (short hairpin RNA — короткие РНК, образующие шпильки), подавляющие экспрессию гена поркупина, или антагонист Wnt DKK1. Введение мышам LGK974 сильно подавляло развитие раковых опухолей (рис. 3).
Рис. 3. Томограммы легких мышей через 77 дней после индукции опухолей и через 117 дней (40 дней терапии LGK974). Vehicle — контроль. Н — сердце, Т — опухоль.
Далее Таммела и его коллеги показали, что в АКЛ и мышей, и человека опухоль гетерогенна и также состоит по крайней мере из двух субпопуляций клеток. В одной субпопуляции клеток в ответ на Wnt активируется его сигнальный путь и экспрессируется белок Lgr5, свойственный стволовым клеткам. Клетки другой субпопуляции характеризуются подавленным делением, но активно экспрессируют Wnt и фермент поркупин. По всей видимости, именно они являются функционально наиболее важными элементами ниши. В экспериментах по прослеживанию судьбы и превращений Lgr5+-клетки с помощью введенного в нее гена флюоресцирующего белка на АКЛ мышей было показано, что популяция, продуцирующая поркупин, происходит от клеток, экспрессирующих Lgr5 (рис. 4). При подавлении активности поркупина экспрессия генов сигнального пути Wnt подавлялась, и количество клеток опухоли существенно уменьшалось.
Рис. 4. Прослеживание судьбы Lgr5+-клеток, меченых геном зеленого флюоресцирующего белка. Зеленые клетки (отмечены желтыми стрелками) мигрируют из своих клонов и приобретают способность продуцировать поркупин, реагировать с мечеными красным флюоресцирующим красителем антителами против этого фермента (отмечены белыми стрелками). Длина масштабного отрезка — 100 мкм. Справа в большем увеличении показана выделенная рамкой область.
С целью локализовать клетки опухоли, экспрессирующие Lgr5, и клетки, способные продуцировать Wnt, на срезах опухолей провели комбинированное иммуноокрашивание поркупина, Lgr5 и некоторых других белков с помощью узнающих их антител, меченых различными флюоресцирующими красителями. Авторам удалось показать тесный контакт стволовых клеток АКЛ в опухолях человека с клетками ниши — продуцентами поркупина (рис. 5). В результате введения мышам ингибитора поркупина в опухолях АКЛ подавлялась активность генов пути Wnt; количество клеток в этих опухолях сильно сокращалось. Следовательно, клетки-продуценты поркупина служат в опухолевой нише источником Wnt, активирующего его сигнальный путь в активно делящихся клетках опухоли.
Рис. 5. В опухоли Lgr5+-клетки (меченые зеленым флюоресцирующим белком) обнаруживаются в тесном контакте с продуцентами поркупина, выявленными антителами, мечеными красным флюоресцирующим красителем. Длина масштабного отрезка слева — 100 мкм. Справа в большем увеличении показана выделенная рамкой область, длина масштабного отрезка — 10 мкм.
Взаимодействие различных клеток опухоли, найденное у модельных мышей, может быть свойственно и АКЛ человека. Известно, что в ряде опухолей и мышей, и человека по сравнению с нормальными тканями усилена экспрессия Wnt5а и Wnt7b. Это соответствует предположению о том, что указанные белки играют ключевую роль в развитии и прогрессии рака. Ранее было показано, что клетки, образующие нишу стволовых клеток слизистой оболочки кишечника, происходят от Lgr5+ стволовых клеток. Эти клетки ниши продуцируют Wnt и «питают» им стволовые клетки, создавая условия для существования и функционирования стволовых клеток, поддерживающих гомеостаз. Результаты работы Туомаса Таммелы и коллег показывают, что система такого типа участвует в развитии раковой опухоли. Они дают ответ на вопрос, как поведение раковых стволовых клеток контролируется сигнальным путем Wnt. Полученные данные позволяют предположить, что стратегия, направленная на блокирование сигнальных путей, обеспечивающих функции стволовых клеток опухоли и их ниши, может быть применена для эффективной терапии рака.
Рецепторы белков семейства Notch, как и Wnt, тесно связаны с определением судьбы клетки в процессе развития и поддержании состояния ткани. Механизм сигнального пути Notch сравнительно прост. В результате связывания молекулы белка Notch с ее лигандом отщепляется внутриклеточный участок белка, который как фактор регуляции транскрипции активирует экспрессию генов сигнального пути Notch. Роль Notch в развитии рака неоднозначна. Известно, что активация этого сигнального пути в одних случаях может приводить к стимуляции роста опухоли, в других — к ее подавлению.
Цзину Лиму и коллегам удалось объяснить противоположность некоторых ролей Notch. Мелкоклеточный рак легких (МКРЛ), с которым работали эти исследователи, происходит от нейроэндокринных клеток, с предшественниками которых Notch взаимодействует в процессе развития легких эмбриона. Активация пути Notch направляет дифференцировку этих предшественников по не-нейроэндокринному пути. Инактивирующие мутации генов NOTCH найдены во многих случаях МКРЛ человека. Поэтому считалось, что этот путь подавляет опухоли. Но оказалось, что все не так однозначно. Авторы показали, что при активации Notch в культивируемых клетках МКРЛ мышей и человека до 50% нейроэндокринных клеток переключаются на не-нейроэндокринный путь развития. Такие клетки начинают очень медленно расти, что согласуется с подавляющей опухоль функцией Notch. Но в то же время эти клетки не только становятся медленно растущими, резистентными к терапевтическим средствам, но и активно продуцируют и секретируют фактор роста белок мидкин (Midkine), которым они «питают» нейроэндокринные клетки, способствуя их ускоренному делению и прогрессии опухоли (рис. 6).
Рис. 6. Схема стимуляции роста опухоли МКРЛ в результате активации сигнального пути Notch. Сигнальный путь Notch активируется в некоторых нейроэндокринных клетках (NE) опухоли МКРЛ. В результате NE теряют свойства нейроэндокринных и активно продуцируют мидкин (красные кружки). Мидкин стимулирует рост NE, способствуя увеличению и прогрессии опухоли. Комбинация химиотерапии и ингибиторов Notch блокирует превращение NE в не-NE, а также подавляет и быстро делящиеся NE, и не-NE. Tarextumab — моноклональные антитела против рецепторов Notch, Cisplatin — противораковый препарат на основе платины.
Таким образом, опухоли МКРЛ формируют себе микроокружение, способствующее их росту. Существенным для разработки новых подходов к терапии МКРЛ представляется экспериментальный факт, свидетельствующий о том, что подавление пути Notch в комбинации с применением терапевтических препаратов подавляло рост опухолей (рис. 7) и отдаляло возникновение рецидивов.
Рис. 7. Рост опухолей у мышей после трансплантации раковых клеток МКРЛ от пациента. Блокирование рецепторов Notch, применение химиотерапевтических препаратов и особенно их комбинация подавляют рост опухолей. Control — контрольные антитела. Tarex — tarextumab (тарекстумаб) — моноклональные антитела против рецепторов Notch. C и I — противораковые химические препараты carboplatin (карбоплатин) и irinotecan (иринотекан).
Результаты рассмотренных работ ставят много новых вопросов, на которые еще предстоит ответить. Возможно, раковые опухоли используют для собственных потребностей механизмы регенерации повреждений нормальных тканей. Как сигнальные пути Wnt и Notch взаимодействуют в процессах онкогенеза? В какой мере способность раковых клеток строить себе ниши с помощью Wnt и Notch может быть свойственна другим ракам? В общем же следует ожидать, что описанные неожиданные находки в области биологии рака в ближайшее время станут предметом активных исследований.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
