Клетки, из которых состоит наш организм, постоянно общаются друг с другом, иногда напрямую посредством физического прикосновения. Эти взаимодействия позволяют клеткам реагировать на своих соседей, адаптироваться к окружающей среде и организовываться в полностью функционирующий организм.
Изучение того, как эти взаимодействия влияют на клетки на генетическом уровне, исторически было проблемой для научного сообщества. Однако группа ученых из Университета Содружества Вирджинии (Virginia Commonwealth University, VCU) и Университета Копенгагена (University of Copenhagen) разработала инновационный подход, позволяющий отслеживать, как соседние клетки вызывают изменения в экспрессии генов друг друга.
Результаты исследования, опубликованные в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут иметь важное значение для понимания того, как раковые и нормальные клетки влияют друг на друга.
«Это исследование действительно является доказательством принципа и показывает, что мы можем использовать этот подход, чтобы лучше понять, как соседние клетки влияют друг на друга на генетическом уровне», — комментирует Раджан Гогна (Rajan Gogna), научный сотрудник отделения молекулярной генетики Медицинской школы VCU (VCU School of Medicine) и один из ведущих авторов исследования.
«Насколько нам известно, это первое исследование такого рода, раскрывающее генетические изменения, связанные с клеточными взаимодействиями».
Прослушивание соседних клеток
Посылая друг другу сигналы, клетки могут инициировать изменения в экспрессии генов — процессе, посредством которого информация, закодированная в наших генах, используется для генерации белков, выполняющих различные функции в организме. Соседние клетки также могут влиять на экспрессию генов посредством физического контакта. Особенно важен этот вид связи в период развития человека, когда из соседних клеток формируются различные виды органов и тканей.
«Клетки нашего организма не действуют в вакууме, а функционируют как единое целое. Гены, которые включаются внутри наших клеток, во многом зависят от того, где они расположены и с кем взаимодействуют», — добавляет Пол Фишер (Paul Fisher), профессор кафедры молекулярной генетики и кафедры онкологии в Комплексном онкологическом центре VCU Massey (VCU Massey Comprehensive Cancer Center), который принимал участие в этом исследовании.
«Конечная цель этого исследования заключалась в том, чтобы лучше понять, как клетки общаются друг с другом и что они говорят друг другу делать».
Ученые могут использовать такие исследовательские методы, как секвенирование одноклеточной РНК, чтобы выявить различия в моделях экспрессии генов между отдельными клетками. Однако этот метод не может адекватно определить расположение отдельных клеток или то, как они влияют друг на друга.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи разработали подход, который сочетает в себе секвенирование РНК и искусственный интеллект для выявления генетических сигнатур, связанных с определенными взаимодействиями соседних клеток.
Для этого доклинического исследования ученые измерили закономерности экспрессии генов в небольших кластерах клеток. С помощью математического моделирования им удалось выявить генетические изменения, которые происходят, когда определенные клетки контактируют друг с другом.
«Мы выделили образцы, содержащие всего две или три клетки, и, используя эту стратегию, мы смогли точно определить, какие генетические изменения были вызваны физическим соприкосновением клеток друг с другом», — объясняет Гогна.
Затем исследователи проверили свой подход, проанализировав взаимодействие между клетками хрусталика глаза и нервными клетками-предшественниками, которые располагаются в головном мозге. Эксперимент подтвердил, что модель может успешно предсказать, какие гены активируются в результате физического соприкосновения этих клеток друг с другом.
Совсем недавно ученые продемонстрировали, что этот подход также можно применять к наборам данных независимых исследований. Ученым удалось идентифицировать гены, на которые влияют соседние клетки в различных микроокружениях, например, в тканях мозга и печени. Результаты исследования, опубликованные в октябре 2023 года в научном журнале Molecular Systems Biology, показывают, что клетки могут оказывать большее генетическое влияние на своих соседей, чем считалось ранее.
Борьба с раком
По мнению авторов исследования, помимо открытия новых возможностей для биологических исследований, новый подход может сыграть важную роль в продвижении исследований рака.
«Наша конечная цель — применить этот метод, чтобы лучше понять, как рак влияет на нас. Мы хотим понять, как раковые клетки взаимодействуют с другими клетками организма и наоборот», — подчеркнул Гогна. «Мы хотим знать, как раковые клетки развиваются вокруг наших нормальных клеток и как они реагируют на лечение».
Фишер добавил: «Эти данные имеют важный потенциал для определения подходящих методов лечения, препятствующих росту и прогрессированию рака, а также для определения путей, вызывающих гибель опухолевых клеток».
Нормальные клетки постоянно обмениваются сигналами, регулирующими их рост и деление, и этот процесс часто определяет, когда клетке необходимо отключиться, чтобы освободить место для новых, более здоровых клеток.
Однако раковые клетки растут бесконтрольно, и исследования показали, что многие виды рака формируются, когда клеточная связь нарушается. Также было показано, что раковые клетки влияют на поведение нормальных клеток. Например, некоторые виды рака могут вовлекать в процесс нормальные клетки для развития новых кровеносных сосудов, которые, в свою очередь, обеспечивают кислородом и питательными веществами растущие опухоли.
«При разработке методов лечения различных опухолей не менее важно, а иногда и более важно учитывать среду, в которой растет опухоль», — утверждает Фишер. «Чтобы более эффективно остановить развитие рака, необходимо учитывать как опухоль, так и ее окружение».
Авторы исследования отмечают, что эти методы могут также помочь исследовательскому сообществу лучше понять расовые различия в восприимчивости к раку и выживаемости.
Исследования показали, что расовые различия, во многом обусловленные сочетанием структурного, экономического и социально-экологического неравенства, существуют как в заболеваемости раком, так и в его исходах. Некоторые исследования показывают, что наследственный риск определенных подтипов рака и влияние окружающей среды на экспрессию генов также могут способствовать этим различиям.
«Помимо исследований рака, разработанные методы в конечном итоге могут быть использованы для улучшения нашего понимания других заболеваний», — заключает Фишер. «Я с нетерпением жду действительно фантастических открытий в будущем».
Статья по теме: Геном собак открывает дверь в понимании рака у людей.
Руководитель Отдела организации клинических исследований, врач-онколог, уролог в АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), редактор и автор статей
