Почему раковые клетки не подвергаются генетическому коллапсу?

Рак развивается из одной клетки, которая выходит из-под контроля. Мутации заставляют её агрессивно расти, не считаясь со здоровьем организма. Но если раковые клетки накапливают вредные мутации быстрее, чем могут от них избавиться, не должна ли популяция в итоге вымереть?

Как раковые клетки избегают полного генетического коллапса?

Чтобы разобраться в этом, учёные из Пекина и Тайбэя решили изучить уязвимость рака с точки зрения мутаций на примере самых известных культивируемых раковых клеток — линии HeLa.

Эти клетки, знаменитые тем, что были выделены в 1951 году у пациентки с раком шейки матки Генриетты Лакс, стали первой бессмертной клеточной линией. Они помогли в разработке вакцины от полиомиелита и стали фундаментальным ресурсом в биотехнологии для любых исследований in vitro, разработки лекарств и изучения рака.

«В этом исследовании клетки HeLa используются не для раскрытия процесса опухолеобразования, а в основном как модель для изучения лежащих в основе эволюционных сил, которые должны быть достаточно мощными, чтобы их можно было измерить в лабораторных условиях. Мы изучили вариацию скорости роста среди отдельных клеток HeLa, отслеживая клоны из общей популяции клеток-предшественников HeLa», — сказал автор-корреспондент Сюэмэй Лу.

Учёные сначала создали линию клеток HeLa (E6), происходящую от клетки-предшественника. Когда популяция E6 достигла примерно 5 × 10⁴ клеток (15–16 делений), было создано и культивировано пять клонов от одной клетки. Команда провела секвенирование ДНК этих клонов, чтобы каталогизировать мутации. Они сосредоточились на вариации числа копий генов (CNV), а не на единичных изменениях ДНК, потому что скорость однонуклеотидных мутаций слишком мала, чтобы вызвать значительную вариацию за время коротких экспериментов по культивированию.

«Затем мы оценили скорость вредных мутаций и среднее снижение приспособленности на одну мутацию, выполнив компьютерное моделирование роста клеток», — сказал автор Хурн-И Ван.

В целом они обнаружили, что основные мутации влияют на число копий генов, со средним показателем 0,29 вредных событий на каждое клеточное деление. Каждое такое событие снижает приспособленность на 18%.

Их результаты показывают, что неоднородность в скорости роста клеток может возникать за очень короткий период времени в раковых клетках, является наследуемой и генетически детерминированной.

«Наши оценки показывают, что клетки HeLa испытывают снижение приспособленности на 5% (0,29 × 0,18 ≈ 5%) за каждое поколение. Наши наблюдения позволяют предположить, что человеческие клетки, культивируемые в течение достаточно длительного периода, всё ещё генерируют вредные мутации в форме CNV с высокой скоростью и высокой интенсивностью. Для таких систем мутационный коллапс может быть вероятным».

Например, когда они выделили 39 клеток из B8 (быстрорастущего клона) и 40 клеток из E3 (медленнорастущего клона) и наблюдали за их ростом из одной клетки в течение семи дней, примерно 23% клеток B8 и 50% клеток E3 погибли в течение семи дней из-за повреждений, вызванных при выделении клеток, или генетических дефектов.

Большинство клеточных линий со скоростью роста < 0,6 погибли в течение 2 месяцев. В общей сложности только 60% клеток B8 и 27% клеток E3 выжили более двух месяцев.

Затем они отобрали около 20 клеток из каждого из клонов, происходящих от одной клетки B8, и подсчитали число хромосом.

Количество хромосом сильно отличалось от нормального для человека (46). Оно варьировалось от 38 до 113, причём большинство клеток (72%) содержали от 55 до 70 хромосом, что указывает на их триплоидность. Таким образом, несмотря на происхождение от одной клетки, потомство быстро генерировало анеуплоидию всего за 20–30 клеточных делений, что снова иллюстрирует частые цитогенетические изменения в раковых клетках.

Несмотря на уровень происходящих мутаций, снижение скорости роста и количество хромосом, не соответствующее норме для человека, раковые клетки всё же находят способ выжить.

Так как же клетки HeLa сохраняются?

«Высокая скорость вредных мутаций создаёт впечатление, что линии клеток HeLa могли бы давно вымереть», — сказала Лу.

Их результаты моделирования показали, что хотя большинство клеток накопили вредные мутации и были хуже клеток-предшественников, всё ещё оставалось 13,1% клеток, свободных от мутаций.

«Эти клетки, свободные от мутаций, могут предотвратить вымирание популяции».

Это также объясняет, почему даже если химиотерапия успешно убивает 90% популяции раковых клеток, этого может быть недостаточно.

Новое исследование не только углубляет понимание эволюции клеток HeLa и опухолей в целом, но и клеток многоклеточных организмов в культуре. В будущей работе учёные хотят использовать свои данные о приспособленности и скорости роста раковых клеток, чтобы понять, как можно сделать раковые клетки ещё более уязвимыми для современных прорывных методов лечения, таких как ингибиторы контрольных точек.