Древо жизни: исследования тополей проливают свет на рак у человека

Изучая гены, контролирующие образование каллуса у тополей, ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж обнаружили генетические сети, лежащие в основе формирования опухолей при нескольких типах рака у человека.

Исследователи с удивлением обнаружили, что растения и люди имеют общие гены, которые запускают или подавляют неконтролируемый рост скоплений клеток — образуя каллус у тополя и опухоли у человека. Эти гены возникли миллиарды лет назад, когда растения и животные имели общего предка.

«Мы никогда не думали, что такие гены могут быть консервативными, — сказал биолог растений ORNL Веллингтон Мучеро. — Но мы видим действительно удивительную сохранность функции между растениями и людьми».

Результаты исследования, подробно изложенные в PLOS One, имеют применение как в создании улучшенных растений для производства биоэнергии, так и в поиске новых мишеней для лечения рака.

Плюс для биоэнергетики

Тополя (Populus) — многообещающая культура для биоэнергетики. Ученые из Центра инноваций в биоэнергетике (CBI) ORNL изучают генетические вариации, которые могут повысить устойчивость к засухе и болезням и увеличить выход биомассы для преобразования в биотопливо и биопродукты.

В их арсенале — генные редакторы, такие как CRISPR/CAS-9, обширная база геномных данных 882 разновидностей тополя, высокопроизводительные вычисления и экспертиза многих институтов. «Узким местом» для улучшения ключевых характеристик тополя, по словам Мучеро, является образование каллуса.

Некоторые растения легко образуют каллус, другие — вообще не образуют. Команда использовала срезанные листья тополей разных генотипов, чтобы определить, какие генетические вариации приводят к его образованию. Их анализ выявил гены, запускающие быстрое деление клеток, и гены, которые его ограничивают.

«Образование каллуса — важный шаг в создании новых генетически модифицированных растений, — пояснил Мучеро. — Без этой способности вы в тупике. Вы можете ввести свой ген, но не сможете вырастить растение».

«Быстрая регенерация растений — одна из наших целей, — сказал сотрудник ORNL и директор CBI Джерри Таскан. — Мы изучаем пролиферацию клеток как средство повышения эффективности трансформации».

То, что полезно для тополя — активные индукторы каллуса в паре с неактивными супрессорами — может быть рецептом для рака у человека.

Поиск новых методов лечения рака

Все восемь ключевых генов образования каллуса у тополя имеют аналоги у человека. Эти же гены связаны с конкретными заболеваниями, включая хронический миелоидный лейкоз, рак молочной железы и рак желудка. Хотя эти гены-«хабы», вызывающие рак, хорошо известны, именно изучение их у тополя позволило ученым увидеть связи между ними и множеством ассоциированных генов, играющих роль в их регуляции.

«Мы смогли построить сети, показывающие, как эти гены связаны друг с другом и какие промежуточные сигналы сопутствуют, — сказал Таскан. — Имея эту библиотеку коэкспрессируемых генов, фармацевтические компании могли бы начать идентификацию новых мишеней для терапии».

Новый препарат мог бы, например, ингибировать функцию связанного фермента и выключить или заблокировать генетический путь, запускающий формирование опухоли. Тополя могут помочь выявить лучшие мишени для разработки лекарств.

Новая платформа для тестирования

Поскольку тополя никогда не были одомашнены, особи сильно различаются по генетическому составу. Ученые часто могут идентифицировать генетический вариант, отвечающий за конкретный фенотип, изучив несколько сотен деревьев. Для аналогичного открытия у людей, чья ДНК совпадает на 99.9%, потребовались бы сотни тысяч индивидов.

Стрессовые воздействия, неприменимые к людям или лабораторным крысам, можно использовать в контролируемых экспериментах на растениях, чтобы подтвердить связь гена с фенотипом в различных условиях. Это более глубокое понимание работы генетических сетей может дополнить результаты традиционных исследований на мышах и повысить эффективность новых препаратов, выходящих на клинические испытания.

«Хотя мы в CBI сосредоточены на новых знаниях и технологиях для биотоплива и биопродуктов, очень приятно осознавать, что наша работа имеет более широкое применение для улучшения здоровья человека», — отметил Таскан.