Как молекула для стволовых клеток подсказала уязвимость детской опухоли мозга

Один и тот же молекулярный механизм помогает размножать стволовые клетки — и может поддерживать некоторые опухоли мозга

Иногда рак начинается не с ускорения, а с отказа взрослеть

Когда говорят о раке, легко представить клетку, которая просто слишком быстро делится. Для эмбриональных опухолей этого объяснения недостаточно.

Во время развития организма незрелые клетки должны пройти последовательность превращений — дифференцироваться и приобрести специализированные функции. Клетка мозга становится определенным типом нейрона или другой специализированной клеткой, клетка крови — эритроцитом, лейкоцитом и так далее.

Для этого недостаточно иметь правильный набор генов. Нужно еще включать и выключать их в нужное время.

Именно этим занимаются системы эпигенетической регуляции — молекулярные механизмы, которые управляют активностью генов, не изменяя саму последовательность ДНК.

Один из таких регуляторов — белковый комплекс CoREST. Он участвует в контроле созревания как нервных, так и кроветворных стволовых клеток.

И здесь начинается необычная история.

Мутация KBTBD4 заставляет клетку уничтожать то, что ей еще понадобится

KBTBD4 — часть клеточной системы утилизации белков. Упрощенно ее можно представить как службу маркировки: определенные белки получают молекулярную «метку на уничтожение», после чего отправляются в протеасому — внутриклеточную машину для разборки белков.

В норме такая система чрезвычайно избирательна.

Но некоторые мутации KBTBD4 меняют то, какие белки она распознает. Белок приобретает новую активность — исследователи называют ее неоморфной, то есть возникшей в результате мутации и отсутствующей у нормальной версии белка.

Такие мутации обнаруживаются, в частности, при медуллобластомах групп 3 и 4 и некоторых опухолях области шишковидной железы.

Мутантный KBTBD4 начинает взаимодействовать с компонентами CoREST и способствует их разрушению.

Результат принципиально важен: клетка теряет часть системы, которая должна помогать ей переходить от незрелого состояния к специализированному.

Причем здесь молекула для пересадки стволовых клеток

UM171 изучают потому, что она позволяет увеличивать количество кроветворных стволовых клеток вне организма, сохраняя их незрелое состояние. Это потенциально полезно при подготовке клеток для трансплантации.

Несколько предыдущих исследований показали, как это происходит.

UM171 действует через ту же систему KBTBD4 и заставляет ее разрушать CoREST. В результате кроветворная стволовая клетка дольше сохраняет признаки стволовой клетки и может активно размножаться.

И тут исследователи заметили удивительное совпадение.

Молекула UM171 и опухолевые мутации KBTBD4 возникают совершенно разными путями, но приводят клеточную машину практически к одной и той же цели — деградации CoREST.

Именно это сходство позволило использовать хорошо доступные кроветворные стволовые клетки как экспериментальную модель для изучения труднодоступного опухолевого механизма.

Главный эксперимент был проведен не на клетках мозга

Это важнейшее ограничение исследования — и одновременно его наиболее интересная особенность.

Медуллобластома возникает в развивающемся мозге. Воспроизвести ранние стадии такого процесса экспериментально трудно: развитие человеческого мозга отличается от развития мозга мыши, а разные молекулярные подгруппы медуллобластомы имеют различное происхождение.

Исследователи из Лундского университета пошли другим путем.

Они ввели варианты мутантного KBTBD4 в первичные кроветворные стволовые и прогениторные клетки, полученные из пуповинной крови человека. И проверили, сможет ли один и тот же молекулярный сбой нарушить их созревание.

Смог.

Сильные варианты мутаций P311PP и R313PRR приводили к накоплению незрелых стволовых и прогениторных клеток. Одновременно нарушалась дифференцировка: уменьшался выход клеток эритроидной линии, из которой формируются эритроциты, и увеличивалась доля клеток миелоидного направления.

Причем выраженность нарушения соответствовала способности конкретной мутации разрушать компоненты CoREST.

То есть исследователи получили функциональную цепочку:

• мутация KBTBD4 меняет распознавание белков;
• компоненты CoREST начинают разрушаться;
• программа нормального созревания клетки нарушается;
• незрелые клетки накапливаются.

Это уже гораздо больше, чем простое наблюдение мутации в опухоли.

Вот где исследование меняет привычную картину рака

Ключевой момент заключается не только в том, что мутантная клетка получает преимущество в росте.

Для стволовой клетки временное сохранение незрелости может быть полезным. Именно поэтому эффект UM171 интересен для технологий трансплантации кроветворных клеток.

Но опухолевая мутация не исчезает после прекращения воздействия препарата. Она встроена в геном клетки и постоянно меняет работу KBTBD4.

Получается необычная биологическая симметрия: временно вызвать определенное состояние стволовой клетки можно химически, а патологически зафиксировать похожее состояние — генетической мутацией.

Именно это сходство позволило исследователям искать способ разорвать опухолевый механизм.

Среди 414 соединений обнаружилась одна особенно интересная группа

Ученые провели скрининг библиотеки из 414 противоопухолевых соединений.

Искали не просто вещества, которые убивают клетки. Задача была точнее: найти соединения, способные помешать KBTBD4 разрушать компонент CoREST RCOR1.

Среди наиболее характерных результатов оказались ингибиторы HDAC — ферментов гистондеацетилаз.

На первый взгляд здесь есть парадокс. HDAC входят в состав самого комплекса CoREST. Почему их ингибирование должно защищать комплекс?

Потому что лекарство может влиять не только на ферментативную активность белка, но и на его взаимодействия с другими белками.

Эксперименты показали, что ингибиторы HDAC нарушали взаимодействие мутантного KBTBD4 с CoREST и тем самым препятствовали деградации комплекса.

Исследователи проверили несколько препаратов этого класса — в том числе белиностат, вориностат, прациностат, ромидепсин и моцетиностат.

Особенно интересным оказался моцетиностат, ингибитор HDAC класса I.

Моцетиностат частично вернул клеткам способность созревать

Когда кроветворные клетки с мутантным KBTBD4 обрабатывали моцетиностатом, нарушения дифференцировки становились значительно менее выраженными.

И это принципиально отличается от обычного результата «препарат уменьшил количество клеток».

Исследователи воздействовали на конкретное звено механизма и наблюдали восстановление нарушенной клеточной функции.

При этом более широкий ингибитор HDAC — белиностат — тоже корректировал часть нарушений, но одновременно влиял на нормальные клетки и миелоидную дифференцировку. Моцетиностат в этой модели действовал более избирательно.

Исследователи также показали, что он нарушал патологическую активность всех семи изученных вариантов KBTBD4.

Это и есть обнаруженная в работе «терапевтическая уязвимость»: опухолевая мутация создает специфический молекулярный механизм, который потенциально можно заблокировать лекарством.

Но это еще не доказательство лечения медуллобластомы

Здесь особенно важно не перепрыгнуть через несколько стадий исследований.

Работа не показывает, что моцетиностат лечит детей с медуллобластомой.

Она даже не демонстрирует терапевтический эффект препарата непосредственно в опухолях пациентов. Основная модель исследования — кроветворные стволовые и прогениторные клетки человека.

Это сознательный экспериментальный обход проблемы: исследователи воспользовались тем, что CoREST выполняет важные функции и в кроветворных, и в нервных стволовых клетках.

У этой гипотезы есть дополнительная поддержка. Предыдущие структурные исследования показали на молекулярном уровне, что UM171 и опухолевые мутации KBTBD4 действительно сходным образом перестраивают взаимодействие KBTBD4 с HDAC1/2 и CoREST. В моделях KBTBD4-мутантной медуллобластомы ингибирование HDAC1/2 также уже демонстрировало способность блокировать патологическое взаимодействие.

Но следующий критический этап — проверить найденный подход в релевантных моделях опухоли. Авторы прямо указывают на модели, полученные из опухолей пациентов, и органоиды — трехмерные клеточные системы, лучше воспроизводящие биологию ткани.

Только после этого можно будет серьезно обсуждать дальнейшее движение к клиническим исследованиям.

Почему эта работа интереснее очередного «найден препарат против рака»

Главный результат исследования — не название конкретного лекарства.

Работа показывает, как фундаментальное исследование стволовых клеток может неожиданно открыть механизм совершенно другого заболевания.

UM171 фактически стала молекулярным инструментом. С ее помощью исследователи поняли, что происходит, когда KBTBD4 получает патологическую способность уничтожать CoREST. Затем тот же механизм удалось воспроизвести в первичных человеческих клетках и найти соединения, способные ему помешать.

Это также хороший пример более современной логики поиска противоопухолевых препаратов.

Не «какое вещество сильнее убивает раковые клетки», а «какая конкретная мутация создает зависимость, которой нет у нормальной клетки, и можно ли вмешаться именно в нее».

Для редких молекулярных подгрупп детских опухолей такой подход особенно важен: количество пациентов невелико, экспериментальные модели создавать трудно, а возможность подобрать терапию по конкретному механизму может оказаться ценнее широкого перебора цитотоксических веществ.