Как раковые клетки изменяют потребление энергии в зависимости от условий окружающей среды

Предложена модель механически регулируемого гликолиза. Слева архитектура цитоскелета в нормальных клетках реагирует на механические сигналы для модуляции гликолиза. На правильном изображении сохранение архитектуры цитоскелета в раковых клетках, отделенных от механических сигналов, приводит к сохранению гликолиза. Кредит: UTSW

Используя раковые клетки лёгких человека, исследователи UT Southwestern раскрыли, как клетки в целом модулируют потребление энергии в зависимости от окружающей обстановки и, кроме того, как раковые клетки перекрывают эти сигналы для максимального использования энергии. Результаты, опубликованные на этой неделе в Природа, расширить отчет за прошлый год, в котором та же группа обнаружила, что скелет клетки может способствовать росту раковых клеток при метастазировании или при нападении химиотерапии.

«Рак ячейки испытывать переменные механические условия во время рост опухоли и распространяться, поэтому мы задавались вопросом, влияют ли механические условия также на гликолиз — клетки использование энергии, Усиленный гликолиз является отличительной чертой рака », — говорит Гауденц Данузер, доктор философии, профессор клеточной биологии и заведующий кафедрой биоинформатики в Лидии Хилл.

Механика микросреды клетки влияет на функции клетки, такие как рост, выживание, смерть и изменения в форме клетки, говорит Данусер. Все эти виды поведения требуют энергия, но Данузер говорит, что никогда не изучалось, как клетки могут изменять свое использование энергии в зависимости от их микроокружения.

Клетки могут ощущать жесткость тканей / материалов вокруг них через белки, которые составляют их скелет, он говорит. Особенно легкие клетки растягиваются и сжимаются при каждом вдохе; тем не мение легкое ткани развиваются при определенных условиях, таких как легочный фиброз или рак. Команда Danuser намеревалась изучить взаимодействие между использованием энергии и жесткостью тканей. Сначала они выращивали нормальные легочные клетки на жестких и мягких поверхностях по отдельности — стекло, покрытое жестким коллагеном, или стекло, покрытое более мягким, более желатиновым коллагеном. Измеряя метаболиты расщепления, они обнаружили, что клетки, выращенные на мягких поверхностях, обычно уменьшают потребление энергии: жесткая поверхность — больше метаболитов; мягкая поверхность — меньше метаболитов.

Затем группа исследовала, как это контролируется, и, в частности, спросила, делали ли клетки одинаковое количество критический фермент, фосфофруктокиназа (PFK), необходимая для метаболизм глюкозы, Помечая PFK таким образом, чтобы он светился зелеными и растущими клетками, содержащими этот меченый фермент, на мягких и твердых поверхностях, команда обнаружила, что первоначально было получено такое же количество фермента, но гораздо меньше было обнаружено в клетках, выращенных на мягких поверхностях. Они пришли к выводу, что что-то должно ощущать мягкую поверхность, а затем очищать ПФК после того, как это было сделано.

Далее команда задалась вопросом, легкое ли раковые клетки вел себя аналогично. Таким образом, они выросли раковые клетки легких на таких же жестких и мягких поверхностях. Они нашли много энергии на жесткой поверхности, как здоровые клетки. Но они также нашли применение высокой энергии на мягких поверхностях, опять же на основе измерения распада метаболитов.

Чтобы подтвердить, действительно ли это произошло в неповрежденных легких, команда измерила те же самые метаболиты в тканях — здоровых и опухолевых — удаленных от пациентов. Используя компьютерный измерительный инструмент, они смогли приблизить уровни PFK в отдельных клетках, растущих в более мягком центре легкого, вблизи жестких ветвей дыхательных путей и в опухолях. Клетки от опухолей и те, которые растут возле ветвей дыхательных путей, обычно имели более высокие уровни PFK, чем те, которые растут в центре легкого, как предсказано в экспериментах с культивируемыми в лаборатории клетками.

«Эти эксперименты позволили нам сделать вывод о том, что действительно существует какая-то механическая регуляция клеточного метаболизма и что раковые клетки могут переопределить эту регуляцию», — говорит Данузер, владелец заслуженного руководителя Патрика Э. Хаггерти в области фундаментальной биомедицинской науки.

Затем исследователи пришли к выводу, что определение жесткости должно как-то быть связано со скелетом клетки, который сам может динамически меняться от жесткого к более гибкому, в зависимости от того, что делает клетка. Используя микроскопы и компьютерное программное обеспечение, которое они написали сами, они исследовали скелеты в клетках, выращенных как на жестких, так и на мягких поверхностях. На жестких поверхностях они обнаружили, что клеточный скелет содержал более длинные и толстые белковые кабели; на мягких поверхностях материал каркаса был короче, менее согнут и более изогнут.

Из своих экспериментов они знали, что ПФК, ограничивающий фермент для гликолиза, каким-то образом удаляется после его создания, если клетки выращиваются на более мягких тканях. Это открытие заставило исследователей искать связь между скелетом клетки и ее системой для так называемой деградации белка или удаления ненужных ферментов. Команда систематически истощала из клеток каждый из 18 белков, которые они идентифицировали в анализе биоинформатики как кандидатов, нацеленных на ПФК для деградации. Они спросили, кто из этих кандидатов, если их уберут, увеличит энергопотребление клетки, имитируя переопределение, наблюдаемое в клетках опухоли легких.

Они нашли белок TRIM21.

Исследователи обнаружили, что более толстые пучки клеточного скелета изолируют TRIM21 и предотвращают его нацеливание на другие белки для разрушения. Когда клетка становится мягче поверхность«пучки тонкие, высвобождая TRIM21 и позволяя ему взаимодействовать с PFK, так что фермент разлагается и, следовательно, метаболизм глюкозы снижается», — говорит Данусер. Раковые клетки регулируют свои скелеты по-разному: TRIM21 остается прилипшим к скелету, предотвращая нацеливание метаболических ферментов на деградацию и поддержание высокого метаболизма.

Они также обнаружили, что генетическая мутация TRIM21, о которой клинически сообщалось при раке, приводит к скоплению белка TRIM21. Вместо того, чтобы прилипать к скелету клетки, TRIM21 прилипает к самому себе, делая его неактивным.

«Это исследование устанавливает механизм для механически регулируемого гликолиза посредством деградации PFK TRIM21 в пути, который включает скелет клетки и в конечном итоге влияет на доступность энергии в здоровых и раковых клетках», — говорит Данузер. «В рак клетки, подавляющие функцию TRIM21 посредством секвестрации, могут способствовать метаболическому признаку злокачественности: способности сохранять энергию, несмотря на изменения в окружающей среде ».

Соавторами UTSW являются Тадамото Изогал, Бонинг Гао, Джон Минна, Роберт Бачу и Ральф Де Берардинис. Среди других участников исследования — Россана Лацкано и Луиза Солис из UT MD Онкологический центр им. Андерсона и Линцин Ли и Кристофер Чен из Гарвардского и Бостонского университетов.