Когда дело доходит до сложной жизни - многоклеточной разновидности - смерть клетки может быть так же важна, как и выживание. Это позволяет организмам наводить порядок и предотвращать размножение поврежденных клеток, которые могут нарушить функцию тканей.
Несколько лет назад биолог Дениз Монтелл, выдающийся профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обнаружила, что иногда клетки выживают после того, что считалось критическим этапом клеточного самоубийства. Теперь она и ее лаборатория определили два ключевых фактора, связанных с этим замечательным выздоровлением.
Выводы, опубликованные в Nature Communications, показывают, что этот механизм выживания может иметь решающее значение для восстановления нормальной ткани после экстремального стресса, а не для случайного возникновения. Понимание его нюансов может также помочь в разработке новых стратегий лечения рака.
Апоптоз является наиболее распространенным способом самоубийства клеток, и этот процесс имеет решающее значение для поддержания благополучия организма. Живым существам нужен способ уничтожения клеток, когда они сильно повреждены или повреждена их ДНК. Апоптоз также является частью естественного обмена, особенно в клетках крови, клетках кожи и слизистой оболочки кишечника.
«До нашей работы люди действительно думали, что апоптоз - это решение по принципу «все или ничего», - сказал Монтелл, профессор Дагган кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития. «Вы либо совершили самоубийство и прошли через это, либо нет».
Ученые сочли, что активация фермента, правильно названного «каспаза палача», является точкой невозврата. Этот фермент по существу разрезает и разрезает многие клеточные белки. Но оказывается, что апоптоз более тонок, чем было известно ранее, и иногда клетки выживают после каспазы палача посредством другого процесса - анастаза..
Возвращение с пропасти
Это явление впервые привлекло внимание Монтелла примерно в 2010 году. Как правило, ученые, изучающие апоптоз, используют экстремальные условия, которые вызывают гибель всех клеток в их образце. Докторанту в ее лаборатории в то время было любопытно, смогут ли клетки пережить активацию каспазы, если он удалит вещество, вызывающее апоптоз. Ко всеобщему удивлению, многие из них это сделали.
С тех пор ученые наблюдали анастаз в клетках многих различных организмов, включая людей, мышей и плодовых мушек. Монтелл и ее команда решили искать гены, которые либо улучшали бы, либо подавляли способность клеток проходить этот процесс.
С этой целью исследователи применили технику, разработанную в 2016 году. Выведя трансгенных плодовых мушек, которые экспрессируют специфический белок, разрезаемый каспазой палача, они инициировали серию событий, которые в конечном итоге заставили клетки флуоресцировать зеленым цветом. Это навсегда идентифицирует любую клетку, пережившую эту фазу апоптоза.
Имея под рукой этот инструмент, команда, возглавляемая бывшим постдокторантом Гонпином Суном, решила идентифицировать гены, участвующие в анастазе. Учитывая, что они не могли исследовать все 13 000 генов в геноме плодовой мушки, исследователи прочесали свои собственные данные, а также литературу, чтобы определить гены-кандидаты, в конечном итоге остановившись на около 200 для дальнейшего изучения..
Сан и ее коллеги по лаборатории взяли сотни плодовых мушек и отключили экспрессию разных генов в половине клеток каждого животного. Это позволило им контролировать другие факторы, которые могли повлиять на результаты.
В статье, опубликованной в 2016 году, ученые обнаружили, что некоторые клетки подвергаются анастазу во время нормального развития плодовой мушки. Поэтому в новой статье они искали изменения в проценте клеток, прошедших этот процесс во время развития. Они также проверили гены на их способность влиять на анастаз в ответ на такие стрессы, как радиация и жара.
Разграничение между генами, участвующими в анастазе, и теми, которые просто необходимы для базового выживания, было сложной задачей. «Потому что, если это необходимо для выживания, и точка, то это также будет необходимо для выздоровления от грани смерти», - сказал Монтелл.
Итак, команда смотрела не только на то, сколько клеток в образце флуоресцировало зеленым цветом после эксперимента, но и на соотношение зеленых клеток и незеленых клеток. Если рассматриваемый ген был необходим для базового выживания, но не участвовал в анастазе, он в равной степени влияет на все клетки. Это повлияет на общее количество флуоресцентных клеток, но оставит соотношение неизменным.
Исследователи обнаружили два белка и кодирующие их гены, которые сыграли важную роль в анастазе. Первый, AKT1, является хорошо изученным и известным белком выживания, который активируется в ответ на факторы роста, по существу говоря клетке расти и делиться. Ученые знали, что он может блокировать активацию каспазы палача, но команда обнаружила, что он также может иметь значение между выживанием и смертью после запуска каспазы.
Другой белок, CIZ1, не так хорошо изучен и фигурирует в ряде не связанных между собой статей в литературе. Почти во всех этих случаях оказывается, что CIZ1 также способствует выживанию при стрессе. Например, сниженное количество CIZ1 связано с усилением возрастной нейродегенерации у мышей.
Участие этих двух белков в анастазе указывает на то, что это, вероятно, очень древний процесс. «Не только явление восстановления клеток на грани смерти, но даже механизм - вовлеченные молекулы - настолько глубоко законсервированы в эволюции, что мухи и мыши используют одни и те же молекулы», - сказал Монтелл.
Апоптоз и борьба с раком
Эти результаты являются огромным шагом вперед в понимании апоптоза на фундаментальном уровне. Они также предлагают возможные применения, особенно в борьбе с раком.
Апоптоз выполняет важную функцию в поддержании стабильного равновесия внутри сложных организмов. В нормальных условиях - скажем, при повреждении клетки кожи ультрафиолетом - организм хочет, чтобы поврежденная клетка умерла, чтобы она не переросла в состояние, подобное меланоме.
«Однако, если вы подверглись сильному стрессу, вы, возможно, не захотите, чтобы каждая клетка совершала апоптоз», - сказал Монтелл. «Это может привести к необратимому повреждению тканей, от которого будет очень трудно восстановиться».
В ответ на серьезную, но временную травму некоторым клеткам может быть полезно прийти в норму. Монтелл подозревает, что это основная причина того, что организмы в ходе эволюции выработали способ обойти апоптоз.
Временный характер стресса, по-видимому, является решающим фактором как в роли анастаза в содействии заживлению, так и в самом механизме. Когда клетка находится в состоянии сильного стресса, такого как радиационное или химическое воздействие, одновременно происходят две вещи: клетка активирует реакцию апоптоза, включая каспазу палача, а также активирует реакции, способствующие выживанию.
"Это похоже на одновременное нажатие педали газа и тормоза", - сказал Монтелл.
Апоптотические факторы усиливают себя, поэтому, если стрессовые условия сохраняются, процесс переходит пороговое значение и клетка погибает. Но если стресс носит временный характер, механизм выживания уже готов сработать и помочь клетке восстановиться. Исследователи не до конца понимают, как клетка отключает путь апоптоза, но, вероятно, в этом участвуют такие белки, как AKT1 и CIZ1.
У этого механизма выживания есть темная сторона.«Анастаз может быть полезным, если вы пытаетесь восстановить поврежденную ткань, но может быть и плохим, поскольку может способствовать росту опухолей, - отметил Монтелл, - особенно в ответ на химиотерапию и лучевую терапию. которые представляют собой экстремальные временные нагрузки."
Это соответствует опыту многих врачей, объяснил Монтелл. Многие больные раком вначале хорошо реагируют на лечение; их опухоли уменьшаются, и их состояние улучшается. Но, к сожалению, опухоли часто вырастают снова. И ученые не уверены, почему это так.
Некоторые думают, что рецидив может быть результатом устойчивых к лекарствам клеток, существующих в опухоли, которые затем вызывают рецидив. В этой статье выдвигается еще одна гипотеза - «идея о том, что само лечение может побудить раковые клетки пройти этот зависимый от стресса процесс выживания», - сказал Монтелл.
Это понятие может коренным образом изменить представление врачей о предотвращении рецидивов. По словам Монтелла, вы мало что можете сделать против устойчивых к лекарствам клеток, но если рецидив связан с этим механизмом выживания, эти результаты могут послужить основой для новых методов лечения.
Препараты, ингибирующие AKT1, в настоящее время проходят клинические испытания. Их можно комбинировать с другими методами лечения для повышения их эффективности, потенциально позволяя врачам и исследователям ингибировать анастаз в раковых клетках, одновременно стимулируя его в нормальных клетках.
Более того, успешные раковые клетки могут фактически индуцировать апоптоз в Т-клетках, которые иммунная система посылает для атаки на них, согласно Монтеллу. Это представляет собой еще одну цель для терапии анастаза.
«Идет непрекращающаяся война между иммунной системой и раком, - сказал Монтелл, - и если вы сможете хотя бы немного склонить чашу весов, вы сможете начать побеждать».