Как мутации BAF заставляют опухолевые клетки перестраивать пространство ДНК

Исследование Nature раскрыло неожиданный механизм роста опухолей, связанный с трёхмерной организацией генома

Обычно, говоря о раковых мутациях, мы представляем изменения генетического кода, из-за которых клетка начинает бесконтрольно делиться. Но последовательность ДНК — лишь один из уровней управления генами. Не менее важно, как эта длинная молекула уложена внутри клеточного ядра и какие её участки могут взаимодействовать друг с другом.

Именно этот второй уровень исследовали учёные из Weill Cornell Medicine и нескольких научных центров США и Европы. Они обнаружили механизм, который помогает объяснить, почему нарушения одного семейства белковых комплексов связаны с развитием опухолей в совершенно разных тканях.

Почему расположение ДНК влияет на работу генов

ДНК внутри клеточного ядра не лежит свободной нитью. Она намотана на белковые структуры, называемые нуклеосомами, и образует хроматин. Это позволяет разместить огромную молекулу в небольшом пространстве, одновременно регулируя доступ к её отдельным участкам.

Чтобы ген начал работать, клетке недостаточно просто иметь его последовательность. Необходимо обеспечить доступ белков, запускающих считывание генетической информации.

В этом процессе участвуют два важных типа регуляторных участков:

• Промотор: участок ДНК, непосредственно связанный с началом считывания гена.
• Энхансер: регуляторный участок, который может усиливать активность гена, иногда находясь на значительном расстоянии от него вдоль молекулы ДНК.

Благодаря пространственному складыванию хроматина удалённый энхансер может оказаться рядом с промотором и повлиять на его активность.

Белковые комплексы BAF, известные также как SWI/SNF, используют энергию АТФ для перемещения нуклеосом. Таким образом они регулируют, какие участки ДНК доступны другим белкам.

Гены, кодирующие компоненты этого семейства, часто повреждаются при онкологических заболеваниях. Такие изменения обнаруживают при лимфомах, раке молочной железы, яичников, печени и других опухолях.

По оценкам, функциональные нарушения компонентов BAF встречаются примерно у пятой части онкологических пациентов. Однако это не означает, что новый механизм уже доказан для всех этих случаев.

Парадокс BAF: потеря белка неожиданно открывает доступ к ДНК

Исследователи предполагали, что при утрате функции BAF доступность ДНК должна преимущественно уменьшаться. Ведь одна из обычных задач комплекса — помогать другим регуляторным белкам добраться до генов.

Результат оказался противоположным для определённых участков генома.

Команда исследовала 15 линий человеческих клеток после фармакологического подавления BAF и ещё шесть генетически модифицированных клеточных моделей. Дополнительно использовались клетки мышей и эксперименты на животных.

В 20 из 21 исследованной человеческой клеточной модели обнаружили характерное изменение: участки ДНК, распознаваемые белком CTCF, становились доступнее.

Особое внимание учёные уделили гену ARID1A. Он кодирует компонент канонической разновидности комплекса BAF, обозначаемой cBAF, и часто подвергается мутациям при раке.

Даже потеря функции одной копии ARID1A оказалась достаточной, чтобы вызвать выраженные изменения связывания CTCF с хроматином.

При этом количество самого белка CTCF в клетках существенно не увеличивалось. Изменилось другое — способность уже существующего CTCF присоединяться к ДНК.

Авторы предложили объяснение этого парадокса. В норме cBAF может поддерживать расположение нуклеосомы непосредственно над определённым участком связывания CTCF, ограничивая доступ к нему. При утрате cBAF это ограничение ослабевает.

Получается необычная ситуация: исчезновение комплекса, который обычно способствует доступности ДНК, открывает новые возможности для другого регуляторного белка.

CTCF и когезин меняют границы внутри генома

CTCF выполняет важную архитектурную функцию. Он участвует в формировании границ между пространственными областями хроматина.

Такие области называют топологически ассоциированными доменами, или TAD. Внутри них участки ДНК обычно взаимодействуют друг с другом чаще, чем с участками за пределами домена.

Представить их можно как районы города. Внутри района контакты относительно свободны, а границы ограничивают взаимодействия с соседними районами.

Другой белковый комплекс, когезин, участвует в образовании петель ДНК. CTCF способен ограничивать продвижение когезина, помогая определять положение и размер этих петель.

Когда из-за нарушения cBAF белок CTCF получает дополнительный доступ к хроматину, границы некоторых доменов усиливаются. Крупные области могут разделяться на более мелкие, а характер пространственных контактов меняется.

Исследователи подтвердили такую перестройку с помощью метода Micro-C, позволяющего анализировать взаимодействия участков хроматина с высоким разрешением.

Они наблюдали ослабление части дальних контактов и усиление более коротких связей, в том числе между промоторами и расположенными поблизости регуляторными элементами.

Здесь находится главный результат исследования.

При этом перестройка не просто повышает активность всех генов. Одни регуляторные контакты ослабевают, другие усиливаются. В изученных моделях совокупность этих изменений способствовала повышенной активности определённых генов и ускоренному клеточному делению.

У белков одного семейства обнаружились противоположные функции

Исследование выявило ещё один неожиданный механизм.

Оказывается, разные разновидности комплексов SWI/SNF способны противоположным образом влиять на CTCF.

Канонический комплекс cBAF ограничивает связывание CTCF с определёнными участками ДНК. Но другой комплекс того же семейства, PBAF, наоборот, способствует этому процессу.

Когда активность cBAF снижается, PBAF активнее взаимодействует с CTCF и поддерживает новую организацию хроматина.

Учёные также обнаружили участие комплекса ISWI, который помогает изменять положение нуклеосом и обеспечивает доступ CTCF к соответствующим участкам.

Таким образом, нарушение работы одного белкового механизма не просто создаёт пустоту в системе регуляции. Оно меняет баланс между другими механизмами, позволяя им по-новому управлять геномом.

В клетках лимфомы с нарушением ARID1A удаление компонентов PBAF или ISWI устраняло преимущество в скорости деления, связанное с потерей cBAF.

Это указывает на потенциальную уязвимость опухолевых клеток: последствия мутации зависят от активности других белковых комплексов.

Однако снижение клеточной пролиферации после генетического удаления белка ещё не означает, что его фармакологическое подавление будет безопасным или эффективным лечением.

Что показали эксперименты на мышах

Чтобы проверить биологическое значение обнаруженного механизма, исследователи использовали генетически модифицированных мышей.

В центре внимания оказались B-лимфоциты — клетки иммунной системы, которые проходят этапы созревания в герминативных центрах лимфоидной ткани.

Один из этапов характеризуется особенно активным клеточным делением. Его называют тёмной зоной герминативного центра.

При нарушении функции Arid1a доля клеток этой быстро делящейся популяции увеличивалась. Одновременно возрастала доступность ДНК в участках связывания CTCF.

Но когда исследователи дополнительно уменьшали активность Ctcf, а в других экспериментах — компонента PBAF, соотношение клеточных популяций возвращалось к значениям, близким к нормальным.

Это важное экспериментальное подтверждение: CTCF и PBAF действительно участвуют в формировании последствий потери ARID1A, а не просто сопровождают изменения хроматина.

В отдельной мышиной модели лимфомы, связанной с повышенной активностью BCL2, характерные изменения доступности участков CTCF обнаруживались уже на ранних этапах развития заболевания.

Но здесь необходимо различать два результата.

Исследователи показали возможность устранить определённые последствия мутации в клетках и в иммунной ткани мышей. Они не продемонстрировали, что подавление CTCF излечивает уже сформировавшуюся злокачественную опухоль.

Более того, восстановление нормального соотношения клеточных популяций не означало полного восстановления всех нарушенных характеристик герминативного центра.

Данные пациентов поддерживают гипотезу, но не доказывают лечебный эффект

Учёные также проанализировали существующие онкологические геномные данные проекта The Cancer Genome Atlas.

У пациентов, опухоли которых одновременно содержали изменения ARID1A и CTCF, общая выживаемость была лучше, чем у пациентов с изменениями только ARID1A.

Это согласуется с экспериментальной гипотезой: ослабление CTCF способно ограничивать некоторые последствия потери ARID1A.

Однако анализ был наблюдательным. Он не доказывает, что именно изменение CTCF стало причиной более благоприятного прогноза.

На результат могут влиять тип опухоли, другие мутации, особенности лечения и исходное состояние пациентов.

Поэтому рассматривать сочетание ARID1A и CTCF как уже подтверждённый клинический прогностический маркер преждевременно.

Почему новая молекулярная мишень ещё не стала лекарством

Исследование открывает возможность искать терапевтические подходы для опухолей, в которых нарушена функция cBAF, особенно при мутациях ARID1A.

Потенциальными мишенями стали CTCF, PBAF и ISWI. Но каждый из этих белковых механизмов выполняет важные задачи и в здоровых клетках.

CTCF участвует в нормальной организации генома, а комплексы ремоделирования хроматина необходимы для регуляции множества клеточных процессов.

Поэтому полное подавление их активности может оказаться токсичным.

Есть и другая сложность. Авторы отмечают, что интенсивность обнаруженного механизма зависит от клеточного контекста. В отдельных исследованиях T-лимфоцитов взаимодействия между BAF и PBAF проявлялись иначе.

Следовательно, одинаковая мутация не обязательно создаёт одинаковую терапевтическую уязвимость во всех опухолях.

Следующий этап исследований — определить, какие именно взаимодействия CTCF и его партнёров можно нарушить избирательно, сохранив необходимые функции в нормальных тканях.

Для этого потребуется проверить механизм на дополнительных моделях человеческих опухолей, найти подходящие молекулы и изучить их эффективность и безопасность.

Для пациентов открытие пока не меняет существующие рекомендации по диагностике и лечению. Для онкологов и разработчиков лекарств оно предлагает новый способ изучать последствия мутаций, которые раньше рассматривались преимущественно через изменение доступности отдельных генов.