Учёные нашли способ разрушать кольцевую ДНК, помогающую раковым клеткам сопротивляться лечению
Исследователи обнаружили уязвимое место во внехромосомной ДНК — кольцевых фрагментах генетического материала, которые встречаются примерно в 17% случаев рака и могут давать опухолевым клеткам дополнительные копии генов, стимулирующих их рост. Эксперименты показали, что блокирование одного из механизмов ремонта ДНК делает эти кольца нестабильными и приводит к их постепенной потере раковыми клетками. В перспективе этот механизм может стать способом повысить чувствительность некоторых опухолей к терапии.
Обычно основная часть человеческой ДНК упакована в хромосомы. Однако в некоторых раковых клетках встречается внехромосомная ДНК, или ecDNA. Она представляет собой крупные кольцевые фрагменты ДНК размером до миллионов пар оснований, существующие отдельно от обычных хромосом. Такие кольца часто содержат дополнительные копии онкогенов — генов, активность которых способствует развитию опухоли.
В отличие от хромосом, ecDNA распределяется между дочерними клетками более случайным образом при делении. Благодаря этому внутри одной опухоли могут быстро появляться клетки с разным количеством копий важных генов. Такая изменчивость помогает опухоли адаптироваться к меняющимся условиям и давлению со стороны лекарств. Наличие ecDNA связывают с агрессивным течением некоторых видов рака, устойчивостью к терапии и худшими клиническими исходами.
Однако кольцевая форма ДНК создаёт не только преимущества. Исследователи обнаружили в ecDNA участки, особенно подверженные повреждениям. Ими оказались области с большим количеством повторяющихся последовательностей TA, в которых основания тимин и аденин чередуются друг с другом.
При активной работе находящихся на ecDNA генов молекула ДНК испытывает механическое напряжение и может закручиваться. TA-богатые участки при этом способны формировать необычные крестообразные структуры. Именно в этих местах особенно часто возникают двухцепочечные разрывы ДНК. Для сохранения кольцевой ДНК раковой клетке приходится постоянно предотвращать такие повреждения или ремонтировать их.
Учёные обнаружили двухступенчатую систему защиты. Белок FANCM помогает устранять потенциально опасные структуры до того, как ДНК разорвётся. Если разрыв всё же происходит, в восстановлении повреждения участвует другой механизм — микрогомологичное соединение концов ДНК, или MMEJ. Одним из его ключевых компонентов является ДНК-полимераза тета, обозначаемая Polθ.
Именно Polθ оказалась потенциально уязвимым звеном. Когда исследователи подавляли её работу, повреждения в кольцевой ДНК накапливались. ecDNA становилась нестабильной, часть повреждённых колец оказывалась в микроядрах — небольших структурах отдельно от основного ядра клетки — и со временем количество ecDNA уменьшалось.
При этом воздействие оказалось избирательным. Подавление других основных механизмов ремонта ДНК не приводило к такой же выраженной потере ecDNA. Одноклеточное полногеномное секвенирование также показало, что нарушение работы Polθ или FANCM сопровождается перестройками кольцевой ДНК, причём места разрывов особенно часто приходятся на участки с TA-повторами.
Эффект проверили на нескольких моделях рака, включая клетки опухолей предстательной железы, желудка и толстой кишки. Исследователи использовали экспериментальные ингибиторы Polθ и сравнивали происходящее с клетками, в которых дополнительные копии генов находились не в кольцевой ДНК, а непосредственно в хромосомах. ecDNA оказалась значительно более чувствительной к нарушению этого механизма ремонта.
Особенно показательный результат получили на клетках рака желудка SNU-16. У них дополнительные копии гена FGFR2 находятся на ecDNA. Небольшая доза ингибитора FGFR2 сама по себе практически не влияла на размножение клеток. Но сочетание этого воздействия с подавлением Polθ уже заметно замедляло их рост.
Похожий эксперимент исследователи провели с клетками, устойчивость которых к метотрексату обеспечивалась большим количеством копий гена DHFR на ecDNA. После уменьшения количества кольцевой ДНК эти клетки хуже росли под действием препарата. Если же дополнительные копии DHFR находились непосредственно в хромосоме, аналогичного эффекта не наблюдалось.
При этом само по себе подавление Polθ не оказалось универсальным способом уничтожения раковых клеток. В некоторых экспериментах количество ecDNA уменьшалось, но это не приводило к значительному замедлению размножения клеток. Наиболее выраженный эффект возникал тогда, когда выживание опухоли зависело от большого количества копий генов, расположенных именно на внехромосомной ДНК, или когда воздействие сочетали с другими препаратами.
Исследователи проверили, встречается ли обнаруженная уязвимость только в выращенных в лаборатории клетках. Анализ данных секвенирования человеческих опухолей показал, что места перестроек ecDNA у пациентов также чаще располагаются в областях с TA-повторами. Это согласуется с предположением, что такие последовательности являются естественными слабыми местами кольцевой ДНК и в реальных опухолях.
Результаты открывают потенциальный путь к воздействию на опухоли, использующие ecDNA для увеличения количества онкогенов и адаптации к терапии. Ингибиторы Polθ уже изучаются как противоопухолевые препараты, однако новая работа пока не показывает, что такое лечение способно уничтожать ecDNA-содержащие опухоли у пациентов. Основные эксперименты проводились на клеточных моделях, поэтому эффективность и безопасность такого подхода ещё предстоит проверить в дальнейших исследованиях.
Использованный в работе ингибитор Polθ RP-2119 разработан компанией Repare Therapeutics. Авторы также сообщили о связанных с компанией финансовых интересах, включая участие одного из руководителей исследования в её создании. Эти связи раскрыты в публикации.
Исследование показывает, что одна из особенностей, помогающих раковым клеткам быстро изменяться и приспосабливаться, одновременно создаёт для них слабое место. Кольцевая ДНК требует постоянного ремонта, и нарушение этого процесса способно постепенно лишать клетки дополнительных копий генов, обеспечивающих им преимущество. Теперь необходимо выяснить, можно ли использовать эту зависимость для лечения опухолей у людей и какие виды рака окажутся наиболее чувствительными к такому воздействию.
Исследование в журнале Nature.