Кубанский государственный технологический университет

Рис. 1. INK128 — ингибитор mTOR. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Белок mTOR регулирует трансляцию (синтез на рибосомах) многих белков, в том числе тех, которые связаны с ростом клетки и ее размножением. Излишняя активация работы mTOR приводит к бесконтрольному делению клеток — то есть к превращению их в раковые. Поэтому очень важно определить, к синтезу каких именно белков mTOR имеет непосредственное отношение.

Сделать это недавно удалось большой группе американских ученых. Кроме того, использованный в их работе ингибитор mTOR может оказаться весьма полезен для лечения рака простаты.

Как известно, процесс образования раковой опухоли запускается на уровне генов: в клетке нарушается правильный баланс генной экспрессии, повышается транскрипция «опасных» генов и понижается транскрипция тех генов, которые должны были держать «опасные» гены «в руках». Получившиеся в результате транскрипции мРНК плывут в цитоплазму и там дают начало «опасным» белкам, которые заставляют клетку превратиться в раковую.

Вышеописанные процессы очень неплохо изучены на уровне транскрипции — хорошо известно, по какой причине начинается синтез мРНК для того или иного онкогена, какие его запускают транскрипционные факторы, чем его можно затормозить и так далее. Но у проблемы есть и еще один аспект — ведь в зависимости от некоторых обстоятельств онкогенная мРНК может подвергнуться очень сильной или очень слабой трансляции, таким образом столкнув клетку в пропасть злокачественного перерождения либо удержав ее на краю этой пропасти.

Для того чтобы изучить этот «трансляционный» аспект, необходимо подробно исследовать изменения в белковом синтезе при перерождении клетки в раковую и особое внимание уделить тем белкам, которые регулируют этот синтез. И один из главных таких белков — mTOR.

mTOR — это протеинкиназа, фермент, который занимается фосфорилированием белков. Фосфорилирование, то есть присоединение к одной из аминокислот белка фосфатной группы, — один из самых распространенных в клетке способов изменить поведение белка: «включить» его, «выключить», переместить в другой клеточный компартмент и так далее. mTOR фосфорилирует в основном белки, связанные с трансляцией; всего лишь фосфорилировав тот или иной свой субстрат, mTOR определяет, какие в клетке будут производиться белки, от чего напрямую зависит, что за процессы произойдут в этой клетке и — шире — какова будет ее судьба.

В норме работа mTOR регулирует прежде всего рост клетки и ее размножение. Это процессы очень тонкие, можно сказать «балансирующие на лезвии бритвы»: малейший перекос в одну сторону может привести к старению или смерти клетки, в другую — к ее бесконтрольному размножению и развитию раковой опухоли. Поэтому и слишком слабая, и, особенно, слишком «рьяная» работа mTOR очень опасна для организма. В частности, показано, что mTOR гиперактивен практически во всех случаях рака простаты (который является наиболее частым раком у мужчин) и при ряде других раков.

Рис. 2. Схема (вверху) и фотографии (внизу) нормальной простаты (самый левый столбик) и последовательных стадий образования рака простаты (правые столбики). CK8 и CK5 — люминальные (обращенные в просвет железы) и базальные (обращенные наружу) эпителиальные клетки соответственно. Видно, как раковые клетки заполняют собой просвет железы и прорастают в строму. Желтые треугольники показывают направление прорастания опухоли. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Группа американских исследователей под руководством Давида Руггеро (Davide Ruggero) и Кристиана Роммеля (Christian Rommel) исследовала связь между активностью mTOR и развитием рака.

Первый этап исследований проводился на культуре клеток рака простаты PC3, в которых mTOR гиперактивирован. Ученые задались целью выяснить, на трансляцию каких именно белков влияет mTOR, и для этого провели «профилирование рибосом» (ribosome profiling) — изучили набор мРНК, которые в момент исследования участвовали в синтезе белков при подавлении работы mTOR (опыт) и в отсутствие подавления (контроль).

Метод ribosome profiling основан на том, что участок мРНК, который в данный момент транслируется рибосомой, защищен от действия разрушающих мРНК ферментов — нуклеаз. Комплексы мРНК с рибосомами выделяют из клеток и обрабатывают нуклеазами. После очистки сохранившихся фрагментов мРНК их превращают в ДНК с помощью специального фермента — обратной транскриптазы — и анализируют последовательность нуклеотидов. Этот метод в сочетании с методами определения последовательности нуклеотидов «нового поколения» позволяет идентифицировать только те мРНК, которые в данную минуту участвуют в трансляции, и оценить их количество. Проводя это исследование при разных условиях, можно выяснить, с чем связано повышение или понижение уровня трансляции тех или иных белков.

Для подавления работы mTOR авторы применили новый ингибитор — РР242. В отличие от «классического» ингибитора, рапамицина, изменяющего конформацию mTOR и нарушающего его связывание с белком-субстратом, РР242 предотвращает связывание mTOR с АТФ — донором фосфата — и значительно сильнее блокирует активность mTOR.

По сравнению с рапамицином, PP242 сильно уменьшал трансляцию 144 мРНК. В дальнейших исследованиях ученым удалось выявить некоторые особенности последовательности нуклеотидов, характерные для большинства из этих мРНК. По наличию или отсутствию в мРНК данной последовательности можно с большой вероятностью предсказать, будет ли ее трансляция регулироваться mTOR или нет.

Среди 144 мРНК, трансляция которых подавлялась под действием PP242, более половины составляли мРНК белков, принадлежащих к так называемому «аппарату трансляции», то есть тех, без которых трансляция пройти не может: мРНК рибосомальных белков (см. ribosomal protein), а также белков, необходимых для инициации трансляции и ее продолжения. Это понятно: mTOR, как регулирующий рост и размножение клетки белок, в принципе повышает общий уровень трансляции и особенно «старается» в раковых клетках. Но вот что особенно интересно и важно: следующей по размеру фракцией в «подавляемой» группе оказались мРНК генов, непосредственно связанных с прорастанием опухолей в здоровые ткани и их метастазированием (рис. 2). В последующих экспериментах исследователи подробнее изучили некоторые особенно важные гены, соответствующие мРНК из этой фракции (в работе они были названы «генами прорастания» — invasion genes), и их связь с активностью mTOR. Судя по результатам этих экспериментов, метастазирование в большой степени зависит от mTOR, и потому ингибирование этого белка может оказаться очень полезным при лечении раковой опухоли.

Рис. 3. Классификация регулируемых mTOR мРНК. Видно, что второй по размеру является группа мРНК, связанная с прорастанием опухоли/метастазированием. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Исследователям удалось определить, на трансляцию каких генов влияет mTOR, а кроме того — найти ингибитор этого белка, работающий по новому, отличному от рапамицина, принципу. Возникают естественные вопросы: в какой мере эффекты, наблюдающиеся в культуре клеток, соответствуют происходящему в организме? Не сможет ли новый ингибитор помочь в борьбе с раковой опухолью? Чтобы проверить это, ученые разработали аналог PP242, подходящий для клинических исследований, который назвали INK128, а затем провели с ним эксперименты на линии лабораторных мышей с гиперактивированным геном mTOR. У этих мышей хорошо воспроизводятся различные стадии развития рака простаты. По сравнению с мышами дикого типа, у них была обнаружена повышенная экспрессия генов, непосредственно связанных с метастазированием опухолей и их прорастанием в здоровые ткани.

Эксперименты свидетельствовали о большом клиническом потенциале INK128: на ранних стадиях развития рака у мышей этот препарат вдвое снижал размеры предраковых разрастаний ткани — видимо, за счет уменьшения размножения клеток и огромного (в десять раз!) увеличения уровня апоптоза — запрограммированной клеточной смерти.

Итак, исследователи выяснили, с трансляцией каких именно белков связана работа mTOR и подробнее изучили некоторые из этих белков, а кроме этого разработали новый, и очень перспективный, ингибитор mTOR. Особенно ценно то, что этот ингибитор способен повлиять на такое важное для развития раковой опухоли событие, как метастазирование. Возможно, INK128 и другие блокаторы АТФ-связывающего сайта окажутся эффективными для лечения не только рака простаты, но и других онкологических заболеваний. Но прежде нужно убедиться, что они не дадут неприемлемых побочных эффектов, поскольку mTOR принимает участие и в нормальной жизнедеятельности клетки.

Источник: Andrew C. Hsieh, Yi Liu, Merritt P. Edlind et al. The translational landscape of mTOR signalling steers cancer initiation and metastasis // Nature. V. 485. P. 55–61.

Вячеслав Калинин

‹‹