Лаборатория молекулярной медицины

Научные результаты:

Современные методы изучения молекулярных механизмов канцерогенеза легких позволили выявить новые белки-мишени для таргетной лекарственной терапии, особый интерес среди которых представляют белки, способствующие метастазированию и активации антиапоптотических каскадов, к которым относится трансглутаминаза 2 типа (TG2).

TG2 является высококонсервативным ферментом, катализирующим Ca2⁺-зависимое трансамидирование белков. Конформационные изменения белковой структуры наделяют TG2 способностью проявлять также GTP-азную, серин-треонин-специфическую киназную и протеиндисульфидизомеразную активности. Известно, что изменение активности или регуляции TG2 может привести к возникновению ряда неопластических и фибропролиферативных заболеваний, включая злокачественные опухоли и фиброз легких, почек и сердца. Помимо внутриклеточных функций, TG2 опосредует взаимодействие интегринов с фибронектином и связывает белки внеклеточного матрикса в межклеточном пространстве, что, в свою очередь, влияет на метастазирование опухолевых клеток. По литературным данным известно, что высокий уровень TG2 в клетках почечно-клеточной карциномы (ПКР) коррелирует с низкой выживаемостью пациентов и повышенной устойчивостью к химиотерапевтическим препаратам, в то время как ингибирование TG2 подавляет рост опухоли ПКР р53-опосредованной индукцией апоптоза. Однако роль TG2 в модуляции активности онкосупрессора р53 в контексте рака легкого остается невыясненной.

Для исследования потенциального механизма взаимодействия TG2 с р53 были получены изогенные клеточные линии А549 (дикий тип р53) и H1975 (мутантный р53) с нокаутом и оверэкспрессией TG2, соответственно. Далее анализ характера изменений р53 и его белков-мишеней проводился с помощью метода Вестерн блот и ОТ-ПЦР. Влияние TG2 на изменение устойчивости к генотоксическим препаратам и пролиферативный потенциал клеток оценивали с помощью клоногенного и MTT-тестов, а также на клеточном анализаторе RTCA xCelligence eSight. В совокупности полученные данные позволяют предположить, что TG2-опосредованная деградация только р53 дикого типа может способствовать повышению выживаемости раковых клеток в присутствии противоопухолевых препаратов. Дальнейшая работа предполагает исследование подробного механизма взаимодействия TG2 с р53 и возможного участия убиквитинлигазы MDM2 в данном процессе.

Таким образом, удалось показать, что фермент TG2 участвует в деградации р53 дикого типа, но не затрагивает онкогенные функции мутантного р53 в клетках аденокарциномы легкого, что приводит к повышению резистентности раковых клеток с экспрессией TG2 к стандартным химиотерапевтическим препаратам.

Трансглутаминаза 2 типа (TG2) участвует в регуляции протеостаза в условиях клеточного стресса посредством пост-трансляционной регуляции фактора теплового шока 1 (HSF1; Россин и др., 2018). HSF1 является основным фактором транскрипции, который регулирует реакцию на протеотоксический стресс, контролируя транскрипцию многих генов, чувствительных к стрессу, включая белки теплового шока. Был идентифицирован новый молекулярный механизм контроля активации HSF1. В частности, было продемонстрировано, что TG2 через свою дисульфид-изомеразную активность запускает тримеризацию и активацию HSF1, регулируя адаптацию клетки к стрессу и нарушениям в протеостазе. В частности, было обнаружено, что потеря функции TG2 коррелирует с нарушением ядерной транслокации HSF1 и его способности связываться с промотором гена HSP70.

Еще один результат проведенных исследований раскрывает возможную роль TG2 в развитии гепатоцеллюлярной карциномы (ГЦК), например, участие TG2 в неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Было продемонстрировано влияние TG2 на прогрессирование НАЖБП, индуцированной с помощью диеты с высоким содержанием жиров, как на мышах дикого типа, так и на мышах с генетическим нок-аутом TG2. Животных кормили стандартной диетой или высокожировой (42% энергии из жира) диетой в течение 16 недель. Результаты экспериментов показали, что отсутствие функциональной TG2 вызывает нарушение аутофагии/митофагии и приводит к прогрессированию заболевания. Данные были подтверждены фармакологическим ингибированием TG2 у животных дикого типа (WT).

Чтобы определить роль TG2 в развитии гепатоцеллюлярной карциномы, что представляет собой главную цель гранта, трехмесячные мыши C57BL/6 дикого типа и нокаутные по гену TG2 (TG2 KO) подвергались процедуре индукции канцерогенеза печени диэтилнитрозамином (DEN) в сочетании с высокожировой диетой (HFD). Эта модель полностью воспроизводит все клинические признаки ГЦК, такие как резистентность к инсулину, воспаление, фиброз и канцерогенез. В результате было обнаружено, что у мышей дикого типа развивается большее количество опухолей, имеющих гораздо более выраженный размер, чем у мышей TG2 KO. Эти результаты имеют большое значение, поскольку они показывают, что отсутствие TG2 предотвращает прогрессирование ГЦК. Фактически, у мышей, лишенных TG2, в основном развивались мелкие пренеопластические узелки (1-2 мм), которые крайне редко достигали размеров, сопоставимых с опухолями, обнаруженными у мышей дикого типа. Важно отметить, что в печени мышей TG2 KO был обнаружен гораздо более низкий уровень провоспалительных цитокинов после индукции канцерогенеза.

Эти данные предполагают, что ингибирование TG2 может представлять собой новый способ противодействия развитию ГЦК (был подан патент на использование ингибирования HSF1 и TG2 для лечения ГЦК). В соответствии с этими результатами поиск в базе данных TCGA показал, что экспрессия TG2 у пациентов с ГЦК является негативным прогностическим маркером. Это подтверждает онкогенную роль TG2 и дает основания для потенциального клинического применения его генетического или фармакологического ингибирования. Также надо отметить, что сходные с генетическим нокаутом результаты были получены при обработке мышей цистеамином, ингибитором TG2, одобренным FDA, что подтверждает потенциальную возможность его использования в лечении пациентов. В настоящее время изучается экспрессия TG2 in vivo примерно в 50 биоптатах ГЦК человека, чтобы подтвердить результаты, полученные на описанной выше мышиной модели.

Образование и переподготовка кадров:

• В составе лаборатории выполняют исследовательские работы аспиранты ИНЦ РАН и студенты вузов Санкт-Петербурга.

• В 2018-2020 гг. студентами-участниками проекта были защищены 2 бакалаврские и 4 магистерские квалификационные работы.

• В 2019 году аспирант лаборатории прошел стажировку по современным методам протеомики в лаборатории ведущего ученого Пьячентини Мауро в Римском университете Тор Вергата (Италия).

• 2 сотрудника лаборатории прошли курс повышения квалификации «Современные методы использования лабораторных грызунов в трансляционных биомедицинских исследованиях» в МГУ имени М.В.Ломоносова (ноябрь 2019 г.).

• Сотрудниками лаборатории была организована и проведена международная конференция «Regulation of proteostasis in cancer» (г. Санкт-Петербург, 2019 г.).

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Построен виварий для содержания иммунодифицитных мышей, рассчитанный на содержание около 200 животных.

Другие результаты:

• При поддержке гранта РФФИ (20-015-00060) изучена и показана важная роль адгезионного рецептора, сопряженного с G-белками, GPR123, как нового маркера плюрипотентных клеток человека и эффектора процесса репрограмирования.
• При поддержке гранта РНФ (21-75-20132) с помощью метода математического моделирования показана принципиальная возможность по морфологическим признакам, как не инвазивным методам оценки, проводить селекцию лучших клонов индуцированных плюрипотентных клеток человека (иПКЧ). На основе использования нейронных сетей построен классификатор, показавший способность определять фенотип колонии иПКЧ по морфологическим критериям, представленным на фазово-контрастных изображениях с высокой степенью точности (89% точности определения).
• При поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение №075-15-2021-1075 от 28.09.2021) показана роль мутации в гене CaSR в индукции остеодифференцировки. Выявлено, что пациент-специфические иПКЧ, несущие мутацию в гене CaSR, не способны к полной остеодифференцировке по сравнению с иПКЧ, полученными от здоровых доноров, что может указывать на связь данного гена с патогенезом остеопороза.

Сотрудничество:

Римский университет Тор Вергата (Италия): совместные исследования и публикации.