Художественная интерпретация деления раковых клеток
Раковые клетки известны своей способностью бесконтрольно делиться и генерировать орды новых опухолевых клеток. Большая часть топлива, потребляемого этими быстро размножающимися клетками, – это глюкоза, разновидность сахара.
Ученые полагали, что большая часть клеточной массы, из которой состоят новые клетки, в том числе раковые, происходит из глюкозы. Однако биологи из Массачусетского технологического института к своему удивлению обнаружили, что основным источником нового клеточного материала являются аминокислоты, которые клетки потребляют в гораздо меньших количествах.
Полученные данные предлагают новый способ взглянуть на метаболизм раковых клеток – область исследований, в которой, как надеются ученые, появятся новые лекарства, ограничивающие способность раковых клеток расти и делиться.
"Если вы хотите успешно воздействовать на метаболизм рака, вам нужно кое-что понять о том, как разные пути используются для фактического увеличения массы тела," – говорит Мэтью Вандер Хайден, доцент кафедры биологии Эйзена и Чанг по развитию карьеры и член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха.
Вандер Хайден – старший автор исследования, опубликованного 7 марта в журнале Developmental Cell. Ведущий автор статьи – аспирант Массачусетского технологического института Аарон Хосиос.
Горит
С 1920-х годов ученые знали, что раковые клетки генерируют энергию иначе, чем нормальные клетки, – явление, получившее название "Эффект варбурга" в честь его первооткрывателя, немецкого биохимика Отто Варбурга. Человеческие клетки обычно используют глюкозу в качестве источника энергии, расщепляя ее посредством ряда сложных химических реакций, требующих кислорода. Варбург обнаружил, что опухолевые клетки переключаются на менее эффективную метаболическую стратегию, известную как ферментация, которая не требует кислорода и производит гораздо меньше энергии.
Совсем недавно ученые предположили, что раковые клетки используют этот альтернативный путь для создания строительных блоков для новых клеток. Однако одна из опровержений этой гипотезы заключается в том, что большая часть глюкозы превращается в лактат, продукт жизнедеятельности, бесполезный для клеток. Кроме того, было проведено очень мало исследований о том, что именно входит в состав новых раковых клеток или любых быстро делящихся клеток млекопитающих.
"Поскольку млекопитающие едят такое разнообразие продуктов, казалось, что вопрос о том, какие продукты на какие части массы влияют, остается без ответа," Вандер Хайден говорит.
Чтобы определить, где клетки, в том числе в опухолях, получали необходимые им строительные блоки, исследователи вырастили несколько различных типов раковых и нормальных клеток в чашках для культивирования. Они скармливали клеткам различные питательные вещества, помеченные различными формами углерода и азота, что позволяло им отслеживать, где оказались исходные молекулы. Они также взвешивали клетки до и после разделения, что позволяло им рассчитать процент клеточной массы, вносимый каждым из доступных питательных веществ.
Хотя клетки потребляют глюкозу и аминокислотный глютамин с очень высокой скоростью, исследователи обнаружили, что эти две молекулы мало влияют на массу новых клеток – глюкоза составляет от 10 до 15 процентов углерода, обнаруженного в клетках, а глутамин – около 10. процент углерода. Вместо этого наибольший вклад в массу клетки вносили аминокислоты, из которых состоят белки. Как группа, аминокислоты (за исключением глутамина) составляют большинство атомов углерода, обнаруживаемых в новых клетках, и от 20 до 40 процентов от общей массы.
По словам Вандер Хайден, хотя поначалу это было удивительно, результаты имеют смысл, поскольку клетки состоят в основном из белка.
"Есть некоторая экономия в использовании более простого и прямого пути создания того, из чего вы сделаны," он говорит. "Если вы хотите построить дом из кирпича, будет проще, если у вас будет куча кирпичей и использовать эти кирпичи, чем начинать с грязи и делать новые кирпичи."
Смена акцента на вопрос
Остается загадкой, почему пролиферирующие клетки человека потребляют так много глюкозы. В соответствии с предыдущими исследованиями, исследователи обнаружили, что большая часть глюкозы, сжигаемой этими клетками, выделяется в виде лактата.
"Это привело нас к выводу, что важность высокого потребления глюкозы не обязательно связана с манипуляциями с углеродом, которые позволяют создавать клеточную массу, но больше с другими продуктами, которые он обеспечивает, такими как энергия," Хосиос говорит.
Лаборатория Вандера Хайдена в настоящее время стремится к более полному пониманию того, как эффект Варбурга может помочь клеткам воспроизводиться. "Это перефокусирует вопрос," он говорит. "Это не обязательно о том, как эффект Варбурга помогает клеткам вкладывать глюкозу в клеточную массу, но больше о том, почему преобразование глюкозы в лактат помогает клеткам использовать аминокислоты для создания большего количества клеток."