Вчені виявили механізм виживання клітин, який допомагає регенерувати серйозно пошкоджену тканину, а також може виявити, чому деякі види раку повертаються після лікування.
Такі тканини, як шкіра, разом з епітеліальними шарами, які покривають і вистилають багато органів, мають чудову здатність відновлюватися після значної травми. Вчені знають про цю відповідь, яка називається компенсаторною дифузією, майже півстоліття. Однак, як саме клітини здатні виробляти таке різке зростання, залишається загадкою.
Це явище було вперше задокументовано в 1970-х роках, коли дослідники піддали личинок мух високим дозам радіації. Незважаючи на значні пошкодження епітеліальної тканини, личинки змогли відновити повністю функціональні крила. Подібні регенеративні реакції з тих пір спостерігалися у багатьох видів, включаючи людей.
Тепер дослідники з Інституту науки Вейцмана кажуть, що вони виявили молекулярний механізм, який допомагає пояснити, як працює цей процес. Їх дослідження в Спілкування природивказує на дивовижну роль каспаз, ферментів, які, як відомо, допомагають руйнувати клітини.
Замість того, щоб просто сприяти загибелі клітин, каспази, очевидно, можуть зробити певні клітини стійкими до смерті. Ті, хто вижив, можуть брати участь у регенерації пошкодженої тканини і навіть можуть бути краще оснащені, щоб протистояти майбутнім травмам. Однак ця сама здатність може мати небезпечний недолік. Ракові клітини можуть використовувати цей механізм виживання, потенційно сприяючи появі пухлин, які повертаються в більш агресивній та стійкій до лікування формі.
Це відкриття може зрештою допомогти дослідникам розробити підходи, які стимулюють регенерацію здорової тканини, а також знижують ризик рецидиву раку.
Коли механізм смерті клітини сприяє виживанню
Одним із основних способів, якими організм видаляє небажані клітини, є апоптоз, ретельно контрольована форма клітинного «самогубства». Клітини можуть піддаватися апоптозу, коли вони старіють, ушкоджуються або отримують молекулярні сигнали, які повідомляють їм, що їхній час вийшов.
Цей процес включає кілька ферментів каспази. Ініціаторна каспаза спочатку активує шлях, а потім ефекторні каспази, які розщеплюють внутрішньоклітинні білки.
Але протягом останніх двох десятиліть дослідники виявили, що апоптотичні каспази не обмежуються вбивством клітин. Робота вчених з усього світу, включаючи лабораторію професора Елі Арама на кафедрі молекулярної генетики Вейцмана, показала, що ці ферменти також можуть брати участь у біологічних процесах, необхідних для життя.
Арама, ранній дослідник цих несмертельних функцій каспаз, підозрював, що вони можуть сприяти компенсаторній проліферації.
Шукайте клітини, які починають гинути, але виживають
Для розслідування команда під керівництвом доктора Цилле Браун з лабораторії Arama відтворила класичний експеримент, який вперше виявив поширення компенсації. Дослідники піддали личинок плодових мушок іонізуючому випромінюванню, але цього разу вони використали сучасні генетичні інструменти, щоб детально простежити за регенерацією епітеліальної тканини.
«Ми збиралися ідентифікувати клітини, які натиснули кнопку знищення, але все ще вижили», — сказав Браун. «Для цього ми використали датчик затримки, який повідомляв про клітини з активованою каспазою, але які, тим не менш, вижили під випромінюванням. Таким чином ми виявили популяцію клітин, яку ми назвали клітинами DARE. Ці клітини не тільки вижили під випромінюванням – вони проліферували, відновлювали пошкоджену тканину та заповнювали її наполовину приблизно за 48 годин».
Відкриття викликало ще одне питання. Якщо клітини DARE становлять приблизно половину відновленої тканини, звідки взялася решта?
Дослідники знайшли другу групу клітин, які також були стійкі до смерті. Ці клітини, які називаються клітинами NARE, відрізнялися одним важливим аспектом: їх ініціатор каспази ніколи не був активований.
«Ми ідентифікували іншу популяцію клітин, стійких до смерті, але, на відміну від клітин DARE, вони не виявляли жодної активації ініціаторної каспази. Ми назвали їх клітинами NARE», — каже Браун. «Хоча клітини NARE в кінцевому підсумку сприяють регенерації тканин, вони не можуть зробити це поодинці: коли ми видалили клітини DARE із системи, компенсаторна проліферація повністю зникла. Ми також виявили, що мертві клітини в тканині відіграють важливу роль у вибуху регенерації — клітини DARE були активовані сигналами від їхніх мертвих сусідів».
Як клітини DARE уникають смертного вироку
Далі команда дослідила, чому клітини DARE можуть витримувати рівні радіації, які викликають апоптоз сусідніх клітин.
Вони виявили, що процес смерті зазвичай починається всередині клітин DARE. Ініціаторна каспаза активується, але шлях переривається до того, як каспази-палачі зможуть завершити знищення клітини.
«Ми помітили, що хоча ініціатор каспази активується в цих клітинах, процес клітинної смерті зупиняється на цьому і не переходить до наступної стадії», — говорить Арама. «Ми підозрювали, що за це відповідає білок, відомий як молекулярний двигун, — він може зв’язувати ініціаторну каспазу з клітинною мембраною та перешкоджати їй активувати каспази-палачі. Дійсно, коли ми вимкнули цей моторний білок, клітини DARE гинули, а регенерація тканини була порушена. Надмірна активація моторного білка, який раніше був пов’язаний із ростом моторного білка, вказує на ріст раку. Механізми, які дозволяють раковим клітинам рости, запобігаючи апоптозу».
Цей зв’язок особливо важливий, оскільки лікування раку, наприклад радіація, часто пошкоджує пухлинні клітини, викликаючи їх самознищення.
Виживаюча радіація може ускладнити знищення клітин
Пухлини, які повертаються після променевої терапії, часто більш агресивні та важче піддаються лікуванню. Тому дослідники хотіли знати, чи зможуть клітини, які пережили початкову дозу радіації, передати свою стійкість майбутнім поколінням клітин.
«Ми хотіли з’ясувати, чи була стійкість до смерті успадкована від потомства стійких до смерті клітин, які пережили первинне світло», — сказав Арама. «Ми виявили, що коли ту саму тканину опромінюють вдруге, кількість клітин, які гинуть протягом перших кількох годин, вдвічі менша, ніж після першого опромінення, і більшість мертвих клітин належать до популяції NARE. Іншими словами, потомство клітин DARE було винятково стійким — у сім разів стійкішим до клітинної смерті, ніж клітини вихідної тканини».
Результати свідчать про те, що виживання після початкової атаки може залишити довготривалу біологічну спадщину. Клітинні лінії DARE були набагато складнішими, ніж клітини тканин, які ніколи не піддавалися радіації вперше.
Ця риса може бути дуже корисною, коли здорові тканини потребують відновлення після пошкодження. Але при раку та сама перевага виживання може дозволити небезпечним клітинам зберігатися, незважаючи на лікування.
Цикл відновлення тримає відновлення під контролем
Швидке одужання становить ще одну проблему. Клітини повинні вирости достатньо, щоб замінити втрачене, але це зростання має з часом припинитися. В іншому випадку відповідь на відновлення може стати неконтрольованим розповсюдженням.
На останньому етапі дослідження дослідники виявили сигнальну систему між клітинами DARE і NARE, яка, здається, підтримує цей баланс.
«Клітини DARE сприяють росту сусідніх клітин NARE, очевидно, шляхом секреції сигналів росту», — зазначає Арама. «У свою чергу, клітини NARE виділяють сигнали, які пригнічують ріст клітин DARE. Насправді ми виявили петлю негативного зворотного зв’язку між двома популяціями клітин, яка запобігає надмірному росту».
Цей обмін дозволяє двом клітинним популяціям підтримувати регенерацію, одночасно обмежуючи надмірний ріст.
Від відновлення тканин до лікування раку
Експерименти проводилися на плодових мушках, тому знадобляться додаткові дослідження, щоб визначити, наскільки ті самі механізми працюють у людей. Однак моделі плодових мушок неодноразово допомагали вченим розкрити фундаментальні біологічні процеси, які згодом мають важливий баланс у людини.
«Ми сподіваємося, що, як це часто буває в моделях мух, отримані тут знання можна перевести на розуміння механізмів, які збалансовують ріст і забезпечують стійкість до смерті клітин у тканинах людини», — підсумовує Арама. «Багато видів раку виникають в епітеліальних клітинах, які втратили контроль над нормальним ростом, і багато звичайних методів лікування раку спрямовані на їх знищення шляхом апоптозу. Наші висновки допомагають зрозуміти, чому такі методи лікування іноді не дають результатів і як їх можна покращити. Результати також вказують на нові способи прискорення корисної регенерації здорової тканини після травми».
Таким чином, результати підкреслюють дві сторони однієї біологічної системи виживання. Механізм, який дозволяє здоровій тканині відновлюватися після руйнівних пошкоджень, може бути використаний для покращення загоєння. У той же час розуміння того, як ракові клітини можуть скористатися цим механізмом, може виявити нові стратегії запобігання виживанню пухлини від лікування та рецидиву.
У дослідженні також брали участь Наама Афгін, доктор Лена Сапожнікова та доктор Керен Якобі-Шарон з відділу молекулярної генетики Вейцмана; д-р Ехуд Сіван з відділу базових об’єктів наук про життя Вейцмана; професор Андреас Бергманн з Медичної школи UMass Chan, Вустер, Массачусетс; і професор Луїс Альберто Баена-Лопес з Центру молекулярної біології Северо-Очоа (CBM), Іспанія.
Професор Елі Арама є професором Гаррі Кея з дослідження раку та керівником Королівського центру геному людини.
