Одна и та же добавка по-разному меняла рост опухолей у самок и самцов

Эксперимент с α-кетоглутаратом показал, почему у метаболических вмешательств может не быть универсального эффекта

Добавки принято обсуждать довольно прямолинейно: вещество либо полезно, либо бесполезно, либо вредно. Новая работа исследователей UCLA показывает, насколько такая логика может расходиться с реальной биологией.

Одна и та же молекула, одна и та же экспериментальная модель рака лёгкого, одна и та же диета — но направление эффекта оказалось противоположным у самок и самцов.

И дело, вероятно, было не просто в том, как опухоль получает энергию.

Что именно давали мышам

Исследователи изучали calcium alpha-ketoglutarate, или Ca-αKG, — кальциевую форму α-кетоглутарата.

Сам α-кетоглутарат — не чужеродное для организма вещество. Это один из метаболитов цикла трикарбоновых кислот, более известного как цикл Кребса, центральной системы клеточного обмена веществ.

Но у αKG есть ещё одна важная функция. Он служит кофактором для ряда ферментов, способных изменять химические метки на белках и ДНК и тем самым влиять на активность генов.

Поэтому αKG находится в интересной точке пересечения двух систем: метаболизма и эпигенетики.

Исследователи хотели понять, что произойдёт, если увеличить его поступление в организм при развивающейся опухоли лёгкого.

Эксперимент длился 16 недель

Для работы использовали генетически модифицированных мышей, у которых развивалась аденокарцинома лёгкого, вызванная мутацией KRAS.

KRAS — один из генов, мутации которого способны постоянно поддерживать сигналы клеточного роста. Такие мутации встречаются и при человеческой аденокарциноме лёгкого.

Часть животных получала обычный корм, другая — корм, содержащий 2% Ca-αKG. Эксперимент продолжался 16 недель.

У самок результат выглядел обнадёживающе: площадь опухолей уменьшалась, а признаки деления опухолевых клеток становились менее выраженными.

Но у самцов исследователи увидели практически обратную картину. Опухолевая площадь увеличивалась, а пролиферация клеток была выше.

При этом существенной разницы в количестве опухолей исследователи не обнаружили.

Это важное различие. Ca-αKG в этой модели, по-видимому, воздействовал прежде всего на рост уже возникших опухолей, а не на число сформировавшихся опухолевых очагов.

Самое интересное происходило не с энергией, а с генами

Можно было бы предположить, что дополнительный αKG просто изменил энергетический обмен опухолевой клетки.

Однако молекулярный анализ указал на другое направление.

В опухолях самок снижались уровни двух так называемых репрессивных гистоновых меток — H3K27me3 и H3K9me3.

Название выглядит сложно, но принцип сравнительно прост.

ДНК в клетке упакована вокруг белков-гистонов. Химические метки на этих белках помогают определять, какие участки генома будут доступны для считывания, а какие окажутся подавлены.

H3K27me3 и H3K9me3 обычно связаны с подавлением активности определённых генов.

После Ca-αKG этих меток в опухолях самок становилось меньше.

У самцов произошло не то же самое в меньшей степени, а изменение в противоположную сторону: уровень H3K27me3 увеличивался.

Именно здесь находится ключевой поворот исследования.

Одна и та же метаболическая молекула была связана с противоположной перестройкой эпигенетического состояния опухолей в зависимости от пола животных.

Опухолевые клетки начали включать неожиданную программу

У самок изменения не ограничивались гистоновыми метками.

Исследователи обнаружили повышение активности группы генов, связанных с миогенезом — программой формирования мышечной ткани.

На первый взгляд это выглядит странно. Аденокарцинома лёгкого происходит из эпителиальных клеток, а гены этой программы обычно ассоциируются с клетками скелетной или сердечной мышцы.

Но опухолевая клетка не обязана буквально превращаться в мышечную.

Гораздо важнее другое: изменение активности таких генов показывает, что клетка переключила программу своей идентичности и дифференцировки.

У самцов та же генная программа, напротив, подавлялась.

TBX5 оказался одним из возможных ключей

Особое внимание исследователей привлёк белок TBX5 — транскрипционный фактор, то есть регулятор, помогающий определять, какие гены клетка будет активировать.

В опухолях самок после Ca-αKG уровень TBX5 увеличивался.

Дополнительные лабораторные эксперименты показали, что производное α-кетоглутарата также увеличивало экспрессию TBX5 в клетках человеческого рака лёгкого, полученных от пациенток.

После этого исследователи обратились к данным человеческих опухолей из The Cancer Genome Atlas.

Оказалось, что экспрессия TBX5 была выше в опухолях женщин. Среди женщин более высокий уровень TBX5 также был связан с лучшей пятилетней общей выживаемостью, меньшей активностью генов клеточной пролиферации и признаками более дифференцированного состояния опухоли.

Это интересная связь, но именно здесь особенно легко сделать вывод, которого исследование не позволяет.

Женщины в этом анализе не получали Ca-αKG.

Поэтому данные не показывают, что добавка повышает TBX5 у женщин с раком лёгкого, замедляет их опухоли или улучшает выживаемость. Анализ человеческих данных был наблюдательным и лишь поддерживает гипотезу о возможной роли TBX5.

Даже «эффект у самок» оказался не универсальным

Исследователи сделали ещё один эксперимент, который существенно усложнил картину.

В первой модели опухоли были вызваны мутацией KRAS. Затем учёные использовали вариант, в котором к активации KRAS добавлялась потеря TP53 — одного из важнейших генов-супрессоров опухолей.

И защитный эффект Ca-αKG у самок перестал быть статистически значимым.

Это означает, что ответ зависел не только от биологического пола животного. Значение имела и генетическая архитектура самой опухоли.

В человеческих аденокарциномах лёгкого с мутированным TP53 исследователи также обнаружили более низкую экспрессию TBX5.

Получается гораздо более сложная система:

• метаболическое вмешательство влияет на эпигенетические процессы;
• эпигенетические изменения различаются у самок и самцов;
• результат зависит от генетики опухоли;
• одним из участников этой системы может быть TBX5.

Простая формула «αKG тормозит опухоль» здесь уже не работает.

Но и формула «αKG ускоряет рак у мужчин» была бы ошибкой

Особенно осторожно следует интерпретировать результат у самцов.

Исследователи пока не знают, почему в основной модели Ca-αKG был связан с увеличением опухолевой нагрузки у самцов.

Более того, когда эксперимент повторили на мышах с другим генетическим фоном, увеличения опухолевой нагрузки у самцов уже не наблюдалось.

Следовательно, даже противоположный эффект у самцов нельзя считать универсальным свойством αKG.

Биологический пол оказался важной переменной, но не единственной.

Почему это исследование шире истории одной добавки

Главный смысл работы не в том, чтобы решить, «хорош» или «плох» α-кетоглутарат.

Исследование показывает более фундаментальную проблему метаболических вмешательств.

Метаболит — это не просто топливо, которое можно добавить в организм и ожидать одинакового результата у всех. Некоторые метаболиты одновременно участвуют в работе ферментов, регулирующих состояние хроматина и активность генов.

Поэтому изменение концентрации одной молекулы потенциально способно распространяться далеко за пределы энергетического обмена.

И результат может определяться тем, в какую биологическую систему эта молекула попала: полом организма, набором мутаций опухоли и, возможно, другими генетическими особенностями.

Именно поэтому вопрос «полезна ли эта добавка?» иногда может быть поставлен слишком грубо.

Более точный вопрос звучит иначе: полезна или вредна для кого, при каком состоянии организма и при какой молекулярной конфигурации заболевания?

Чего исследование не доказало

Работа не является клиническим испытанием Ca-αKG.

Основные результаты получены на генетически модифицированных мышах с экспериментальной аденокарциномой лёгкого. Даже сильный эффект в такой модели не означает, что он повторится у человека.

Анализ человеческих опухолей добавляет биологически интересный контекст, но не устраняет эту границу: люди в анализируемых базах данных не принимали Ca-αKG в рамках этого исследования.

Поэтому работа не показывает, что женщинам следует принимать αKG для профилактики рака лёгкого. Она также не показывает, что приём коммерческих добавок αKG повышает риск рака у мужчин.

Авторы называют исследование ранним шагом. Теперь необходимо понять, почему реакция различалась между полами, какую роль играют TBX5 и эпигенетические изменения и насколько результаты воспроизводятся в других моделях.