Опухолевые клетки помогают друг другу добыть аминокислоты, чтобы выживать и расти

Низкая плотность клеток тормозит их рост. Конкуренция между клетками не может объяснить этот эффект, то есть клетки в культуре кооперируют. Однако исследования рака обычно сосредоточены на конкуренции между клетками. В новой работе ученые из США и Франции искали механизм клеточной кооперации, который можно таргетировать при борьбе с раком.

В отношениях между особями (в том числе клетками) внутри популяции соблюдается тонкий баланс между конкуренцией и кооперацией. По этому признаку можно выделить два типа сообществ. В не кооперирующем сообществе особи лучше себя чувствуют при низкой плотности колонии, когда всем хватает ресурсов. Особи в кооперирующих колониях чувствуют себя лучше при средней плотности популяции, когда ресурсов хватает всем, но при этом расстояние между особями достаточно мало, чтобы обмениваться ими. Выращивая разные линии раковых клеток в различных экстремальных условиях, ученые наблюдали именно такую динамику колоний. Из этого они сделали вывод, что между клетками существуют более сложные отношения, чем конкуренция.

Чтобы выяснить, отсутствие каких нутриентов вынуждает клетки «сотрудничать», из питательной среды убирали различные классы веществ и наблюдали за динамикой роста. Отсутствие глюкозы было одинаково пагубно для колоний разной плотности, и это значило, что в этом случае клетки не начинают кооперировать. Но в среде, обедненной аминокислотой глутамином, наблюдалась динамика, соответствующая кооперирующей модели. То есть колонии с меньшей плотностью погибали, а более «плотные» колонии выживали. Это значит, что в них опухолевые клетки способны каким-то образом делиться глутамином между собой.

Ученые предположили, что в условиях недостатка свободного глутамина опухолевые клетки могут добывать его, расщепляя пептиды (в экспериментах использовали дипептиды аланин-глутамин, Ala-Gln) из окружающей среды при помощи пептидаз. Образовавшиеся свободные аминокислоты затем поглощаются клеткой с помощью мембранных транспортеров. Известно, что другие пути попадания аминокислот в клетку, такие как макропиноцитоз (поглощение клеткой целых белков) или транспорт свободных аминокислот извне, являются конкурентными и не совпадают с наблюдаемым эффектом.

Чтобы подтвердить этот механизм, ученые взяли обедненную глутамином, но обогащенную Ala-Gln среду, в которой выращивали колонии высокой плотности (в которой гипотетически протекает кооперативное расщепление пептидов), и перенесли к колонии низкой плотности, которую выращивали без свободного глутамина. Колония низкой плотности выжила, подтверждая способность кооперирующих раковых клеток расщеплять пептиды вне клеток.

Далее при помощи ингибирования различных семейств протеаз была определена ключевая пептидаза CNDP2, отвечающая за гидролиз пептидов вне клетки. Ее роль в добыче глутамина была подтверждена на клеточных линиях рака кожи, легких, груди, толстой кишки и поджелудочной железы. Дополнительно ученые создали мутантную линию клеток с нокаутом Cndp2 (Cndp2-KO), которые не росли в обогащенной Ala-Gln среде. При восстановлении экспрессии Cndp2 колония начинала расти.

Дополнительно проводились эксперименты на мышах, содержавшихся на обедненной аминокислотами диете. Им вводили опухолевые клетки с мутацией в Keap1, более чувствительные к снижению уровня аминокислот, включая глутамин, но с лучшей защитой от активных форм кислорода. Затем в течение 10 дней вводили препарат бестатин — ингибитор аминопептидазы — или буферный раствор (контрольная группа) и наблюдали за ростом опухоли. Через 2–3 недели у части мышей, получавших бестатин, опухоли не пальпировались. В экспериментах с введением Cndp2-KO эффект был еще более выраженным.

В заключение исследователи пронаблюдали взаимодействие Cndp2-KO и клеток дикого типа (без нокаута Cndp2) при совместном культивировании в условиях дефицита свободных аминокислот. На коротком промежутке Cndp2-KO росли быстрее, «воруя» глутамин, который добывали клетки дикого типа. Однако при длительном наблюдении дикий тип был более успешен и в конце концов клетки Cndp2-KO исчезали. При использовании среды, обогащенной глутамином, эффект пропадал.

Как было показано, аминопептидаза CNDP2 регулирует кооперацию во многих типах опухолей. Ее роль в добыче глутамина была подтверждена на клеточных линиях рака кожи, легких, груди, толстой кишки и поджелудочной железы. Это делает ее важной терапевтической мишенью при борьбе с раком.

Колонии синегнойной палочки прекращают рост из-за эгоистов