Экспрессионный шум делает нейробластому устойчивой к химиотерапии

Эксперименты in vitro, на мышах и компьютерная симуляция показали, что химиорезистентность нейробластомы определяется экспрессионным шумом. В опухоли присутствует популяция клеток, не отличимая генетически от общей популяции, но со сниженной экспрессией компонентов апоптотического сигнального пути. Терапия способствует селекции этих клеток, что в итоге приводит к рецидиву.

Модель молекулы винкристина — стандартного препарата для терапии нейробластомы.

Credit: molekuul | 123rf.com

Нейробластома высокого риска — это агрессивная педиатрическая опухоль, которая часто развивает резистентность к химиотерапии. Эффективность терапии можно повысить, если разобраться в механизмах резистентности. Этой проблеме посвящена новая работа ученых из Австралии, Бельгии и Ирландии.

В последнее время разрабатывается концепция негенетической природы резистентности опухоли к химиотерапии. Экспрессия генов стохастична, и количество одного определенного белка в единичных клетках варьирует. По мнению ученых, этому аспекту внутриопухолевой гетерогенности уделяется недостаточно внимания. Было показано, что «взрывная» транскрипция в отдельных клетках и так называемый экспрессионный шум могут привести к возникновению редких клеточных популяций с высоким уровнем активности специфических генов, способствующих резистентности. В новой работе ученые проанализировали роль экспрессионного шума в возникновении химиорезистентности нейробластомы.

Они использовали разработанную ранее модель апоптотической активации киназы JNK в ответ на химиотерапию. На первом этапе с помощью пятицветной проточной цитометрии ученые определили относительную экспрессию киназ, вовлеченных в JNK-сигналинг (JNK, MKK4, MKK7, MAP3K20 и phospho-Akt (Ser473)), в единичных клетках линий нейробластомы. Полученные данные использовали для компьютерной симуляции базовой активности JNK и ее активации под действием различных факторов на уровне единичных клеток. Для валидации предсказаний модели ученые создали репортерную линию нейробластомы SH-SY5Y, экспрессирующую JNK с флуоресцентной меткой. Отношение содержания репортера в цитоплазме и белке коррелирует с активностью киназы. Предсказанное распределение активности JNK совпадало с таковым для репортерных клеток, обработанных активатором JNK анизомицином, и было логнормальным. Примерно в 10% клеток JNK не активировалась. Моделирование подтвердило вклад экспрессии каждого компонента сигнального пути в гетерогенность ответа на уровне единичных клеток.

Далее авторы исследовали связь активации JNK с апоптозом, который определяли по каспазной активности. Оказалось, что для запуска апоптоза активность JNK должна преодолеть определенный пороговый уровень. Это условие не является достаточным — процесс далее должен регулироваться нижележащими компонентами сигнального пути.

Основываясь на полученных данных, ученые предположили, что популяция клеток с нарушенной активацией JNK, существующая из-за экспрессионного шума компонентов JNK-пути, устойчива к химиотерапии. Они проверили это предположение в серии экспериментов in vitro и in vivo. Так, популяция резистентных клеток внутри клеточной линии SH-SY5Y не отличалась от общей популяции ни на генетическом, ни на эпигенетическом уровне, однако экспрессия каждого компонента пути JNK в ней была снижена. Прижизненная визуализация клеток опухоли у модельных мышей подтвердила нарушение активации JNK в устойчивых к терапии клетках. Анализ парных ксенографтных моделей (диагноз/рецидив) не выявил изменений в ключевых онкогенных мутациях при рецидиве по сравнению с исходной опухолью. Однако эксперимент и симуляция подтвердили нарушенную активацию JNK при рецидиве. Все это поддерживает предположение о негенетической природе резистентности и говорит об эволюции опухоли, произошедшей из-за экспрессионного шума, а именно из-за отбора изначально стохастической популяции с нарушенным JNK-сигналингом.

В дальнейших экспериментах ученые выяснили, что сниженная активация JNK в единичных клетках может быть связана с повышенным уровнем репрессивной хроматиновой метки H3K27me3. Анализ образцов от пациентов связал увеличенное содержание H3K27me3 с неблагоприятным прогнозом. Ученые протестировали несколько подходов к преодолению резистентности. Они показали, что миметики BH3 — препараты, направленные на активацию апоптоза, — снижают порог активности JNK, необходимый для запуска этого процесса. BH3-миметики в комбинации со стандартными препаратами для химиотерапии повышали чувствительность резистентных клеток in vitro, но не восстанавливали ее полностью. Тем не менее, авторы считают, что экспрессионный шум, связанный с апоптотическим сигналингом, должен стать мишенью для терапии рецидивирующей нейробластомы.

Источник

Jordan F. Hastings, et al. Memory of stochastic single-cell apoptotic signalling promotes chemoresistance in neuroblastoma. // Science Advances, 3 Mar 2023, Vol 9, Issue 9; DOI: 10.1126/sciadv.abp8314

Пресс-релиз

Добавить в избранное