Вчені виявили механізми виживання клітин, які допомагають регенерувати серйозно пошкоджену тканину, а також можуть виявити, чому деякі види раку повертаються після лікування.

Такі тканини, як шкіра, разом з епітеліальними шарами, які покривають і вистилають багато органів, мають чудову здатність відновлюватися після значного пошкодження. Про цю реакцію, яка називається компенсаторною проліферацією, вчені знають близько півстоліття. Але як саме клітини можуть викликати таке різке відростання, залишається загадкою.

Вперше це явище було зафіксовано в 1970-х роках, коли дослідники піддали високим дозам радіації личинки мух. Незважаючи на значні пошкодження епітеліальної тканини, личинки змогли відновити повністю функціональні крила. Подібні регенеративні реакції з тих пір спостерігалися у багатьох видів, включаючи людей.

Тепер дослідники з Інституту науки Вейцмана кажуть, що вони виявили молекулярний механізм, який допомагає пояснити, як працює цей процес. Їх дослідження є спілкування з природоювказує на дивовижну роль каспаз, ферментів, найбільш відомих тим, що допомагають руйнувати клітини.

Замість того, щоб просто сприяти загибелі клітин, каспази, здається, здатні допомогти певним клітинам стати стійкими до загибелі клітин. Ті, хто вижив, можуть брати участь у відновленні пошкодженої тканини, а також можуть бути краще оснащені, щоб протистояти майбутнім травмам. Однак ця сама здатність може мати небезпечний недолік. Ракові клітини можуть використовувати цей механізм виживання і викликати рецидив пухлин у більш агресивних і стійких до лікування формах.

Отримані результати можуть зрештою допомогти дослідникам розробити підходи, які сприятимуть відновленню здорових тканин, одночасно знижуючи ризик рецидиву раку.

Коли механізм смерті клітини сприяє виживанню

Одним із основних способів усунення непотрібних клітин організмом є апоптоз, ретельно контрольована форма клітинного «самогубства». Клітини можуть піддаватися апоптозу, коли вони старіють, пошкоджуються або отримують молекулярні сигнали, які повідомляють їм, що їхній час вийшов.

У цьому процесі беруть участь кілька ферментів каспази. Ініціаторні каспази спочатку активують цей шлях, а потім ефекторні каспази, які розкладають білки в призначених клітинах.

Однак протягом останніх двох десятиліть дослідники виявили, що апоптотичні каспази не обмежуються вбивством клітин. Робота вчених у всьому світі, включно з лабораторією професора Елі Аллами у відділі молекулярної генетики Вейцмана, показала, що ці ферменти також можуть брати участь у біологічних процесах, необхідних для життя.

Аллама, ранній дослідник цих нелетальних функцій каспази, підозрював, що вони також можуть сприяти компенсаторному росту.

Знайдіть клітини, які виживають, навіть коли починають гинути

Щоб з’ясувати це, команда під керівництвом доктора Туріла Брауна в лабораторії Arama відтворила класичний експеримент, який вперше виявив компенсаторну проліферацію. Дослідники піддали личинки плодової мушки іонізуючому випромінюванню, але цього разу вони використали сучасні генетичні інструменти, щоб більш детально відстежувати регенерацію епітеліальної тканини.

«Ми вирішили ідентифікувати клітини, які вижили б, навіть якщо ми натиснули кнопку самознищення», — пояснює Браун. «Для цього ми використали датчик із затримкою, який повідомляє про клітини, які вижили під впливом опромінення, незважаючи на активацію каспаз-ініціаторів. Таким чином ми виявили популяцію клітин, яку ми назвали клітинами DARE. Ці клітини не тільки вижили під впливом опромінення, але й розмножувалися, відновлювали пошкоджені тканини та поповнювали майже половину своєї популяції протягом 48 годин».

Цей висновок викликає ще одне питання. Якщо клітини DARE складають майже половину відновленої тканини, звідки взялася решта?

Дослідники виявили другу групу клітин, які так само стійкі до смерті. Ці клітини, які називаються клітинами NARE, відрізнялися одним важливим аспектом. Тобто ці ініціаторні каспази ніколи не були активовані.

«Ми ідентифікували іншу популяцію стійких до смерті клітин, але на відміну від клітин DARE, вони не демонстрували активації ініціаторних каспаз. Ми назвали їх клітинами NARE», — каже Браун. «Клітини NARE в кінцевому підсумку сприяють регенерації тканин, але вони не можуть зробити це поодинці. Коли ми видалили клітини DARE із системи, компенсаторна проліферація повністю зникла. Ми також виявили, що клітини, що відмирають у тканині, відіграють певну роль у вибуху регенерації. Клітини DARE активуються сигналами від вмираючих сусідніх клітин».

Як клітини DARE уникають смертного вироку

Потім команда дослідила, чому клітини DARE здатні протистояти рівням радіації, які викликають апоптоз сусідніх клітин.

Вони виявили, що процес смерті зазвичай починається в клітинах DARE. Ініціюючі каспази вмикаються, але шлях зупиняється до того, як виконавчі каспази зможуть завершити руйнування клітини.

«Ми спостерігали, що хоча ініціаторні каспази були активовані в цих клітинах, процес клітинної смерті зупинився і не перейшов до наступного кроку», — пояснює Аллама. «Ми підозрювали, що до цього може бути залучений білок, відомий як молекулярний двигун. Молекулярні двигуни можуть прив’язувати ініціаторні каспази до клітинної мембрани та запобігати активації виконавчих каспаз. Дійсно, коли ми пригнічували цей моторний білок, клітини DARE гинули, а регенерація тканини була порушена. Надмірна активація того самого моторного білка раніше була пов’язана з ростом ракової пухлини, припускаючи, що це може бути одним із механізмів, за допомогою яких ракові клітини здатні уникати апоптозу».

Цей зв’язок особливо важливий, оскільки лікування раку, наприклад радіація, часто завдає достатньої шкоди пухлинним клітинам, щоб спричинити їх самознищення.

Якщо випромінювання виживає, клітини можуть загинути з меншою ймовірністю.

Пухлини, які рецидивують після променевої терапії, часто більш агресивні та важче піддаються лікуванню. Тож дослідники хотіли знати, чи можуть клітини, які витримали початкову дозу опромінення, передати цю стійкість майбутнім поколінням клітин.

«Ми хотіли знати, чи передається стійкість до смерті нащадкам стійких до смерті клітин, які пережили початкове опромінення», — каже Аллама. «Коли ми опромінювали ту саму тканину вдруге, ми виявили, що кількість клітин, які загинули в перші кілька годин, була вдвічі меншою, ніж кількість клітин, які спостерігалися після першого опромінення, і що більшість мертвих клітин належали до популяції NARE. Іншими словами, ми виявили, що потомство клітин DARE було високорезистентним, у сім разів більш стійким до клітинної смерті, ніж клітини з вихідної тканини. Це може допомогти пояснити, чому рецидивні пухлини стають більш стійкими після опромінення».

Отримані дані свідчать про те, що якщо вони переживуть початкову атаку, вони можуть залишити довготривалу біологічну спадщину. Потомство клітин DARE було набагато важче вбити, ніж клітини в тканинах, які ніколи не зазнавали початкового опромінення.

Ця властивість може бути дуже корисною, коли здорові тканини потребують відновлення після пошкоджень. Але у випадку раку та сама перевага виживання може дозволити небезпечним клітинам зберігатися, незважаючи на лікування.

Цикл зворотного зв’язку керує відтворенням

Швидка регенерація створює інші проблеми. Клітини повинні проліферувати в достатній мірі, щоб замінити те, що було втрачено, але їх проліферація має зрештою припинитися. В іншому випадку реакція відновлення може призвести до неконтрольованого розповсюдження.

На останніх етапах дослідження дослідники виявили систему сигналізації між клітинами DARE і NARE, яка, здається, підтримує цей баланс.

«Клітини DARE сприяють росту сусідніх клітин NARE, очевидно, шляхом секреції сигналів росту», — зазначає Арама. «Потім клітини NARE виділяють сигнал, який пригнічує проліферацію клітин DARE. Насправді ми виявили петлю негативного зворотного зв’язку між двома популяціями клітин, яка запобігає надмірному росту».

Цей обмін дозволяє двом популяціям клітин підтримувати регенерацію, одночасно обмежуючи надмірну проліферацію.

Від відновлення тканин до лікування раку

Експеримент проводився на плодових мушках, тому знадобляться додаткові дослідження, щоб визначити, як саме цей механізм працює у людей. Але модель дрозофіли неодноразово допомагала вченим розгадати фундаментальні біологічні процеси, і пізніше було виявлено, що люди мають важливі подібності.

«Як це зазвичай буває в моделях мух, ми сподіваємося, що отримані тут знання приведуть до розуміння механізмів, які врівноважують ріст людських тканин і забезпечують стійкість до загибелі клітин», — підсумував Аллама. «Багато видів раку походять від епітеліальних клітин, які втратили нормальний контроль росту, і багато звичайних методів лікування раку спрямовані на самознищення клітин через апоптоз. Наші висновки прокладають шлях до розуміння, чому такі методи лікування іноді не дають результатів і як їх можна покращити. Наші результати також вказують на новий метод, який може сприяти корисній регенерації здорової тканини після травми».

Таким чином, це відкриття підкреслює два аспекти однієї біологічної системи виживання. Механізми, які дозволяють здоровій тканині відновлюватися після катастрофічної травми, можуть бути використані для покращення загоєння. У той же час, розуміння того, як ракові клітини використовують цей механізм, може виявити нові стратегії, які допоможуть пухлинам пережити лікування та запобігти рецидиву.

Доктор Нама Афгін, доктор Лена Сапожнікова та доктор Керен Якобі-Шарон з кафедри молекулярної генетики Університету Вейцмана також брали участь у дослідженні. д-р Ехуд Сіван з департаменту основних засобів наук про життя Вейцмана; професор Андреас Бергманн з Массачусетського медичного коледжу Чан у Вустері, штат Массачусетс; Професор Луїс Альберто Баена Лопес з Центру молекулярної біології Северо-Очоа (CBM) в Іспанії.

Професор Елі Аллама обіймає посаду професора дослідження раку Гаррі Кея та директора Королівського центру геному людини.