Ученые обнаружили уникальный метаболический отпечаток раковых клеток в ядре

Международная группа исследователей обнаружила неожиданную особенность раковых клеток: внутри их клеточного ядра находится большое количество метаболических ферментов, которые ранее считались работающими исключительно в других частях клетки. Открытие описано в журнале Nature Communications и может изменить представления ученых о том, как развивается рак и почему опухоли по-разному реагируют на лечение.

Согласно результатам исследования, более 200 метаболических ферментов, которые обычно участвуют в производстве энергии в митохондриях, также обнаруживаются непосредственно на человеческой ДНК. При этом разные типы клеток, ткани и даже различные виды рака обладают собственным уникальным набором таких ферментов в клеточном ядре. Авторы работы назвали это явление «ядерным метаболическим отпечатком».

Пока ученые не могут точно сказать, выполняют ли эти ферменты химические реакции прямо на ДНК, участвуют ли в регуляции генов или выполняют структурную функцию. Однако уже сейчас ясно, что их присутствие может влиять на способность раковых клеток расти, адаптироваться и сопротивляться терапии.

По словам руководителя исследования, доктора Сары Сдельчи из Центра геномной регуляции, многие из обнаруженных ферментов участвуют в синтезе важнейших молекул, необходимых для жизни клетки.

«Многие из этих ферментов связаны с процессами восстановления поврежденной ДНК. Их присутствие в ядре может напрямую влиять на то, как раковые клетки реагируют на генетический стресс — один из ключевых механизмов действия химиотерапии», — объясняет исследовательница.

Неожиданная роль метаболических ферментов

Чтобы сделать это открытие, ученые использовали специальный метод, позволяющий выделять белки, физически связанные с хроматином — формой, в которой ДНК существует в клетке. В ходе исследования были изучены 44 линии раковых клеток и 10 типов здоровых клеток из различных тканей организма.

До сих пор считалось, что метаболизм клетки и работа генома — это в основном отдельные процессы. Генетическая информация хранится в ядре, тогда как ферменты, отвечающие за выработку энергии, работают в митохондриях и цитоплазме.

Однако результаты эксперимента показали, что около 7% всех белков, связанных с хроматином, являются метаболическими ферментами. Это означает, что внутри ядра существует своего рода собственная мини-метаболическая система.

Особенно удивительным оказалось обнаружение ферментов, участвующих в окислительном фосфорилировании — процессе, который обеспечивает большую часть энергетических потребностей клетки. Ранее считалось, что эти ферменты работают исключительно в митохондриях.

Разные виды рака имеют разные ферменты

Исследование также показало, что набор ядерных ферментов существенно различается между видами опухолей. Например, ферменты окислительного фосфорилирования часто встречались в клетках рака молочной железы, но почти отсутствовали в клетках рака легких.

Аналогичные закономерности ученые обнаружили и при анализе образцов опухолей пациентов. Это подтверждает, что ядерный метаболизм может быть специфичным для определенных тканей и типов заболеваний.

По словам первого автора исследования доктора Савваса Куртиса, новое открытие заставляет пересмотреть традиционные представления о работе клетки.

«Мы долго рассматривали метаболизм и регуляцию генома как две отдельные системы. Но наши результаты показывают, что они тесно взаимодействуют, и раковые клетки, вероятно, используют это взаимодействие для выживания», — отметил ученый.

Новые возможности для лечения рака

Дополнительные эксперименты показали, что некоторые метаболические ферменты собираются вокруг ДНК в момент ее повреждения и помогают клетке восстанавливать генетический материал. Таким образом, их расположение внутри клетки может напрямую влиять на стабильность генома.

Особенно интересным оказался фермент IMPDH2. Ученые обнаружили, что его функции сильно зависят от того, где именно он находится. Когда фермент находился исключительно в ядре, он помогал поддерживать стабильность генома. Но если он оставался только в цитоплазме, то участвовал в совершенно других клеточных процессах.

Открытие имеет важные последствия для разработки противораковых лекарств. Сегодня одни препараты нацелены на метаболизм опухолевых клеток, а другие — на механизмы восстановления ДНК. Если эти системы тесно связаны, как показало новое исследование, это может объяснить, почему опухоли с одинаковыми мутациями часто по-разному реагируют на лечение.

В перспективе карта распределения метаболических ферментов в ядре может помочь ученым выявить новые биомаркеры для диагностики рака и определить уязвимые точки опухолевых клеток, которые можно использовать для создания более точных лекарств.

Однако исследователям еще предстоит выяснить функции каждого из обнаруженных ферментов и понять, каким образом такие крупные молекулы вообще попадают в ядро клетки, преодолевая его защитные барьеры.

По мнению ученых, дальнейшие исследования этого явления могут открыть совершенно новое направление в борьбе с онкологическими заболеваниями.