Противоопухолевая молекула нарушила трехмерную организацию генома раковых клеток
Российские ученые открыли необычный механизм действия нового семейства противоопухолевых препаратов. Как говорится в статье в Nature Communications, вещества под названием кураксины нарушают трехмерную организацию генома в раковых клетках, что приводит к снижению экспрессии онкогенов и других важных для жизнедеятельности клетки генов.
В человеческом геноме ДНК при помощи белковых комплексов организована в структурные домены, которые облегчают активацию транскрипции генов и их взаимодействие с удаленными регуляторными элементами — энхансерами. Такая трехмерная организация, в частности, важна для активации онкогенов — генов, избыточная функция которых приводит к злокачественной трансформации клетки. Подавление активации онкогенов лежит в основе механизма действия некоторых противоопухолевых препаратов.
Относительно недавно открытые кураксины, родственные противомалярийному препарату хинакрину, работают в том числе путем подавления удаленного взаимодействия энхансеров с онкогенами, выяснили ученые из Института биологии гена РАН, биофака МГУ и Института биоорганической химии РАН под руководством Сергея Разина. Работа была выполнена в сотрудничестве с американскими центрами изучения рака Fox Chase и Roswell Park при поддержке Российского научного фонда, РФФИ, американского Национального института рака, компании «Инкурон» и ряда других организаций.
В качестве объекта исследования авторы работы выбрали группу онкогенов семейства MYC, экспрессия которых наиболее чувствительна к действию кураксинов. На двух раковых клеточных линиях ученые показали, что активация MYC зависит от удаленных энхансеров, а на in vitro модели — что кураксин CBL0137 нарушает взаимодействие энхансера с промотором («включателем» транскрипции) гена.
Глобальное исследование структуры хроматина (ДНК-белкового комплекса ядра) методом Hi-C в присутствии кураксина CBL0137 обнаружило нарушение общей трехмерной структуры генома и изменение границ транскрипционно активных доменов. Наблюдаемое нарушение активации онкогенов, по-видимому, происходит благодаря глобальной перестройке контактов между участками хроматина, что приводит к разрушению взаимодействия ген-энхансер.
Кроме того, перестройка генома привела к снижению экспрессии полутора тысяч генов, четверть которых необходима для жизнедеятельности клетки. Этот факт также объясняет токсичность кураксина для раковых клеток.
В предыдущих исследованиях ученые показали, что кураксины нарушают взаимодействие ДНК с нуклеосомами и препятствуют работе транскрипционного комплекса FACT в раковых клетках. Однако новый механизм, ранее не описанный для противоопухолевых препаратов, затрагивает изменение физических свойств хроматина — по-видимому, кураксин делает ДНК-белковые нити более жесткими, в том числе за счет удаления белка CTCF, и не дает им изгибаться и образовывать контакты.
Класс противоопухолевых препаратов под названием кураксины был разработан и исследуется с участием российской компании Инкурон и американской Cleveland Biolabs, Inc. В настоящее время самая перспективная молекула из этой группы, вещество под номером CBL0137, успешно прошла доклинические испытания, и в 2019 году должны начаться очередные исследования ее эффективности на пациентах с меланомой.
Дарья Спасская
Бактерии научились инактививровать антибактериальную ДНК-гиразу
Немецкие ученые выяснили, что супербактерии, сохранявшие чувствительность к экспериментальному антибиотику альбицидину, защитились от него с помощью амплификации гена STM3175. Этот ген отвечает за регуляцию транскрипции малых молекул с доменом связывания, подобным ингибитору ДНК-гиразы — основы антибиотика альбицидина. Такое увеличение копии гена приводит к тысячекратному повышению уровня резистентности к препарату. Исследование опубликовано в PLoS Biology. В 2019 году почти пять миллионов человек погибло из-за бактерий, устойчивых к большинству известных антибиотиков, — супербактерий. По оценкам ученых к 2050 году это число увеличится в два раза. Основной причиной развития резистентности к противомикробным препаратам признано нерациональное их использование в медицине, ветеринарии и зоотехнии в сочетании с недостаточным пониманием механизмов бактериальной резистентности. Однако влияют и другие факторы: например, загрязнение атмосферы. Ученые постоянно ищут новые молекулы, которые были бы активны против супербактерий. Таким многообещающим соединением стал альбицидин — фитотоксичная молекула, вырабатываемая бактерией Xanthomonas albilineans, в исследованиях была эффективна против целого ряда супербактерий. Альбицидин ингибирует активность бактериальной ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и эффективно действует на ковалентный комплекс ДНК и гиразы в крайне низких концентрациях. В нескольких исследованиях уже сообщалось о развитии резистентности к этой молекуле у некоторых бактерий, однако ее механизмы оставались не до конца выясненными. Команда ученых под руководством Маркуса Фульда (Marcus Fulde) из Свободного университета Берлина изучала механизмы резистентности к альбицидину, которая развилась у Salmonella typhimurium и Escherichia coli. Для этого они подвергали бактерии воздействию высоких концентраций более стабильного аналога антибиотика и наблюдали за ростом колоний в течение 24 часов. Из 90 протестированных клонов 14 показали рост в этих условиях. Секвенирование генома этих штаммов показало, что большинство (девять штаммов) несет мутации в гене tsx, ответственном за экспрессию нуклеозидспецифичного порина, что в 16 раз увеличивало минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) антибиотика. Один из оставшихся пяти резистентных штаммов с интактным геном tsx демонстрировал более чем стократное повышение MIC, и анализ данных секвенирования его ДНК выявил амплификацию гена, приводящую к образованию 3-4 копий геномной области без однонуклеотидных полиморфизмов. При дополнительном анализе этого штамма ученые выяснили, что перекрывающаяся амплифицированная область содержит ген STM3175, который транскрибируется полицистронно в структуре оперона и N-концевой части qseB. Более тщательное изучение аминокислотной последовательности показало, что STM3175 состоит из 2 доменов: N-концевого AraC-подобного ДНК-связывающего домена и C-концевого GyrI-подобного лиганд-связывающего домена. Ученые обнаружили, что такая структура позволяет STM3175 связывать альбицидин с высокой аффинностью и инактивировать его. У разных бактерий обнаружились гомологи этого гена с теми же функциями, при этом на эффект других антибактериальных препаратов они не влияли. Знание нового механизма развития устойчивости к альбицидину позволит ученым разрабатывать новые способы модификации молекулы, чтобы обойти этот механизм. Ранее ученые обнаружили антибактериальную молекулу с широким спектром действия, которая не вызвала резистентности у микроорганизмов.