Раковые клетки повышают свое разнообразие, сливаясь с иммунными клетками

Рис. 1. Слияние клеток опухоли и макрофагов. Слева — схемы экспериментов, справа — результаты микроскопии. А — ядра клеток опухоли помечены красным флуоресцентным белком (RFP), цитоплазма клетки макрофагов — зеленым (GFP). В — ядра клеток опухоли помечены красным флуоресцентным белком (RFP), цитоплазма макрофагов — желтым (YFP), после гибридизации она начинает светиться. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Раковые клетки находятся в условиях постоянной конкуренции, поэтому им выгодно быть разнородными. Выживут те, кто удачнее всех «придумает», как выделиться на фоне своих генетически одинаковых собратьев и одновременно с тем подавить ответ организма. Авторы свежей статьи в журнале Science Advances обнаружили новый механизм повышения разнообразия: опухолевые клетки могут сливаться с макрофагами, образуя клеточные гибриды. Более того, наличие таких гибридов в крови пациента позволяет прогнозировать дальнейшее течение болезни.

Слияние клеток многоклеточных организмов — довольно распространенное явление. На нем основан процесс оплодотворения и образования некоторых типов тканей (например, зародышевой части плаценты или многоядерных клеток мышц). Однако клетки взрослого организма тоже способны сливаться друг с другом. И чем дальше, тем больше у нас свидетельств этого процесса. Например, мы знаем, что трансплантация клеток красного костного мозга способствует регенерации самых разных органов, таких как стенка кишечника, печень и сердце. Многие эксперименты показали, что регенерация происходит за счет слияния клеток трансплантата с клетками поврежденных органов и последующего деления (см. M. Alvarez-Dolado et al., 2003. Fusion of bone-marrow-derived cells with Purkinje neurons, cardiomyocytes and hepatocytes). Правда, до сих пор неясно, какие именно клетки красного костного мозга проявляют эти свойства — мезенхимальные стволовые клетки, или стволовые клетки крови или ее потомки. Тем не менее, считается (см., например, B. M. Ogle et al., 2005. Biological implications of cell fusion), что это явление поможет нам ответить на один из главных вопросов регенеративной медицины: как стволовые клетки «узнают», куда плыть и кем стать? Возможно, они расплывается по всему организму и сливаются с клетками разных органов, но эффект заметен только в поврежденных местах.

Может ли слияние клеток приносить организму вред, а не пользу? Если оно является частью патологического процесса, то да. Поэтому существуют предположения, что слияние здоровых клеток друг с другом может инициировать опухолевую трансформацию, нарушая работу генома. Или же посредством слияния клетки опухоли могут «объединять усилия» в борьбе с организмом, собирая вместе независимо возникшие мутации. Кроме того, оказалось, что мезенхимальные стволовые клетки могут усиливать регенерацию и опухолевой ткани тоже. Например, раковые клетки простаты привлекают к себе стволовые клетки, сливаются с ними, делятся интенсивнее, и рак прогрессирует (см. F. Luo et al., 2016. Bone marrow mesenchymal stem cells participate in prostate carcinogenesis and promote growth of prostate cancer by cell fusion in vivo). Могут ли опухолевые клетки сливаться с не стволовыми? Это явление было случайно обнаружено в одном недавнем исследовании (S. C. Searles et al., 2017. Cell-cell fusion as a mechanism of DNA exchange in cancer) и подробно исследовано авторами обсуждаемой статьи в Science Advances.

Ее авторы рассматривали взаимодействие клеток мышиных опухолей (аденокарциномы кишечника и меланомы) с макрофагами — иммунными клетками, которые происходят из костного мозга и занимаются фагоцитозом, то есть поглощением некрупных патогенов и межклеточного мусора. Сначала эксперименты проводились на культурах клеток. Чтобы доказать, что клетки действительно сливаются, авторы пометили оба типа клеток разными флуоресцентными белками. Клетки опухоли экспрессировали RFP (красный флуоресцентный белок), связанный с гистоном 2В (белком упаковки ДНК), и фермент Cre. У этих клеток светилось только ядро. Макрофаги были двух типов: одни экспрессировали GFP (зеленый флуоресцентный белок) сами по себе, другие — YFP (желтый флуоресцентный белок) в присутствии Cre (подробнее о технологии см. Cre-Lox recombination). То есть у макрофагов светилась цитоплазма целиком, у первого типа — всегда, у второго — только после гибридизации с опухолью. В обоих случаях, только настоящие гибриды могли светиться двумя цветами одновременно (рис. 1).

Однако авторы проверили клетки на гибридность еще тремя способами. Во-первых, они окрасили зеленым цветом ядра макрофагов перед гибридизацией, а после нее убедились в том, что клетки светятся тремя цветами: одно ядро — голубое (макрофаг), второе — красное (гистон 2В, связанный с RFP), а цитоплазма — желтая (YFP макрофага). Перед делением такой гибридной клетки голубое и красное свечение соединились в одно ядро (рис. 2).

Рис. 2. Еще одно подтверждение тому, что клетки сливаются. Слева — схема эксперимента, справа — результаты микроскопии. Ядра клеток опухоли помечены красным флуоресцентным белком (RFP), ядра макрофагов — зеленым цветом (EdU), цитоплазма макрофагов после гибридизации начинает светиться желтым (YFP). Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Во-вторых, авторы взяли клетки разного пола (с разным хромосомным составом): опухолевые клетки несли хромосомы XO, а макрофаги — XY. Клетка-гибрид несла хромосомы XXY и поэтому отличалась от обеих исходных популяций. В-третьих, ученые сравнили экспрессию генов в гибриде с исходными клетками. Гибрид экспрессировал гены, характерные для обоих предшественников (рис. 3). Однако стоит отметить, что разные гибридные клетки сохранили на разном уровне экспрессию генов макрофага, то есть они получились разнородными.

Рис. 3. Экспрессия генов в гибриде. Красный — максимальная экспрессия, синий — минимальная, черный — промежуточная. Каждый столбец соответствует определенному гену. Нижняя строка — макрофаги, средняя — клетки опухоли, верхняя — гибридная клетка. Красной линией внизу рисунка отмечены гены макрофагов, которые продолжают работать после гибридизации, желтой линией — новые гены, не экспрессировавшиеся ранее ни в одной из клеток-предшественников. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Как изменяется жизнь гибридов в организме по сравнению с их предшественниками? Они сохраняют способность делиться, характерную для раковых клеток, но приобретают некоторые полезные свойства макрофагов. Например, «чувство локтя» (точнее, контактное ингибирование) — гибридные клетки, в отличие от опухолевых, не наползают друг на друга и делятся только в том направлении, где нет соседей. При подсаживании их обратно в организм мыши гибриды оказываются даже более успешными, чем их предки — раковые клетки. Еще одна полезная черта, которую гибриды наследуют от макрофагов — подвижность: они образуют больше метастазов, чем обычные клетки опухоли (рис. 4). Кроме этого, у гибридов по сравнению с раковыми клетками изменяется набор молекул адгезии (то есть они могут связываться с другими элементами ткани) и реакция на сигнальные молекулы. Некоторые вещества, которые подавляют рост раковых клеток-предшественников (например, трансформирующий ростовой фактор бета или фактор некроза опухоли-альфа), никак не влияют на размножение гибридов. Таким образом, после слияния раковые клетки становятся еще более опасными для организма, приобретая те свойства здоровых клеток, которых им не хватало для выживания.

Рис. 4. Метастазирование обычных раковых клеток и клеток-гибридов. Сверху — препараты легкого мыши, метастазы — темно-красные. Снизу — часть легкого, которая занята метастазами (в процентах от общего объема). Черным отмечены раковые клетки, красным — гибридные. Звездочка обозначает статистически значимое различие. Длина масштабных линий — 25 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Слияние опухолевых клеток с макрофагами происходит и in vivo. Чтобы это подтвердить, авторы статьи подсаживали клетки опухоли GFP-мышам (все клетки которых вырабатывают зеленый флуоресцентный белок) и ждали, пока опухоли вырастут. Затем они искали в опухоли клетки, светящиеся одновременно красным (маркер опухоли) и зеленым. А потом проверяли, что на этих клетках есть белки, характерные для макрофагов. Оказалось, что в опухолях in vivo присутствуют как обычные, так и гибридные клетки. То же самое верно и для кровотока: в крови мышей циркулируют раковые клетки двух типов.

Подтвердить существование процессов слияния у человека in vivo гораздо сложнее, потому что мы не можем создать трансгенных людей, чьи клетки экспрессировали бы флуоресцентные белки. Авторы поступили хитрее: они исследовали биопсию карциномы, взятую у женщин, которые ранее получили трансплантат красного костного мозга от мужчины. Из-за этого в их организме есть два типа клеток: с Y-хромосомой (иммунные клетки) и без нее (все остальные, в том числе клетки опухоли). Поэтому ученые искали у пациенток гибридные клетки, которые содержали бы маркеры эпителиальных клеток (кератины) и Y-хромосому. Всего в исследовании участвовало семь пациенток, и у всех удалось таким образом найти гибридные клетки опухоли (рис. 5).

Рис. 5. Гибридные клетки в опухоли человека. Синим окрашена ДНК клеток (краситель Hoechst, связывается со всей ДНК), красным — фрагменты Y-хромосомы (зонд, специфически связывающийся с последовательностями ДНК, характерными для Y-хромосомы), серым — цитокератины, маркеры эпителиальных клеток опухоли. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Логично предположить, что и в крови пациентов с онкологическими заболеваниями можно обнаружить гибридные клетки. Стоит отметить, что пока речь идет только об опухолях эпителиальных тканей: в их случае легко распознать гибрид с иммунными клетками, к тому же, при слиянии они приобретают принципиально новые свойства (например, подвижность). Обнаружить гибриды клеток крови с опухолевыми клетками крови, например, было бы гораздо труднее. Поэтому мы не можем пока утверждать, что это актуально для всех типов рака. Так или иначе, мазки крови пациентов также окрашивали на маркеры эпителиальных клеток и макрофагов. Как и следовало ожидать, оказалось, что в крови пациентов гибриды присутствуют. Более того, само наличие гибридов в крови сигнализирует о тяжелых стадиях заболевания. А количество этих клеток позволяет прогнозировать выживаемость пациента, вне зависимости от того, на какой стадии находится заболевание (рис. 6).

Рис. 6. Содержание гибридов в крови онкологических больных и корреляция с выживаемостью. Черным обозначены обычные раковые клетки, красным — гибриды. E — количество гибридов в крови в зависимости от стадии заболевания (контроль, лимфатические узлы чистые, есть раковые клетки в узлах, метастазы). F и G — процент выживания пациентов с течением времени. Пунктир обозначает низкую концентрацию клеток, сплошная линия — высокую. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Новый тип раковых клеток, как мы видим, оказался особенно опасным. Они хорошо делятся, активно ползают и не реагируют на сигналы от организма. Можно предположить также, что они ускользают от иммунного ответа, потому что могут нести на своей поверхности нормальные маркеры клеток-макрофагов. Это не означает, впрочем, что все гибриды раковых клеток с не раковыми опасны. То, что мы видим в опухоли и в кровотоке, — результат сурового отбора, который проходят раковые клетки. Скорее всего, в процессе гибридизации получаются и гораздо менее удачные варианты. Но для опухоли в целом выгодно не выживание отдельных клеток, а общее клеточное разнообразие, оно повышает шанс на успешную колонизацию организма. И для его достижения хороши любые средства. Мы уже встречали клетки опухоли с хромосомной нестабильностью, которые случайным образом теряют или приобретают лишние хромосомы (см. L. M. Zasadil et al., 2013. 2n or not 2n: Aneuploidy, polyploidy and chromosomal instability in primary and tumor cells). Мы знаем о случаях, когда опухоль заимствует у клеток хозяина отдельные митохондрии (см. C. A. Rebbeck et al., 2011. Mitochondrial Capture by a Transmissible Cancer). Сейчас открылся еще один такой механизм повышения разнообразия, и кто знает, сколько их обнаружится еще.

Источник: C. E. Gast, A. D. Silk, L. Zarour, L. Riegler, J. G. Burkhart, K. T. Gustafson, M. S. Parappilly, M. Roh-Johnson, J. R. Goodman, B. Olson, M. Schmidt, J. R. Swain, P. S. Davies, V. Shasthri, S. Iizuka, P. Flynn, S. Watson, J. Korkola, S. A. Courtneidge, J. M. Fischer, J. Jaboin, K. G. Billingsley, C. D. Lopez, J. Burchard, J. Gray, L. M. Coussens, B. C. Sheppard, M. H. Wong. Cell fusion potentiates tumor heterogeneity and reveals circulating hybrid cells that correlate with stage and survival // Science Advances. 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aat7828.

Полина Лосева