Неуловимый рак

— Помимо секвенирования генома я провела еще и ПЦР с обратной транскрипцией, чтобы посмотреть, какие участки хромосом экспрессируются: удлиненные участки, по всей видимости, некодирующие и кодирующими быть не могут, — не унималась Сигрид, тщетно пытаясь через собственные мысли прийти к решению. — К тому же, они находятся на концах хромосом.

— И это снова только подтверждает мои мысли! — ехидная улыбка окончательно закрепилась на лице Макото. — На твоем месте я бы проверил экспрессию пары факторов транскрипции в клетках опухоли: hTERT, например. А заодно уровень микроРНК: miR-182 и тем более miR-138.

Со времени разговора прошло несколько месяцев. Утро нового дня, как и тогда, для Макото началось раньше, чем он успел накинуть лабораторный халат: дверь кабинета распахнулась с небывалой скоростью — лицо Сигрид пылало от нетерпения.

— Рост опухоли практически остановился! — в ее голосе явно слышалось облегчение. — Только что пришли результаты анализов, указывающие на эффективность последнего лечения.

— И что дало такой эффект? — Макото то ли испытывал гордость от того, что навел на верные мысли, то ли хотел побыстрее вывести юную исследовательницу на суть разговора, чтобы в спокойствии допить утренний кофе.

— Экспериментальные препараты на основе BIBR1532 и miR-132 дали эффект практически сразу: рост опухоли остановился, а последние анализы показали, что длина хромосом в раковых клетках стала приближаться к значению в здоровых.

Несложно догадаться, что Сигрид говорила о теломерах (см. также Telomere) — это некодирующие участки на концах хромосом, состоящие из коротких повторяющихся мотивов нуклеотидов.

Их функция на первый взгляд довольно проста — защита хромосом от слияния и укорачивания при делении клеток. А укорачивание неизбежно происходит при удвоении хромосом, ведь из-за особенностей работы ДНК-полимеразы теломеры не могут скопироваться полностью. В результате после каждого деления клетки теломеры понемногу укорачиваются, тем самым приближая клетку к так называемому пределу Хейфлика (Hayflick limit) — моменту, когда теломеры практически исчезают (рис. 1). Так происходит почти во всех клетках большинства многоклеточных организмов, в том числе человека. Это необходимо для того, чтобы никакая из клеток не могла позволить себе делиться бесконтрольно. Скорее всего, это нужно для предотвращения развития опухолей, ведь главный их признак — именно бесконтрольное деление клеток.

Рис. 1. Связь между количеством делений и длиной теломер

Но смекалистый читатель быстро заподозрит подвох. Ведь в нашем организме есть некоторое количество клеток, которым нужно сохранять способность к делению всю нашу жизнь и даже дольше! Это, прежде всего, половые клетки, потомки которых делятся из поколения в поколение, так что в клетках зародышевого пути предел Хейфлика в среднем в 50 делений обрывал бы нам возможность размножаться. В эту же группу входят стволовые клетки: им тоже необходимо делиться большое число раз. И чтобы позволить избранным клеткам обходить предел Хейфлика и делиться столько, сколько их душе угодно, можно включить целую группу генов, по умолчанию выключенных во всех клетках: они повысят активность особого белкового комплекса — теломеразы.

Теломераза (см. Telomerase; Human Telomerase and Its Regulation) — ферментативный комплекс, состоящий из нескольких интересных частей. Во-первых, в нем есть особая теломеразная РНК (hTR или TERC) — она комплементарна повторяющемуся теломерному мотиву на концах ДНК, и именно по TERC эта ДНК достраивается (рис. 2). Но поскольку обычные человеческие полимеразы не умеют синтезировать ДНК на матрице РНК, в состав теломеразы входит обратная транскриптаза (TERT). Итого, теломераза — это белковый комплекс, который как рукавица обхватывает теломерные участки ДНК и достраивает их по матрице РНК, содержащейся в его структуре.

Рис. 2. Структура теломеразы с теломерной ДНК, обратной полимеразой (TERT) и теломеразной РНК (TERC)

Выходит вполне логичная картина: почти всем соматическим клеткам делиться нет необходимости, и теломераза в них если и имеется, то инактивирована как сама, так и на уровне гена, из-за чего делиться соматические клетки не могут. Но в нескольких линиях клеток теломераза работает, и это позволяет им делиться неограниченное число раз. Так что вполне можно предположить, что существование системы из теломер и теломераз — барьер, который мешает клеткам бесконтрольно делиться. Если же они решат его переступить, то слишком короткие теломеры приведут к апоптозу либо напрямую, либо предварительно вызвав нарушения в структуре хромосом, либо активировав репарацию ДНК, которая приведет к множеству мутаций вплоть до обмена участками между хромосомами. В любом из случаев результат один — апоптоз.

Но в этой схеме есть один маленький нюанс: что будет, если система инактивации теломеразы в соматических клетках сломается? Ответ очевиден: теломераза в них заработает! Она достроит теломеры до максимальной длины и тем самым позволит клетке делиться неограниченно, а такое поведение порождает лишь одно — опухоль, хотя и не обязательно злокачественную. Итак, избыточная активность теломеразы может провоцировать рак тех или иных органов, типов и разновидностей.

Мы практически вплотную подошли к клинической картине нашей пациентки. Причина развития рака ясна — внезапно заработавшая в клетках молочной железы теломераза. Но из-за чего это произошло и как именно Сигрид собирается привести больную к выздоровлению? Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться, как именно клетка инактивирует теломеразу, ведь логично предположить, что разгадка кроется где-то здесь. Конечно, самым очевидным ответом являются мутации в генах, регулирующих активность теломеразы: белка или соответствующих ему генов, но эти слова довольно общие и в лечении не особо помогут. Для лечения же важен другой способ: не регулировать активность теломеразы, а разобраться с находящейся в ней РНК.

На случай, когда нужно будет инактивировать какую-либо молекулу РНК, в клетке есть специальные инструменты — другие молекулы РНК, называемые микроРНК (миРНК, MicroRNA). Они комплементарно связываются с той РНК, которую нужно вывести из игры, и либо физически мешают ей работать (ведь при связывании получается двойная спираль РНК, с которой ни полимеразы, ни рибосомы работать не умеют), либо, если относительно РНК-мишени микроРНК слишком короткая, выступают в роли черной метки. Помеченные таким способом РНК неизбежно будут разрушены специальными белками.

Вернемся к причинам рака (см. L.-A. MacFarlane, P. Murphy, 2010. MicroRNA: Biogenesis, Function and Role in Cancer): в норме в клетке есть микроРНК под названием miR-132 (и некоторые другие ее аналоги), которая и ингибирует активность РНК в составе теломеразы (рис. 3). Но если уровень miR-132 в клетке упадет, «теломеразная» РНК снова начнет синтезироваться и станет доступной для теломеразы.

Рис. 3. Положение miR-132 в геноме человека и ее вторичная структура

Именно так мыслила Сигрид, выписывая сразу два препарата. Один из них — miR-132, которая свяжется с РНК в теломеразе, не давая теломеразе достраивать теломеры на ее основе. Другой назначенный препарат куда проще — это ингибитор теломеразы BIRB1532, который связывается с ее активным центром и не дает достраивать теломеры (см. Y. Shi et al., 2015. A combination of the telomerase inhibitor, BIBR1532, and paclitaxel synergistically inhibit cell proliferation in breast cancer cell lines, X. Ding et al., 2019. BIBR1532, a Selective Telomerase Inhibitor, Enhances Radiosensitivity of Non-Small Cell Lung Cancer Through Increasing Telomere Dysfunction and ATM/CHK1 Inhibition и E. Pascolo et al., 2002. Mechanism of human telomerase inhibition by BIBR1532, a synthetic, non-nucleosidic drug candidate). (Важно отметить, что в реальных протоколах лечения рака эти препараты довольно часто комбинируют с другими, ведь нельзя исключать, что дело было не только в теломеразе.)

Пока в клинической практике эффективность таких препаратов изучена недостаточно хорошо, лишь единицы (например, иметелстат, см. Imetelstat) проходят клинические испытания на момент написания этой статьи и применяются в качестве экспериментальной практики.

И, к сожалению, отдельно стоит отметить, что не всегда после ингибирования теломеразы опухоль перестает расти. Во-первых, прежде чем она израсходует достроенные теломеры, в некоторых случаях успеют пройти годы, а не месяцы, как у нашей пациентки (хотя и такое возможно), но важно и другое. Теломераза — не единственный способ достраивать теломеры. Например, существует альтернативное сращивание теломер (см. Теломеры и новые мишени протоонкогенной терапии).

На самом деле теломеры еще интереснее, чем могло показаться на первый взгляд. В тексте задачи была упомянута некоторая последовательность без цитозинов — это TTAGGG, основной повторяющийся мотив теломер. Шесть нуклеотидов, два кодона — они считывались бы полимеразой и потом рибосомой как лейцин с глицином (LG). Но это один из вариантов. Попробуем сдвинуть рамку считывания, и тогда выйдет AGGGTT — аргинин с валином (RV). То есть если бы они были генами, в результате транскрипции и трансляции давали бы два белка из повторяющихся мотивов: либо RV много раз, либо LG много раз.

Более того, оказалось, что в некоторых случаях это не только теория (см. Теломеры на концах хромосом тоже могут производить белки)! Белки из RV в повышенных количествах встречались в клетках пациентов с некоторыми раковыми опухолями, а также тех, кто страдал от заболеваний, вызванных дефектами теломер. Как оказалось, это сигнальные белки, которые вызывают целый каскад реакций в клетках, приводящих в том числе к клеточным воспалениям (T. M. Al-Turki, J. D. Griffith, 2022. Mammalian telomeric RNA (TERRA) can be translated to produce valine–arginine and glycine–leucine dipeptide repeat proteins).

Но и теломеразе есть чем удивить не без удивительного! Обратная транскриптаза TERT, которая входит в состав теломеразы, — довольно интересный и редкий белок, аналог которого в других организмах крайне востребован в современной науке и медицине.

Ненадолго отойдем от темы к печально известному всем коронавирусу. Это вирус, геном которого представлен молекулой РНК. Наиболее часто применяемый тест на коронавирус, ПЦР, или полимеразная цепная реакция (см. Polymerase chain reaction, рис. 4), выявляет присутствие генома вируса во взятом образце простым способом: амплифицируем (численно приумножаем) геном коронавируса в пробе и, если он там был, после этой процедуры его будет очень много и мы сможем его увидеть (на деле чуть сложнее, всё же глазом геном не виден, даже когда его много). А если генома коронавируса в пробе не было, то он не приумножится и мы ничего не увидим.

Рис. 4. Схема полимеразной цепной реакции

Посмотрим на этот процесс повнимательнее: как амплифицируется геном? Очень просто: при помощи ДНК-полимеразы проводим репликацию ДНК много раз. И здесь внимательный читатель наверняка удивился: как мы можем приумножать ДНК и в принципе ее реплицировать, если у коронавируса нет ДНК? Его геном представлен РНК, а это не совсем то же самое. И чтобы устранить этот нюанс, в реальной практике при диагностике коронавируса применяется не просто ПЦР, а ПЦР с обратной транскрипцией (RT-PCR, Reverse transcription polymerase chain reaction)! Он отличается одним лишь маленьким шагом в начале: прежде чем приумножать геном, мы воспользуемся обратной транскриптазой и из РНК-генома сделаем ДНК-геном, а с ним мы уже умеем работать при помощи обычной ПЦР.

Только обратную транскриптазу в этом случае берут не из теломеразы, которой посвящена задача, и даже не у эукариот (ведь у них она активна крайне редко), а у вирусов! Среди них есть виды, чей геном представлен РНК, на матрице которой при помощи обратной транскрипции уже в клетке хозяина синтезируется ДНК. Зачем? Чтобы встроить ее в геном хозяина! К таким вирусам относятся лентивирусы (среди них наиболее интересны вирусы иммунодефицита человека) и некоторые другие, в том числе провоцирующие раковые опухоли.

Помимо обратной транскриптазы, невероятное внимание приковывает к себе и сама теломераза как потенциальный способ борьбы со старением. Ведь если мы научимся регулировать ее активность в соматических клетках (а некоторые животные не отключают ее), получится обновлять теломеры и устранять те проблемы, которые накапливаются с возрастом. Для данной статьи тема слишком обширна, но про это можно почитать в других материалах на «Элементах»: в отрывке из книги «Бессмертные» (из главы 7 «Текущий ремонт»), в статье Лекарства от старения, и где они обитают и др. В 2009 году именно за изучение теломер и теломеразы была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине, да и интересных исследований по теме в последнее время немало (см. Птенцы старых амадин рождаются с укороченными теломерами, развиваются быстро, умирают рано). Как пример недавно вышедшего материала про старение в целом и роль теломер в нем в частности можно привести материал YouTube-канала Utopia Show.

Подводя итоги, можно сказать, что теломеры — это важные регуляторные элементы клетки. Дефекты в них и в связанных с ними белках могут приводить к раковым опухолям многих тканей и органов, и понимание механизмов их удлинения может помочь в противоопухолевой терапии. Более того, это дает простор для улучшения методов диагностики: например, по RV-белкам в крови уже сейчас пытаются научиться диагностировать некоторые болезни, в числе которых и рак. И не исключено, что изучение теломеразы также поможет нам продвинуться в понимании механизмов старения.

Автор благодарит С. М. Глаголева за помощь в редактировании текста задачи.