Хроническое воспаление повышает риск рака через «эпигенетическую память»

Воспаление — важный фактор риска развития рака; чем дольше сохраняется воспаление, тем выше риск. Это можно объяснить различными механизмами, такими как накопление мутаций, но исследователи из США предположили, что дело в эпигенетических изменениях. Эпигеном изменяется со временем по мере того, как клетка отвечает на сигналы окружающей среды, делая доступными те или иные области ДНК, направляя к ним транскрипционные факторы и активируя экспрессию новых генов. Изменения эпигенома могут долго сохраняться и накапливаться при повторном воздействии, делая ответ более интенсивным. Есть свидетельства того, что такая «эпигенетическая память» может повышать риски различных заболеваний.

Связь воспаления кишечника и рака хорошо известна. У пациентов с язвенным колитом в 2–5 раз выше риск развития колоректального рака; особенно высок риск у людей с колитом, диагностированным в детстве. Предполагаемым источником колоректального рака являются долгоживущие стволовые клетки толстой кишки, находящиеся в основании крипт и отвечающие за регенерацию эпителия каждые несколько дней. Авторы предположили, что факторы среды воздействуют на эти клетки, оставляя след в их эпигеноме и влияя на здоровье.

Чтобы проверить это предположение, исследователи вызывали у мышей хронический колит, воздействуя на них низкими дозами DSS (натриевая соль декстрана сульфата). Они выделили три стадии заболевания: острое повреждение (одна доза DSS), хроническое повреждение (три цикла DSS) и выздоровление. Спустя 21 день после прекращения воздействия DSS большая часть животных восстановила или даже превзошла свой изначальный вес, структура эпителиальных крипт восстановилась, а инфильтрирующих иммунных клеток стало меньше.

Авторы провели совместное профилирование доступности хроматина и экспрессии генов (SHARE-seq) для выявления признаков «памяти» клеток о хроническом воспалении. Всего они проанализировали 52 540 единичных клеток у 23 животных и идентифицировали известные популяции клеток эпителия кишечника, включая стволовые клетки и клетки-предшественники (Lgr5+).

При остром повреждении стволовые клетки активируют гены, связанные с передачей сигналов интерферона и иммуномодуляцией, а при хроническом повреждении — с заживлением раны, восстановлением контактов между клеток и реконструкцией внеклеточного матрикса. После выздоровления активность этих генов снижалась, как и активность 97% из 246 других транскрипционно активных генов.

Считается, что DSS не является мутагеном, так что авторы изучили эпигеном стволовых клеток. Клетки выздоровевших животных отличались от клеток контролей, на которые никогда не воздействовали DSS, при этом транскриптомы этих клеток были схожи.

Авторы сгруппировали транскрипционные факторы по сходству их мотивов связывания (всего 299 семейств) и посмотрели, как изменилась доступность ДНК для этих мотивов. Даже после выздоровления были заметны отличия. Особо авторы отмечают повышение доступности сайтов связывания мотива AP-1 (activator protein 1) и мотивов семейства ETS. Эти транскрипционные факторы играют роль в онкогенезе и развитии язвенного колита. Напротив, доступность сайтов связывания CTCF заметно снизилась при хроническом повреждении и выздоровлении. Промежуточные энтероциты тоже сохраняли «память» о доступности сайтов связывания AP-1, но не так явно. В полностью диффернецированных энтероцитах «памяти» не сохранялось вовсе, вероятно, она теряется при дифференцировке.

«Эпигенетическая память» была неодинаковой у отдельных клеток. Были выявлены субпопуляции с повышенной доступностью сайтов связывания мотивов FOS и JUN. У них также были повышены уровни транскрипции этих факторов. Авторы выявили подгруппу стволовых клеток и клеток-предшественников в основании крипт (CD44+) с повышенным содержанием FOS у выздоровевших мышей, но не у контрольных (16,4% против 0%). Хроматиновая «память» сохранялась и через 102 дня.

Из клеток животных с хроническим повреждением получили органоиды. Сначала они были похожи на контрольные, но через 34 для культивирования демонстрировали регенеративную и гиперпластическую морфологию.

Авторы создали метод SHARE-TRACE (SHARE-seq с клональным отслеживанием), позволяющий одновременно измерять историю клональной дифференцировки клетки, экспрессию генов, состояние дифференцировки и доступность хроматина. Это позволило им профилировать 52 564 клетки в 6 линиях органоидов и картировать транскриптомы и эпигеномы 172 клонов. Для AP-1 была показана клональная «память», но не для ETS или CTCF. Активность AP-1 была связана с такими биологическими процессами, как заживление ран (Clu), ремоделирование цитоскелета (Flnb и Macf1), восстановление клеточных контактов (Cdh1 и Itgb6) и пролиферация стволовых клеток (Cd44 и Sox4). Пика экспрессии эта генетическая программа достигла при хроническом повреждении.

Исследователи предположили, что «эпигенетическая память» сохраняется из-за изменения уровней метилирования ДНК. Действительно, изменения в доступности хроматина отрицательно коррелировали с изменениями в ДНК-метилировании. Активность AP-1 была ассоциирована с фактором FOX, который стабилизировал его связывание с ДНК.

Авторы индуцировали аденомы у выздоровевших и контрольных мышей, внося онкогенные мутации. У выздоровевших мышей аденомы были крупнее. Также в подгруппе опухолей, ассоциированных с колитом, наблюдалась особенно сильная экспрессия генов, связанных с AP-1 (8,8% против 1,7%). Эти и другие признаки свидетельствовали о том, что восстановление после колита «подготавливает» опухоли к усилению экспрессии генов, связанных с AP-1, а AP-1 активирует дополнительные проонкогенные программы. Блокировка AP-1 при индуцировании аденом снижала размер опухолей у мышей после колита, но не у контрольных.

Таким образом, авторы предложили модель, в которой хроническое воспаление закладывает «эпигенетическую память» в стволовые клетки толстой кишки. Эта «память» способствует росту опухоли за счет увеличения доступности AP-1. После того, как стволовая клетка приобретает онкогенную мутацию, рост злокачественной опухоли становится более интенсивным.

Почти 8% железистых клеток желудка накапливают ассоциированные с раком мутации к 60 годам