Как известно, процесс образования раковой опухоли запускается на уровне генов: в клетке нарушается правильный баланс генной экспрессии, повышается транскрипция «опасных» генов и понижается транскрипция тех генов, которые должны были держать «опасные» гены «в руках». Получившиеся в результате транскрипции мРНК плывут в цитоплазму и там дают начало «опасным» белкам, которые заставляют клетку превратиться в раковую.

Вышеописанные процессы очень неплохо изучены на уровне транскрипции — хорошо известно, по какой причине начинается синтез мРНК для того или иного онкогена, какие его запускают транскрипционные факторы, чем его можно затормозить и так далее. Но у проблемы есть и еще один аспект — ведь в зависимости от некоторых обстоятельств онкогенная мРНК может подвергнуться очень сильной или очень слабой трансляции, таким образом столкнув клетку в пропасть злокачественного перерождения либо удержав ее на краю этой пропасти.

Для того чтобы изучить этот «трансляционный» аспект, необходимо подробно исследовать изменения в белковом синтезе при перерождении клетки в раковую и особое внимание уделить тем белкам, которые регулируют этот синтез. И один из главных таких белков — mTOR.

mTOR — это протеинкиназа, фермент, который занимается фосфорилированием белков. Фосфорилирование, то есть присоединение к одной из аминокислот белка фосфатной группы, — один из самых распространенных в клетке способов изменить поведение белка: «включить» его, «выключить», переместить в другой клеточный компартмент и так далее. mTOR фосфорилирует в основном белки, связанные с трансляцией; всего лишь фосфорилировав тот или иной свой субстрат, mTOR определяет, какие в клетке будут производиться белки, от чего напрямую зависит, что за процессы произойдут в этой клетке и — шире — какова будет ее судьба.

В норме работа mTOR регулирует прежде всего рост клетки и ее размножение. Это процессы очень тонкие, можно сказать «балансирующие на лезвии бритвы»: малейший перекос в одну сторону может привести к старению или смерти клетки, в другую — к ее бесконтрольному размножению и развитию раковой опухоли. Поэтому и слишком слабая, и, особенно, слишком «рьяная» работа mTOR очень опасна для организма. В частности, показано, что mTOR гиперактивен практически во всех случаях рака простаты (который является наиболее частым раком у мужчин) и при ряде других раков.

Группа американских исследователей под руководством Давида Руггеро (Davide Ruggero) и Кристиана Роммеля (Christian Rommel) исследовала связь между активностью mTOR и развитием рака.

Первый этап исследований проводился на культуре клеток рака простаты PC3, в которых mTOR гиперактивирован. Ученые задались целью выяснить, на трансляцию каких именно белков влияет mTOR, и для этого провели «профилирование рибосом» (ribosome profiling) — изучили набор мРНК, которые в момент исследования участвовали в синтезе белков при подавлении работы mTOR (опыт) и в отсутствие подавления (контроль).

Метод ribosome profiling основан на том, что участок мРНК, который в данный момент транслируется рибосомой, защищен от действия разрушающих мРНК ферментов — нуклеаз. Комплексы мРНК с рибосомами выделяют из клеток и обрабатывают нуклеазами. После очистки сохранившихся фрагментов мРНК их превращают в ДНК с помощью специального фермента — обратной транскриптазы — и анализируют последовательность нуклеотидов. Этот метод в сочетании с методами определения последовательности нуклеотидов «нового поколения» позволяет идентифицировать только те мРНК, которые в данную минуту участвуют в трансляции, и оценить их количество. Проводя это исследование при разных условиях, можно выяснить, с чем связано повышение или понижение уровня трансляции тех или иных белков.

Для подавления работы mTOR авторы применили новый ингибитор — РР242. В отличие от «классического» ингибитора, рапамицина, изменяющего конформацию mTOR и нарушающего его связывание с белком-субстратом, РР242 предотвращает связывание mTOR с АТФ — донором фосфата — и значительно сильнее блокирует активность mTOR.

По сравнению с рапамицином, PP242 сильно уменьшал трансляцию 144 мРНК. В дальнейших исследованиях ученым удалось выявить некоторые особенности последовательности нуклеотидов, характерные для большинства из этих мРНК. По наличию или отсутствию в мРНК данной последовательности можно с большой вероятностью предсказать, будет ли ее трансляция регулироваться mTOR или нет.

Среди 144 мРНК, трансляция которых подавлялась под действием PP242, более половины составляли мРНК белков, принадлежащих к так называемому «аппарату трансляции», то есть тех, без которых трансляция пройти не может: мРНК рибосомальных белков (см. ribosomal protein), а также белков, необходимых для инициации трансляции и ее продолжения. Это понятно: mTOR, как регулирующий рост и размножение клетки белок, в принципе повышает общий уровень трансляции и особенно «старается» в раковых клетках. Но вот что особенно интересно и важно: следующей по размеру фракцией в «подавляемой» группе оказались мРНК генов, непосредственно связанных с прорастанием опухолей в здоровые ткани и их метастазированием (рис. 2). В последующих экспериментах исследователи подробнее изучили некоторые особенно важные гены, соответствующие мРНК из этой фракции (в работе они были названы «генами прорастания» — invasion genes), и их связь с активностью mTOR. Судя по результатам этих экспериментов, метастазирование в большой степени зависит от mTOR, и потому ингибирование этого белка может оказаться очень полезным при лечении раковой опухоли.

Классификация регулируемых mTOR мРНК

Рис. 3. Классификация регулируемых mTOR мРНК. Видно, что второй по размеру является группа мРНК, связанная с прорастанием опухоли/метастазированием. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Исследователям удалось определить, на трансляцию каких генов влияет mTOR, а кроме того — найти ингибитор этого белка, работающий по новому, отличному от рапамицина, принципу. Возникают естественные вопросы: в какой мере эффекты, наблюдающиеся в культуре клеток, соответствуют происходящему в организме? Не сможет ли новый ингибитор помочь в борьбе с раковой опухолью? Чтобы проверить это, ученые разработали аналог PP242, подходящий для клинических исследований, который назвали INK128, а затем провели с ним эксперименты на линии лабораторных мышей с гиперактивированным геном mTOR. У этих мышей хорошо воспроизводятся различные стадии развития рака простаты. По сравнению с мышами дикого типа, у них была обнаружена повышенная экспрессия генов, непосредственно связанных с метастазированием опухолей и их прорастанием в здоровые ткани.

Эксперименты свидетельствовали о большом клиническом потенциале INK128: на ранних стадиях развития рака у мышей этот препарат вдвое снижал размеры предраковых разрастаний ткани — видимо, за счет уменьшения размножения клеток и огромного (в десять раз!) увеличения уровня апоптоза — запрограммированной клеточной смерти.

Итак, исследователи выяснили, с трансляцией каких именно белков связана работа mTOR и подробнее изучили некоторые из этих белков, а кроме этого разработали новый, и очень перспективный, ингибитор mTOR. Особенно ценно то, что этот ингибитор способен повлиять на такое важное для развития раковой опухоли событие, как метастазирование. Возможно, INK128 и другие блокаторы АТФ-связывающего сайта окажутся эффективными для лечения не только рака простаты, но и других онкологических заболеваний. Но прежде нужно убедиться, что они не дадут неприемлемых побочных эффектов, поскольку mTOR принимает участие и в нормальной жизнедеятельности клетки.