Одна из самых важных задач при лечении злокачественных опухолей — борьба с метастазами. Существование непролеченных метастаз может свести на нет все успехи в лечении онкологического заболевания. Особенно осложняет ситуацию то, что первичная опухоль и метастазы могут иметь разную чувствительность к тем или иным препаратам, в результате чего лекарства, которые хорошо справляются с первичной опухолью, могут оказаться бессильны против метастаз, и наоборот. Поэтому одной из важных областей онкологии является изучение процесса метастазирования, его молекулярных и генетических механизмов. В том числе, многое может дать поиск мутаций, общих для раковых опухолей и их метастазов. Тщательное исследование таких мутаций позволит найти эффективные методы диагностики и лечения рака. (Электронная микрофотография раковой опухоли легкого на ранней стадии роста см. рисунок)
Распространение клеток первичной опухоли в другие органы и ткани организма и их размножение там (метастазирование) является наиболее опасным процессом с точки зрения лечения злокачественных опухолей. Клетки первичной опухоли, возникшей в каком-либо органе, отделяются от опухоли и переносятся с током крови, лимфы, цереброспинальной жидкости (по каналу между головным и спинным мозгом) в другие органы и ткани и образуют там метастазы — вторичные опухоли. Метастазирование свойственно многим типам рака. Однако простым переносом и размножением клеток в местах новой дислокации процесс не ограничивается: клетки опухоли и метастазов продолжают активно изменяться. В частности, об этом свидетельствуют результаты двух недавно опубликованных работ.
В первой из них была исследована медуллобластома — наиболее часто встречающаяся у детей форма рака мозга. Большая группа исследователей (Wu et al) из Канады, США и Европы провела детальное исследование медуллобластомы и ее метастазов на мышах и на аналогичном материале от больных. С помощью мутагена-транспозона «спящая красавица» (Sleeping Beauty, SB) авторы ввели случайные мутации в клетки-предшественники головного мозга мышей.
Транспозон — один из так называемых мобильных элементов генома, он может самопроизвольно покинуть занимаемое место в ДНК и случайным образом внедриться в другой участок генома. Если точка внедрения — это ген, кодирующий какой-либо белок, его структура или работа могут быть нарушены. В результате возникает мутация. Современные методы исследования позволяют определить локализацию возникших мутаций. Таким образом, появляется возможность связать изменения в развитии и метастазировании опухолей с теми или иными белками.
Полученную линию мышей скрестили с двумя другими линиями, уже предрасположенными к возникновению опухолей мозга. В итоговой линии резко возросла частота возникновения медуллобластом, сократился период их возникновения. В отличие от родительских линий, у которых опухоли обычно четко локализованы, у гибридов происходило распространение клеток опухоли через цереброспинальную жидкость, и метастазы образовывались в тех же участках оболочки головного и спинного мозга, что и у больных.
С помощью новых методов широкомасштабного секвенирования — определения последовательности нуклеотидов ДНК — авторы смогли проследить точки внедрения транспозона SB и идентифицировали много генов, которые могут быть вовлечены в образование опухоли. Удалось найти ряд новых генов, связанных с медуллобластомой.
Полученные модели позволили проследить мутации, имеющиеся как в первичных опухолях, так и в метастазах. К удивлению исследователей, оказалось, что как правило, только немногие мутации были общими для первичных опухолей и метастазов каждой исследованной мыши. В то же время, набор мутаций в различных метастазах был очень сходным. Аналогичные результаты дали также анализ распределения метилированных динуклеотидов CpG (см. CpG site), с которым обычно связано подавление активности генов, и анализ потерь и увеличения количества копий различных участков генома. Эти же закономерности наблюдались и у пациентов, больных медуллобластомой: существенные генетические различия первичной опухоли и метастазов, гораздо большее сходство метастазов между собой, чем с первичной опухолью. Тем не менее, требуются дополнительные исследования с целью установить, насколько сходны биологические свойства и клинические характеристики медуллобластомы и ее метастазов у человека и мыши.
Авторы приходят к выводу, что образовывать метастазы способны лишь некоторые клетки опухоли на ранней стадии ее развития (ранняя опухоль). Затем и в первичной опухоли, и в метастазах независимо накапливаются новые мутации. Наиболее важный с практической точки зрения вопрос, возникающий по результатам этой работы, таков: в какой мере генетические различия первичной опухоли и метастазов приведут к различиям в чувствительности их к средствам противораковой терапии? Авторы приводят данные, свидетельствующие о том, что она может быть различна. Мутации некоторых генов, идентифицированные авторами, могут нарушать пути метаболизма и передачи сигналов, и эти пути могут служить мишенями для эффективной терапии. Таких мутаций оказалось довольно много, и еще предстоит определить, какие из них существенны для развития опухоли, насколько часто такие мутации возникают в опухолях человека, в какой мере они помогут определить возможные мишени для терапии. Разумеется, наиболее эффективными мишенями будут общие для первичной опухоли и метастазов.
Другая группа исследователей (Gerlinger et al.) провела широкомасштабное секвенирование экзомов (см. exome sequencing) ДНК, выделенной из первичных опухолей метастазирующего рака почки человека и их метастазов. Экзом (см. exome) представляет собой набор фрагментов генома, кодирующих белки (эти фрагменты называются «экзоны») и другие функционально важные продукты (рибосомные РНК, транспортные РНК). Примерно 20 000 генов человека включают в себя ~200 000 экзонов, занимающих ~1,5% генома. Набор мутаций в различных участках опухолей оказался весьма различным, а в метастазах он отличался еще больше. Авторы построили филогенетическое дерево различных частей опухолей и метастазов.
Филогенетическое дерево дает графическое представление об эволюции: его «листья» соответствуют состоянию различных частей опухолей и метастазов в момент исследования, они «растут» из общего корня — первичной опухоли.
Метастазы «ответвлялись» от первичных опухолей довольно рано, а затем и опухоли, и метастазы эволюционировали независимо друг от друга, накапливая различные мутации. Только 30–37% мутаций оказались общими для всех секвенированных проб. Гетерогенность опухолей подтвердили также данные количественного анализа профилей мРНК, соответствующих большому количеству генов (этот параметр показывает, насколько сильно экспрессируется тот или иной ген), и данные по дисбалансу аллелей: пары хромосом из клеток разных частей опухолей содержали разное количество копий определенных участков ДНК. Неожиданной оказалась находка на разобщенных ветвях филогенетического дерева независимо возникших, но аналогичных друг другу мутаций. То есть, несмотря на генетическую дивергенцию в процессе прогресса опухоли, происходила также фенотипическая конвергенция — независимое появление сходных признаков.
Рис. 2. Филогенетическое дерево злокачественной опухоли почки и ее метастазов.Т — различные области опухоли, М — различные метастазы. Длина ветвей пропорциональна накоплению различающихся мутаций. Стрелками с названиями генов обозначены независимо возникшие «конвергентные» мутации в этих генах.
Полученные результаты свидетельствуют, что анализ геномов из отдельных образцов опухоли может быть недостаточен для оценки всего набора мутаций. В то же время реконструкция филогенетического дерева опухоли позволит найти «стволовые» мутации — то есть те, которые возникли на ранних стадиях развития опухоли и были унаследованы всеми или многими частями зрелой опухоли и метастазами. Это позволит найти информативные маркеры для диагностики рака и определить наиболее эффективные пути терапии.
С практической точки зрения результаты обоих исследований означают, что для эффективной терапии рака следует тщательно и индивидуально анализировать опухоли и метастазы с помощью современных методов, подбирать средства, воздействующие на различные пути метаболизма и передачи сигналов. Это сложная и дорогостоящая работа.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
