» » Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток


Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Рис. 1. Перестройки хромосом при хроническом миелоидном лейкозе: 9-я и 22-я хромосомы обмениваются участками, в результате чего образуется так называемая филадельфийская хромосома, несущая в себе ген белка BCR-ABL. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org


Созданная американскими исследователями конструкция избирательно уничтожает клетки, содержащие мутантный белок BCR-ABL — специфический фактор развития хронического миелолейкоза (одного из видов рака крови). Конструкция состоит из сенсора (белка Crk), распознающего мутантный белок, и двух каспаз — ферментов апоптоза, или клеточного самоубийства. При взаимодействии конструкции с белком BCR-ABL каспазы сближаются, формируя димер (сдвоенную молекулу). Димеризация каспаз запускает самоубийство клетки, в которой был обнаружен BCR-ABL.

Гибель отдельных клеток зачастую бывает полезна организму в целом — например, когда речь идет о дефектных клетках или о клетках, нужных только на определенном этапе развития организма. С этой целью в каждой клетке может быть запущена программа апоптоза — клеточного самоубийства. При ее реализации активизируются особые ферменты — каспазы, разрушающие клеточные структуры: цитоскелет, белки оболочки ядра, белки межклеточной адгезии. Инициаторные каспазы, запускающие весь каскад разрушений, активируются в ответ на определенные сигналы: сигнал от рецепторов TNFR (рецепторы фактора некроза опухоли), образование значительных количеств активных форм кислорода, увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме, нарушение целостности митохондриальной мембраны, серьезные повреждения ДНК, которые представляются неисправимыми. На следующем этапе после запуска апоптоза начинают работать эффекторные каспазы, разрушающие клеточные структуры. Клетка отделяется от соседей и распадается на отдельные фрагменты, которые быстро поглощаются специализированными клетками иммунной системы (например, макрофагами).

Апоптоз, среди прочего, призван защищать организм и от образования раковых клеток. Однако в клетках, которые всё же превратились в раковые, программа апоптоза отключена: клетка уже не готова жертвовать собой ради блага остального организма. Такие клетки уже не реагируют на стимулы, в норме запускающие апоптоз (окислительный стресс, повреждения генома).

Но даже в таких клетках апоптоз можно вызвать искусственно, запустив сразу каспазный каскад. Это можно сделать, например, стимулировав образование димеров инициаторных каспаз — каспаз-8 или 9, с которых начинается каскад (эти ферменты запускают каскад именно после своей димеризации — сдваивания). Если в клетке с признаками (маркерами) злокачественности искусственно вызвать димеризацию инициаторных каспаз, то такая клетка самоустранится, и раковое заболевание не возникнет.

Для реализации этой идеи необходимо найти признак, который появляется только в раковых клетках и гарантированно отсутствует в нормальных. На счастье ученых, такого рода маркеры существуют для целого ряда злокачественных новообразований. Например, это могут быть белки, образовавшиеся в раковых клетках за счет хромосомных перестроек, которые часто возникают в процессе онкогенеза. К таким маркерам относится и появление белка BCR-ABL в клетках костного мозга пациентов с хроническим миелоидным лейкозом — одним из типов рака крови.

Белок BCR-ABL возникает, когда 9-я и 22-я хромосомы обмениваются участками с образованием так называемой филадельфийской хромосомы (рис. 1). В результате этой транслокации совмещаются два гена — BCR и c-ABL, которые в норме находятся на разных хромосомах, и образуется ген белка BCR-ABL. (Понятно, что в нормальных клетках такого гена нет, и, соответственно, нет и белка BCR-ABL.) Белок BCR-ABL — это киназа, то есть фермент, который может фосфорилировать определенные мишени (точнее, это тирозинкиназа — фермент, который может фосфорилировать тирозиновый остаток специфических клеточных белков-мишеней). Появление таких фосфорилированных мишеней запускает сложный каскад изменений, в результате которых происходит злокачественная трансформация (в данном случае приводящая к хроническому миелолейкозу).

В терапевтических целях разработаны ингибиторы белка BCR-ABL, которые действительно эффективно препятствуют переходу клеток в злокачественное состояние (то есть не дают клеткам с мутантным геном производить белок BCR-ABL). К таким ингибиторам относится препарат иматиниб (Imatinib), который используется в клинической практике для лечения миелоидного лейкоза. Но, к сожалению, такие ингибиторы не действуют на стволовые клетки c этой хромосомной перестройкой, а при их делении образуются всё новые и новые дефектные клетки, содержащие BCR-ABL (см.: Corbin A.S., et al., 2011. Human chronic myeloid leukemia stem cells are insensitive to imatinib despite inhibition of BCR-ABL activity). Поэтому полностью избавиться от заболевания с помощью ингибиторов BCR-ABL нельзя. Существуют и другие проблемы этого метода: ингибиторы не работают при гиперэкспрессии BCR-ABL (если в клетке по каким-то причинам образуется очень много белка BCR-ABL, допустимой дозы ингибитора может просто не хватить на то, чтобы инактивировать весь белок) и при возникновении мутаций в этом белке.

Группа американских ученых задумалась над тем, как использовать белок BCR-ABL в качестве «черной метки» для клеток, которые подлежат уничтожению (а не просто ингибировать его, чтобы помешать клетке превратиться в раковую). Для этого необходимо было найти способ запуска апоптоза в ответ на появление белка BCR-ABL.

В качестве сенсора, реагирующего на появление белка BCR-ABL, авторы использовали белок Crk — одну из мишеней тирозинкиназы BCR-ABL. Белок Crk является частью нескольких сигнальных путей, по которым BCR-ABL посылает «команды» различным клеточным компонентах о их новом «режиме работы». После того как тирозинкиназа BCR-ABL фосфорилирует остаток тирозина Y221, белок Crk меняет конформацию за счет того, что с фосфорилированным тирозиновым остатком связывается один из доменов этой же белковой молекулы. В результате молекула Crk изгибается и ее концы сближаются друг с другом.

К концам молекулы Crk исследователи прикрепили по молекуле каспазы-8 — одной из каспаз, активирующих процесс апоптоза. Полученную конструкцию авторы назвали «i-Caspase-8». При добавлении такой конструкции в среду, где присутствует BCR-ABL, происходит следующее: BCR-ABL фосфорилирует Crk — среднюю часть молекулы i-Caspase-8. Crk изгибается, концы i-Caspase-8 сближаются друг с другом, за счет чего две каспазы-8 на ее концах подходят друг к другу, формируя димер (рис. 2). Если все эти события произойдут в живой клетке, то димеризация каспаз конструкции запустит каскад активации многих других молекул клеточных каспаз, то есть запустит апоптоз клетки.


Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Рис. 2. При фосфорилировании остатка тирозина Y221 в белке Crk молекула i-Caspase-8 изменяет конформацию таким образом, что каспазы-8, обозначенные на схеме зелеными овалами, формируют димер. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Действительно, после проверки полученных конструкций на культуре клеток человека, синтезирующих BCR-ABL или другие киназы, ассоциированные с онкогенностью, было показано, что конструкция с высокой эффективностью вызывает гибель лишь тех клеток, в которых образуется BCR-ABL (рис. 3).


Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Рис. 3. Проверка конструкции i-Caspase-8 на клетках, не экспрессирующих онкопротеинов (Control), экспрессирующих BCR-ABL или экспрессирующих другие онкопротеины — киназы FLT3D835Y и TEL-PDGFRв. Клетки трансфецировали пустым вектором (GFP), вектором, кодирующим i-Caspase-8 (iC8), а также векторами, кодирующими i-Caspase-8 без тирозина Y221 (iC8Y/F) или i-Caspase-8, в которой одна из каспаз не обладала каталитической активностью (iC8C/S). Видно, что значительный процент клеточной гибели достигается лишь в случае трансфекции клеток с BCR-ABL конструкциями, кодирующими полноценный вариант i-Caspase-8. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Особенно важно было проверить, не будет ли фосфорилировать конструкцию белок c-ABL (рис. 4), на основе гена которого при перестройках хромосом образуется ген BCR-ABL. Белок c-ABL присутствует в нормальных клетках, и его мишени для фосфорилирования не так уж сильно отличаются от мишеней белка BCR-ABL (c-ABL тоже является тирозинкиназой). Поэтому если бы оказалось, что нормальный белок c-ABL тоже может фосфорилировать i-Caspase-8, то гибли бы нормальные клетки, содержащие c-ABL. Однако было показано, что этого не происходит, и конструкция селективно запускает клеточную гибели лишь в ответ на появление BCR-ABL.


Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Рис. 4. Проверка конструкции на способность фосфорилироваться нормальным белком c-ABL. В этом опыте c-ABL активировали через клеточные рецепторы CD3/CD/28, как это и происходит в природе. Видно, что даже среди клеток, где активировали белок c-ABL и где есть конструкция i-Caspase-8, повышенной смертности не наблюдается. Это означает, что нормальный белок c-ABL не фосфорилирует конструкцию или фосфорилирует ее в недостаточных количествах, чтобы начался апоптоз. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Конструкцию также протестировали на смешанной популяции клеток, содержащих (10%) и не содержащих BCR-ABL (90%). Через семь дней после введения конструкции в популяцию в ней практически не осталось клеток, содержащих BCR-ABL.

Примечательно, что конструкция показала хорошие результаты на мышиных стволовых клетках с геном BCR-ABL, на которые плохо действуют ингибиторы белка BCR-ABL (рис. 5).


Модифицированный фермент запускает апоптоз лейкозных клеток

Рис. 5. Воздействие i-Caspase-8 на мышиные стволовые клетки, синтезирующие белок BCR-ABL, а также на стволовые клетки, несущие в гене BCR-ABL мутации, увеличивающие его устойчивость к ингибиторам. Видно, что для клеток с такими мутациями (справа и слева внизу) даже в случае добавления ингибитора BCL-ABR иматиниба (imatinib) довольно много злокачественных клеток выживает. Однако, при добавлении i-Caspase-8 (iC8) уровень выживших злокачественных клеток в любом случае очень низкий. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


При всех достоинствах созданной конструкции пока неясно, как ее можно было бы применить для лечения пациентов. Авторы пишут, что уже в таком виде она может быть полезна для очистки от злокачественных клеток костного мозга, предназначенного для аутотрансплантаций. (Когда костный мозг для трансплантаций берется у самого пациента — аутотрансплантация, — не возникает проблем с тканевой совместимостью. Однако в случае аутотрансплантаций костного мозга после химиотерапии лейкозов зачастую наступают рецидивы именно по причине загрязнения трансплантатов злокачественными клетками.) Совершенствование подобных методик селективного уничтожения злокачественных клеток в смешанных популяциях поможет снизить процент рецидивов после трансплантаций.

Авторы также отмечают, что доказали высокую эффективность конструкций из двух частей — сенсорной, распознающей белок BCR-ABL, и эффекторной, содержащей каспазы, и говорят о возможности создания их модификаций, реагирующих на появление других киназ, вызывающих развитие других неблагоприятных процессов.

Источник: Manabu Kurokawa, Takahiro Ito, Chih-Sheng Yang, Chen Zhao, Andrew N. Macintyre, David A. Rizzieri, Jeffrey C. Rathmell, Michael W. Deininger, Tannishtha Reya, and Sally Kornbluth. Engineering a BCR-ABL-activated caspase for the selective elimination of leukemic cells. // Proc Natl Acad Sci USA. February 5, 2013. V. 110. No 6. P. 2300–2305. Doi: 10.1073/pnas.1206551110.

Юлия Кондратенко


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Асимметричное деление стволовых клеток сопровождается сортировкой гистонов

Стволовые клетки способны к асимметричному делению (одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам). Американские биологи обнаружили, что при

Обнаружен белок, отвечающий за слияние мышечных клеток в мышечные волокна

При формировании мышц во время эмбрионального развития одним из ключевых событий является слияние мышечных клеток в единое многоядерное мышечное волокно. Однако механизм, координирующий это слияние,

Как клетки выбирают путь спасения при стрессе

Два механизма помогают нашим клеткам выжить при стрессе — белки теплового шока (задача которых — сохранить структуру других белков) и аутофагия (самопереваривание частей клетки). Связаны ли эти

Истощение Т-лимфоцитов

Эта микрофотография показывает, как Т-лимфоциты (желтые) атакуют раковую клетку (розовая), которую они узнают по антигенам на ее поверхности...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна Юпитера