Недавно было опубликовано исследование [1], которое подтвердило, что устойчивость (резистентность) раковых клеток к воздействию распространенных препаратов для химиотерапии напрямую связана с анеуплоидией ⎼ ситуацией, при которой число хромосом отклоняется от нормального: их больше или меньше, чем в диплоидном наборе. Так, например, есть одна лишняя хромосома называется трисомией.
![Хромосомный набор человека с синдромом Дауна ⎼ одного из самых известных проявлений анеуплоидии с трисомией по 21 хромосоме. [Источник: National Human Genome Research Institute, Human Genome Project]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/1936066/pub_5fd9eb56b11a4f02b78ebd41_5fd9ebf1b11a4f02b78fd317/scale_1200)
Из-за нарушений процесса деления раковых клеток хромосомы между дочерними клетками часто распределяются аномально. Поэтому анеуплоидия характерна для 90% злокачественных образований и служит маркером рака [2]. Несмотря на то, что подобные нарушения замедляют рост опухоли, обнаружение анеуплоидии ухудшает прогноз для больного с онкологией. Так, исследование итальянских ученых, проведенное в конце 80-х, показало, что в три раза больше пациентов выживает, если клетки опухоли имеют нормальный набор хромосом [3:24]. Но почему? Как состояние, которое мешает благополучному развитию клетки, оказывается в итоге преимуществом для опухоли?
![Основные факторы, определяющие адаптивную ценность анеуплоидии (то же справедливо и в обратную сторону), (прим. перевод автора) [4, Fig.3]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/1852570/pub_5fd9eb56b11a4f02b78ebd41_5fd9ecc946486a67708efd1a/scale_1200)
Исследование
Чтобы это выяснить, международный коллектив исследователей из университета Тель-Авива, Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и ряда других исследовательских центров США изучали как ведут себя раковые клетки с разным набором хромосом при воздействии на них двух наиболее распространенных препаратов для химиотерапии: паклитаксела и цисплатина. Эти лекарства останавливают развитие опухоли, но делают они это по-разному.
Паклитаксел (как и другие препараты из группы таксанов) влияет на сборку микротрубочек ⎼ структур внутреннего скелета клетки. Микротрубочки выполняют разные функции, в том числе формируют центриоли и веретено деления, которые разводят хромосомы к противоположным полюсам клетки во время её деления. Паклитаксел стимулирует формирование микротрубочек, связываясь с молекулами β-тубулина ⎼ части димерного тубулина ⎼ белка, из которого построены микротрубочки. Но микротрубочки должны постоянно перестраиваться (удлиняться и укорачиваться на разных концах) за счет полимеризации тубулина или распада его полимера. А паклитаксел как раз блокирует этот распад, стабилизируя микротрубочки и предотвращая их реорганизацию. Это мешает расхождению хромосом и делает невозможным митоз – обычное деление клетки на две генетические копии. Продолжительная задержка на этапе деления ведет к гибели клетки или возвращает ее обратно в фазу покоя. Так паклитаксел не позволяет клеткам делиться, мешая росту опухоли.
Цисплатин, в свою очередь, имеет в составе атомы платины, которые связываются с основаниями ДНК, повреждая ее. Если во время S-фазы (от англ. synthesis ‘синтез’) клеточного цикла, когда ДНК реплицируется ⎼ то есть на ее основе формируются две дочерних копии ⎼ обнаружатся ее повреждения, то репликация остановится. А так как без удвоения молекулы ДНК клетка делиться не может, то в результате цисплатин предотвращает деление клеток и рост опухоли.
Итак, оба препарата нарушают клеточный цикл, но на разных его этапах. Однако при анеуплоидии механизм предотвращения деления клетки не срабатывает, и опухоль благополучно растет. Почему так происходит? Авторы исследования полагают, что ключевую роль играет замедленный рост и отложенное деление клеток с аномальным набором хромосом.
Клетки с анеуплоидией, как правило, делятся реже, чем эуплоидные (с нормальным хромосомным набором) за счет удлиненной интерфазы клеточного цикла [4, 5], которую клетка проходит между делениями. Точнее, затягиваются первые два этапа интерфазы: G1 (от англ. gap ‘промежуток’) и S, на которые приходятся многие процессы, связанные с ростом клетки. Эта задержка вызвана множественными характерными для анеуплоидии нарушениями в работе генов, влекущими за собой неправильную укладку белков, протеотоксический стресс и нестабильность генома из-за изменений в клеточном обмене веществ.
Казалось бы, медленное разрастание опухоли должно облегчать борьбу с онкологией, однако выходит наоборот ⎼ удлиненные G1 и S фазы связаны с бо́льшей устойчивостью клеток к препаратам.
Ученые выяснили это, когда проверяли эффективность цисплатина и паклитаксела, воздействуя этими препаратами на специально выведенные клеточные линии ⎼ генетические копии одной клетки. Действие цисплатина рассматривали на материале эмбриональных клеток соединительной ткани мышей с трисомией, Так как клетки соединительной ткани мышей обычно отзываются на действие паклитаксела слабо, то для него были выбраны раковые клетки толстой кишки.
После воздействия на клетки цисплатином и паклитакселом ученые подсчитали количество выживших: клетки с трисомией при обоих препаратах выживали чаще, чем эуплоидные: примерно на 20% - 40% для цисплатина и на 10% - 30% для паклитаксела.
Выводы
Из получённых данных ученые сделали вывод, что во-первых, оба препарата оказываются неэффективными для клеток с трисомией, а во-вторых, резистентность возникает при анеуплоидии по разным хромосомам. К сожалению, то, как ведут себя клетки с моносомией или тетрасомией пока неизвестно. Будем надеяться, что их изучение станет чьим-нибудь научным сюжетом в недалеком будущем.
Уже на этом этапе можно предположить, что случаи трисомии по разным хромосомам должны объединять некоторые общие нарушения, вызванные анеуплоидией, которые помогают им противостоять воздействию препарата. Такой потенциальной точкой пересечения ученые посчитали изменения в длительности клеточного цикла в виде задержки G1 и S фаз.
Подтвердили гипотезу и данные о влиянии палбоциклиба ⎼ противоракового препарата, который тоже тормозит развитие клеток. Он подавляет четвертую и шестую циклинзависимые киназы, регулирующие смену фаз клеточного цикла. Были зарегистрированы случаи, когда применение палбоциклиба снижало эффективность лечения некоторыми препаратами, в том числе из группы таксанов. Логично допустить, что и здесь свое влияние оказала задержка в начале интерфазы. Экспериментальные данные подтвердили догадку: после воздействия на псевдодиплоидные клетки толстой кишки палбоциклибом, а затем ⎼ цисплатином и паклитакселом, клетки действительно выживали чаще: примерно на 20% для цисплатина и на 30% для паклитаксела.
Кроме того, ученые изучили реальные клинические кейсы и обнаружили, что в 21 случае из 34 медленное деление сопутствовало сниженной чувствительности к химиотерапии любым препаратом из рассмотренных, включая цисплатин и паклитаксел.
Таким образом, исследования подтвердили, что анеуплоидия увеличивает резистентность к очень разным по принципу действия препаратам за счет одного из своих главных последствий ⎼ замедления клеточного цикла, вызванного удлиненными G1 и S фазами. Какими механизмами это может быть вызвано?
В случае с паклитакселом все достаточно просто. Этот препарат не дает хромосомам разойтись: он предотвращает образование веретена деления, тем самым убивая клетку. Однако если она застревает в G1-фазе, то она просто не доходит до той стадии клеточного цикла, когда препарат начинает действовать, и поэтому не умирает. Те клетки, чей процесс деления оказывается отложенным, выживают во время терапии, а затем, после того как препарат выводится из организма, могут делиться дальше.
С цисплатином все немного сложнее ⎼ он повреждает структуру ДНК вне зависимости от стадии клеточного цикла, однако эти повреждения оказываются критичны только во время S фазы, когда происходит репликация ДНК. На первый взгляд, механизм резистентности может быть таким же, как в случае с паклитакселом: клетка просто не успевает дойти до нужной стадии цикла. Но авторы исследования полагают, что свою роль может играть и другой механизм: так как цисплатин проникает в клетку за счет пассивной диффузии, то снижение потребления вещества клеткой с отложенной G1-фазой или повышение его оттока из нее приводят к уменьшению платиновых аддуктов в составе ДНК клетки, а соответственно к уменьшению повреждений. Однако для полного понимания того, как эти механизмы работают для цисплатина, необходимы дополнительные исследования.
Это новое знание важно не только для науки, но и для медицинской практики. Во-первых, мы теперь лучше понимаем, почему химиотерапия может становиться неэффективной, а значит ⎼ сможем придумать как это исправить. Например, меняя геном анеуплоидных клеток и искусственно ускоряя их деление, мы можем повысить их чувствительность к препаратам. Во-вторых, стало очевидно, что нельзя использовать палбоциклиб до или во время химиотерапии, хотя после нее он может помочь. И в-третьих, нам нужно разрабатывать лекарства, действие которых никак не привязано к конкретным стадиям цикла, потому что многие из ныне существующих, такие как цисплатин, например, хотя и не зависят, на первый взгляд, от той или иной фазы, тем не менее оказываются неэффективными, если клетки не достигают определенного этапа.
Важно, что анеуплоидия помимо замедленного деления вызывает еще множество других последствий, которые могут повышать резистентность. Например, за счет нестабильности генома, у таких клеток больше шансов приобрести мутации, которые помогут им приспособиться к неблагоприятным условиям. То, как еще анеуплоидия влияет на раковые клетки, пока что мало изучено. Несмотря на то, что человечество сделало большой шаг на пути к пониманию того, как эффективно бороться с болезнью, это лишь один из множества шагов, которые нам только предстоит пройти.
Ссылки на литературу в закреплённом комментарии
Наталия Каланова
(ред. Александр Хазанов)