Когда теряется хромосома: Как человеческие клетки реагируют на моносомию?

Человеческие клетки обычно диплоидны — содержат два набора хромосом. Клетки, в которых отсутствует одна хромосома из дублированного набора, как правило, нежизнеспособны. Долгое время механизмы, ответственные за эту потерю жизнеспособности, были неизвестны. Исследователи из Технического университета Кайзерслаутерна (TUK) в сотрудничестве с Европейской лабораторией молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге и Кобленцским университетом прикладных наук изучили последствия уменьшенного числа хромосом в человеческих клетках. В процессе им впервые удалось реализовать экспериментальный подход с жизнеспособными моносомическими клетками. Основные результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Моносомия возникает при неправильном распределении хромосом во время обычного клеточного деления, в результате чего клеткам не хватает одной хромосомы в иначе двойном (диплоидном) наборе. Единственная форма этого отклонения в числе хромосом (анеуплоидия), которую человеческие клетки могут пережить, известна как синдром Тернера. Его признак: присутствует только одна из двух X половых хромосом. «Однако, что происходит в человеческих соматических клетках, которым не хватает других, не половых хромосом, до сих пор не изучалось, потому что моносомические клетки, как правило, нежизнеспособны», — объясняет профессор Зузана Сторхова, автор исследования.

«Когда возникает моносомия, белок "p53", кодируемый так называемым геном-супрессором опухолей TP53, обеспечивает остановку клеточного цикла. Другими словами, клетки перестают делиться. Поэтому мы отключили этот ген в части наших клеточных линий, изначально полученных из клеток сетчатки человека, чтобы снизить выработку кодируемого белка. Таким образом, нам впервые удалось получить стабильные моносомические клеточные линии для исследовательских целей», — сообщает первый автор исследования д-р Нарендра Кумар Чундури.

Исследовательская группа сосредоточилась на влиянии моносомии на пролиферацию (рост/размножение клеток), стабильность генома, а также на то, как потеря хромосомы влияет на количество мРНК и белков (транскриптом и протеом соответственно). «Примечательно, что мы наблюдали сниженные уровни цитоплазматических рибосомных белков и сниженный синтез белка (трансляцию) во всех моносомических клеточных линиях. Соответственно, мы предполагаем, что потеря хромосомы нарушает биогенез рибосом и тем самым клеточную пролиферацию. Мы также показали, что это изменение запускает остановку клеточного цикла и/или старение через сигнальный путь p53», — сказал Чундури.

Моносомия и рак

Результаты также проливают свет на связь между раком и моносомией. Повторяющаяся потеря целой хромосомы или её плеча распространена при определённых опухолях, таких как нейробластома, рак лёгких и миелоидные злокачественные новообразования. Чундури объясняет: «Поскольку моносомии жизнеспособны только без p53, мы предсказали, что при раках с моносомией путь p53 должен быть дефектным. Анализ научных баз данных, связанных с раковыми изменениями, таких как "The Cancer Genome Atlas (TCGA)" и "Cancer Cell Lines Encyclopedia (CCLE)", действительно выявил сильную связь моносомии с инактивацией p53 и нарушением рибосомного пути». Этот анализ был бы невозможен без сотрудничества с биоматематиками Сяосяо Чжан и профессором Майком Кшиско из Кобленцского университета прикладных наук.

Эффект дозы гена

Исследовательская группа также провела систематический анализ транскриптома и протеома моносомических клеточных линий в сравнении с их родительскими линиями — то есть количественное определение всех матричных РНК (мРНК), транскрибированных на основе ДНК, а также всех белков в клетках. Как и ожидалось, это показало, что экспрессия генов, локализованных на моносомной хромосоме, снижена. Биоинформатик Пол Менгес добавляет: «Тем не менее, мы наблюдали более низкие уровни только у 20% кодируемых белков. Мы подозреваем, что здесь вступили в игру эффекты дозы гена. Клеткам необходимо вернуться к своим "естественным" диплоидным уровням белка, чтобы поддерживать свою функцию и таким образом компенсировать потерю хромосомы. Мы предполагаем два возможных сценария: во-первых, трансляция мРНК, кодируемых генами на этой хромосоме, может быть избирательно увеличена, или, во-вторых, деградация белка снижена. Наши результаты показывают, что клетки используют несколько путей для смягчения последствий изменённой экспрессии генов».

«В итоге мы впервые представляем успешный экспериментальный подход для изучения эффектов моносомии в человеческих соматических клетках, — подводит итог Сторхова. — При этом мы смогли опереться на знания об анеуплоидных клетках, полученные в предыдущих исследованиях. Теперь мы продолжим исследовать эффекты моносомии, чтобы лучше понять её вклад в развитие рака».