Раковые клетки ломают собственную ДНК для защиты от радиации
Радиация наносит обширные повреждения ДНК клеток. Для многих клеток повреждения слишком сложны для восстановления, и клетки погибают, что делает радиотерапию передовым методом лечения рака. Однако некоторые опухолевые клетки устойчивы к радиации: они восстанавливают нанесенные повреждения и выживают.
Новое исследование, опубликованное 28 апреля в журнале Science, показало, что опухолевые клетки выигрывают время для ремонта, самостоятельно нанося более мелкие, легко восстанавливаемые повреждения своей ДНК, расширяя окно, в котором они могут восстановить более обширные повреждения, вызванные радиацией.
"Исследование представляет собой интригующий и непредвиденный результат того, что опухолевые клетки способны стимулировать "вторичную волну разрывов нитей" в ответ на такой стресс, как ионизирующее излучение", - сказал в электронном письме The Scientist Дэвид Гевиртц, фармаколог из Университета Содружества(Вирждиния), не принимавший участия в исследовании.
Сотрудники его собственной лаборатории также наблюдали такие разрывы, пишет он, но не смогли определить их происхождение. Авторы считают "виновником" каспаза-активируемую дезоксирибонуклеазу(CAD).
"Вопрос о том, могут ли самоповреждения ДНК, вызванные CAD, способствовать возникновению различных фенотипов резистентности, представляет собой фундаментальный вопрос, который в конечном итоге может привести к появлению новых терапевтических стратегий" - говорит Гевиртц.
Он разрушает ДНК во время апоптоза и способствует дифференциации клеток.
Апоптоз - это процесс самоуничтожения клеток, в ходе которого удаляются токсичные и/или бесполезные клетки во время развития млекопитающих и других жизненных процессов. Апоптотический процесс сопровождается усадкой и фрагментацией клеток и ядер и деградацией хромосомной ДНК на нуклеосомные единицы.
Несмотря на то, что этот ген присутствует в каждой клетке, данный белок экспрессируется только в различных тканях и разновидностях клеток, таких как поджелудочная железа, сердце, толстая кишка, лейкоциты, простата, яичники, плацента, почки, селезенка и тимус. CAD приводит к инициации разрыва нити ДНК, что происходит во время терминальной дифференцировки некоторых клеток, например, клеток скелетных мышц.
Нормальные, не раковые клетки защищают себя от радиационного повреждения с помощью механизма, который помогает им избежать клеточного деления, когда хромосомы запутываются или разрываются. "Если материнская клетка повреждена, две дочерние клетки наследуют повреждения, и это не может быть устойчивым в долгосрочной перспективе - этого также должны избегать раковые клетки", - говорит Клаус Сторгаард Сёренсен, биолог-онколог из Университета Копенгагена и соавтор настоящего исследования.
Однако в раковых клетках этот механизм часто не работает. Исследователи хотели понять, как раковые клетки избегают деления клеток после облучения.
В результате анализа клеток рака костей человека CAD оказался потенциальным участником этого процесса. Уже было известно, что CAD разрушает ДНК во время апоптоза клеток. "После облучения линий раковых клеток человека исследователи заметили "загадочные зазубрины" в ДНК обработанных клеток - повреждения, о которых писали в некоторых "недоступных исследованиях" в этой области", - говорит Сёренсен. Это были не полные разрывы или другие серьезные повреждения, а однонитевые разрывы, возникающие через 12-18 часов после облучения.
Сёренсен и его коллеги обнаружили, что эти разрывы зависят от активности CAD. Когда команда отключила ферментативную активность CAD, клетки стали более чувствительными к радиации. Клетки, лишенные CAD, также преждевременно вступали в митоз.
"Кроме того, у мышей, которым были имплантированы человеческие опухоли, клетки дикого типа CAD продолжали пролиферировать после облучения, в то время как опухоли с дефицитом CAD подвергались в основном длительной остановке роста в ответ на облучение, - пишет Гевиртц. "Это согласуется с предпосылкой о том, что индуцированные CAD разрывы обеспечивают преимущество в выживании".
Сёренсен предполагает, что CAD дает клеткам время на восстановление радиационных повреждений перед делением. "Возможно, CAD создает эти легко восстанавливаемые повреждения, которые могут работать как стоп-сигнал для раковых клеток - раковые клетки принудительно останавливаются прямо перед митозом, чтобы материнская клетка была защищена от деления с трудно восстанавливаемыми радиационными повреждениями. Эти простые повреждения восстанавливаются непрерывно и быстро, пока материнская клетка заканчивает восстановление сложных повреждений".
Активность CAD обычно контролируется каспазами - ферментами, способствующими апоптозу. Однако авторы обнаружили, что химическое ингибирование активности каспаз не останавливает формирование зазубрин ДНК. Вместо этого, каспаза-активированная дезоксирибонуклеаза по-прежнему физически связана со своим ингибитором ICAD.
"CAD, насколько мы можем судить, перемещается вместе с модулятором, который держит его под контролем. Вот как, вероятно, раковые клетки могут управлять им и использовать его", - говорит Сёренсен. "Полноценный апоптотический путь не является необходимым для такого ответа".
"Новизна этого опыта заключается в обнаружении того, что вместо опосредованного каспазой расщепления ICAD, которое приводит к высвобождению и активации CAD, бинарный комплекс сам рекрутируется в места повреждения ДНК и затем вызывает вторичное повреждение", - говорит Чуань-Юань Ли, биолог-онколог из Медицинского центра Университета Дьюка, который не участвовал в исследовании. "С точки зрения механики, неожиданно и необычно, что этот комплекс сам по себе обладает такой функцией".
Ли говорит, что ему хотелось бы увидеть более строгие проверки того, что однонитевые разрывы, индуцированные CAD, отвечают за защиту от радиации. В статье исследователи сообщают, что раковые клетки, лишенные CAD, демонстрируют повышенную радиочувствительность и уменьшенный рост колоний после облучения. По словам Ли, "рост колоний можно объяснить альтернативными эффектами", так как для появления роста колоний требуется от недели до 10 дней. "Мы не знаем, идет ли речь о долгосрочной генетической нестабильности или о краткосрочных разрывах нитей".
Авторы разработали ингибиторы CAD и сейчас проверяют, что может означать ингибирование CAD для лечения рака. В то время как раковые клетки становятся более чувствительными к радиационному повреждению после ингибирования каспаза-активированной ДНКазы, этот эффект не наблюдается в нормальных клетках.
"Если мы ингибируем CAD в раковых клетках, которые захватили фермент и используют его не по назначению, мы сможем сделать раковые клетки избирательно более чувствительными к радиации", - говорит Сёренсен. Кроме того, Сёренсен считает, что ингибирование CAD можно использовать для того, чтобы сделать опухоли более заметными для иммунной системы.
"Подталкивание облученных клеток к делению помогает вызвать и показать новые антигены и усилить иммунную сигнализацию", - говорит он, давая иммунным клеткам новые цели для атаки.
Станьте первым!