Кислая среда опухоли заставляет раковые клетки отказываться от гликолиза и активировать митохондрии

Злокачественные новообразования характеризуются быстрым ростом в условиях недостатка питательных веществ и закисления среды (ацидоза). Одной из основных причин его возникновения является эффект Варбурга — перестройка метаболизма опухоли на аэробный гликолиз. При этом большая часть глюкозы превращается в молочную кислоту, которая понижает рН окружающей ткани, вместо того чтобы утилизироваться по альтернативному пути — в митохондриях в цикле трикарбоновых кислот — с образованием большего количества АТФ. Факторы, которые способствуют выбору раковыми клетками того или иного метаболического пути, до сих пор оставались недостаточно изученными

Чтобы выявить эти факторы, ученые из Онкологического исследовательского центра Германии (DKFZ) и Исследовательского института молекулярной патологии в Вене провели in vitro и in vivo эксперименты на модели аденокарциномы поджелудочной железы. Они выполнили полногеномный скрининг CRISPR-Cas9 культивируемых опухолевых клеток с помощью библиотеки гидовых РНК Vienna Bioactivity CRISPR score. Продукция Cas9 в клетках индуцировалась тамоксифеном, что делало возможной контролируемую инактивацию генов-мишеней в определенное время. Чтобы идентифицировать гены, нокаут которых влиял на адаптацию к неоптимальным условиям среды, клетки культивировали при низких уровнях глюкозы или заменимых аминокислот, при недостатке кислорода или избытке молочной кислоты.

Сотни генов тем или иным образом влияли на приспособленность раковых клеток к метаболическим стрессам. Среди них были гены ферментов метаболизма, компонентов дыхательной пути, а также гены, вовлеченные в детекцию питательных веществ или реакцию на стресс. Трансплантация клеток с нокаутами в поджелудочную железу мышей показала, что нокаут некоторых генов (например, Kras), незначительно снижает приспособленность in vitro и сильно — in vivo. Кроме того, клетки в опухоли продемонстрировали сильную зависимость от митохондриального дыхания и более слабую, чем в культуре — от гликолиза.

Сравнение результатов in vitro и in vivo показало, что in vivo наиболее значимым фактором, формирующим метаболизм раковых клеток, является ацидоз. Авторы обнаружили, что именно он смещает баланс энергетического обмена от гликолиза к окислительному фосфорилированию в митохондриях. При этом изменяется морфология митохондрий. В раковых клетках они обычно фрагментированы, но в закисленной среде появляются «слитые» митохондрии, образующие сети.

Один из важнейших драйверов рака — сигнальный путь ERK, который регулирует рост и деление клеток, дифференцировку и реакцию на стресс. В обычных условиях этот путь запускает фрагментацию митохондрий. Но при закислении среды подавляется активность цитозольной киназы ERK (и сигнального пути ERK в целом), в результате дезактивируется митохондриальный фактор деления — динамин-связанный белок 1 (Dynamin-related protein 1, DRP1). Таким образом, прекращается фрагментация митохондрий и происходит их слияние, что способствует усилению митохондриального дыхания. По сути, ацидоз сам организует адаптацию клетки к стрессу.

Чтобы исследовать, как изменения морфологии митохондрий и метаболизма влияют на приспособленность опухолевых клеток in vivo, авторы провели изящный эксперимент. Клетки, в которых были инактивированы различные гены, а также экспрессировались разные флуоресцентные белки, росли в одной опухоли, при рН около 6,7. Оказалось, что клетки с подавленным на генетическом уровне гликолизом успешно конкурируют с другими и выживают, тогда как клетки с подавленным клеточным дыханием или подавленным слиянием митохондрий демонстрировают сниженную приспособленность. В то же время при культивировании в обычных условиях или при гипоксии клетки зависели от гликолиза. А закисление опухолевой среды in vivo усиливало зависимость от дыхания и слияния митохондрий.

«Наши результаты показывают, что ацидоз — это не просто побочный эффект опухолевого метаболизма, а важный переключатель, который контролирует снабжение раковых клеток энергией и стратегии их выживания», — комментирует один из руководителей исследования Йоханнес Цубер.

Тот факт, что блокирование слияния митохондрий лишает раковые клетки метаболической гибкости и замедляет рост опухоли, указывает на потенциальную терапевтическую уязвимость. В долгосрочной перспективе данные, полученные в этом исследовании, могут способствовать обнаружению новых мишеней для противоопухолевой терапии, направленной на энергетический метаболизм опухолей.

Модифицированные адипоциты научились лишать раковую опухоль питательных веществ