Мутации в митохондриальной ДНК делают опухоли чувствительными к иммунотерапии

Митохондриальная ДНК (мтДНК) кодирует белки-участники окислительного фосфорилирования и метаболического гомеостаза. Мутации в ней часто — более чем в 50% случаев — встречаются при раке. Так, общая черта нескольких видов злокачественных опухолей — это мутации в генах дыхательного комплекса I, основного места окисления NADH. Авторы опубликованной в Nature Cancer работы предположили, что подобные мутации приведут к редокс-дисбалансу и тем самым изменят клеточный метаболизм.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые внесли преждевременный стоп-кодон в ген Mt-Nd5, кодирующий белок цепи 5 NADH:убихинон оксидоредуктазы. Эксперименты проводились на меланоме — уже известно, что 16–19% меланом несут подобные мутации в генах комплекса I. Авторы исследования воспользовались редакторами оснований, нацеленными на два сайта в гене Mt-Nd5. В результате они получили клетки меланомы с гетероплазмией, содержащие 40 или 60% мутантного варианта. На этих клетках ученые показали при помощи гель-электрофореза, что мутация нарушает сборку комплекса I, причем уровень его снижения зависит от доли мутантного варианта. В свою очередь, частичная потеря комплекса I нарушала окислительно-восстановительный баланс клетки, но почти не влияла на экспрессию генов и клеточную пролиферацию.

Метаболомный анализ показал, что в клетках с гетероплазмией (60% мутантного варианта) заметно увеличивалось количество малата, лактата, фумарата, аргининосукцината и некоторых терминальных аддуктов. С помощью изотопного мечения авторы работы отследили судьбу отдельных метаболитов цикла трикарбоновых кислот. Они установили, что исследуемые мутации в Mt-Nd5, приводящие к окислительно-восстановительному дисбалансу, вызывают в клетках меланомы эффект Варбурга.

Кроме того, мутации Mt-Nd5 вызвали у модельных клеток перестройки иммунного ландшафта. Ученые подсадили клетки меланомы мышам и затем проанализировали сформировавшиеся опухоли. Исследование подтвердило, что при наличии мутации в меланоме меняется метаболизм, причем маркеры его перестройки были ассоциированы с изменениями транскриптомной сигнатуры. Так, более высокий уровень гетероплазмии коррелировал с повышением интерферонового (IFNγ, IFNα) ответа и активности цитокинового сигналинга. Напротив, иммуносупрессивных клеток, а именно S100a9⁺ нейтрофилов, Hmox1⁺ макрофагов и Chil3⁺ моноцитов, в мутантных опухолях было меньше. Иными словами, мутантные клетки опухоли были более иммуногенными, чем контрольные.

Для терапии меланомы применяют, в частности, ингибиторы контрольных точек иммунитета — антитела к PD-1 или PD-L1, однако эффективность такой терапии ограничена. Препятствие представляют опухоль-ассоциированные нейтрофилы, обладающие иммуносупрессивным фенотипом. Авторы работы предположили, что в мутантных опухолях этот эффект будет ослаблен. И действительно, опухоли с преждевременными стоп-кодонами в Mt-Nd5 оказались более чувствительны к терапии ингибиторами контрольных точек иммунитета. Ученые установили это на мышиной модели — они подсаживали животным клетки меланомы дикого типа и мутантные клетки. Опухоли росли в течение семи дней, после чего мыши получали курс анти-PD1 моноклональных антител. На 21-й день эксперимента отмечалось снижение массы опухоли, причем степень этого снижения зависела от уровня гетероплазмии — при высоких долях мутантного варианта терапия действовала эффективнее.

Наконец, исследователи продемонстрировали, что обнаруженная ими иммуномодуляция зависит от редокс-баланса в опухолевых клетках. Они экспрессировали в клетках меланомы бактериальную NADH-оксидазу (cytoLbNOX) дикого типа либо ее мутантный вариант, лишенный каталитической активности. Это нарушало окислительно-восстановительный баланс, и такие опухоли оказались чувствительны к анти-PD1 антителам, тогда как контрольные опухоли с мутацией в cytoLbNOX на иммунотерапию не отвечали. При этом чувствительность к анти-PD1 зависела от доли опухоль-ассоциированных нейтрофилов и отрицательно коррелировала с ней.

Полученные данные демонстрируют, что соматические мутации мтДНК, часто встречающиеся в злокачественных опухолях, могут напрямую влиять на метаболические фенотипы раковых клеток. При этом изменение редокс-баланса играет важную роль в чувствительности опухоли к иммунотерапии, а следовательно, может стать терапевтической мишенью.

Перепрограммирование митохондрий раковых клеток повышает иммуногенность опухоли