Мутация меняет то, как хроматин модифицируется в ответ на травму, и это вызывает рак

Cтановится всё более ясно, что с возрастом многие, если не большинство наших тканей становятся состоящими из популяций клеток-клонов, которые часто являются носителями генетических мутаций, обнаруженных в злокачественных опухолях, которые возникают в этом же типе тканей. Хотя эти клональные популяции кажутся нормальными линиями клеток, если не считать связанных с раком мутаций, немного известно о том, как эти клетки реагируют на повреждение, например, ультрафиолетовым излучением или токсичными химикатами. Процесс под названием метаплазия — замена одного типа клеток на другой после повреждения тканей — увеличивает риск образования рака. Пока по большей части не известно, почему аномальное восстановление при метаплазии вызывает предрасположенность клеток к раку. В статье, опубликованной в Nature, Алонсо-Курбело и другие сообщают об исследовании рака поджелудочной железы у мышей, которое показывает, как мутация способствует развитию рака в результате метаплазии.

В большинстве случаев рака поджелудочной железы у людей обнаруживается мутация в гене KRAS, который кодирует разновидность фермента под названием киназа, играющего ключевую роль в передаче сигналов. Фермент KRAS участвует в контроле роста клеток в здоровых тканях, но вызывающие рак мутации приводят к гиперактивации фермента, что затем ведёт к непрерывному росту клеток. Клетки эпителия в протоках поджелудочной железы могут под воздействием способствующих раку мутаций KRAS становиться злокачественной опухолью, называемой аденокарциномой протоков поджелудочной железы (PDAC).

Вообще, только мутаций в KRAS недостаточно, чтобы вызвать развитие опухоли, однако они могут работать совместно с повреждениями тканей из-за воздействий окружающей среды и ускорять их трансформацию в злокачественные опухоли. Это случается при ненормальной регуляции метаплазии (Рис. 1), при которой один тип эпителиальных клеток поджелудочной железы (ацинарные клетки) временно перепрограммируется в другой (клетки, сходные с клетками протоков). Этот переход называется ацинарно-протоковой метаплазией (ADM), и такое преобразование состояния клеток эпителия случается в ответ на вредное воздействие окружающей среды.

Рис. 1 | Как мутация в KRAS помогает образованию опухоли после повреждения. a, если клетки поджелудочной железы (в этом случае, клетки с нормальной версией гена KRAS) повреждаются, случается процесс под названием ацинарно-протоковая метаплазия (ADM), что приводит к новообразованию, которое также известно как метаплазия. Ацинарные клетки на короткое время получают характеристики протоковых клеток, и их хроматин (комплекс ядерной ДНК и белка) переконфигурирует свой профиль, чтобы больше походить на протоковые клетки. Белок BRD4 позволяет восстановить профиль хроматина ацинарных клеток, когда вредное воздействие заканчивается. Это позволяет исправить метаплазию и ограничивать рост клеток. b, Алонсо-Курбело и другие сообщают, что при повреждении клеток поджелудочной железы мышей с мутацией в гене KRAS ненормальная ADM приводит к тому, что клетки приобретают профиль хроматин, характерный для злокачественной опухоли под названием аденокарцинома протоков поджелудочной железы (PDAC). BRD4 может подходить к «открытым» участкам этого хроматина и вызывать образование предзлокачественного, разрегулированного новообразования под названием неоплазия (а конкретно — интраэпителиальная неоплазия поджелудочной железы). Образованию неоплазии способствует белок интерлейкин-33 (IL-33), который в больших количествах экспрессируется клетками с мутацией в KRAS при повреждениях. Неоплазия может развиваться в PDAC.
Рис. 1 | Как мутация в KRAS помогает образованию опухоли после повреждения. a, если клетки поджелудочной железы (в этом случае, клетки с нормальной версией гена KRAS) повреждаются, случается процесс под названием ацинарно-протоковая метаплазия (ADM), что приводит к новообразованию, которое также известно как метаплазия. Ацинарные клетки на короткое время получают характеристики протоковых клеток, и их хроматин (комплекс ядерной ДНК и белка) переконфигурирует свой профиль, чтобы больше походить на протоковые клетки. Белок BRD4 позволяет восстановить профиль хроматина ацинарных клеток, когда вредное воздействие заканчивается. Это позволяет исправить метаплазию и ограничивать рост клеток. b, Алонсо-Курбело и другие сообщают, что при повреждении клеток поджелудочной железы мышей с мутацией в гене KRAS ненормальная ADM приводит к тому, что клетки приобретают профиль хроматин, характерный для злокачественной опухоли под названием аденокарцинома протоков поджелудочной железы (PDAC). BRD4 может подходить к «открытым» участкам этого хроматина и вызывать образование предзлокачественного, разрегулированного новообразования под названием неоплазия (а конкретно — интраэпителиальная неоплазия поджелудочной железы). Образованию неоплазии способствует белок интерлейкин-33 (IL-33), который в больших количествах экспрессируется клетками с мутацией в KRAS при повреждениях. Неоплазия может развиваться в PDAC.

Авторы хотели понять, почему клетки поджелудочной железы мышей с мутацией в гене KRAS реагируют на внешние воздействия отлично от клеток без таких мутаций. Клетки, выращенные in vitro, не воспроизводят полноценно события внутри живых тканей, так что Алонсо-Курбело и его соавторы создали модельных мышей с использованием генетической инженерии. Эти животные позволили авторам специфично отслеживать судьбу ацинарных клеток и клеток проток, у которых была нормальная или мутантная версия KRAS, и определять их ответ на повреждение тканей химическими агентами.

Авторы обнаружили, что регенерация повреждённых клеток поджелудочной железы после ADM в повреждённых тканях была нарушена у мышей с мутацией в KRAS, что согласуется с предыдущей работой. В отличие от нормальных мышей, у мутантных быстро образовалось предзлокачественное новообразование — называемое также интраэпителиальной неоплазией поджелудочной железы — которое является предшественником PDAC.

Быстрое возникновение такой неоплазии именно у мышей с мутацией в KRAS после повреждения тканей дало авторам основания полагать, что искажённая регуляция хроматина (комплекса ДНК и гистоновых белков в ядре) может объяснять, как затем развивается PDAC. Чтобы это проверить, Алонсо-Курбело и коллеги исследовали клетки с нормальным и мутантным KRAS для оценки разницы в хроматиновой доступности всего генома. Доступность тут относится к тем участкам генома, которые находятся в открытой конформации, что позволяет связанным с ДНК белкам-факторам транскрипции получать доступ к ДНК и регулировать экспрессию близлежащих генов.

После повреждения клетки с мутацией в KRAS приобрели профиль доступность хроматина, сильно напоминающий таковой для клеток PDAC. И напротив, участки, которые в клетках с мутацией в KRAS становились доступными после повреждения, в нормальных клетках оставались в закрытой конформации. Эти данные, которые согласуются с опубликованными ранее, предполагают, что комбинация мутации в KRAS и повреждения тканей внешней средой вызывают первый шаг на пути к образованию опухоли, устанавливая профиль хроматина, связанный с раком, ещё до полной трансформации клеток в злокачественные.

Участки доступного хроматина часто содержат последовательности ДНК, называемые энхансерами, которые помогают регулировать экспрессию генов. Алонсо-Курбело и другие предположили, что белки, участвующие в регуляции транскрипции, могут работать на участках повышенной доступности хроматина в клетках с мутацией в KRAS и вызывать переход ADM, вызванной повреждением тканей, в интраэпителиальную неоплазию поджелудочной железы. Для исследования этой возможности авторы использовали метод РНК-интерференции, чтобы снизить производство белка BRD4, транскрипционного коактиватора, который необходим для экспрессии многих генов, особенно тех, чья экспрессия управляется кластерами элементов-энхансеров, называемыми супер-энхансерами. Это показало, что BRD4 необходим для восстановления тканей как в нормальных клетках для регуляции ADM после повреждения, так и для того, чтобы ADM превращалась в интраэпителиальную неоплазию поджелудочной железы при мутации в KRAS.

При анализе генов, потенциально ответственных за развитие интраэпителиальной неоплазии поджелудочной железы, авторы сфокусировались на гене Il33, экспрессия которого быстро увеличивается в клетках с мутацией в KRAS. Il33 кодирует белок интерлейкин-33, разновидность цитокина — сигнальной молекулы иммунной системы, ответственной за воспаление. Алонсо-Курбело и другие обнаружили, что в повреждённых клетках поджелудочной железы с мутацией в KRAS была повышенная доступность хроматина в участках, кодирующих Il33, и была выше экспрессия Il33 по сравнению с ситуацией в повреждённых клетках с нормальным KRAS. И что самое важное, такое увеличение экспрессии Il33 требовало нормальной экспрессии BRD4.

Чтобы подтвердить важность интерлейкина-33, авторы ввели белок своим модельным для повреждения тканей мышам. Процедура ускорила развитие интраэпителиальной неоплазии поджелудочной железы у животных с мутацией в KRAS, но не имела никакого эффекта на животных с нормальным KRAS. Хотя точные компоненты механизма транскрипции, необходимые для экспрессии Il-33 при мутации в KRAS, ещё нужно установить, авторы чётко продемонстрировали роль BRD4.

Эти данные согласуются с наблюдением, что лекарства первого поколения, которые неселективно воздействуют на модули регуляции генов под названием бромодомены BET (BD1 и BD2), которые представлены во всех белках BET, включая BRD4, продемонстрировали некоторую полезность в испытаниях на животных и людях против широкого спектра рака, включая PDAC. Ингибиторы BET следующего поколения могут предпочтительно изменять поддержание или вызывание экспрессии генов, связываясь, соответственно, с центрами BD1 или BD2 белков BET. Учитывая, что индукция Il33 лежит в основе перехода к образованию PDAC в клетка с мутацией в KRAS, было бы интересно протестировать, может ли селективный ингибитор BD2 отсрочить или снизить переход к образованию опухоли.

У людей повреждение поджелудочной железы внешними факторами, такими как потребление большого количества алкоголя, может привести к воспалительному состоянию под названием хронический панкреатит, который значительно увеличивает риск развития PDAC. Однако механизмы, которые могли бы объяснить это наблюдение, оставались непонятными. Исследование Алонсо-Курбело и соавторов показывает, как наличие связанных с раком мутаций и в том, что в целом кажется нормальной клеткой, может привести к разительному изменению того, как они реагируют на повреждение, тем самым подталкивая их к образованию опухолей посредством помощи в образовании неоплазии.

Учитывая, что многие наши ткани, включая кровь, кожу и клетки эпителия кишечника, содержат клональные клеточные популяции, которые часто подвергаются вредному внешнему воздействию, результаты Алонсо-Курбело и коллег могут иметь далеко идущие последствия. Их результаты должны сформировать базис для будущих исследований того, как предзлокачественные клоны в других тканях реагируют на повреждение. Такие исследования в свою очередь могут привести к разработке лекарств, воздействующих на факторы аномалий в регенерации тканей, которые ведут к метаплазии.

Перевод: Антон Меньшенин, редактор Елена Королёва.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00211-y

Источник.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s