Здорові клітини шкіри можуть позбуватися ракових сусідів

Ріс. 1. Динаміка росту мутантних клітин у волосяному фолікулі. a — у стовбурових клітинах індукована експресія мутантного гена, що викликає посилену проліферацію. b — популяція мутантних клітин (червоні) швидко зростає. з — здорові клітини швидко розмножуються і оточують мутантні в середині фолікула. d — здорові клітини видаляють мутантні і забезпечують подальше нормальне зростання тканини. Малюнок з популярного синопсису до обговорюваної статті в Nature

Відкрито принципово новий механізм, за допомогою якого здорові тканини можуть позбавлятися пухлинних мутантних клітин. Виявилося, що у відповідь на появу мутантних клітин, що походять від стовбурових, нормальні клітини волосяних фолікулів шкіри можуть прискорити поділ, оточити і видалити мутантні. Поки невідомо, якою мірою відкрите явище застосовне для інших тканин і органів і які конкретно механізми в цьому беруть участь. Ймовірно, це стане предметом активних досліджень у найближчому майбутньому.

При поділі клітини дублювання її геному може з деякою ймовірністю пройти з помилками, і в результаті в клітинах-нащадках з’являться мутації. Чим активніше діляться клітини і швидше оновлюється тканина, тим більше в ній виникає клітин-мутантів. Мутації можуть змінити нормальну поведінку клітини, порушити її диференціювання, вивести її поділ з-під контролю і перетворити її на злоякісну клітку, що неконтрольовано ділиться і дає початок раковій пухлині. І досі незрозуміло, як у такій ситуації навіть дуже активно оновлювані тканини та органи залишаються нормальними, підтримуючи свій гомеостаз — сталість структури і функцій. Чи відбувається це через придушення активності онкогенів або якимось іншим способом?

Так, за допомогою методів високоефективного секвенування нового покоління було показано, що в деякій кількості клітин шкіри людини (клітини шкіри якраз швидко оновлюються) спостерігаються онкогенні мутації (I. Martincorena et al., 2015. High burden and pervasive positive selection of somatic mutations in normal human skin). І незважаючи на це структура шкіри залишається нормальною — ракові пухлини не утворюються.

Група дослідників під керівництвом Валентини Греко (Valentina Greco, див. Greco lab) з Медичної школи Єльського університету спробували розібратися в тому, що ж відбувається з мутантними клітинами в шкірі. За допомогою методів генної інженерії вони отримали лінії лабораторних мишей, у яких у новостворених при диференціюванні потомства стовбурових клітинах волосяних фолікулів (hair follicle stem cell, HFSC) можна було штучно індукувати синтез мутантного активованого білка ^-катеніна, який бере участь у взаємодіях між клітинами і про який відомо, що його активація стимулює освіту (стимулює освіта) Обговорюваною статтею вчені з лабораторії Греко продовжили свою роботу зі стовбуровими клітинами фолікулів, в рамках якої, зокрема, раніше були розроблені засновані на флуоресцентній мікроскопії методи, що дозволяють довгий час спостерігати за «життям» цих клітин у фолікулах живих мишей (див. P. Rompolas et al., 2012. Live imaging of stem cell and progeny behaviour in physiological hair-follicle regeneration).

Після запуску за допомогою системи Cre (див. Cre-Lox recombination) синтеза ^-катеніна в клітинах, за якими велося спостереження, фолікули розбухали і протягом 1-2 тижнів в них утворювалися нові вирости (рис. 2). Але несподівано виявилося, що потім зростання припинялося і приблизно в 80% випадків вирости зникали, а фолікули поверталися у вихідний нормальний стан за місяць (залишилися приходили в норму за дещо більший час), надалі не показуючи нічого незвичайного.

Ріс. 2. Експресія мутантного лід-катеніна викликає спочатку аномальне зростання волосяних фолікулів, а потім їх регресію. Цифрами 1 і 2 позначено два близькі фолікули. Зеленим підсвічуються ядра стовбурових клітин фолікулів (HFSCs). Фіолетовим виділені вирости, що виникли приблизно за два тижні після включення експресії лід-катеніна. Видно, що до кінця місяця досліджень вони повністю зникли і не з’явилися надалі. Довжина масштабного відрізка 50 мкм. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Таким чином, після викликаного лід-катенином короткочасного порушення структури волосяного фолікула шкіра повертається до нормального гомеостазу. Вчені вирішили розібратися, як це відбувається. Вони позначили експресуючі лід-катенін мутантні клітини і нормальні клітини різними флуоресційними білками. Спостереження показали, що мутантні клітини переважно концентрувалися в центрі виростів. А перед тим як вирости починали зменшуватися, мутанти щільно оточувалися нормальними клітинами, які активно діляться, а потім видалялися з тканини (рис. 3). Автори не уточнюють, як саме зникали мутантні клітини, але очевидно вони витіснялися з фолікула в дерму, де ці клітини гинули. Цей процес можна переглянути на відео з додаткових матеріалів до статті.

Ріс. 3. Детальна ілюстрація росту і регресії волосяного фолікула (обведений пунктиром). Червоним барвником пофарбовані клітини, що експресують мутантний лід-катенін, зеленим — здорові клітини. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

В аналогічних експериментах, в яких замість лід-катеніна використовувався більш сильний онкоген — білок Hras, були отримані схожі результати: фолікули спочатку сильно розросталися, але потім спостерігалася їх регресія, після чого вони або відмирали, або знову ставали нормальним компонентом шкіри.

Оскільки перед зникненням мутанти завжди оточувалися нормальними клітинами, перед авторами постало питання, як саме здорові клітини розпізнають мутантів. Раніше вчені з групи Греко показали, що зростання волосся, контрольоване нормальними клітинами, стимулюється лігандами, що взаємодіють з білками сімейства Wnt. Сигнальний шлях Wnt у ссавців бере участь у контролі ділення клітин, ембріогенезу, диференціювання клітин, а також розвитку пухлин. Автори показали, що інактивація гена Wntless, що регулює продукцію лігандів-активаторів білка Wnt, позбавляла нормальні клітини здатності інкапсулювати мутантні (рис. 4).

Ріс. 4. Для коригування тканини волосяних фолікулів потрібен активний сигнальний шлях Wnt. При інактивації гена Wntless посиленого зростання нормальних клітин не спостерігається, і вони не оточують клітини, що виділяють лід-катенін. Як і на рис. 3 червоним показані мутантні клітини, зеленим — здорові HFSC. Довжина масштабних відрізків 50 мкм. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Пряме придушення ділення нормальних клітин шляхом штучної індукції в них блокуючого проліферацію білка Cdkn1b супроводжувалося розмноженням мутантів, що виробляють лід-катенін, і формуванням схожих на кісти структур без ознак регресії (рис. 5) — так само, як і за відсутності лігандів Wnt.

Ріс. 5. Експресія в нормальних клітинах білка CDKN1b, що переважає їх проліферацію, призводить до продовження зростання продуцентів мутантного лід-катеніна, і регресії волосяних фолікулів не відбувається. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Таким чином, в обговорюваній статті описано принципово новий механізм, за допомогою якого нормальна тканина може протистояти формуванню пухлин. Виявилося, що клітини волосяних фолікулів шкіри мають надзвичайну пластичність, що виражається в здатності ліквідувати виникаючі дефекти і підтримувати гомеостаз шкіри. У той же час отримані результати ставлять багато питань, на які ще належить відповісти.

Як саме здорові клітини «відчувають» сусідів-мутантів? Автори показали, що це може відбуватися шляхом комунікації між мутантними і нормальними клітинами через сигнальний шлях Wnt. Але неясно, чи беруть участь у ліквідації зазначених дефектів інші сигнальні шляхи, чи працює подібний протективний механізм в інших тканинах і які сигнальні шляхи використовуються в його реалізації.

Далі, як мутантні клітини долають дію цього механізму і ініціюють утворення пухлин (які, на жаль, іноді все-таки утворюються)? Відомо, що стовбурові клітини, які пройшли процес диференціювання і припинили ділитися, не обов’язково залишаються в такому стані. При необхідності вони можуть «дедифференціюватися» і перетворитися на клітини-попередники. Так, у підшлунковій залозі немає стовбурових клітин. І єдиною можливістю виправити пошкодження її тканини є перетворення частини її клітин на стан, що дозволяє знову ділитися і репарувати дефект. Така пластичність у деяких ситуаціях може бути корисна, а в інших — загрожує можливістю виникнення ракової пухлини. Мутації онкогена Kras, спорідненого Hras, є практично у всіх ракових пухлинах протоків підшлункової залози. Було показано, що наявність цих мутацій у диференційованих неподільних клітинах дуже рідко викликає рак. Але якщо заліза пошкоджується, наприклад, при панкреатиті і деякі її клітини починають ділитися для усунення дефекту, мутантний Kras перешкоджає зворотному диференціюванню, сприяє їх подальшому зростанню, і може сформуватися злоякісна пухлина (J. C. Mills, O. J. Sansom, 2015. Reserve stem cells: Differentiated cells reprogram to fuel repair, metaplasia, and neoplasia in the adult gastrointestinal tract).

Загалом, ця робота є абсолютно новаторською. Багато дослідників зосередилися на вивченні реакції здорових клітин на вже сформовану пухлину — на тому як вони перешкоджають або сприяють подальшому розвитку пухлини. На відміну від них тут досліджені механізми цієї взаємодії на етапі зародження пухлини. Зокрема, вдалося вперше на ссавцях in vivo продемонструвати процес конкуренції різних клітин (в даному випадку — елімінація мутантних клітин нормальними). Можна припустити, що відкритий авторами феномен, що має велике значення і для медицини, і для загальної біології клітини, буде активно вивчатися в найближчому майбутньому.

Джерела:

1) Samara Brown, Cristiana M. Pineda, Tianchi Xin, Jonathan Boucher, Kathleen C. Suozzi, Sangbum Park, Catherine Matte-Martone, David G. Gonzalez, Julie Rytlewski, Slobodan Beronja & Valentina Greco. Correction of aberrant growth preserves tissue homeostasis // Nature. 2017. V. 548. P. 334–337. DOI: 10.1038/nature23304.

2) J. Burclaff, J. C. Mills. Cell biology: Healthy skin rejects cancer // Nature. 2017. V. 548. P. 289–290. (Популярний синопсис до обговорюваної статті).

В’ячеслав Калінін