Дыхание митохондрий остановило рак

Наше исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, посвящено белку р53, который является супрессором (подавителем) развития раковых опухолей.

р53 – это белок-супрессор опухолей, кодируемый у людей геном ТР53. Если мутация происходит в этом гене, то человек может стать более восприимчивым к развитию злокачественной опухоли той ткани, в которой произошла эта мутация. p53 чрезвычайно важен для многоклеточных организмов. Он регулирует клеточный цикл и может служить антионкогеном, то есть предотвращать развитие рака.

Из-за этого р53 иногда называют «хранитель генома», «ген ангел-хранитель» или «старший смотритель», имея в виду его функцию по сохранению стабильности, предотвращению мутаций генома.

Механизмов антираковых функций р53 несколько. Он распознает повреждения хромосомной ДНК и может индуцировать временную остановку деления клеток в так называемых точках регулирования (check-point) клеточного цикла. р53 также способен активировать гены белков, исправляющих повреждения ДНК (например, при перерождении клетки в раковую). За время паузы белки, восстанавливающие ДНК, получают необходимое для работы время. Если ДНК восстанавливает нормальную функцию, клетки снова начинают делиться, и их ракового перерождения не происходит. Если повреждение ДНК не поддается исправлению, р53 способен запустить процесс апотоза – запрограммированной гибели клетки. Похожим образом р53 может реагировать и на другие клеточные стрессы.

Наша работа возникла на стыке двух тематик (изучения белка р53 и работы митохондрии), которые обычно мало пересекаются. В лаборатории молекулярной биологии гена Института им. Белозерского, которую возглавляет профессор Андрей Вартапетян, проводились исследования активности опухолевого супрессора р53 при действии различных стрессов. Один из видов клеточного стресса – нарушение работы дыхательной цепи митохондрий. Митохондрии – это органеллы, которые являются «энергетическими станциями» клетки. Со стороны митохондрий идеологию работы определял Борис Черняк, руководитель группы отдела биоэнергетики, известный специалист по митохондриям.

Что такое дыхательная цепь митохондрий? В процессе преобразования энергии используются богатые энергией электроны, заключенные в питательных веществах. Перенос электронов идет последовательно через ряд сложных белковых комплексов (с номерами от 1 до 4), плавающих в митохондриальной мембране и образующих «дыхательную цепь». Продвигаясь по этой цепи, электроны последовательно переходят на все более низкие энергетические уровни и в конце концов соединяются с кислородом воздуха, которым мы дышим. При этом энергия, отдаваемая электронами, преобразуется в биологически полезные формы, в частности, в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

В нашей работе было обнаружено интересное явление. Оказалось, что когда цепь переноса электронов перекрывали на уровне комплексов 1, 2 или 4, активность опухолевого супрессора р53 оставалась на исходном низком уровне. Однако при нарушении переноса электронов через комплекс 3 дыхательной цепи митохондрий происходила значительная активация р53.

Это означает, что сами по себе неполадки в работе дыхательной цепи не так важны для клетки, как остановка потока электронов через комплекс 3.

В последнем случае сигнал о несчастье достаточно быстро передается в клеточное ядро, уровень и активность р53 резко возрастает, в результате чего включается работа генов, ответственных за остановку клеточного цикла. Клетки перестают делиться, и через некоторое время в них включается механизм программируемой клеточной смерти – апоптоз.

Так как неполадки в работе дыхательной цепи происходят в митохондриях, а активированный р53 работает в другой части клетки, в ядре, должен существовать путь передачи сигнала от митохондрии в клеточное ядро. Мы занялись поиском этого сигнального пути. Нельзя сказать, что мы нашли все его звенья, однако ключевое звено было выявлено. Оказалось, что за передачу сигнала ответственен фермент DHODH, который участвует в биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов (мономерных блоков для синтеза новых молекул ДНК и РНК). Этот фермент расположен в митохондриальной мембране вблизи комплекса 3 дыхательной цепи. Остановка потока электронов через комплекс 3 ведет к нарушению работы этого фермента и, как следствие, остановке синтеза пиримидиновых нуклеотидов.

Синтез РНК и ДНК происходит в клеточном ядре, и нарушение каждого из этих процессов может приводить к активации р53. Мы показали, что недостаток мономерных блоков для образования новых молекул РНК и ДНК в делящейся клетке и является причиной активации р53. Так, добавление пиримидиновых нуклеотидов в среду для роста клеток выключало активацию р53 при ингибировании комплекса 3, и клетки выживали.

Итак, в нашей работе впервые показано, что биосинтез пиримидиновых нуклеотидов является связующим звеном между дыхательной цепью митохондрий и опухолевым супрессором р53.

Выявление нового пути активации р53 важно как с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки методов лечения онкологических заболеваний.

Наш научный коллектив базируется в Институте физико-химической биологии им. Белозерского (является подразделением Московского государственного университета). Кроме того, Институт тесно сотрудничает с факультетом биоинженерии и биоинформатики МГУ, неофициальное название этого симбиоза – «институт-факультет». Сотрудники института, активно работающие в разных областях на стыке биологии с физикой, химией или информатикой, не только читают лекции, ведут семинары и практикумы; существенным элементом образования является научная работа студентов в лабораториях института, начиная с младших курсов. Сотрудники института становятся их «тьюторами» – так называется (по примеру элитных учебных заведений Англии) наставник студента, который помогает ему приобщиться к научной работе.

Возможно, это прототип той организации «штучного» образования, которое наилучшим образом способно подготовить студентов к будущей работе в сфере науки.

В нашей работе принимали активное участие студенты и аспиранты факультета. Первый автор – Анастасия Хуторенко – аспирантка факультета; второй автор – Владимир Рудко – студент. Настя Хуторенко и Володя Рудько начали работать в лаборатории молекулярной биологии гена (зав. лаб. проф. А. Б. Вартапетян), будучи студентами третьего курса. Я стала их тьютором, научила экспериментальной работе и привлекла к исследованию механизмов активации опухолевого супрессора р53 при ингибировании дыхательной цепи митохондрий. В результате Н. Х. с отличием защитила дипломную работу и продолжила работу по этой теме в аспирантуре. В. Р. защитил дипломную работу в конце мая 2010 года, тоже с отличием.

Кроме того, мы активно сотрудничали с Петром Чумаковым, который одновременно является руководителем лаборатории в Исследовательском институте Лернера (Кливленд, США) и в ИМБ РАН. Будучи специалистом по опухолевому супрессору р53 мирового уровня, он постоянно помогал нам как идеологически (мы вместе планировали эксперименты и обсуждали их результаты), так и осуществлял оперативную доставку из США необходимых для работы векторов, клеточных линий и антител.