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).

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. 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).

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.

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.

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. Однако стоит отметить, что разные гибридные клетки сохранили на разном уровне экспрессию генов макрофага, то есть они получились разнородными.

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. 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.

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.

Логично предположить, что и в крови пациентов с онкологическими заболеваниями можно обнаружить гибридные клетки. 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.

Новый тип раковых клеток 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. 

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.