Преодоление резистентности глиобластомы к химиотерапии
Несмотря на интенсивные исследования, глиобластома остается одним из самых смертельных видов рака мозга. Темозоломид (TMZ) используется в качестве препарата первой линии в ее лечении.
Хотя TMZ эффективно проникает в мозг и воздействует на опухоли, его успех зависит от того, пытаются ли опухолевые клетки восстановить повреждение ДНК, вызванное препаратом. К сожалению, глиобластомы часто уклоняются от лечения, инактивируя различные пути восстановления ДНК, что делает их устойчивыми к TMZ и ограничивает его эффективность. В этих устойчивых к препаратам раковых клетках ДНК мутирует, но не приводит к гибели клетки .
Исследователи из Центра геномной целостности Института фундаментальных наук (IBS) в Ульсане, Южная Корея, совместно с группой биоинформатики из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) получили важные сведения о механизмах, лежащих в основе устойчивости к ТМЗ.
Их работа может проложить путь к более эффективным методам лечения этого разрушительного рака. Исследование опубликовано в Nucleic Acids Research .
Понимание того, как работает TMZ и как он терпит неудачу
Действие TMZ основано на повреждении ДНК, в частности, на модификации, называемой O 6 -метилгуанином (O 6 -meG), которая представляет собой модифицированное основание ДНК гуанин с метильной группой, добавленной к кислороду в положении 6.
Обычно система репарации несоответствий (MMR) клетки пытается исправить повреждение, но в случае O 6 -meG мутировавшая пара оснований может эффективно соединяться с тимином, как и с цитозином. Это приводит к тому, что процесс репарации идет наперекосяк, создавая порочный круг неудачных попыток репарации, которые в конечном итоге убивают опухолевые клетки .
Однако если путь MMR отключен, O 6 -meG больше не запускает этот токсичный цикл. Вместо этого он приводит к огромному количеству мутаций цитозина в тимин без гибели клеток. Опухоль с дефектным MMR становится в 100 раз более устойчивой к TMZ.
Эти резистентные опухоли все еще можно уничтожить, вводя очень высокую дозу ТМЗ.
При таких высоких концентрациях TMZ генерирует другое метилированное основание, 3-метиладенин (3-meA), которое блокирует синтез ДНК в раковых клетках. Это основание восстанавливается другим путем репарации ДНК, называемым репарацией эксцизии оснований (BER).
Первый фермент в пути BER, называемый MPG, вырезает не весь нуклеотид, а только его основную часть, создавая абазический участок, который преобразуется в одноцепочечный разрыв ДНК другим ферментом, называемым APE1, а затем разрыв заполняется и запечатывается.
Однако, если APE1 ингибируется, клетки глиобластомы становятся высокочувствительными к TMZ, даже если путь MMR неактивен. Таким образом, APE1 представляет собой ахиллесову пяту (т. е. наиболее уязвимое место) химиорезистентности опухоли.
Удивительное понимание мутаций и их связи со старением
Удивительно, но исследователи IBS обнаружили, что если фермент MPG инактивирован и BER не может быть инициирован, клетки остаются устойчивыми к TMZ. Это происходит потому, что блок репликации может быть преодолен с помощью специализированной полимеразы, которая может вставлять аденин вместо блокирующего остатка ДНК.
Используя секвенирование всего генома , команда IBS/UNIST смогла обнаружить мутационный «шрам», отмечающий место, где произошел блок репликации.
Кривые выживаемости различных мутантов репарации ДНК, обработанных увеличивающимися концентрациями TMZ. На этом графике WT (зеленый) — это опухоль, чувствительная к TMZ. Синие линии — это мутанты с дефицитом MMR, которые в сто раз более устойчивы, чем линия WT. Обратите внимание, как нокаутирование генов XRCC1 и APE1 восстанавливает чувствительность TMZ мутантов MMR. Кредит: Nucleic Acids Research (2024). DOI: 10.1093/nar/gkae1122
Специализированные ДНК-полимеразы, которые приходят на помощь, когда репликация ДНК блокируется 3-meA или любым другим повреждением, блокирующим репликацию, метко называются полимеразами транслезионного синтеза (TLS).
Они отличаются от основных репликативных ферментов, которые синтезируют большую часть ДНК, тем, что они менее точны и могут вставлять несовпадающие нуклеотиды, что позволяет им обходить повреждение. Однако эта уникальная особенность может иметь нежелательные последствия: TLS-полимеразы не только обходят препятствия на пути репликации, но и вносят ошибки.
Чем чаще клетке приходится задействовать TLS-полимеразы, тем больше мутационных «шрамов» накапливается в геноме.
Одна конкретная полимераза TLS, так называемая полимераза zeta, чаще других призывается на помощь застрявшим репликационным вилкам. У нее есть своя собственная «мутационная подпись», которая выгравирована в геноме везде, где активна полимераза zeta. Исследователи IBS обнаружили, что полимераза zeta увеличивает мутационный фон в клетках, обработанных TMZ.
Важно отметить, что в этом исследовании было обнаружено, что полимераза дзета не только способствует мутационному бремени после лечения ТМЗ, но и является основным виновником накопления мутаций в необработанных клетках.
По мере старения организмов их клетки накапливают мутации. Существует поразительная корреляция между скоростью накопления мутаций и продолжительностью жизни организма, например, короткоживущая мышь накапливает мутации быстрее, чем долгоживущий человек.
Паттерны мутаций, оставленные полимеразой дзета, напоминают один из паттернов мутаций, обнаруженных у стареющих млекопитающих. Это неожиданное открытие проливает свет на один из потенциальных механизмов старения.
Прокладывая путь вперед
Исследователи IBS использовали обширную коллекцию мутантов репарации ДНК, чтобы изучить, какие гены необходимы для выживания после лечения TMZ. Они проанализировали чувствительность к TMZ десятков клеточных линий, каждая из которых имела один инактивированный ген репарации ДНК.
Они также секвенировали более 400 геномов обработанных и необработанных клеток, чтобы определить, какие мутации были вызваны инактивацией пути репарации ДНК, обработкой ТМЗ и их комбинацией.
Художественное изображение мутационного «шрама», оставленного транслезионным синтезом. Когда поезд (репликативная полимераза) сталкивается с препятствием, пассажиру приходится выходить и обходить препятствие пешком (подверженная ошибкам транслезионная полимераза), оставляя следы (мутации). Эти мутации обнаруживаются с помощью секвенирования всего генома и отмечают места, где произошло переключение на транслезионную полимеразу. Кредит: Nucleic Acids Research (2024). DOI: 10.1093/nar/gkae1122
Биоинформатический анализ мутаций выявляет так называемые «мутационные сигнатуры», которые могут быть вызваны химическими веществами, облучением и инактивацией генов репарации ДНК, что часто происходит при раке. Компьютерные программы анализируют все мутации, обнаруженные в геноме, и извлекают мутационные паттерны, в первую очередь, на основе нуклеотидов слева и справа от нуклеотидных замен.
Это исследование является первым, в котором был использован комплексный подход с использованием набора нокаутов в нормальном и дефицитном генетическом фоне и объединением анализов выживания клеток с секвенированием всего генома. В ходе этого исследования стало ясно, что пути репарации ДНК, лежащие в основе лекарственной устойчивости, являются избыточными, т. е. когда один путь инактивируется, другой может служить резервным.
Чтобы выявить эту избыточность, необходимо сгенерировать несколько нокаутов, последовательно инактивирующих различные пути, что мало чем отличается от очистки лука. По мере того, как клетка лишается защиты репарации ДНК, слой за слоем, геномные мутационные сигнатуры меняются, отражая, какие механизмы активируются в ответ на препарат.
Одним из результатов является то, что инактивация некоторых генов, например, FANCD2, дополнительно повышает чувствительность клеток, компетентных в отношении MMR, к TMZ, но не влияет на устойчивость клеток с дефицитом MMR.
Напротив, нокаут генов, участвующих в BER, таких как APE1 и XRCC1, сенсибилизирует клетки с дефицитом MMR, но оказывает очень слабое влияние на клетки с MMR-профицитом. Исследование позволяет наметить путь борьбы с резистентностью к TMZ с помощью ингибиторов белка репарации ДНК. Например, вещества, ингибирующие MPG сами по себе, вряд ли сделают эффект TMZ более мощным.
С другой стороны, ингибирование APE1 представляется весьма перспективным подходом к борьбе с нарастанием резистентности к TMZ. Поскольку препараты, нацеленные на APE1, находятся в разработке, будет важно проверить их на предмет синергических эффектов с TMZ.
Другим потенциально многообещающим подходом является комбинация ингибиторов APE1 и TLS. Исследователи IBS/UNIST теперь планируют сосредоточиться на идентификации полимераз TLS, которые имеют отношение к резистентности к TMZ.
Результаты работы группы IBS/UNIST представляют собой значительный шаг вперед в понимании резистентности глиобластомы и вселяют надежду на новые, более эффективные методы лечения.
Поскольку исследователи продолжают изучать сложные слои защиты опухолей, их работа приближает нас к разработке методов лечения, которые смогут перехитрить даже самые упрямые виды рака.