Несколько лет назад биолог Дениз Монтелл, выдающийся профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обнаружила, что иногда клетки выживают после того, что считалось критическим этапом клеточного самоубийства. Теперь она и ее лаборатория определили два ключевых фактора, участвующих в этом замечательном выздоровлении.
Результаты, опубликованные в Nature Communications, показывают, что этот механизм выживания может иметь решающее значение для восстановления нормальных тканей после экстремального стресса, а не случайного явления. Понимание его нюансов также может предоставить новые стратегии лечения рака.
Апоптоз – это наиболее распространенный способ самоубийства клеток, и этот процесс имеет решающее значение для поддержания благополучия организма. Живым существам нужен способ уничтожить клетки, когда они сильно повреждены или их ДНК повреждена. Апоптоз также является частью естественного обновления, особенно в клетках крови, клетках кожи и слизистой оболочке кишечника.
«До нашей работы люди действительно думали, что апоптоз – это решение по принципу« все или ничего », – сказал Монтелл, профессор Даггана с кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. "Вы либо совершили самоубийство и пережили это, либо не."
Ученые считали активацию фермента, названного «каспазой палача», точкой невозврата.
Этот фермент по существу разрезает и расщепляет многие белки клетки. Но оказывается, что апоптоз имеет более тонкие нюансы, чем это было известно ранее, и иногда клетки выживают после каспазы палача посредством другого процесса – анастазиса.
Назад с края
Это явление впервые привлекло внимание Монтелла примерно в 2010 году. Как правило, ученые, изучающие апоптоз, используют экстремальные условия, в результате которых все клетки в их образце умирают.
В то время докторанту в своей лаборатории было любопытно, смогут ли клетки пережить активацию каспазы, если он удалит вещество, вызывающее апоптоз. К всеобщему удивлению, многие из них.
С тех пор ученые наблюдали анастаз в клетках многих различных организмов, включая людей, мышей и плодовых мушек.
Монтелл и ее команда решили искать гены, которые либо усиливали бы, либо подавляли способность клеток проходить этот процесс.
С этой целью исследователи применили методику, разработанную в 2016 году.
Разводя трансгенных плодовых мушек, которые экспрессируют определенный белок, который расщепляется каспазой палача, они инициировали серию событий, которые в конечном итоге заставляют клетки флуоресцировать зеленым цветом. Это навсегда идентифицирует любую клетку, которая пережила эту фазу апоптоза.
Имея под рукой этот инструмент, команда под руководством бывшего научного сотрудника Гунпин Сунь поставила задачу определить гены, участвующие в анастазировании. Поскольку они не могли исследовать все 13000 генов в геноме плодовой мухи, исследователи прочесали свои собственные данные, а также литературу, чтобы идентифицировать гены-кандидаты, и в конечном итоге остановились на около 200 для дальнейшего исследования.
Сан и ее коллеги по лаборатории взяли сотни плодовых мушек и выровняли экспрессию другого гена в половине клеток каждого животного. Это позволило им контролировать другие факторы, которые могут повлиять на результаты.
В статье, опубликованной в 2016 году, команда обнаружила, что некоторые клетки анастазируются во время нормального развития плодовой мушки. Поэтому в новой статье они искали изменения в процентном соотношении клеток, которые прошли через этот процесс во время разработки.
Они также протестировали гены на их способность воздействовать на анастаз в ответ на такие стрессы, как радиация и тепло.
Было непросто отличить гены, участвующие в анастазировании, от генов, которые просто необходимы для базового выживания. «Потому что, если это необходимо для выживания, точка, тогда это также будет необходимо для восстановления на грани смерти», – сказал Монтелл.
Итак, команда посмотрела не только на то, сколько клеток в образце флуоресцирует зеленым после эксперимента, но и на соотношение зеленых клеток к незеленым клеткам. Если рассматриваемый ген был необходим для базового выживания, но не участвовал в анастазировании, он влияет на все клетки одинаково.
Это повлияет на общее количество флуоресцентных клеток, но оставит соотношение неизменным.
Исследователи обнаружили два белка, и гены, которые их кодировали, сыграли важную роль в анастазировании. Первый, AKT1, представляет собой хорошо изученный и известный белок выживания, который активируется в ответ на факторы роста, по сути говоря, заставляя клетку расти и делиться.
Ученые знали, что он может блокировать активацию каспазы палача, но команда обнаружила, что он также может иметь значение между выживанием и смертью после срабатывания каспазы.
Другой белок, CIZ1, не так хорошо изучен и упоминается в ряде не связанных между собой статей в литературе. Почти во всех этих случаях оказывается, что CIZ1 также способствует выживанию от стресса.
Например, снижение количества CIZ1 связано с увеличением возрастной нейродегенерации у мышей.
Участие этих двух белков в анастазировании указывает на то, что это, вероятно, очень древний процесс. «Не только феномен восстановления клеток на грани смерти, но даже механизм – вовлеченные молекулы – настолько глубоко сохранены в эволюции, что мухи и мыши используют одни и те же молекулы», – сказал Монтелл.
Апоптоз и борьба с раком
Эти открытия – огромный шаг вперед в понимании апоптоза на фундаментальном уровне. Они также предлагают возможные применения – особенно в борьбе с раком.
Апоптоз выполняет важную функцию в поддержании стабильного равновесия в сложных организмах. При нормальных обстоятельствах – скажем, при повреждении клетки кожи ультрафиолетом – организм хочет, чтобы поврежденная клетка умерла, чтобы она не превратилась в состояние, подобное меланоме.
«Однако, если вы подверглись сильному стрессу, возможно, вы не захотите, чтобы каждая клетка совершала апоптоз», – сказал Монтелл. "Это может привести к необратимому повреждению тканей, от которого будет очень трудно избавиться."
В ответ на тяжелую, но временную травму некоторым клеткам может быть полезно прийти в норму.
Монтелл подозревает, что это основная причина того, что организмы разработали способ обходить апоптоз.
Временный характер стресса, по-видимому, является решающим фактором как в роли анастазиса в ускорении заживления, так и в самом механизме. Когда клетка находится в состоянии сильного стресса, такого как радиация или химическое воздействие, две вещи происходят одновременно: клетка активирует реакцию апоптоза, включая каспазу палача, а также активирует реакции, способствующие выживанию.
«Это похоже на одновременное нажатие педали газа и тормоза», – сказал Монтелл.
Факторы апоптоза усиливаются, поэтому, если стрессовые условия сохраняются, процесс преодолевает порог, и клетка умирает. Но если стресс носит временный характер, путь, способствующий выживанию, уже готов сработать и помочь клетке восстановиться. Исследователи не до конца понимают, как клетка выключает путь апоптоза, но, вероятно, в этом участвуют такие белки, как AKT1 и CIZ1.
Однако у этого механизма выживания есть темная сторона. «Анастазис может быть полезным, если вы пытаетесь восстановить поврежденную ткань, но он может быть плохим, поскольку может способствовать росту опухолей, – отметил Монтелл, – особенно в ответ на химиотерапию и лучевую терапию». которые являются экстремальными временными нагрузками."
Монтелл объяснил, что это соответствует опыту многих врачей. Многие больные раком изначально хорошо поддаются лечению; их опухоли уменьшаются, а их состояние улучшается.
Но, к сожалению, опухоли часто отрастают. И ученые не уверены, почему это.
Некоторые думают, что возрождение могло быть результатом того, что в опухоли существуют устойчивые к лекарствам клетки, которые затем вызывают рецидив. В этой статье представлена еще одна гипотеза – «идея о том, что лечение само по себе может побудить раковые клетки пройти этот стресс-зависимый процесс выживания», – сказал Монтелл.
Это понятие может коренным образом изменить взгляд врачей на предотвращение рецидивов. По словам Монтелла, вы мало что можете сделать против устойчивых к лекарствам клеток, но если рецидив вызван этим механизмом выживания, эти результаты могут послужить основой для новых методов лечения.
Препараты, ингибирующие AKT1, в настоящее время проходят клинические испытания. Их можно комбинировать с другими методами лечения для повышения их эффективности, потенциально позволяя врачам и исследователям подавлять анастазирование в раковых клетках, одновременно поддерживая нормальные клетки.
Более того, по словам Монтелла, успешные раковые клетки действительно могут вызывать апоптоз в Т-клетках, которые иммунная система посылает, чтобы атаковать их. Это представляет собой еще одну цель для терапии анастазиса.
«Между иммунной системой и раком продолжается война, – сказал Монтелл, – и если вы сможете хоть немного склонить чашу весов, вы сможете начать побеждать."