Induction of carcinogenesis due to mutations associated with asymmetric division of stem cells

Full Text

Сторонники модной на сегодняшний день теории канцерогенеза из стволовых клеток взрослых пока не могут объяснить причины и механизмы возникновения мутаций, обусловливающих появление клона злокачественных стволовых клеток и последующего роста опухоли [4, 5]. Известно, что стволовая клетка взрослых может делиться как симметрично, что обусловливает её самообновление и «стволовость», так и асимметрично, давая начало более зрелым дочерним прогениторам. Потеря полярности в стволовых клетках при делении и снижение потенциала к асимметричному делению, делает дочерние клетки не способными отвечать на ранее действовавшие сигналы к пролиферации [3]. Таким образом, полярность клетки и ее злокачественное перерождение могут быть тесно взаимосвязаны, однако вероятность таких событий и их причины остаются невыясненными.

Для проверки этого факта испанские ученые исследовали пролиферативную способность мутантных клеток личиночных нейробластов Drosophila melanogaster (DM) in vivo. Мутации были вызваны в генах, отвечающих за асимметричное деление клетки - raps, mira, pros и numb. Данная работа показывает, что нарушение в одном или нескольких из рассматриваемых генов ведет к гиперпролиферации и запускает цепочку реакций, приводящих к злокачественному росту.

Нейробласты, выделенные из головного мозга мутантных по этим генам личинок DM, меченные зеленым флуоресцирующим белком, и пересаженные во взрослых мух, вырастали в виде опухоли, в 100 раз превышающей объём трансплантированных клеток (рис. 1). В контрольных экспериментах (нейробласты от личинок дикого типа) ни в одном случае не наблюдали развития опухолей. Опухоли прорастали в окружающие ткани, активно метастазировали (92% трансплантаций) и вызывали гибель мух за 2 недели. Опухоли становились бессмертным, могли быть пересажены повторно в течение года и поддерживались в лаборатории более двух лет без признаков снижения пролиферации. Для анализа самообновления, клетки опухоли были выделены и пересажены вторичным реципиентам, более 90% из них вызвали новообразования. Через шесть недель после трансплантации в этих опухолях наблюдалась изменения центросом (органелл ответственных за образование веретена деления) - характерный признак злокачественных карцином [1, 2].

Рис. 1. Опухоли, развившиеся из пересаженных нейробластов мутантных по генам raps (А) и mira (В) через 2 недели после трансплантации. Опухоль (зелёный цвет) занимает все брюшко, сайт трансплантации показан чёрной стрелкой. Желтыми стрелками указаны отдаленные метастазы. Из Nat. Genet. 2005; 37: 1125-9 с изменениями

Извлеченные опухоли окрашивали иммуноцитохимически для определения экспрессии нейрональных маркеров. Интересно отметить, что опухоли характеризовались потерей экспрессии маркёрных мутантных генов, однако сохраняли фенотип нейробластов. Подобное поведение клеток, как предполагают исследователи, связано с редким делением нейробластов, дающих начало двум дочерним клеткам (доказательство возможно при анализе пролиферации таких клеток в режиме реального времени). Также, в основе лежит нестабильность самого генотипа клеток, что часто, обусловливает и злокачественное перерождение в тканях человека. Анализ кариотипа клеток из опухолей выявил наличие множественных хромосомных аббераций [сегментная анеуплоидия, моно-, три-, тетрасомии, тетра- и полиплоидии и т.д.).

Таким образом, исследователи доказали, что на злокачественное перерождение нейробластов у DM вызывают мутации генов, которые в норме отвечают за правильное асимметричное деление. Открытие одного из механизмов злокачественного перерождения взрослых стволовых клеток - безусловное достижение в клеточной биологии. DM оказалась удачной экспериментальной моделью, так как её нейробласты являются довольно хорошо изученным примером асимметричного деления стволовых клеток. В упрощенном виде схема туморогенеза представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема развития злокачественной опухоли при нарушении генетического механизма ассиметричного деления стволовой клетки на примере нейробластов дрозофилы.

Обозначения: КН - клетка нейробластомы; КПГ - клетка-предшественник нейронов ганглиев; Н - нейрон; НБ - нейробласт

Большинство предположений, объясняющих как потеря полярности приводит к неопластической трансформации, основано на моделях измененной клеточной архитектуры, в которых трансформация осуществляется за счет снятия ингибирования сигналов, тормозящих клеточный цикл или наоборот, активируя митотический сигналинг [6]. Альтернативный путь - потеря полярности клетками, претерпевающими асимметричное деление [вследствие мутаций), что и было показано в этой работе. В таком случае дочерние клетки теряют способность отвечать на привычные стимулы.

Авторы работы, впервые показав один из возможных механизмов возникновения злокачественных опухолей из нейробластов дрозофилы, «укрепили» позиции теории канцерогенеза из стволовых клеток и указали пути дальнейших исследований на человеке.

About the authors

V. S. Melikhova

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Tumors developed from transplanted raps (A) and mira (B) mutant neuroblasts 2 weeks after transplantation. The tumor (green) occupies the entire abdomen, the site of transplantation is shown by the black arrow. Yellow arrows indicate distant metastases. From Nat. Genet. 2005; 37:1125-9 amended

Download (185KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Scheme of the development of a malignant tumor in violation of the genetic mechanism of asymmetric division of stem cells on the example of Drosophila neuroblasts.

Download (223KB)

Indexing metadata