Глиобластома меняет состояние по правилам, которые удалось расшифровать

Учёные составили молекулярную карту опухоли и нашли белок, ограничивающий изменчивость её клеток в экспериментальных моделях

Исследования выполнили международные команды с участием Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL), Немецкого центра исследования рака (DKFZ) и Института Сенгера. Одна работа описывает, как разные состояния клеток связаны между собой и расположены внутри опухоли. Вторая объясняет, какие молекулярные регуляторы позволяют клеткам переходить между этими состояниями или удерживают их на месте.

Как клеточная пластичность осложняет лечение глиобластомы

Глиобластома — агрессивная злокачественная опухоль мозга. Внутри одной опухоли могут соседствовать клетки с очень разными свойствами. Одни используют программы, напоминающие развитие нервной системы, другие приобретают признаки клеточного ответа на повреждение или недостаток кислорода.

Способность переходить между такими состояниями называется клеточной пластичностью. Речь идёт об изменении активности генов и связанных с этим свойств клетки. Для такого перехода не обязательно должна появиться новая мутация: клетка может иначе использовать уже имеющуюся генетическую информацию.

Это затрудняет лечение. Воздействие, эффективное против клеток в одном состоянии, может хуже работать против клеток в другом. Поэтому для понимания устойчивости опухоли важно знать и её мутации, и то, какие программы клетки способны включать или подавлять.

При этом «нейроноподобная опухолевая клетка» остаётся злокачественной. Сходство отдельных молекулярных признаков с нервной клеткой ещё не означает превращения в здоровый нейрон.

Миллион клеточных ядер помог увидеть повторяющийся маршрут

Основой обеих работ стал общий атлас опухолей 12 пациентов. Исследователи проанализировали более миллиона клеточных ядер из разных участков ткани. В это число входят как злокачественные клетки, так и клетки окружающих тканей, включая иммунные.

Учёные сопоставили генетические различия, активность генов по РНК и доступность участков хроматина — комплекса ДНК с белками, обеспечивающими её упаковку. РНК помогает понять, какие гены работают сейчас. Доступность хроматина показывает, какие участки генома потенциально открыты для регуляции. Дополнительные методы позволили определить расположение клеток непосредственно в ткани.

Обнаружилась повторяющаяся пространственная последовательность. Ближе к краю, где опухоль распространяется в мозговую ткань, чаще встречались клетки с программами, напоминающими развитие нервной системы. Глубже усиливались программы, сходные с ответом глиальных клеток на повреждение. Глиальные клетки в норме поддерживают работу нервной системы и участвуют в её реакции на травму.

Рядом с участками отмирания ткани преобладали состояния, связанные с гипоксией — недостатком кислорода. Таким образом, клеточное разнообразие складывалось в определённую организацию опухоли.

Похожую последовательность воспроизвели в органоидах — трёхмерных лабораторных культурах, частично сохраняющих свойства опухолевой ткани. Введённые в них клетки со временем приобретали программы ответа на повреждение и гипоксию. Однако исследователи отслеживали изменения популяций, а не непрерывную судьбу каждой отдельной клетки.

Ещё один существенный результат: сходный маршрут обнаруживался в генетически различных ветвях опухоли. Следовательно, разные рабочие состояния нельзя полностью объяснить только различиями в мутациях.

ИИ предложил регуляторы, а эксперименты проверили их действие

Во второй работе исследователи разработали scDORI — инструмент глубокого обучения, который сопоставляет активность генов с доступностью регуляторных участков ДНК.

Модель помогла восстановить сети управления клеточными программами. В них участвуют транскрипционные факторы — белки, способные усиливать или подавлять работу генов. Одни поддерживают определённое состояние клетки, другие мешают ей перейти в альтернативное.

Предсказания проверили экспериментально. Исследователи повышали выработку 55 белков-кандидатов в трёх клеточных линиях, полученных из опухолей пациентов. Многие вмешательства действительно направляли клетки к состояниям, предсказанным моделью. Это позволило перейти от вычислительных связей к проверке конкретных механизмов.

Менее изменчивое состояние приходится постоянно удерживать

Особое внимание привлёк MYT1L — белок, участвующий в регуляции нейроноподобного состояния.

В исследованных клетках он подавлял регуляторы альтернативных программ и снижал доступность соответствующих участков хроматина. Возможностей для смены состояния становилось меньше. При длительном усилении MYT1L клетки приобретали больше нейроноподобных признаков, медленнее размножались и демонстрировали менее выраженные злокачественные свойства.

Самый показательный результат появился, когда исследователи прекратили усиленное действие MYT1L. Ограничение пластичности исчезало, а молекулярная организация клеток возвращалась к состоянию, близкому к контрольному.

Получается, менее пластичное состояние не обязательно является окончательной остановкой развития опухолевой клетки. В этой модели оно сохранялось благодаря непрерывной работе молекулярного ограничителя. Пока альтернативные программы подавлялись, клетке было труднее сменить свою рабочую программу. После снятия ограничения эта возможность возвращалась.

Для будущей терапии это принципиальный вопрос: необходимо понять, как долго потребуется поддерживать такое воздействие и сможет ли опухоль со временем его обойти.

Что показали опыты на мышах

Человеческие клетки глиобластомы с повышенной выработкой MYT1L пересадили в мозг мышей. Возникавшие опухоли росли медленнее и меньше распространялись в окружающую мозговую ткань. Животные жили дольше, чем мыши с контрольными опухолевыми клетками. В сравнении выживаемости участвовали восемь животных в экспериментальной группе и шесть в контрольной.

Ключевая особенность опыта: опухолевые клетки генетически изменили до пересадки. Исследование показывает влияние MYT1L на последующее развитие опухоли. Оно ещё не отвечает на вопрос, можно ли добиться такого же результата, начав воздействие на уже сформировавшуюся опухоль.

Отдельно учёные изучили клетки, пережившие облучение или воздействие темозоломида — препарата, применяемого при глиобластоме. MYT1L в основном сохранял способность ограничивать пластичность, хотя эффект был ослаблен. Это поддерживает дальнейшее изучение механизма в условиях лечения, но не доказывает преодоления лекарственной устойчивости у пациентов.

Какие вопросы отделяют механизм от лечения

Большой объём клеточных данных не отменяет ограниченного числа пациентов: основной атлас получен из 12 опухолей. Кроме того, работы посвящены преимущественно первичным глиобластомам. При рецидиве и после длительного лечения система регуляции может изменяться.

Не все возможные переходы установлены. Например, первая работа не определяет, способны ли клетки из состояний ответа на повреждение и гипоксии возвращаться к состояниям, напоминающим развитие нервной системы. Поэтому найденные закономерности нельзя описывать как полностью расшифрованную схему любых превращений опухолевых клеток.

Для практического применения потребуется найти способ безопасно и достаточно долго поддерживать нужную регуляцию непосредственно в опухоли. Также необходимо проверить, сохраняется ли эффект в разных моделях заболевания и не возникают ли клетки, способные обходить такое ограничение.

Остаётся открытым и вопрос о взаимодействии нейроноподобных опухолевых клеток с окружающими нейронами. Авторы прямо указывают, что такие взаимодействия потенциально могут поддерживать опухоль. Поэтому внешнее или молекулярное сходство с нервной клеткой само по себе не служит гарантией безопасности.

Для пациентов и врачей эти исследования пока не предлагают новой проверенной схемы лечения. Их значение — в появлении конкретных механизмов, которые можно последовательно проверять при разработке терапии, направленной на способность опухоли приспосабливаться.