Боротьба за виживання призводить до раку

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 53

Природний відбір — всеосяжний процес. За місце під сонцем борються не тільки популяції та окремі особини, але навіть клітини. Між конкуренцією організмів і клітин є різниця, принципова для нас: відбір найбільш пристосованих особин веде до процвітання виду, а відбір найбільш пристосованих, тобто швидко діляться, хижакам не піддаються і практично безсмертних клітин може вбити їх власника.

Відбір у клітинних популяціях досліджують багато вчених і не одне десятиліття. Серед них професор Стенфордського університету Ірвінг Вейсман, який описав у недавній публікації (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112, 8922-8928, DOI:10.1073/pnas.1505464112) результати тридцятирічних експериментів. Він і співробітники його лабораторії спостерігали конкуренцію в популяціях стовбурових клітин оболонки, сперматогенних клітин миші і кроветворних клітин миші і людини, а також перетворення гемопоетичних стовбурових клітин людини на ракові. А почалося все в 1980-х роках з дослідження оболонців Botryllus schlosseri.

Конкуренція в колонії

Оболонці, вони ж личинохордові, — морські тварини. Їх життєвий цикл являє собою чергування статевого і безполого розмноження, личинки рухливі, а дорослі особини осідають на дно і утворюють колонії (рис. 1).

Плавуча личинка B. schlosseri розвивається з заплідненого яйця, вона нагадує пуголовка: голова з очима, хвіст, нотохорд (примітивна хорда), нервова трубка і сегментована мускулатура. Пуголовок, поплававши, осідає на дно і перетворюється на безхребетне, нотохорд зникає в результаті апоптозу, і макрофаги поглинають його мертві клітини. Доросла особина, яка називається оозоїдом, має оманливо-простий вигляд: ротовий і клоакальний сифони з травним трактом між ними, жаберні щілини, ендостиль, який виробляє гормони, просте трубкоподібне серце і кровоносна система, все це укутано студеністою тунікою. Оозооїд розмножується почкуванням, в ході якого утворює колонію генетично ідентичних особин — зооїдів, або бластозооїдів (подивіться на малюнок).

Ріс. 1. Життєвий цикл оболонця Botryllus schlosseri. Його плавуча личинка нагадує пуголовка, а дорослі безхребетні особини осідають на дно і утворюють колонії’) «» >

Ріс. 1. Життєвий цикл оболонця Botryllus schlosseri. Його плавуча личинка нагадує пуголовка, а дорослі безхребетні особини осідають на дно і утворюють колонії

Почкування відбувається щотижня, поки жива колонія. Коли одна з особин приходить пора померти, всі її органи піддаються апоптозу, а мертві клітини дістаються фагоцитам кровоносної системи. Кровоносна система зооїдів розгалужена, її судини виступають з тіла в туніку, утворюючи в ній петлі і пальцеобразні вирости (ампулли). У зооїдів однієї колонії кровоносна система загальна. Якщо ж, як нерідко буває, кілька колоній ростуть у тісному сусідстві, їхні кровоносні судини стикаються і між ними утворюються тимчасові сполуки — степомози. Такі контакти закінчуються двояко. У деяких випадках починається запалення і на кордоні кровоносних систем утворюється розділяє сусідів шрам. Але можливий і більш щасливий результат: судини об’єднуються, і сусідні колонії виявляються з’єднані загальною кровоносною системою.

Ріс. 2. Ієрархія стовбурових клітин у хімерних колоніях оболонця. У результаті конкуренції зооїди можуть мати тіло з СК однієї колонії, а статеві клітини — з СК іншої

Феномен злиття залежить від єдиного гена гістосумісності, званого BHF (Botryllus histocompatibility factor). У нього близько ста можливих варіантів (алелей), а геном зооїду може містити тільки два, однакових або різних. Якщо сусідні колонії мають хоча б один спільний алель BHF, їхні кровоносні системи об’єднаються, а якщо загальних алелей немає, утворюється шрам. Вейсман підкреслює, що мати спільні алелі і утворювати химерні колонії можуть лише родинні, генетично близькі особини.

Колонії обмінюються не тільки клітинами крові, а й стовбуровими клітинами (СК), які починають конкурувати один з одним за право утворити нові зооїди. Стовбурові клітини діляться повільно, причому одна з двох дочірніх клітин вступає на шлях диференціювання, і доля її вирішена, а інша залишається точною копією материнської. Завдяки цій властивості, яка називається самовідновленням, СК на відміну від спеціалізованих клітин здатні відтворювати свою популяцію. СК поділяються на клітини зародкової лінії, з яких утворюються гамети, і клітини соми, що дають початок всім іншим тканинам. Співробітники Вейсмана досліджували сперму, клітини крові та інші тканини у кількох довгоживучих (тримісячних) хімерних колоній, що виникли в результаті злиття двох сусідніх. Вони спостерігали в цих химерах різні варіанти конкуренції СК (рис. 2). СК зародкової лінії колонії F перемогли конкурентів G, тому всі гамети цієї химери утворені з клітин F і генетично ідентичні, але їх соматичні СК зазвичай програють. СК зародкової лінії F виграють також у В, але соматичні СК обох колоній «зіграли внічию» і співіснують з невеликою перевагою В, соматичні тканини цієї химери утворені СК обох колоній. Стовбурові клітини G перемагають В і в зародковій лінії, і в сомі. Дослідники дозволили утворитися химері з трьох цих колоній, і ієрархія збереглася: серед СК зародкової лінії поза конкуренцією опинилися клітини F, а серед соматичних — G.

Ріс. 3. Конкуренція стовбурових клітин. Рівноякісні за життєздатністю клітини співіснують, і в організмі вони представлені з однаковою частотою. Якщо СК одного генотипу мають явну перевагу перед іншим, він виграє в чисельності, але загальна кількість СК обох видів не перевищує норми. Якщо спадкові зміни дозволяють одній лінії стовбурових клітин розмножуватися необмежено, відбувається малігнізація клітин — вони перетворюються на ракові

Дослідники також спостерігали кілька випадків, коли вшанування в одній з колоній химери припиняється і всі її зооїди гинуть і розсмоктуються, при цьому СК зародкової лінії загиблої колонії збереглися і виробляли гамети в решті колонії.

Тут, звичайно, виникає питання: якщо соматичні СК однієї особини настільки гарні, що повністю витісняють конкурентів і створюють виняткове за якістю тіло, то як гени, що забезпечують пристосованість цього тіла, передаються наступному поколінню, якщо його гамети мають інший генотип? Дослідники проблему визнають, але відповіді поки не знають.

Стовбурові клітини-суперконкуренти могли б захоплювати колонію за колонією, утворюючи поля оболонців з однаковими геномами. Така ситуація чимось схожа на зростання пухлини (рис. 3). На щастя, оболонці мають ген гістосумісності BHF, який блокує проникнення СК у нерідні колонії і підтримує генетичну різноманітність виду. У хребетних відторгнення чужорідних тканин забезпечують гени головного комплексу гістосумісності МНС. Але хоча МНС і BHF виконують аналогічні функції, послідовності цих генів не схожі.

Наступним етапом у роботі Вейсмана стало вивчення конкуренції СК в організмах, що стоять на більш високому щаблі еволюційних сходів, які не розмножуються почкуванням і не зливаються один з одним, наприклад у мишах і людях.

Конкуренція в організмі

Щоб дослідити конкуренцію СК зародкової лінії мишей, дослідники створили химеру, використовуючи ембріональні стовбурові клітини з внутрішньої маси бластоцисти чотирьох різних мишей. На цій стадії ембріон ще не переходить до формування зародкових листків. Клітини різних ембріонів постійно експресували флуоресцентні білки червоного, синього або зеленого кольорів, що дозволяло простежити за долею їхніх нащадків. Вчені ввели по 5 пофарбованих ембріональних клітин (всього 15) в неокрашену бластоцисту четвертої миші і імплантували її в матку п’ятою. Потім дослідники аналізували розподіл кольорових клітин у насінниках кількох десятків народжених мишей. Для дослідження брали тільки таких тварин, у шкірі та внутрішніх органах яких були присутні клітини всіх чотирьох кольорів. Якщо десь утворюється велика кількість сусідніх один з одним клітин одного кольору, наприклад зелених, це означає, що всі вони — нащадки однієї клітини того ж кольору.

Дослідження показали, що насінники формуються всього з чотирьох стовбурових клітин зародкової лінії. Оскільки їх мало, до їх числа, як правило, не потрапляють клітини всіх чотирьох кольорів, зазвичай двох або трьох. Ці клітини діляться, переміщуються і формують зачатки гонад. На цьому етапі популяція СК зародкової лінії складається приблизно з 4 тисяч клітин. Однак через 14-21 день після народження більшість клітин кожного кольору піддається апоптозу, а деякі залишилися формують насіннєві канальці. Аналіз ДНК показав, що безліч суміжних насіннєвих канальців — нащадки однієї клітини.

Отже, серед СК зародкової лінії ссавців також має місце конкуренція, і витримують її небагато. Це нагадує ситуацію з оболонцями. Що саме призводить до масової загибелі СК зародкової лінії, дослідники поки не знають. На їхню думку, в більшості СК на певному етапі формування гонад відбуваються мутації, що перешкоджають утворенню функціональної сперми. Вчені припускають, що могло б викликати ці зміни, але гіпотезу треба доводити.

Конкуренцію СК соми вчені досліджували на гемопоетичних (кроветворних) стовбурових клітинах, ДСК (рис. 4). Кожна ДСК теоретично може дати початок клітинам крові будь-якого типу, практично ж популяція ДСК неоднорідна. Деякі клітини (назвемо їх збалансованими ДСК) утворюють приблизно в рівних пропорціях мієлоїдні елементи (тромбоцити, еритроцити, гранулоцити, моноцити і макрофаги) і лімфоцити різних типів. Але є клітини, активність яких зміщена, і вони виробляють переважно мієлоїдні клітини.

Ріс. 4. Спрощена схема кроветворення. Кругла стрілка означає здатність клітини до самозасновлення’) «>

Ріс. 4. Спрощена схема кроветворення. Кругла стрілка означає здатність клітини до самозасновлення

У молодих мишей і людей кровотворні органи заселяють переважно збалансовані ДСК, а у старих особин обох видів переважають «мієлоїдні» ДСК. Експериментальні дані, отримані в лабораторії Вейсмана, показали, що субпопуляції ДСК відрізняються рівнем експресії клітинного рецептора Slamf1, який, в тому числі, визначає здатність клітин до самовідновлення. Серед ДСК з «мієлоїдним» ухилом є клітини з високим рівнем експресії Slamf1 та потенціалом самовідновлення, з часом саме вони починають переважати в пулі стовбурових клітин, витісняючи «збалансовану» популяцію (детальніше про це див. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107, 5465-5470, DOI:10.1073/pnas.1000834107).

Ірвінг Вейсман припускає, що відбір на користь мієлоїдних ДСК викликаний зміною потреб у різних типах імунної відповіді. Збалансовані ДСК виробляють лімфоцити, що виробляють антитіла проти патогенів. Багато з них імунна система «запам’ятовує» і утворює довгоживучу популяцію лімфоцитів, налаштованих на виробництво певного антитіла. Імунна система формувалася в ті давні часи, коли люди і тварини не носилися по всьому світу на літаках і поїздах, а проводили життя на відносно невеликій території і зустрічалися з обмеженою кількістю патогенів. Досягнувши другої половини життя, вони вже встигли зустрітися з переважною більшістю інфекцій своєї місцевості, тому їх імунна система все, що потрібно, пам’ятає. А необхідність у гострій запальній відповіді, реакції на проникнення паразита або чужорідне тіло, які здійснюють клітини мієлоїдного ряду, є завжди, тому і відбувається відбір мієлоїдних ДСК. Так це чи ні, ми не знаємо, але для нас зараз важливіше інше: в організмах хребетних тварин йде відбір найбільш конкурентоспроможних стовбурових клітин, і він може призвести до повільної прогресії здорових клітин в ракові, наприклад мієлодиних ДСК в клітини мієлоїдного лейкозу.

Конкуренція зі смертельними наслідками

Природний відбір стовбурових клітин йде весь час, поки живий їх носій. Якщо за цей час в одній з клітин відбудеться мутація або інша зміна, яка збільшить її виживаність і конкурентоспроможність, її нащадки потіснять інші клітини. Таких змін може відбутися кілька, одне за одним, і самозобновлювана стовбурова клітина все їх збереже. Але ці мутації, накопичуючись, можуть поступово перетворити нормальну СК на ракову. Коли Вейсман зі співробітниками досліджували експресію генів мієлоїдних ДСК, вони виявили, що з 32 найбільш активно працюючих генів 17 діяли як протоонкогени при гострому мієлоїдному лейкозі. Протоонкоген — це ген, що контролює ділення клітин і здатний в результаті мутації перетворитися на онкоген, продукт якого стимулює утворення злоякісної пухлини.

Мієлоїдний лейкоз — надлишкове утворення клітин мієлоїдного ряду: гранулоцитів та їх попередників. Хвороба може розвиватися повільно і спочатку безсимптомно (хронічний мієлоїдний лейкоз) або швидко (гострий мієлоїдний лейкоз — одне з найбільш злоякісних мієлоїдних захворювань). Гострий мієлоїдний лейкоз зазвичай розвивається після 50 років, це хвороба літніх людей. Дослідники простежили за тим, як змінюються ДСК при розвитку мієлодного лейкозу.

На ранніх стадіях мієлоїдного лейкозу і при інших захворюваннях, пов’язаних з активним поділом клітин мієлоїдного ряду, існує проліферативна фаза, під час якої в кістковому мозку накопичуються мутантні СК, що поступово витісняють нормальні клітини, але цей процес ще не носить вибухового характеру. На цій стадії вчені виділили у пацієнтів мієлоїдні ДСК, які несуть мутації, що дозволяють їм успішно конкурувати з нормальними ДСК і витісняти їх з популяції, але загальна кількість стовбурових клітин при цьому не збільшується (це нерівна конкуренція на рис. 3). Вейсману і його співробітникам вдалося простежити, як ДСК накопичують мутації. У хворих на мієлоїдний лейкоз вони виявили ГСК з єдиною мутацією (1), з двома мутаціями (1 + 2), з трьома (1 + 2 + 3). Більшість цих мутацій впливали на здатність клітин диференціюватися. Це спостереження підтверджує припущення про те, що ДСК накопичують передракові зміни і передають їх як самозобновлюваним нащадкам, так і клітинам-попередникам, які вступили на шлях диференціювання. На більш пізніх стадіях захворювання мутації відбуваються вже в клітинах-попередниках, серед них, як правило, і виникають лейкозні клони. Зазвичай це мутації, що викликають активну проліферацію. Однак на цьому ракова прогресія не закінчується.

Передракові, в даному випадку передлейкемічні клітини несуть мутації, які штовхають їх на самогубчий шлях, що веде до апоптозу. Програмована клітинна загибель зазвичай супроводжує програмованим видаленням мертвих, але ще не зруйнованих клітин. Щоб залучити макрофагів, на яких лежить функція знищення, приречені клітини експресують спеціальний сигнал, який Вейсман назвав «їж мене». На початку прогресії пухлини найбільш конкурентоспроможні клітинні клони навчилися блокувати апоптоз, але сигнал «їж мене» вони як і раніше випускають, тому обмежені у своїй рухливості: навколо них готові накинутися макрофаги. Ірвінг Вейсман виявив, що здатність переміщатися по організму, викликаючи метастази, знаходять клітини з підвищеним рівнем білка CD47 — сигналом «не їж мене». Експресія цього гена посилена у всіх найбільш злоякісних пухлинах миші і людини, в тому числі і в лейкозах. Дослідники показали, що антитіла до CD47, які блокують передачу сигналу «не їж мене» на рецептор SIRP макрофагів, призводять до того, що макрофаги накидаються на ракові клітини і поїдають їх. Ці антитіла лікують людські пухлини, пересаджені імунодефіцитним мишам, і Вейсман повідомляє про клінічні випробування, які перевіряють можливість використання антитіл до CD47 для терапії раку.

Вейсман вважає, що злоякісна пухлина будь-якої тканини розвивається однаково: спочатку тканинні СК накопичують передракові мутації (не випадково рак виникає лише в тих тканинах, де є стовбурові клітини), потім клітини знаходять здатність до нерегульованої проліферації. Загальна кількість і набір мутацій, що призводять клітку до раку, можуть бути різними, але закінчується все набуттям сигналу «не їж мене». А в основі лежить цілком мирний процес: звичайна для всіх багатоклітинних конкуренція між стовбуровими клітинами, природний відбір, боротьба за існування.