Клетки глиобластомы поглощают митохондрии астроцитов и становятся более злокачественными и онкогенными

В головном мозге возможен горизонтальный перенос митохондрий между различными типами клеток в условиях патологии. Авторы недавно опубликованной работы показали, что клетки глиобластомы, самой частой и злокачественной первичной опухоли головного мозга, также могут обмениваться митохондриями с соседними клетками. 

Гетерогенности опухолевых клеток может способствовать их взаимодействие с опухолевым микроокружением. Это взаимодействие может включать передачу митохондрий от микроокружения к опухолевым клеткам. Динамические взаимодействия с микроокружением являются важнейшими факторами, определяющими рост опухоли и ее устойчивость к терапии. В то же время лежащие в их основе механизмы межклеточных взаимодействий остаются недостаточно изученными. 

Клетки могут обмениваться митохондриями при помощи внеклеточных везикул или через выросты клеточной мембраны (например, туннельные нанотрубки или опухолевые микротрубки). Главный структурный компонент опухолевых микротрубок — ассоциированный с ростом белок 43 (GAP43). В новой работе, проведенной под руководством исследователей из Многопрофильного онкологического центра Майами, было продемонстрировано, как происходит обмен митохондриями между клетками глиобластомы и астроцитами с помощью этого белка.

Для изучения механизмов межклеточной передачи митохондрий in vivo ученые использовали модель трансгенных мышей, экспрессирующих в митохондриях флуоресцентный белок mKate2. Таким мышам подсадили в мозг клетки глиобластомы, помеченные GFP. Конфокальная микроскопия полученных опухолей выявила передачу митохондрий от здоровых клеток к клеткам глиобластомы. Аналогичным образом проверили передачу митохондрий в контексте человеческой глиобластомы. Для этого митохондрии в мозге мышей пометили с помощью лентивирусного вектора, кодирующего флуоресцентный белок, а затем в то же место ввели GFP+ человеческие клетки глиобластомы. Конфокальные изображения также подтвердили перенос митохондрий из стромальных клеток в опухолевые.

Чтобы установить, какие именно клетки являются донорами митохондрий для глиобластомы, авторы провели эксперимент по совместной культивации разных типов клеток. Для отслеживания судьбы митохондрий также использовали флуоресцентную метку (экспрессию mKate2 в митохондриях). Кокультивация клеток глиобластомы с опухоль-инфильтрующими клетками (астроциты, микроглия, макрофаги) в соотношении 2:1 и последующий подсчет процента mKate2+ клеток выявили, что донором митохондрий была в основном глия, причем в большей степени астроциты. Дальнейшее их культивирование с различными предшественниками глиобластом и другие опыты подтвердили, что глиобластома получает митохондрии именно от астроцитов.

Передача митохондрий между разными типами клеток может в теории осуществляться как путем секреции, так и при прямом физическом контакте клеток. Чтобы определить, какой механизм является ведущим, ученые провели опыты с использованием системы Transwell или добавляли к клеткам глиобластомы среду, в которой росли клетки-доноры митохондрий. Выяснилось, что передача митохондрий в основном осуществляется при непосредственном контакте клеток, а скорость обмена секретируемыми митохондриями при этом крайне мала.

Конфокальная микроскопия культур клеток, окрашенных на TOMM20 (белок внещней мембраны митохондрий) и актин, выявила расположение митохондрий в образованных опухолевыми микротрубками соединениях между клетками. Кроме того, в совместной культуре астроцитов с помеченными mitoDsRed митохондриями и GFP+ клеток глиобластомы, окрашенных на актин, mitoDsRed+ микротрубочки соединяли эти два типа клеток. Ранее было показано, что важным для формирования сети клеточных взаимодействий в глиобластоме является белок GAP43. Авторы работы также детектировали его в отростках совместно культивируемых клеток глиобластомы и астроцитов, поэтому предположили, что GAP43 участвует в этих соединениях и в передаче митохондрий. При отключении гена данного белка передача митохондрий становилась затруднительной, что подтвердило гипотезу ученых.

Секвенирование РНК клеток глиобластомы с приобретенными от астроцитов митохондриями, а также митохондриальный стресс-тест, панель проточной цитометрии и измерение уровня АТФ показали, что полученные митохондрии способствовали усилению митохондриального дыхания и продукции АТФ. Анализ метаболома таких клеток выявил усиленную активацию метаболических путей, связанных с пролиферацией, защитой от оксидативного стресса и онкогенностью. 

Окрашивание ДНК совместно с проточной цитометрией глиобластомы позволило исследователям обнаружить, что поглощение митохондрий способствует переходу клеток в пролиферативные фазы G2/M. С помощью специального анализа на формирование онкосфер удалось выявить повышение способности к самообновлению у клеток, которые приобрели митохондрии от астроцитов (у них увеличилась экспрессия транскрипционного фактора SOX2, отвечающего за плюрипотентность, и возросла доля стволовых клеток в самой глиобластоме). Все это указывает на способность клеток глиобластомы повышать свою онкогенность за счет полученных от астроцитов митохондрий.

Результаты данной работы позволяют лучше понять процесс взаимодействия клеток глиобластомы с микроокружением, а также могут открыть пути к более эффективной терапии опухолей.

Предложена новая 3D-модель микроокружения глиобластомы