Сигнальные пути в клетках опухоли

Основная задача системы, регулирующей апоптоз, - держать эффекторные каспазы, демонтирующие клетки, в неактивном состоянии, но быстро переводить их в активную форму в ответ на минимальное действие соответствующих индукторов.

Функцию активации эффекторных каспаз берут на себя каспазы-индукторы, основными представителями которых являются каспаза 8 и каспаза 9.

Эти каспазы при обычном состоянии клетки неактивны, существуют в форме прокаспаз. Отсюда действие разнообразных проапоптотических сигналов направлено на активацию каспазы 8 и каспазы 9.

В соответствии с этим выделяют 2 типа ведущих сигнальных путей:

Рассмотрим последовательно каждый из этих путей, схематично представленных на рис. 1.4.

Сигнальные пути активации каспазы 9

Ген Р53, располагающийся на коротком плече хромосомы 17, кодирует образование ядерного белка, состоящего из 393 аминокислот, с молекулярной массой 53 Kd. Тетрамер Р53 функционирует как транскрипционный фактор, связываясь своим карбоксильным окончанием со специфическими регионами генов-мишеней. Белок Р53 находится в цитоплазме в латентном состоянии.

При активации Р53 белок способен инициировать независимо друг от друга 2 программы:

Роль Р53 — тканезависимая. У мышей в эксперименте с выключением этого гена радиация не вызывала апоптоза в лимфоцитах, но в легочной ткани признаки апоптоза были ярко выражены.

Рисунок 1.4. Основные пути апоптоза. Вах, Bid - проапоптотические гены семьи Всl-2. dATP - аденозинтрифосфорная кислота. APAF-1 - апоптотический протеазактивирующий фактор

Вслед за этим активируются другие каспазы, протеазы и ДНКазы, происходит апоптоз. Высвобожденные из митохондрий Aif и ДНКаза выполняют дополнительный внекаспазный путь апоптоза, реализуют свою активность непосредственно в ядре.

И все-таки основной функцией гена Р53 следует считать включение программы апоптоза при повреждении клеточного генома, что можно рассматривать как защитную реакцию организма от накопления генетически дефектных клеток. Снижение активности гена Р53 или мутация в нем, приводящая к потере способности к включению апоптоза, является серьезным фактором, предрасполагающим к возникновению опухолей и развитию резистентности к химиотерапии.

Мутация гена Р53 обнаруживается более чем в половине раковых опухолей, частота ее повышается при длительной химиотерапии. У детей мутация в гене Р53 чаще наблюдается при Т-ОЛЛ, составляя около 12% и всегда является прогностически неблагоприятным фактором.

Итак, ген Р53 необходим для реализации программы апоптоза при повреждении ДНК и токсических воздействиях на клетку. Как это видно на схеме (рис.4), следующим шагом в проведении проапоптотического сигнала по этому пути является включение семьи Всl-2 - генов.

Семья Bcl-2-генов

Интерес к апоптозу резко возрос в середине 80-х годов, когда было выявлено, что усиление активности онкогена Всl-2, являющееся следствием обычной для В-клеточной фоликулярной лимфомы человека транслокации t (14;18), приводит к образованию опухолевого клона не за счет усиления пролиферации, а вследствие повышения выживаемости опухолевых клеток.

Позднее было показано, что при этой транслокации онкоген Всl-2, изначально располагавшийся на хромосомном сегменте 18q21, сливается с локусом, кодирующим тяжелую цепь Ig на хромосоме 14q32, что приводит к его повышенной экспрессии. Молекулярно-генетические исследования последующего десятилетия показали, что в, так называемую, семью Всl-2 генов, картированных у человека на 18 хромосоме, входят и другие гены, экспрессирующие белки с противоположной функцией (см.табл.1.1).

Таблица 1.1. Состав семьи Всl-2 генов

* обозначает число консервативных последовательностей, известных как регионы, гомологичные Всl-2. **** - 4 региона (ВН1-ВН4); *** - 3 региона (ВН1-ВНЗ); ** - 2 региона (ВНЗ, ВН4); * - 1 регион (ВНЗ); СООН-концевой гидрофобный домен, ответственный за прикрепление белков к наружной пластинке митохондриальной мембраны.

В настоящее время клонировано 16 генов, составляющих эту семью. Белки, производные этих генов, объединяет схожий морфологический состав — каждый из них имеет хотя бы одну из 4-х консервативных аминокислотных последовательностей, характерных для Всl-2-гена. Эти последовательности известны как регионы, гомологичные Всl-2 (ВН1-ВН4). Функциональное значение этих регионов до конца неясно, но по мнению некоторых исследователей, именно они обеспечивают реактивные способности белкам этой семьи.

Как следует из представленных в табл.1.1. данных, только 6 из них оказывают, подобно основателю этой семьи - Всl-2 гену, антиапоптотическое действие: защищают клетки от широкого спектра физиологических и экспериментальных воздействий, направленных на индукцию апоптоза. К таким стимулам относятся повреждение ДНК, действие глюкокортикоидов, прекращение цитокиновой регуляции и др. Некоторые из белков этой группы имеют СООН-концевой гидрофобный регион, ответственный за прикрепление белков к наружной поверхности митохондриальной мембраны.

Остальные 10 членов семьи - Всl-2 вызывают апоптоз. Эти проапоптотические белки могут быть подразделены на 2 подгруппы в зависимости от числа ВН регионов, которыми они располагают. Первые 4 (см.табл.1.1.) имеют по 2-3 ВН-региона, в то время как у 6 остальных обнаруживается только один ВНЗ-регион. Именно с этим регионом связывают проапоптотическую функцию белков. Многие из проапоптотических белков также, как антиапоптотические белки этой семьи, имеют концевой гидрофобный домен, но в отличии от последних, не прикрепляются к митохондрии до получения проапоптотического сигнала.

Восприятие анти- или проапоптотических сигналов членами семьи Всl-2 происходит как на уровне генов (так, белок Р53 повышает экспрессию гена Вах) так и на уровне постранскрипционных белков (действие цитокинов). При этом между самими белками наблюдаются сложные взаимодействия иногда в антагонистической манере. В процессе этих взаимодействий про- и антиапоптотические протеины могут образовывать гомо- и гетеродимеры как внутри своей группы, так и с протеинами противоположной направленности действия (см.рис. 1.5). Некоторые связи между промоторами и супрессорами клеточной смерти высоко специфичны (например, Воk и Мс1-1), другие скорее случайны.

Рисунок 1.5. Способы взаимодействий между белками семьи Всl-2

Значение этих взаимодействий пока прояснено только в отношении проапоптотических белков, имеющих один ВНЗ домен. Эти белки способны реализовать свою проапоптотическую активность только в антагонистической манере, образуя гетеродимеры с антиапоптотическими белками семьи Всl-2. Это правило не распространяется на всех членов семьи; Bcl-xL например, для выражения своей антиапоптотической активности не требует связи с промотором клеточной смерти.

Рисунок 1.6. Предрасположенность к апоптозу. Отношение числа гомодимеров к гетеродимерам определяет предрасположенность к апоптозу

В результате многочисленных экспериментов к настоящему времени сложилось впечатление, что решение жить или умереть клетке принимается на уровне семьи Всl-2 на основании относительного преобладания активных супрессоровили промоторов апоптоза. Это положение схематично проиллюстрировано на рис. 1.6.

Как же происходит реализация этого решения, что необходимо для дальнейшего продвижения по сигнальному пути, конечным пунктом которого должна стать активация индукторной каспазы 9?

Про- и антиапоптотическое действие активированных белков семьи Всl-2 реализуется главным образом через модуляцию активности митохондрий.

Роль митохондрий в процессах апоптотической смерти клеток

Митохондрия — матрикс, образованный клеточными органеллами и окруженный двухслойной мембраной. Митохондрия содержит геном, способный кодировать ограниченное число РНК и белков, необходимых для ее функции, однако, большинство же компонентов митохондрии кодируются в ядре, а затем импортируются в нее. Роль митохондрий в поддержании жизни велика — они являются основным источником клеточной энергии, образуя АТФ из АДФ с помощью окислительного фосфорилирования. В то же время многие исследователи считают митохондрии ключевой фигурой апоптоза.

Это связано с тем, что митохондрии являются источником цитохрома С, АТФ, Са++, Аиф (апоптоз индуцирующий фактор) — компонентов, необходимых для дальнейшего продвижения апоптотического сигнала. Выход этих факторов из митохондрии осуществляется только при взаимодействии ее мембраны с активированными белками семьи Всl-2. Многое в этом процессе требует уточнения, однако, схематически его можно представить следующим образом. Активированные белки семьи Всl-2 своими СООН — гидрофобными основаниями, как якорями прикрепляются к наружной мембране митохондрий.

Происходит это в местах сближения наружной и внутренней мембран, где, по-видимому, физиологически существуют пермеабилизационные поры, называемые мегаканалами, с диаметром, не превышающим 2nm. Эти поры функционируют как сенсоры многих физиологических параметров и таким образом передают информацию об основных метаболических процессах, происходящих в клетке. Они являются каналами для Са2+, вольтажа, РН, активных форм О2, но не пропускают некоторые анионы и непроходимы для более крупных молекул Цитохрома С, АТФ и Аиф, необходимых для апоптоза.

Было показано, что проапоптотические белки семьи Всl-2 (Вах, Bad, Bak и др.), укоренившись в наружной мембране, вступают в соединение с ANT (adenin-nucleotid-translocator), встроенным во внутреннюю мембрану в этих локусах, образуя временно более крупные мегаканалы (диаметр 2,4-3 nm). По эти каналам в цитозоль клетки поступают Цитохром С, АТФ и апоптоз индуцирующий фактор. Антиапоптотические белки семьи Всl-2 не способны пермеабилизировать мембрану митохондрий, а по некоторым данным, напротив, закрывают уже существующие каналы, прерывая таким образом продвижение проапоптотического сигнала и защищая клетку от апоптоза. Каково назначение проапоптотических митохондриальных сигнальных молекул?

Апоптосома представляет собою комплекс APAF-1 (apoptotic protease activating factor), Цитохрома-С, каспазы-9 и АТФ. До соединения с Цитохромом С APAF-1 существует в цитозоле в неактвном состоянии. При отсутствии достаточного количества АТФ образование апоптосомы не происходит и гибель клетки идет по некротическому пути.

Вместе с Цитохромом-С и АТФ из митохондрий в цитозоль клетки выходит также АИФ (апоптоз индуцирующий фактор). Синтез этого фактора также кодируется ядерным геномом, преврашение в зрелую форму (белок с молекулярной массой 75 kDa) происходит в митохондрии. Выйдя из митохондрии, АИФ направляется в ядро клетки, где вызывает фрагментацию ДНК, напоминающую апоптоз. Оверэкспрессия Всl-2 препятствует выходу апоптоз индуцирующий фактор из митохондрий, но не его активности при введении АИФ в клетку в эксперименте. АИФ не требует цитозолевой активации, выделяется из митохондрии до Цитохрома-С и, возможно, способствует его выходу. Таким образом, апоптоз индуцирующий фактор является самостоятельным "киллерным" фактором, дублирует действие Цитохрома-С и каспаз при их блокировании.

Интересно, что в процессе апоптоза митохондрия не теряет своей целостности и не подвергается разрушению.

Перечисленные здесь события легли в основу гипотезы, по которой митохондрия представляется ключевой фигурой апоптоза. Однако существует и альтернативная гипотеза, считающая основным мотором апоптоза каскадную активацию каспаз, при этом высвобожденный из митохондрий Цитохром С является не инициатором, а лишь усилителем апоптотического каскада. Последние представления поддерживаются данными о том, что активность семьи Всl-2 может поддеживаться и без участия митохондрий. Показано, что антиапоптотические белки этой семьи могут образовывать в цитозоле комплекс с APAF-1, блокирующий его активность. Ингибиция этой связи проапоптотическими членами семьи Всl-2 высвобождает APAF-1 и разрешает ему активировать каспазу 9.

Сигнальный путь активации каспазы 8

Передача проапоптотического сигнала при связи лиганда с рецепторами региона клеточной смерти происходит поседством адапторных белков FADD/MORT1, чей N-терминальный регион (DED) в свою очередь связывается с аналогичным регионом прокаспазы-8, вызывая ее аутокаталитическую активацию (см.рис. 1.4 и рис. 1.7). При активации некоторых членов семьи TNF-рецепторов (в том числе, TNF-R1) используется дополнительный адапторный белок TRADD.

Рецепторный путь клеточной смерти представляется более коротким, чем апоптотический каскад, инициированный повреждением ДНК и рассмотренный выше: посредством адаптерных молекул происходит активация каспазы 8, которая в свою очередь способна напрямую активировать каспазы-палачи. Но это только основная схема, в действительности этот сигнальный путь значительно более сложный и переплетается с другими механизмами апоптоза. Так, известно, что каспаза 8 способна активировать белок Bid, что приводит, как подробно описано выше, к выбросу Цитохрома С из митохондрий. И хотя ясно, что этот путь не требует активации митохондрий, вовлечение их в процесс усиливает рецептор-индуцированный апоптоз (см.рис. 1.4).

Этот же сигнальный путь с привлечением других адаптерных белков используется и для реализации других клеточных программ. Так, сигнал, прошедший через TNF-R1, может активировать также и транскрипторные факторы NF-kB и АР-1. Эти сигнальные молекулы вызывают активацию генов, обеспечивающих продукцию факторов воспаления. Таким образом при активации TNF-R клетка должна принять решение — совершить ли самоубийство или выжить для продукции провоспалительных цитокинов.

Последнее решение принимается лимфоцитами чаще, возможно, потому что транскрипционный фактор NF-kB тормозит апоптотические пути. На выбор клетки влияет, по-видимому, и клеточное сообщество. Этот пример подтверждает то, что одни и те же сигнальные пути используются для реализации различных клеточных программ, механизмы выбора и принятия решения остаются во многом неясными. Так, рецепторный путь клеточной смерти у лимфоцитов независим от семьи Всl-2-генов и не может быть подавлен их антиапоптотической активностью.

Таким образом, существуют различные, часто перекрещивающиеся пути и механизмы реализации апоптотической программы, зависящие от клеточного типа и специфики проапоптотического сигнала. Разнообразие и многовариантность сигнальных путей апоптоза обеспечивают клетке запасные возможности для осуществления столь важной для клетки программы и в то же время делают эту программу очень зависимой от множества внешних и внутренних воздействий.

Одно из важнейших открытий последних десятилетий - система внутриклеточной сигнализации, состоящая из многочисленных взаимодействующих сигнальных путей, ведущих от рецепторов на плазматической мембране в цитоплазму, далее в ядро, где регулируется работа генетического аппарата, назад в цитоплазму, к клеточной поверхности и внеклеточной среде. Эта система состоит из межклеточных сигнальных молекул (гормонов, нейромедиаторов, цитокинов), рецепторов на клеточной поверхности, цитоплазматических сигнальных каскадов, факторов транскрипции, управляющих экспрессией генов, и исполнительных белков, определяющих клеточный ответ. Некоторые компоненты этой системы поддерживают выживаемость клеток, другие участвуют в клеточной смерти. Основные ее звенья приведены на рис.9.

Рис.9. Основные сигнальные процессы в клетках. AC - аденилатциклаза; cAMP - циклический аденозинмонофосфат; CaM - кальмодулин; CaMKII - кальмодулин-зависимая протеинкиназа II; MAPK - митоген-активируемая протеинкиназа; PI3K - фосфатидилинозитол 3-киназа; PKA - протеинкиназа А; PKC -протеинкиназа С; PLC - фосфолипаза С; RCGP - рецепторы, сопряженные с G-белками; RTK - рецепторные тирозинкиназы. Звездочки обозначают предполагаемые мишени фотодинамического воздействия.

Внеклеточные сигнальные молекулы распознаются рецепторами, связанными с G-белками (RCGP), или рецепторными тирозинкиназами (RTK). Межклеточный матрикс или соседние клетки распознаются рецепторами адгезии интегринами и кадгеринами, которые активируют фокальную адгезионную киназу (FAK) и сигнальные пути, управляющие перестройками цитоскелета, формой и подвижностью клеток.

Кальциевый сигнальный путь запускается входом ионов Ca 2+ через клеточную мембрану или их высвобождением из митохондрий и/или эндоплазматического ретикулума. Повышение уровня Ca 2+ в цитозоле ведет к активации Ca 2+ -зависимых сигнальных белков: протеинкиназы С, кальмодулина, кальмодулин-зависимой киназы II (CaMKII) и многих других.

В аденилатциклазном пути связывание сигнальной молекулы с RCGP активирует G-белок, который затем стимулирует аденилатциклазу, производящую циклический аденозинмонофосфат (cAMP). В ответ на cAMP протеинкиназа А активирует разнообразные клеточные реакции.

Рецепторные тирозинкиназы могут инициировать сигнальные пути, опосредованные (а) фосфолипазой C и ионами Ca 2+ ; (б) фосфатидилинозитол 3-киназой и протеинкиназой B/Akt (PKB); (в) митоген-активируемыми протеинкиназами (MAPK). Известны три основные протеинкиназы, семейства MAPK: внеклеточно регулируемая протеинкиназа (ERK), c-Jun терминальная киназа (JNK), и протеинкиназа p38. ERK стимулируется факторами роста, цитокинами или химическими сигналами и регулирует пролиферацию и выживаемость клеток. JNK и p38 участвуют в выживании, апоптозе и делении клеток.

Все эти протеинкиназы фосфорилируют и тем самым регулируют многочисленные исполнительные белки и факторы транскрипции, которые определяют конкретные реакции клеток. Каждый тип клеток имеет свой индивидуальный набор таких белков, которые обеспечивают специфические реакции клеток на различные воздействия.

Повреждающие воздействия, такие как окислительный стресс, не только разрушают клеточные компоненты, но и усиливают экспрессию ряда сигнальных и защитных белков. К ним обычно относятся защитные белки (шапероны, супероксиддисмутаза, циклооксигеназа-2), белки-исполнители апоптоза (каспазы, белки семейства Bcl-2, нуклеазы), а также белки сигнальной трансдукции и факторы транскрипции (MAP киназы, PI 3-киназа, протеинкиназы А, В и С, AP-1, NF-кB и др.), регулирующие клеточные реакции на различные воздействия, включая защитные процессы и реализацию программы клеточной смерти.

В последние годы внимание исследователей сконцентрировано на выяснении сигнальных механизмов, лежащих в основе различных фотобиологических процессов. Пока эти данные фрагментарны и зачастую противоречивы, но в будущем знание механизмов управления клеткой позволит управлять ее реакциями на различные воздействия и либо повышать выживаемость, либо усиливать повреждения, если клетка патологически изменена.

Блокирование двух молекулярных путей, которые посылают сигналы внутри раковых клеток, помогает предотвратить аденокарциному пищевода (АКП), наиболее распространенную злокачественную опухоль в Соединенных Штатах, согласно новому исследованию из Школы медицины Западного резервного университета Кейза (Case Western Reserve University School of Medicine).

Прогноз аденокарциномы пищевода

Согласно последним оценкам Национального института рака (National Cancer Institute), только 20% пациентов с диагнозом АКП выживают в течение 5 лет. Некоторым требуются назогастральные питательные трубки на конечных стадиях заболевания. Ограниченное количество доступных методов лечения опухолей включает хирургическое вмешательство, лучевую терапию или химиотерапию, но большинство опухолей АКП устойчивы. Целевой терапии практически не существует. Достижения в области лечения также замедляются, потому что неизвестно точно, какие молекулярные сигналы управляют патогенезом АКП.

Материалы и методы обследования

Исследователи определили пути, используя расширенный вычислительный и генетический анализ биопсий из опухоли пациентов с АКП. В новом исследовании ученые собрали 397 образцов биопсии, чтобы найти общие механизмы, лежащие в основе прогрессирования опухоли АКП. Они объединили вычислительный и генетический анализ, чтобы идентифицировать сигнальные пути, активные при АКП. Ученые сравнили биопсии АКП с теми, которые были взяты у пациентов с состояниями, которые зачастую предшествуют АКП, но у которых еще не развился рак. После того, как пути JNK и TGF-бета были сверхактивными только в биопсиях АКП, они инкубировали опухолевые клетки АКП с терапевтическими небольшими молекулами, предназначенными для блокирования путей.

Результаты научной работы

Авторы нового исследования обнаружили, что 80% опухолей имели необычно активные гены, связанные с двумя специфическими путями, и что воздействие на клетки ингибиторами этих путей подавляло рост опухолей АКП у мышей.

Результаты, опубликованные в научном журнале Gastroenterology, указывают на два сигнальных пути (контролируемых белками JNK и TGF-бета, соответственно) как способствующих опухолям АКП. Сигнальных пути представляют собой молекулярные цепные реакции, которые были сверхактивными в опухолевых клетках пациентов, но не в биопсиях пациентов с незлокачественными заболеваниями пищевода, включая пищевод Барретта. Вредное воздействие этих сигнальных путей может быть уменьшено путем снижения активности JNK или TGF-бета.

Воздействие ингибиторов JNK или TGF-бета снижало способность клеток АКП пролиферировать, мигрировать или образовывать опухоли при трансплантации мышам. Несколько мышей имели почти полную регрессию опухолевого роста после лечения. Комбинирование лечения ингибиторами JNK и TGF-бета сигнальных путей дополнительно предотвращало рост раковых клеток, но необходимы дополнительные исследования, чтобы понять синергизм между сигнальными путями во время прогрессирования АКП.

По словам Варадана, различие заключается в разных ролях TGF-бета на разных стадиях АКП.

Приглашаем подписаться на наш канал в Яндекс Дзен

• 1900
• 1,6
• 2
• 1

Спонсор публикации этой статьи — Лев Макаров.

Кризис перепроизводства в науке и рождение системной биологии

Ситуация изменилась быстро и драматично. Появились экспериментальные методы, позволяющие анализировать экспрессию десятков тысяч генов одновременно, следить за поведением тысяч белков, отслеживать мутации во всем геноме. Результаты, полученные в ходе таких высокопроизводительных (high-throughput) экспериментов расширили наши представления о молекулярных основах живого и одновременно стали источником принципиально нового системного кризиса. Молекулярная биология перестала страдать от дефицита данных и стала задыхаться, придавленная их избытком.

Иногда, обозревая многостраничные перечни статей, выдаваемые пабмедом в ответ на небольшой запрос, нет-нет, да и подумаешь: не исключено, что мы уже обладаем всей необходимой для понимания жизни информацией, просто эта информация из рук вон плохо организована. — Прим. авт.

Молекулярный детектив — реконструкция сигнальных путей

Задача системного биолога, реконструирующего в виде такой схемы цепочку молекулярных взаимодействий, ответственных, например, за деление клетки, в чем-то похожа на задачу археолога, воссоздающего из осколков древнюю вазу. Сначала необходимо из груды керамического мусора отобрать осколки, относящиеся именно к этой вазе (выбрать из множества публикаций именно те, которые описывают интересующие взаимодействия). Потом нужно расположить их друг относительно друга в правильном порядке, а имеющиеся пустоты (осколков всегда меньше, чем нужно для идеальной реконструкции) заполнить правдоподобными предположениями и гипотезами. Вазу имеет смысл реконструировать от днища к краям; воссоздание молекулярных взаимодействий также предполагает определенную логику и последовательность, соответствующую естественному порядку развития клеточного ответа, который, как правило, проходит в несколько стадий.

Рисунок 1. Сигнальные пути (слева) и сети (справа).

Технологии NaviCell и ACSN, использующие Google Maps для визуализации биологических данных

Рисунок 2. Иерархическая визуализация молекулярно-биологических данных в ACSN.

Рисунок 3. Географические и молекулярно-биологические карты: общие принципы представления информации. А — расположение ресторанов в разных районах Парижа. В — расположение онкогенов в различных функциональных зонах ACSN (видны кластеры онкогенов, связанные с WNT-путем и регуляцией клеточного цикла). С — Возможные маршруты из Парижа в Рамбуйе; D — альтернативные сигнальные пути, отвечающие за репарацию (восстановление) ДНК, поврежденную активными формами кислорода.

Аналогичное использование карт молекулярных взаимодействий в сочетании с методами моделирования и анализа могут быть полезны и биологам. Ниже приведено несколько примеров такого практического использования.

Перекресток семи дорог — анализ сигнальных путей для создания эффективной лабораторной модели рака толстого кишечника

Лабораторные мыши являются популярным модельным объектом для исследования многих видов рака, в том числе и рака толстого кишечника. Однако мышиная модель данной разновидности опухолей недостаточно хорошо соответствует человеческой болезни. Одним из принципиальных различий является то, что опухоль толстого кишечника у мышей практически не дает метастазов, в то время как у человека, наоборот, на поздних стадиях болезни она активно распространяется по организму. Соответственно, в лабораториях, занимающихся исследованием данной болезни и разработкой лекарственных препаратов для ее лечения, существует запрос на создание генетически модифицированной мыши, у которой свойства колоректальных опухолей будут более похожи на человеческие.

В метастазировании многих опухолей критическим моментом является стадия эпителиально-мезенхимального перехода (Epithelial-mesenchymal transition, EMT). Для ACSN была реконструирована карта сигнальных путей, управляющих этим процессом. После чего была поставлена задача найти такие немногие ключевые точки (макромолекулы) на этих путях, воздействие на которые потенциально могло бы усилить ЕМТ в мышиной модели до такой степени, чтобы это привело к метастазированию колоректальных опухолей (географическим аналогом подобных молекул-маршрутизаторов будет горный перевал или мост через широкую реку, к которому так или иначе сходятся все дороги большого региона).

Для этого карту пришлось последовательно упростить до схемы, учитывающей лишь важнейших игроков — подобно тому, как, планируя маршрут путешествия в Google Maps, водитель большого грузовика пренебрегает тропинками и проселочными дорогами и сосредотачивает внимание на основных трассах (рис. 4). И в конце концов были выделены две таких молекулы — транскрипционные факторы Notch и р53, через которые проходили многие пути на ЕМТ. При этом Notch усиливает ЕМТ на уровне регуляции геной активности, а р53, наоборот, ослабляет этот процесс, но уже на уровне регуляции синтеза ключевых белков (то есть может существенно ослабить эффект от Notch на генном уровне, подобно тому как низкая пропускная способность итогового сборочного цеха на заводе снижает производительность от сколь угодно быстрого производства исходных деталей).

Рисунок 4. Использование карт ACSN для построения модели регуляции ЕМТ и метастазирования при раке толстого кишечника. А — исходная карта регуляции EMT при раке; В — упрощенная схема/модель, отражающая взаимодействия ключевых молекул, регулирующих ЕМТ. С —Экспериментальное подтверждение модели — в мышах, мутантных по двум генам (активирующая мутация Notch / ингибирующая мутация p53), опухоли сильно метастазируют в окружающие органы. Картинка из [8].

Метод независимых компонент для анализа экспрессионных данных

Картирование независимых компонент с помощью ACSN

В недавнем проекте, выполненном в Институте Кюри в Париже, с помощью метода независимых компонент был охарактеризован набор данных, содержащий экспрессионные профили 6671 образцов раковых опухолей для 9 типов рака [11]. Таким образом чисто математически были выделены и охарактеризованы группы генов, управляемые каким-то общими сигналами-процессами — метагены (в нашей коктейльной аналогии этим метагенам примерно соответствовали бы спектры частот, соответствующие звуку автомобильной сирены, отделенные от спектра детского плача).

Но после того, как анализ был произведен, встал вопрос о том, каков биологический смысл результатов, какие аспекты биологической реальности отражает подобная кластеризация генов в группы? И поскольку каждый фактор (процесс) в проведенном анализе был глобально охарактеризован профилем интенсивности его влияния на экспрессию каждого гена в геноме, это сделало возможным применение геоинформационного метода для определения смысла сигнала и его визуализации. Визуализацию одного из таких факторов с использованием глобальной карты ACSN вы можете видеть на рисунке 5.

Самозатмение науки? Нет — новое, более эффективное обобщение!

ACSN создавался, прежде всего, как удобный и наглядный инструмент в помощь ученым, занимающимся анализом данных, связанных со злокачественным перерождением клеток, но подход, положенный в его основу, гораздо шире собственных потребностей биологии рака и дает нам повод задуматься о новых формах представления биологического знания как такового. Совместное использование карт сигнальных путей и метода независимых компонент в анализе экспрессиионных профилей раковых опухолей может служить не только для представления уже известного знания, но и стать основой для новых открытий и более глубокого понимания молекулярных принципов организации живого.

Статья написана в соавторстве с Андреем Зиновьевым и Инной Куперштейн.