Большие тандемные повторы определяют чувствительность раковых клеток к противоопухолевым препаратам

Геномная нестабильность — одна из основных отличительных характеристик раковых клеток. В опухолях, особенно солидных, часто встречаются структурные вариации — делеции, дупликации, инсерции и другие. Одним из основных источников нестабильности генома служит репликативный стресс, однако механизмы, лежащие в его основе, не до конца изучены. Причиной возникновения структурных нарушений в геноме могут быть столкновения систем репликации и транскрипции, которые периодически неизбежно случаются, поскольку оба процесса происходят на одной и той же матрице ДНК. При столкновениях могут накапливаться так называемые R-петли — участки, где нить ДНК вытеснена из дуплекса комплементарной РНК. Это приводит к появлению в ДНК разрывов. Особенно подвержены мутациям в результате столкновений транскрипции и репликации некоторые очень крупные гены. В то же время роль этого явления в нестабильности генома при раке остается практически неизвестной.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Cancer, показало, что столкновение транскрипции и репликации в опухолевых клетках может приводить к образованию больших тандемных повторов, которые можно использовать в качестве биомаркера для оценки прогноза и выбора стратегии лечения при различных онкологических заболеваниях.

Ученые обратились к результатам полногеномного секвенирования трех онкологических когорт и исследовали около 5,5 тысяч опухолей различных типов. Они искали признаки столкновения репликации и транскрипции в районах структурных вариантов. После такого столкновения одна нить ДНК продолжает реплицироваться, а вторая — нет. В результате возникает перевес в сторону лидирующей или отстающей нити ДНК, который можно отследить. Так авторы установили, что из-за столкновения репликации и транскрипции возникают большие тандемные повторы — они были особенно свойственны опухолям, преобладающим у женщин (рак матки, молочной железы и яичников), а также опухолям пищевода, желудка, предстательной железы и урогенитальным ракам. При этом образование больших тандемных повторов отмечалось только в экспрессирующихся генах, но не в неактивных, свидетельствуя о том, что их образование происходит именно вследствие столкновения репликации и транскрипции.

Далее авторы проанализировали соматические однонуклеотидные вариации (SNV) всех белок-кодирующих генов и обнаружили, что мутации в p53 — опухолевом супрессоре и ключевом регуляторе стрессовой реакции клеток на повреждение ДНК — положительно коррелируют с наличием больших тандемных повторов. Также среди генов, мутации в которых ассоциированы с большими тандемными повторами, оказались SPOP для рака предстательной железы и CDK12 для метастатического рака предстательной железы или рака яичников. Интересно, что мутации в BRCA1 или BRCA2 не были связаны с большими тандемными повторами, корреляция наблюдалась лишь для BRCA1 и коротких тандемных повторов.

Исследователи также проверили, обладают ли такие структурные вариации прогностической ценностью. Высокое содержание больших тандемных повторов в опухолях не только отрицательно сказывалось на общей выживаемости пациентов при разных типах рака, но и ухудшало прогноз при наличии мутации в р53.

Затем ученые подробнее остановились на роли CDK12 и нокаутировали этот ген с помощью CRISPR-Cas9 в нескольких линиях опухолевых и нормальных эпителиальных клеток простаты. Утрата CDK12 привела к увеличению количества R-петель, а также непосредственных маркеров столкновения репликации и транскрипции, а восстановление экспрессии нивелировало эти эффекты. За год культивирования клетки рака простаты с нокаутом CDK12 накопили большие тандемные повторы (их содержалось около 15,2%), тогда как в клетках без нокаута это происходило менее активно (4,7%). Соответственно, потеря CDK12 может напрямую способствовать столкновению репликации и транскрипции.

В заключение авторы провели скрининг лекарств in silico для оценки чувствительности к препаратам, сосредоточившись на соединениях, связанных с повреждением ДНК, восстановлением повреждений, репликацией и транскрипцией ДНК. Оказалось, что линии раковых клеток, содержащие много больших тандемных повторов, обладают повышенной чувствительностью к двум типам реагентов. Первый из них — ингибиторы ядерной тирозинкиназы WEE1 (например, адавосертиб), которая распознает повреждения ДНК в S фазе и регулирует переход G2/M, обеспечивая завершение репарации ДНК до начала митоза. Вторыой разновидностью оказались ингибиторы поли(АДФ-рибоза)-полимеразы PARP. Кроме того, клетки с нокаутом CDK12 были более чувствительны к нескольким ингибиторам киназ CHK1 и ATR, находящихся выше WEE1 по каскаду сигналов о повреждении ДНК. При этом они были устойчивы к трем ингибиторам синтеза ДНК —бендамустину (алкилирующий агент), неларабину и фамцикловиру (аналоги гуанина).

Таким образом, большие тандемные повторы в опухолевых клетках образуются в результате столкновения систем репликации и транскрипции. Их наличие может быть полезным прогностическим биомаркером, а также влиять на чувствительность опухолевых клеток к определенным препаратам — понимание этого имеет ценное значение в клинике.

Экспансию тандемных повторов связали со снижением интеллекта