Сигаретный дым перепрограммирует стволовые клетки легких и влияет на тип развивающегося рака

Хроническое воздействие сигаретного дыма может перепрограммировать различные популяции стволовых клеток легких — клетки, которые поддерживают и восстанавливают легочную ткань — так, что они становятся уязвимы к определённым генным изменениям, вызывающим рак, и это в конечном итоге влияет на тип развивающегося рака легких.

В работе, выполненной на лабораторных органоидах лёгких, учёные из Комплексного онкологического центра Джонса Хопкинса Сидни Киммела отслеживали изменения в клетках в течение шести месяцев воздействия конденсата сигаретного дыма — смеси химических веществ и частиц, содержащихся в дыме. Они показали, что хроническое воздействие меняет эпигенетическую программу, регулирующую активность генов, и профиль экспрессии в разных популяциях стволовых клеток, создавая несколько предраковых состояний. Когда исследователи затем вводили два генетических изменения, часто связанные с курением и раком лёгкого, KRAS и TP53, изменённые популяции стволовых клеток реагировали по-разному. Мутации KRAS приводили в основном к образованию аденокарциномы лёгкого из клеток, происходящих от бронхиоальвеолярных стволовых клеток, а утрата супрессора опухолей TP53 вызывала плоскоклеточный рак, возникший из базальных стволовых клеток.

Результаты, опубликованные 5 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогают объяснить, как факторы внешней среды, эпигенетические изменения и генетические мутации могут взаимодействовать на самых ранних этапах возникновения немелкоклеточного рака лёгких (НМРЛ) — наиболее распространённого типа рака лёгких.

Эпигенетические изменения — это химические модификации, которые влияют на включение или выключение генов без изменения последовательности ДНК, в то время как генетические изменения, такие как мутации, меняют саму последовательность ДНК. Оба типа изменений могут влиять на активность онкогенов, например KRAS, и генов‑супрессоров опухолей, таких как TP53.

«Мы пытались смоделировать рак лёгких с самых ранних стадий. Используя эти богатые стволовыми клетками органоидные модели, мы могли проследить изменения эпигенетики и экспрессии генов в разных типах стволовых клеток в течение шести месяцев воздействия», — отмечают авторы. TP53 может вызывать НМРЛ, но такие мутации встречаются и в нормальных или предраковых тканях, что указывает на то, что одной лишь мутации может быть недостаточно для запуска опухолевого процесса. Сигаретный дым дополнительно провоцирует хроническое воспаление и вызывает эпигенетические и другие изменения, поэтому исследователи решили изучить их совместную роль в превращении нормальных клеток лёгких в раковые.

Учёные создавали органоиды лёгких — миниатюрные трёхмерные модели, содержащие несколько типов лёгочных клеток — из ткани нормальных мышей и затем подтвердили ключевые ранние находки в органоидах, полученных из нормальной ткани человека.

Со временем воздействие сигаретного дыма изменило соотношение и поведение клеток в органоидах и повлияло на эпигенетическую регуляцию — механизмы, которые определяют упаковку ДНК и доступность генов для включения или выключения. Эти изменения сопровождались перестройкой программ экспрессии генов.

Среди заметных эффектов учёные зафиксировали подавление воспалительных и иммунных сигнальных путей, а также генов, участвующих в программируемой гибели клеток. В числе пострадавших генов был ZBP1 , ключевой регулятор воспалительной гибели клеток.

Затем исследователи проверили, делает ли предшествующее воздействие дыма органоиды более восприимчивыми к трансформации при возникновении раковых мутаций. В органоиды, подвергшиеся и не подвергшиеся шести месяцам воздействия, они вводили либо мутантный KRAS, либо нокаутированный TP53, а затем имплантировали эти клетки мышам.

Опухоли развились только из органоидов, которые сперва подвергались воздействию дыма и одновременно несут одно из генетических изменений. Само по себе воздействие дыма не вызывало опухолей и не приводило к появлению тех же генетических изменений в необработанных контрольных органоидах.

Тишина в экспрессии ZBP1 и связанной с ним интерферонной сигнальной передачи была особенно выражена в опухолях с KRAS -мутациями, что наводит на мысль: снижение этой обычной защиты от гибели клеток может помочь Раковым клеткам, управляемым KRAS, выживать. Анализ данных человеческой аденокарциномы лёгких также показал значительно более низкую экспрессию ZBP1 и связанных с ним генов интерферонного пути в опухолях с мутациями KRAS по сравнению с опухолями с мутациями TP53.

«Это говорит нам о том, что одного генетического события недостаточно», — сказала одна из ведущих авторов исследования, Ваз. Вместе со старшим соавтором Стивеном Бэйлином, доктором медицины, она подчёркивает: сначала клетки должны претерпеть изменения под влиянием хронического воздействия дыма, и только потом они становятся восприимчивыми к трансформации при появлении мутаций.

Что ещё более важно, разные генетические изменения вызывали два различных варианта НМРЛ. У подвергшихся дыму органоидов с мутантным KRAS развился низкодифференцированный рак с признаками аденокарциномы лёгкого, тогда как у подвергшихся дыму органоидов, лишённых TP53, сформировался плоскоклеточный рак.

Секвенирование одноядерной РНК позволило проследить происхождение опухолей к разным популяциям стволовых клеток. Аденокарциномы, ассоциированные с KRAS, по‑видимому, происходят из изменённого состояния бронхиоальвеолярных стволовых клеток — клеток, находящихся в местах пересечения дыхательных путей и альвеол. Плоскоклеточный рак с дефицитом TP53 связывали с изменённым состоянием, происходящим из базальных стволовых клеток, которые поддерживают и восстанавливают слизистую оболочку дыхательных путей.

«Было очень интересно, что, когда мы вводили KRAS или вызывали потерю TP53, каждое генетическое событие, похоже, «выбирало» определённый тип состояния стволовых клеток», — отметила Ваз. «Мы не направляли мутации в конкретные типы клеток — именно состояние клеток определяло, какой путь трансформации развивался».

По мнению авторов, результаты показывают: тип рака лёгких, который в итоге развивается, зависит и от того, какая мутация возникает, и от молекулярного состояния клетки, в которой эта мутация закрепляется. Хроническое воздействие сигаретного дыма, по‑видимому, меняет эти состояния через сочетание воспалительных реакций, эпигенетических преобразований и изменений в экспрессии генов, формируя разные микроконсистенции, благоприятные для роста определённых мутаций.

Изменённые состояния стволовых клеток, выявленные в исследовании, потенциально могут служить молекулярными маркерами ранней эволюции различных подтипов НМРЛ. Авторы подчёркивают, что это требует дополнительной экспериментальной проверки, но такие маркеры теоретически могли бы помочь в раннем выявлении людей с повышенным риском и в стратегиях предотвращения рака.

Результаты также ставят вопрос о том, можно ли будет целенаправленно воздействовать на некоторые из путей, модифицируемых сигаретным дымом, в терапевтических целях.

«Интересный следующий шаг — узнать больше об этих путях гибели клеток и проверить, можно ли на них воздействовать, особенно в KRAS против ТП53 настройке», — сказала Ваз. «Можем ли мы сочетать это с эпигенетической терапией или иммунотерапией и сделать опухоли, которые сейчас плохо реагируют на лечение, более чувствительными?»

Дальнейшее изучение эпигенетических изменений в отдельных состояниях стволовых клеток также может выявить новые терапевтические уязвимости, полагают авторы.

Помимо Ваза и Бэйлина, в исследовании участвовали: На Ван, Ракша Падаки, Сара‑Джейн Терсби, Рэй‑Уэй Чиу, Йен, Лесли Коуп, Малкольм Брок, Эдвард Габриэльсон и Харихаран Исваран.

Исследование было поддержано Фондом медицинских исследований доктора Мириам и Шелдона Г. Адельсонов, Фондом Ходсона, Премией Американской ассоциации лёгких за открытие рака лёгких, Премией Эвелин Гроллман Глик, Премией Университета Джонса Хопкинса за открытия, TEDCO, Национальным институтом наук о здоровье окружающей среды (грант R01ES011858), Национальным институтом рака (гранты R01CA229240 и R01CA230995), грантом поддержки P30CA006973 Комплексного онкологического центра Сидни Киммела при Университете Джонса Хопкинса и Научно‑исследовательским институтом Ван Андела через «Команду мечты по эпигенетике противодействия раку».