Naukowcy z Johns Hopkins Medicine twierdzą, że pracując z ludzkimi komórkami piersi i płuc, nakreślili szlak molekularny, który może zwabić komórki na niebezpieczną ścieżkę zbyt częstej duplikacji genomu, co jest cechą charakterystyczną komórek nowotworowych.

Odkrycia ujawniają, co dzieje się nie tak, gdy grupa cząsteczek i kinaz zostaje pobudzona do regulacji cyklu komórkowego, co skutkuje replikacją chromosomów w komórkach, które opuszczają cykl komórkowy. Zespół sugeruje, że odkrycie można wykorzystać do opracowania terapii przerywających te nieprawidłowe zdarzenia w cyklu komórkowym i mogących zatrzymać rozwój nowotworów.

„Stałym pytaniem naukowców zajmujących się nowotworami jest: w jaki sposób genomy komórek nowotworowych ulegają tak zepsuciu?” mówi dr Sergi Regot, profesor nadzwyczajny biologii molekularnej i genetyki w Szkole Medycznej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. „Nasze badanie podważa podstawową wiedzę o cyklu komórkowym i zmusza nas do ponownej oceny naszych pomysłów na temat regulacji tego cyklu”.

Regot i współpracownicy ogłosili swoje ustalenia w Naukaw artykule zatytułowanym „Podczas zatrzymania G2 wymagana jest aktywność CDK4/6, aby zapobiec endoreplikacji wywołanej stresem”.

Aby się replikować, komórki wykonują uporządkowaną procedurę, która rozpoczyna się od wykonania kopii całego genomu. Następnie następuje separacja kopii genomu, a na koniec replikowany DNA jest równomiernie dzielony na dwie komórki „córki”. Komórki ludzkie mają 23 pary każdego chromosomu – połowę od matki i połowę od ojca – łącznie z chromosomami płci X i Y. To daje w sumie 46, ale wiadomo, że komórki nowotworowe przechodzą przez stan pośredni, w którym liczba chromosomów jest dwukrotnie większa – 92. Ale jak to się dzieje, było tajemnicą.

Jak wyjaśnili autorzy, nieprawidłowa zawartość DNA jest jedną z najczęstszych cech komórek nowotworowych, a najnowsze dowody sugerują, że w trakcie ewolucji od 35 do 40 procent nowotworów przechodzi przez proces podwojenia całego genomu (WGD). „WGD wiąże się z niestabilnością genomu, przerzutami i gorszym ogólnym rokowaniem” – napisał zespół. „Jednak mechanizmy molekularne napędzające WGD są słabo poznane”.

Regot zauważył, że komórki poddane stresowi po skopiowaniu genomu mogą wejść w stan uśpienia, czyli starzenia się, i przez pomyłkę narażają się na ryzyko ponownego skopiowania swojego genomu. I chociaż ogólnie rzecz biorąc, te uśpione komórki są usuwane przez układ odpornościowy po rozpoznaniu ich jako wadliwe, zdarzają się chwile, szczególnie w miarę starzenia się człowieka, kiedy układ odpornościowy nie jest w stanie oczyścić komórek.

Pozostawione same sobie nieprawidłowe komórki mogą ponownie replikować swój genom, przetasować chromosomy przy następnym podziale i rozpoczyna się rosnący nowotwór. Zespół wyjaśnił w swoim artykule, że model znany jako endoreplikacja polega na tym, że komórka przechodzi dwie rundy replikacji DNA bez podziału komórki. Zauważyli, że endoreplikacja zaprzecza idei nieodwracalnego zaangażowania w podział komórkowy komórek wchodzących w cykl komórkowy. „Uzasadniliśmy, że chociaż replikacja DNA i podział komórek są ze sobą powiązane w normalnych okolicznościach, w okresach stresu komórkowego musi istnieć możliwość rozłączenia tych zdarzeń i zerwania zaangażowania w podział komórek nawet po wystąpieniu replikacji DNA”.

Próbując ustalić szczegóły szlaku molekularnego zakłócającego cykl komórkowy, Regot i asystent Connor McKenney, który kierował zespołem Johnsa Hopkinsa, skupili się na komórkach ludzkich wyściełających przewody piersiowe i tkankę płuc. Komórki te na ogół dzielą się w szybszym tempie niż inne komórki w organizmie, co zwiększa możliwości wizualizacji cyklu komórkowego. „

Laboratorium Regota specjalizuje się w obrazowaniu pojedynczych komórek, dzięki czemu szczególnie nadaje się do wykrywania bardzo małego odsetka komórek, które nie wchodzą w fazę uśpienia i kontynuują replikację swojego genomu. Na potrzeby nowo opublikowanego badania zespół przeanalizował tysiące obrazów pojedynczych komórek podczas ich podziału. Naukowcy opracowali świecące bioczujniki do oznaczania kinaz zależnych od cyklin (CDK), czyli enzymów komórkowych znanych ze swojej roli w regulacji cyklu komórkowego. „Zdarzenia cyklu komórkowego są koordynowane przez kinazy zależne od cyklin (CDK), aby zapewnić solidny podział komórek” – napisali. „CDK4/6 i CDK2 regulują wzrost 1 (G1) do przejścia fazowego syntezy (S) w cyklu komórkowym…”.

W trakcie badań zespół zaobserwował, że różne CDK aktywowały się w różnych momentach cyklu komórkowego. Po wystawieniu komórek na stresor środowiskowy, taki jak lek zakłócający produkcję białek, promieniowanie UV lub stres osmotyczny (nagła zmiana ciśnienia wody wokół komórek), naukowcy zaobserwowali spadek aktywności CDK 4 i CDK 6.

Następnie, pięć do sześciu godzin później, kiedy komórki rozpoczęły przygotowania do podziału, CDK 2 również uległo zahamowaniu. W tym momencie kompleks białkowy zwany kompleksem promującym anafazę (APC) został aktywowany w fazie tuż przed mitozją – etapem, podczas którego komórka rozdziela się i dzieli. „W poddanym badaniu środowisku stresowym aktywacja APC nastąpiła przed mitozą, podczas gdy zwykle wiadomo, że aktywuje się tylko podczas mitozy” – powiedział Regot.

Około 90 procent komórek piersi i płuc opuszcza cykl komórkowy i wchodzi w spokojny stan pod wpływem stresorów środowiskowych. W eksperymentalnych komórkach naukowców nie wszystkie z nich ucichły. Zespół badawczy odkrył, że od pięciu do dziesięciu procent komórek piersi i płuc powróciło do cyklu komórkowego, ponownie dzieląc swoje chromosomy. „Po złagodzeniu stresu znaczna część komórek przeszła drugą rundę replikacji DNA, która doprowadziła do podwojenia całego genomu” – napisali.

W kolejnej serii eksperymentów zespół powiązał wzrost aktywności kinaz białkowych aktywowanych stresem (SAPK) z odsetkiem komórek, które przechodzą przez fazę spokoju i nadal podwajają swój genom. „Mechanistycznie zakończenie cyklu komórkowego G2 następuje w wyniku przedwczesnej aktywacji kompleksu promującego anafazę, czyli cyklosomu (APC/C) w G2” – napisali. „W szczególności odkryliśmy, że przedwczesna reaktywacja APC/C następuje w wyniku trwałego jednoczesnego hamowania kinazy zależnej od cykliny 1 (CDK1) i CDK4/6 w G2 przez SAPK”.

Zauważyli, że mechanizmy te zachodzą niezależnie od białka p53. „Odkryliśmy, że SAPK promują reaktywację APC/C w G2 niezależnie od p53”. Ta przedwczesna reaktywacja APC/C doprowadziła do endoreplikacji genomu w małej liczbie komórek. „Reaktywacja APC/C wywołana stresem była spowodowana hamowaniem CDK4/6 podczas zatrzymania G2, co podważa klasyczną definicję punktu restrykcyjnego i podkreśla ważną rolę CDK4/6 poza przejściem z G0 do G1” – zauważyli.

Regot twierdzi, że trwają badania kliniczne łączące środki uszkadzające DNA z lekami blokującymi CDK. „Możliwe, że połączenie leków może pobudzić niektóre komórki nowotworowe do dwukrotnej duplikacji genomu i wygenerowania heterogeniczności, która ostatecznie powoduje oporność na leki” – mówi Regot. „Mogą istnieć leki, które mogą blokować aktywację APC przed mitozą, aby zapobiec dwukrotnej replikacji genomu komórek nowotworowych i zapobiec progresji w stadium nowotworu”. Autorzy wskazali ponadto, że sygnalizacja SAPK odgrywa kluczową rolę w różnych stanach stresowych związanych ze starzeniem się, w tym w stresie proteotoksycznym, stresie oksydacyjnym i stanach zapalnych.

W kontekście wyników swoich badań doszli do wniosku: „Ponieważ endoreplikacja indukowana przez SAPK jest niezależna od p53, a większość nowotworów z WGD traci funkcję p53 przed duplikacją genomu, proponujemy, aby WGD za pośrednictwem SAPK mogła przyczyniać się do niestabilności genetycznej i powstawania nowotworów w procesie starzenia tkanki.”

W powiązanej perspektywie w Naukadoktor Bart Westendorp z Uniwersytetu w Utrechcie i Centrum Medycyny Regeneracyjnej w Utrechcie, skomentowali: „Biorąc pod uwagę, że hamowanie CDK4/6 jest obecnie standardową metodą leczenia raka piersi z dodatnim receptorem estrogenowym, ważne jest zbadanie, czy inhibitory te mogą promować niepożądane zdarzenia podwajania całego genomu i niestabilność genomu u pacjentów… Aby odpowiedzieć na te pytania, potrzebne będą innowacyjne podejścia do śledzenia długoterminowych losów in vivo i klonalnego wzrostu komórek tetraploidalnych powstających w fazach G2, w których aktywność CDK4/6 jest aktywna zakłócony.”