Влияние динамики р21 на эффективность химиотерапии

Химиотерапия может остановить прогрессирование рака, заставляя клетки переходить в неделящееся состояние, называемое старением, но иногда это приводит к размножению опухолевых клеток. Теперь выяснилось, что динамика белка р21 определяет судьбу клеток после химиотерапии.

Химиотерапия индуцирует повреждение ДНК, что приводит к гибели клеток. Но в некоторых случаях опухолевые клетки переходят в неактивное состояние — старение, при котором клетки еще живы, но уже окончательно перестали делиться. В нормальных клетках за старением следует дегенерация тканей. Старение, индуцированное противоопухолевой терапией, ассоциировано с положительными клиническими исходами. Таким образом, более полное понимание факторов, определяющих старение опухолевых клеток, может помочь в разработке новых противоопухолевых методов лечения.

Несмотря на достижение значительного прогресса в раскрытии факторов, определяющих старение, процессы, которые в конечном итоге приводят к клеточному старению, все еще плохо изучены. Факты свидетельствуют о том, что регулирование клеточных процессов старения — сложный процесс. Влияния только факторов, связанных с инициированием старения клетки, недостаточно для «активации» процесса старения.

Белок р21 — универсальный ингибитор клеточного цикла, действующий путем ингибирования белковых комплексов, называемых циклинзависимыми киназами. При повреждении ДНК p21 останавливает деление и рост клеток, тем самым давая им время для восстановления ДНК. Это предотвращает развитие катастрофических для клетки последствий. Существуют доказательства того, что p21 связан с активацией клеточного старения во время проведения химиотерапии. Несмотря на это некоторые исследования показывают, что этот белок может способствовать делению раковых клеток после химиотерапии. Одним из возможных объяснений этого противоречия является то, что уровень и динамика p21 после химиотерапии играют ключевую роль для определения дальнейшей судьбы раковых клеток.

Чтобы проверить эту теорию, ученые разработали систему микроскопии для изучения тысяч отдельных культивируемых клеток рака легких и толстой кишки человека, которые при этом были обработаны химиотерапевтическим препаратом, повреждающим ДНК. Авторы отслеживали уровень р21, пометив его флуоресцентным белком, а также соответствующие изменения различных стадий клеточного цикла. В отличие от предыдущих исследований, предполагающих, что высокие уровни p21 обязательно связаны с ростом клеток либо со старением, авторы подробно описывают, как уровни p21 влияют на судьбу клеток. Ученые отметили, что в случаях, когда химиотерапия приводила к первоначальному повышению уровня р21 с последующим его снижением до низких уровней, происходило деление клеток, а не старение (рис. 1). Раковые клетки, которые начали стареть после медикаментозного лечения, первоначально имели низкий уровень p21, постепенно повышающийся до высокого уровня.

Авторы предполагают, что существует уровень р21, который является оптимальным для деления опухолевых клеток после химиотерапии. Как может динамика p21 управлять судьбой клетки? Химиотерапевтические препараты наиболее вредны для ДНК при их введении во время стадии клеточного цикла, на которой происходит репликация ДНК. Предположительно клетки, подвергающиеся химиотерапии во время репликации ДНК, будут иметь более высокие уровни p21, чем клетки, обработанные до репликации ДНК. Но при этом в клетках, обработанных во время репликации ДНК, отмечаются множественные повреждения ДНК и низкие уровни p21, которые со временем увеличиваются. Обработка клеток перед репликацией ДНК приводила к быстрому увеличению экспрессии р21, уровень которого в зависимости от отдельной клетки либо возвращался к низкому уровню, либо увеличивался в дальнейшем.

Как некоторые раковые клетки с вызванным лекарственными препаратами повреждением ДНК возвращаются к низким уровням экспрессии p21 и приобретают способность делиться? Авторы предлагают модель, которая представляет динамическую регуляцию экспрессии р21 и объем повреждения ДНК. Они предполагают, что судьба клеток после химиотерапии проявляет свойство, называемое бистабильностью — клетки могут пойти по одному из двух путей. 

Тогда на стадии клеточного цикла перед репликацией ДНК при средней экспрессии p21 и наличии небольших колебаний сигналов, идентифицирующих повреждение ДНК в результате химиотерапии, возможна быстрая индукция или снижение экспрессии p21. Это приводит к изменению состояния клеток, заставляя их начать стареть или делиться соответственно.

Однако при нахождении клетки на стадии репликации ДНК достаточно лишь небольшого увеличения уровня p21 для установления стабильно высокого уровня p21, что приводит к активации процессов старения, так как при этом на этой стадии клеточного цикла сигналы повреждения ДНК выше, чем обычно, поскольку могут возникать ошибки во время репликации ДНК. Таким образом, уровень р21 и объем повреждения ДНК определяет, будут ли клетки делиться после химиотерапии. Чтобы оценить клиническую значимость этого открытия, следует подробно изучить дозовую и лекарственную зависимость динамики р21 во время химиотерапии.

Эти результаты повышают вероятность того, что прицельное действие на раковые клетки на определенных стадиях клеточного цикла приведет к значительным различиям клеточной реакции на химиотерапию. Клетки, на которые воздействовали во время или вскоре после репликации ДНК, с большей вероятностью активируют процесс старения, чем клетки до репликации. Это необходимо исследовать в дальнейшем. Однако применение такого подхода в клинике может быть затруднено, учитывая, что опухоли включают популяции клеток, находящиеся на разных стадиях клеточного цикла. Одна из стратегий для решения этой проблемы может заключаться в определенном воздействии на клетки для того, чтобы привести их к стадии клеточного цикла, на которой химиотерапия будет наиболее эффективной. Авторы обнаружили, что если клетки обрабатывали небольшой молекулой, запускающей репликацию ДНК, то после химиотерапии старение клеток происходило чаще, чем деление.

Еще одна проблема — определить оптимальный результат после химиотерапии для конкретного вида опухоли: для некоторых идеальной клеточной реакцией может быть старение. Опухоли, более склонные к смерти в ответ на клеточные повреждения, можно лечить более эффективно, вызывая гибель клеток, а не старение.

Данная работа предоставляет основу для понимания того, что определяет судьбу раковых клеток после химиотерапии. Теперь пришло время изучать этот прогресс, чтобы определить, можно ли найти стратегии, которые максимально повысят эффективность противоопухолевой терапии.