Онкология

Онкология — одно из самых динамично развивающихся направлений биомедицинских исследований. С одной стороны медицинское и практическое значение этой темы обеспечивает ей интерес общества и обширное финансирование; с другой — изучение раковой клетки и эволюции опухолей проливает свет на самые фундаментальные вопросы биологии, что делает данный спецпроект интересным для биологов самых разных специальностей.

Редактор спецпроекта — Мария Кондратова, к.б.н специалист в области молекулярной биологии рака и онкоиммунологии, автор научно-популярных книг «Кривое зеркало жизни» и «Невидимый страж», которые мы горячо рекомендуем всем интересующимся молекулярной онкологией и иммунологией.

---

Партнер спецпроекта — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Обсудив механизмы развития рака на генетическом и эпигенетическом уровнях [1], мы можем перейти на следующий уровень организации живого — на клеточный. Ведь патогенная драйверная мутация, возникнув в клетке, выступает лишь в роли триггера злокачественного процесса, не являясь болезнью сама по себе. Однако молекулярные поломки генов нарушают тонкую систему регуляции разнообразных клеточных процессов и меняют ее будущую судьбу. О трех вариантах «жизненного пути» злокачественной клетки — делении, старении и смерти — мы поговорим в очередной статье нашего спецпроекта «Онкология» [1–4].

Клеточный цикл

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели. Какие-то из клеток — как, например, эпителий кишечника или стволовые клетки костного мозга — делятся на протяжении всей жизни, участвуя в регенерации тканей. Другие, напротив, достигнув высокого уровня специализации, делиться перестают. Таковы многие виды нейронов и клетки сердечной мышцы. Именно ролью отдельной клетки в организме в целом и определяется судьба каждой клетки — продолжать делиться; замереть, затормозив пролиферацию (сенесценция); или умереть, чтобы уступить место молодым (апоптоз). В основе любого из этих исходов лежат сложные биомолекулярные процессы, регулирующие разные аспекты жизнедеятельности клеток.

Рак нарушает порядок в этой слаженной системе регуляции [5]. Клетки, «перешедшие на темную сторону», меняют траекторию развития, «забывая» нормальное предназначение и прежние функции в организме. Однако общие принципы регуляции клеточного цикла одинаковы и для нормальных клеток, и для опухолевых, с тем лишь отличием, что в последних либо выпадают отдельные элементы регуляции, либо, напротив, они чрезмерно активны [6].

В результате механизмы, необходимые для приостановки деления, в опухолевых клетках ослабевают; а процессы, в норме способствующие делению, напротив, усиливаются. Однако порой рак использует в своих интересах даже такие изначально анти-опухолевые процессы, как апоптоз [7].

В этой статье мы рассмотрим, как именно нарушения регуляции клеточного цикла в раке, а также апоптоз и сенесценция берутся на вооружение злокачественными опухолями; и как их изучают исследователи — видя в этих процессах потенциальные терапевтические мишени для борьбы с раком.

Логика клеточного цикла

Клеточный цикл — это процессы, происходящие от одного деления клетки до следующего. Приоритетная цель деления состоит в равномерном распределении неповрежденного генетического материала между двумя дочерними клетками. На обеспечение этого результата работают сложные молекулярные механизмы (рис. 1).

Начинается все с клеточных рецепторов, которые распознают особые молекулы — факторы роста (или митогены), подающие клетке сигнал к делению. Связывание ростовых факторов внеклеточными доменами этих трансмембранных рецепторов приводит к изменению структуры внутриклеточных доменов, которые в результате приобретают фосфорилирующую активность (способность модифицировать белки, присоединяя к ним остаток фосфорной кислоты).

Удивительно, но именно посредством простого присоединения или отрыва фосфорных групп от различных биомолекул, по сути, и обеспечивается вся сложность реакций клеточного цикла и протекание самого процесса клеточного деления. Подробнее о молекулярном устройстве ростовых рецепторов можно прочесть в статье, посвященной рецептору щелочи: «Рецептор „нетрадиционной ориентации“» [8].

В клетке запускаются каскады реакций фосфорилирования одних белков другими. В конце концов, эта «молекулярная эстафета» достигает ядра, где комплекс циклин D-CDK4 фосфорилирует белок ретинобластомы (pRB), связанный с транскрипционным фактором E2F (pRB-E2F), что приводит к распаду этого комплекса. Высвобождение E2F запускает в ядре транскрипцию большого числа генов пролиферации и завершается физическим разделением клетки на две дочерние.

По подсчетам исследователей, в клеточном цикле задействовано более 750 различных белков [11] (!) Такое множество молекул необходимо, чтобы обеспечить комплексную регуляцию процесса деления. Сложность сигнальных каскадов в делящейся клетке обеспечивает сразу несколько эффектов:

• активацию комплексов последующих стадий;
• инактивацию комплексов предыдущих стадий.

Эти условия способствуют однонаправленному протеканию деления [12], однако бесповоротность этого процесса в сочетании с основной его целью — распределением неповрежденной ДНК — рождает необходимость иметь «план Б». В том случае, если ее ДНК все-таки оказалась повреждена, клетка должна иметь возможность необратимо выйти из клеточного цикла. Такими запасными «путями отступления» для делящейся клетки являются апоптоз (запрограммированная клеточная смерть) и сенесценция (остановка клеточного цикла при сохранной метаболической активности) [13] (рис. 2).

Контрольные точки — клеточная проверка на дорогах

В клеточном цикле выделяют четыре основные фазы (рис. 1 и 2), проходя через которые, клетка претерпевает ряд значимых молекулярных событий. В пререпликативную G1-фазу происходит активный рост, синтез белков и АТФ, а также дупликация органелл. После чего в фазу S синтезируется копия ДНК (репликация), а в следующую фазу — G2 — клетка готова закончить подготовительный этап (интерфазу) и приступить собственно к митотическому делению (М-фазе). Последовательный и плавный переход из одной фазы в другую обеспечивается работой контрольных точек (чекпоинтов) — молекулярных регуляторов, распределенных по фазам клеточного цикла, в которых происходит «контроль качества» различных молекулярных событий [14]. Всего таких чекпоинтов выделяют три и обозначают их по границе фаз клеточного цикла, переход между которыми и контролирует чекпоинт.

В течение всей интерфазы, пока деление еще не произошло, клетка убеждается, что ее ДНК не повреждена (G1/S-чекпоинт); в S-фазу — что структура репликативной вилки не нарушена и репликация прошла полностью (G2/M-чекпоинт); а в M-фазу — что веретено деления собралось правильным образом и каждая его нить несет отдельную хромосому (M/G1-чекпоинт). Выбор клеточной судьбы в результате работы чекпоинтов зависит от степени повреждения ДНК и фазы цикла, когда оно произошло. В пререпликативный период клетке доступны самые различные варианты, и, если она не подвергается апоптозу, то может уходить даже в обратимое состояние покоя (так называемый quiescence). На более поздних этапах интерфазы (S/G2), ближе к делению, играть с огнем мутаций становится опаснее, поэтому клетка прагматично выбирает один из сценариев выхода из цикла. Рассмотрим все три чекпоинта подробнее:

• G1/S: контрольная точка рестрикции. Здесь клетка принимает окончательное решение: двигаться ей дальше по клеточному циклу или нет, а для этого происходит проверка наличия мутаций в ДНК, не совместимых с продолжением деления. Поломки ДНК — вовсе не редкость (а, скорее, часть нормальной жизни): одни лишь двунитевые разрывы происходят по 10–50 раз в день в каждой клетке [15] в случайные моменты интерфазы. Главное тут — каждое такое событие включает особую «сигнализацию», активирующую либо репарацию ДНК, либо замедление и остановку клеточного цикла.

• G2/M: контрольная точка интерфазы. Этот чекпоинт функционирует в течение S-фазы и отвечает на стресс, связанный с репликацией: от дисбаланса молекул, необходимых для репликации, до формирования трехмерных структур генома, создающих препятствия для прохождения репликативных комплексов [20]. На этом этапе важную роль в протекании клеточного цикла играет киназа ATM, обеспечивающая как регуляцию раннего пререпликативного периода (G1), так и способная вызывать арест клеточного цикла в пострепликативный период (G2).

• M/G1: контрольная точка сборки веретена. Для большей надежности существует и третий чекпоинт, работающий в M-фазу (проще говоря, во время митоза). Он отвечает на различные нарушения структуры веретена деления — в этот период тубулиновые микротрубочки начинают растаскивать хромосомы с экватора делящейся клетки к ее полюсам, чтобы обеспечить равномерное распределение ДНК между дочерними клетками. Если какая-то из хромосом не подцепилась или если обе сестринские хроматиды одновременно связались с одной нитью, возникает риск получить в результате деления клетки с неравным генетическим набором (кариотипом). Данную проблему и предотвращает чекпоинт M/G1 сборки веретена деления (spindle assembly checkpoint, SAC), восстанавливая генетический порядок.
  Инициация митоза — процесс необратимый, поэтому клетка не может выйти из него до тех пор, пока необходимость в чекпоинте сборки веретена не отпадает. Для клетки это означает одно — все хромосомы присоединены, порядок, едем дальше! Однако продолжительная активация SAC-комплекса (например, в случае терапии стабилизаторами микротрубочек — препаратами класса таксанов или алкалоидов винка) может завершиться уже знакомыми апоптозом или сенесценцией (либо так называемым «засыпанием» (mitotic slippage) [24]). В этом случае митоз завершается без сегрегации хромосом и последующего цитокинеза, а клетка входит в новую интерфазу, будучи тетраплоидной [25], [26].

Опухоль берет власть в свои руки. Чекпоинты и апоптоз

Логично предположить, что хаотичное деление опухолевых клеток запускается факторами, действующими непосредственно на пролиферацию. Однако результаты недавних исследований указывают, что неконтролируемое деление в раке в первую очередь вызвано мутациями в генах, в норме запускающих апоптоз в ответ на повреждение ДНК и способствующих выходу из клеточного цикла. То есть, не «зажать газ», а скорее «отключить тормоз». Патогенные мутации затрагивают все ключевые сигнальные белки как самого клеточного цикла, так и выхода из него [29]. В этом смысле и перед самой опухолевой клеткой стоит парадоксальная задача — выключить чекпоинты, ограничивающие деление; при этом сохранить те, что обеспечивают генетическую сохранность (иначе не выжить и раковой клетке) [30].

Интерфаза — единственный момент, когда клетка может выйти из цикла, если что-то пошло не так. Устранение клетки или ее обратимый выход в состояние покоя обеспечивается чекпоинтом повреждения ДНК (G1/S). Во многом этот выход зависит от активации p53-зависимого пути программированной клеточной гибели — апоптоза [31], запустить который могут как внешние, так и внутренние факторы (и в первую очередь это — повреждение ДНК) (рис. 4). При апоптозе клеточная ДНК фрагментируется, и вся клетка распадается на аккуратно упакованные пузырьки — апоптотические тельца, которые затем поглощаются фагоцитами. Апоптозом управляет сложная сеть белок-белковых взаимодействий во главе с главными эффекторами — специальными протеазами каспазами.

Неудивительно, что мутации, инактивирующие p53, очень часто вызывают рак (подсчитано, что они встречаются в половине злокачественных новообразований [32]). Однако, если мутации p53 препятствуют выходу из клеточного цикла (блокируя p53-индуцированный апоптоз), то существует и обратный механизм, позволяющий, напротив, неконтролируемо входить в него. Множество мутаций в протоонкогенах направлены как раз на эту часть биологии клетки (а в широком смысле — на поддержание активности транскрипционного фактора E2F, приоритетной мишени комплекса циклин D-CDK4/6) [33]. Таким образом, при раке нарушаются по меньшей мере два основополагающих механизма, останавливающих деление клеток с грубыми нарушениями ДНК (рис. 5).

При этом, если функционирование G1/S-чекпоинта в раке почти всегда и нарушено, два других чекпоинта — G2/M и M/G1, обеспечивающие сохранность ДНК активно делящихся опухолевых клеток, — продолжают в опухолевой клетке поддерживаться: это необходимо для выживания всех клеток, в том числе и раковых. Мутации генов, обеспечивающих работу данных чекпоинтов, встречаются в раке гораздо реже (по сравнению с тем же TP53) [34].

По мере того, как в опухолевой клетке стимулируется деление, в ней усиливается инициация S-фазы (а значит, и последующее повреждение ДНК, обусловленное репликацией). В клетке возникает репликационный ДНК-стресс — индуцированный онкогенами. Данный вид стресса вызывает геномную нестабильность и, как считается, вносит вклад в формирование внутриопухолевой гетерогенности [35]. Так как опухолевые клетки активно делятся, поддержание чекпоинта в S-фазе становится необходимым условием, чтобы избежать критического уровня повреждения ДНК при репликации, несовместимого с выживанием клетки. Логика здесь очень проста: клетка необратимо вошла в клеточный цикл, теперь ее план — выжить любой ценой [36].

На выполнение этого плана опухолевой клетки работает и M/G1-чекпоинт. Примечательно, что, несмотря на важность для развития рака, в небольшой доле опухолей наблюдается дефект данного чекпоинта: в частности, выявляются мутации белков, входящих в состав его основного компонента — комплекса сборки веретена деления (SAC) [37]. Опухолевые клетки во многом полагаются на стабильное функционирование этого комплекса, проводя в M-фазе в три раза больше времени, чем нормальные. Поэтому дисфункция SAC определяет возникновение одного из ярких признаков рака — анеуплоидии [38].

Ошибки при сегрегации хромосом в процессе деления, нарушения их количества и структуры порождают в опухолевых клетках хромосомную нестабильность (chromosome instability, CIN) — важное свойство некоторых опухолей, способное определять их клинический прогноз [39]. С одной стороны, низкий уровень хромосомной нестабильности служит хорошим источником комбинативной изменчивости и способствует эволюции опухоли, участвуя даже в развитии резистентности к антиопухолевым препаратам [40], [41]. Высокий уровень CIN , напротив, вредит самой опухоли и ведет к стремительному накоплению летальных повреждений в ее клетках [42].

Однако интерпретация CIN high как прогностического маркёра вызывает больше дискуссий. В то время, как одни исследования указывают на улучшение прогнозов в некоторых локализациях и рака, другие выявляют снижение общей выживаемости пациентов с CIN high опухолями, что не позволяет использовать данный маркёр как универсальный [43–45].

Терапевтические подходы, направленные на клеточный цикл и апоптоз

Выше мы попытались описать основные механизмы, лимитирующие активность клеточного цикла, и то, как эти механизмы нарушены в опухолевой клетке. Доступные на сегодняшний день лечебные опции были немыслимы всего каких-то двадцать-тридцать лет назад: за последние годы достигнут колоссальный прогресс в лекарственной терапии, а в особенности в разработке таргетных препаратов, направленных на различные опухолевые белки, среди которых важное место занимают белки, регулирующие клеточный цикл.

В последние годы фурор в клинической онкологии произвели ингибиторы циклин-зависимых киназ 4 и 6 (CDK4/6), уже ставшие стандартом для метастатического гормон-зависимого рака молочной железы (палбо-, рибо-, абемациклиб) [46–48]. Эти молекулы останавливают клеточный цикл в точке, где сходятся все вышележащие молекулярные пути, идущие от мембранных рецепторов, — в комплексе циклин-CDK4/6. При этом, несмотря на логичность использования таких ингибиторов с точки зрения биологии рака (ведь комплекс CDK4/6 активно функционирует во всех делящихся клетках организма, а тем более в опухолевых), даже они не претендуют на роль «волшебной пули» для множества локализаций. Эта избирательная восприимчивость опухолей отдельных органов (и даже подтипов) к ингибиторам, казалось бы, универсальных белков, активных во всех опухолях, лишь подчеркивает уникальные свойства, присущие каждой конкретной опухоли.

Однако детальное понимание биологии рака по-прежнему является источником новых перспективных мишеней. Так был разработан первый ингибитор WEE1-киназы — уже упомянутого фермента, тормозящего митоз в случае активации G1/S-чекпоинта [49]. Интересно, что смерть опухолевой клетки в случае применения WEE1-ингибитора — адавосертиба — наступает в результате запуска деления дефектной клетки с поврежденной ДНК.

Апоптоз — тоже перспективная мишень для антираковой терапии. Однако, хотя теоретически апоптоз злокачественной клетки можно запустить множеством внешних и внутренних стимулов, далеко не все эти пути безопасны для организма в целом. На данный момент одобрение для лечения пациентов получило сравнительно немного препаратов этой группы. Главным образом, это вещества, ингибирующие антиапоптотические белки семейства BCL-2 (BH3-миметики) — например, Венетоклакс. Также разрабатываются препараты, активирующие внешний путь апоптоза; кроме того, предлагается использовать комбинации препаратов [50].

Как мы писали выше, возможность выхода из клеточного цикла предоставляется клетке во время интерфазы (G1-чекпоинт), и в этом случае открываются три возможных сценария:

• состояние покоя (quiescence) — обратимая остановка цикла с замедлением внутриклеточных процессов и возможностью возобновления деления. Такое состояние в норме является ответом на недостаток нутриентов и факторов роста, снижая расходы на рост и обновление организма в неблагоприятных условиях;
• программируемая клеточная гибель (апоптоз);
• сенесценция — вариант необратимого выхода из клеточного цикла в ответ на повреждение ДНК. Клетка при этом сохраняет метаболическую активность, пусть и в измененном виде, секретируя про-воспалительные факторы и внося вклад в нарушение нормальной физиологии тканей.

Выше мы рассказали о том, какую важную роль в злокачественном перерождении клеток играют нарушения апоптоза, связанные с мутациями в гене белка р53 — «стража генома» [51]. К этому нужно добавить, что в последние десятилетия стало известно, что и другие типы программируемой клеточной смерти (пироптоз, некроптоз и другие) также играют важную роль в физиологии злокачественных опухолей. В ближайшее время мы планируем посвятить отдельную публикацию разнообразию типов программированной клеточной смерти в контексте молекулярной онкологии. Однако если изучение двух первых путей выхода из клеточного цикла идет уже давно, то такое явление, как сенесценция, привлекло внимание исследователей лишь в последние годы.

Сенесценция в здоровых и раковых клетках

Как вы, наверное, уже поняли, далеко не у всякой клетки жизнь складывается безоблачно: многие сталкиваются с разными видами стресса, повреждающими белки и геном. Давать возможность такой «порченой» клетке делиться и плодить клетки с ненормальными фенотипами не в интересах организма, но не все они (по разным и не всегда понятным причинам) подвергаются апоптозу. Зачастую такие клетки, хотя и перестают делиться, не погибают, а впадают в состояние, похожее на оцепенение: они продолжают жить, но перестают делиться, причем это состояние необратимо, в отличие от периодов покоя между делениями у обычных клеток. Такое «полуживое» состояние получило название клеточной сенесценции. Это состояние впервые было охарактеризовано в 1961 году Хейфликом и Мурхедом, которые серийно культивировали фибробласты и добились того, что старые, много раз делившиеся клетки клетки в какой-то момент «замирали»: не делясь, но и не умирая [52].

Сенесцентная клетка перестает делиться, зависая в фазах G1 или G2, чтобы не передавать приобретенные повреждения дочерним клеткам (рис. 6) [53]. Толчком к переходу в это состояние могут быть укорочение теломер, активация онкогенов, нефункциональное состояние супрессоров опухолей, повреждения органелл, вирусы, а также некоторые эпигенетические изменения. Однако самый главный триггер сенесценции — повреждения ДНК.

Сенесцентные клетки отличаются от нормальных даже морфологически: имеют крупное ядро или несколько ядер; их хроматин претерпевает реорганизацию (конденсируются хромосомы, перераспределяются или формируются заново скопления гетерохроматина); часто в их цитоплазме образуются вакуоли и гранулы, выявляются липидные капли. Митохондрии могут вздуваться, лизосом становится больше, эндоплазматический ретикулум разрастается, и клетка находится в состоянии окислительного стресса [56]. Изменение процессов обмена проявляется, в частности, накоплением лизосомальной бета-галактозидазы — это биохимический маркер сенесцентных клеток (рис. 7) [53]. Деформация клетки обусловлена изменениями в актиновом цитоскелете [55], [56].

Казалось бы, при чем здесь рак — болезнь, характерным признаком которой является активная пролиферация? Однако в последние десятилетия было сделано удивительное открытие: оказалось, что кроме безудержно делящихся клеток, в злокачественных опухолях присутствует и много неделящихся — сенесенсных клеток с раковым генотипом. Сенесценция опухолевых клеток имеет свои особенности. В отличие от обычных клеток, они иногда могут возобновлять деление, тем самым опровергая устоявшееся мнение, что сенесценция необратима [57]. Однако в большинстве случаев сенесцентные раковые клетки устойчивы и к сигналам, запускающим пролиферацию, и к факторам, запускающим клеточную смерть [58]. Они не делятся, но и не умирают.

Еще одна характерная черта сенесцентных злокачественных клеток — уже упомянутое интенсивное ремоделирование хроматина, которое затрагивает гены, связанные с пролиферацией (например, ген циклина А), и инактивирует их. Возникающие в итоге гетерохроматиновые скопления обозначают SAHF (senescence-associated heterochromatic foci). Формирование SAHF не только останавливает клеточный цикл, но одновременно блокирует и сигнальные пути, запускающие гибель клетки вследствие повреждений ДНК [59].

Как и другие сенесцентные клетки, сенесцентные раковые клетки имеют секреторный фенотип: SASP, причем самого причудливого состава — настолько сложного, что для него даже был предложен специальный термин — SASPом (SASPome). Чего только в нем нет! Тут и внеклеточные везикулы, и фрагменты митохондриальной и геномной ДНК, и некодирующие РНК, и специфические липиды, а также многие другие факторы, влияющие на внеклеточную среду (в том числе внутриопухолевую) и воспаление. SASP может действовать как аутокринно, влияя на ту клетку, что его выделила, так и паракринно на клетки самых разных типов — соседние злокачественные клетки, клетки стромы и иммунные клетки. Вещества, синтезированные сенесенсными клетками опухоли, разносятся по организму, так что их влияние может проявляться не только локально, но и на системном уровне [56].

Двуликий Янус онкологии

Откуда же берутся сенесцентные опухолевые клетки? Один из вариантов — онкоген-индуцированная сенесценция. При очень высоком уровне синтеза таких белков, как BRAF, MYC и MEK повреждается ДНК и активируются сигнальные пути, обеспечивающие ответ на стресс, вследствие чего и наступает сенесценция [62]. Другая причина «злокачественной» сенесценции — утрата опухолевых супрессоров (например, PTEN) [63]. Иногда к такому исходу приводят специфические эпигенетические изменения. Опухолевые клетки также могут приобретать сенесцентный фенотип под действием противораковой химиотерапии, иммунотерапии или лучевой терапии. В этом случае сенесценция развивается в ответ на клеточный стресс, вызванный лечением — повреждение ДНК, клеточный стресс, нарушения митоза [64]. В целом, поскольку сенесцентные клетки не пролиферируют, для пациента сенесценция — скорее благо, чем зло, и ее индукция (например, с помощью уже разработанных ингибиторов теломеразы или посредством внесения эпигенетических изменений) даже рассматривается в контексте потенциальной терапии рака [56].

Но не играем ли мы с огнем, когда рассматриваем сенесценцию как нашего безусловного союзника в борьбе с раком? Не может ли сенесценция обладать и проопухолевым действием? Увы, к сожалению, так оно и есть. Сенесценция и впрямь обладает двояким действием на опухоль (рис. 8).

Сенесцентные клетки влияют на жизнь опухоли посредством секреции биологически активных молекул. Как мы помним, состав SASP, продуцируемых злокачественными сенесцентными клетками, очень неоднороден. Порой входящие в его состав молекулы блокируют деление соседних опухолевых клеток (паракринное действие), а также поддерживают сенесцентное состояние у самой клетки (то есть действуют аутокринно). Этот антиопухолевый эффект может быть опосредован провоспалительными интерлейкинами 6 и 8 (IL-6 и IL-8), а также трансформирующим фактором роста β (TGF-β) [65]. Через IL-6 и фактор некроза опухоли α (TNF-α) сенесцентные клетки могут даже запускать апоптоз у соседей, в том числе клеток стромы и эндотелия, выстилающего сосуды, питающие опухоль [56].

Антиопухолевое действие SASP может быть направлено не только на раковые клетки, но и на микроокружение опухоли. В частности, SASP может приманивать иммунные клетки: NK-киллеры и макрофаги [66]. Уже накоплено немало данных о том, что действие многих видов противораковой химиотерапии тесно связано с сенесценцией у злокачественных клеток. Например, применение некоторых ингибиторов циклинзависимых киназ 4/6 (CDK4/6) приводило к образованию SASP, запускавшего мощный антиопухолевый ответ [67].

Однако одновременно сенесценция может играть и обратную роль — способствуя росту опухоли. Если в опухоли под действием терапии накапливаются сенесцентные клетки, до которых не добирается антиопухолевый иммунитет, они могут стать источником проопухолевых SASP-сигналов, способствующих пролиферации раковых и предраковых клеток [68]. Этими сигналами могут стать молекулы пролиферации и хемотаксиса, микровезикулы, а также агенты, вызывающие перестройки внеклеточного матрикса. Более того, с помощью некоторых компонентов SASP сенесцентные раковые клетки могут вырабатывать резистентность к терапии! Такое пагубное действие сенесценции было показано при некоторых случаях рака молочной железы, печени и простаты. Но это еще полбеды.

SASP может способствовать метастазированию: матриксные металлопротеиназы, синтезируемые сенесцентными клетками, разрушают базальную мембрану и тем самым открывают широкие врата для метастазирования и дополнительного разрастания кровеносных сосудов опухоли (на примере злокачественных опухолей легкого и простаты). Также на раке простаты было показано, что сенесцентные клетки посредством SASP (в том числе содержащего митохондриальную ДНК [56]) могут создавать иммуносупрессивную среду, привлекая в опухоль клетки, подавляющие иммунный ответ особыми хемокинами.

Есть и другие, не связанные с SASP механизмы, по которым сенесцентные злокачественные клетки могут оказывать проопухолевое действие. Бывает так, что эти клетки выходят из сенесценции и приобретают свойства, сближающие их со стволовыми. Иногда клетки, которые удалось вогнать в сенесценцию с помощью терапии или вследствие гиперактивности онкогена, вновь выходят из-под контроля и начинают пролиферировать. Установлено, что сенесцентные клетки приобретают свойства стволовых частично через SASP-опосредованный сигнальный путь WNT [57]. Такое превращение было отмечено у злокачественных сенесцентных клеток многих видов опухолей. Важно отметить, что сенесцентные злокачественные клетки имеют весомые предпосылки к подобному перерождению — это и метаболическое репрограммирование (ответ на окислительный стресс), и эпигенетические изменения, и активация сигнальных стрессовых путей. Благодаря этим изменениям путь возвращения к делению, закрытый для нормальных сенесцентных клеток, вновь открывается для злокачественных сенесцентных клеток.

Сенесценция в микроокружении опухоли

Злокачественные клетки опухоли живут не в изоляции. Они находятся в так называемом микроокружении опухоли [69], в которое входят как клетки многих видов — эндотелиоциты, адипоциты, иммунные клетки, клетки стромы (в том числе фибробласты), — так и неклеточные компоненты межклеточного матрикса [70]. Все это окружение взаимодействует с опухолевыми клетками и либо активирует, либо подавляет онкогенез. Как стало ясно в последние годы, индуцированная сенесценция здоровых клеток опухолевого окружения также вносит вклад в развитие патологии.

В случае многих видов опухолей фибробласты стромы способствуют пролиферации злокачественных клеток, перестройке внеклеточного матрикса и помогают новообразованию ускользать от иммунитета. Но не все так просто. Транскриптомные исследования показывают, что фибробласты опухоли крайне гетерогенны и подразделяются на разные популяции: как способствующие, так и подавляющие рост опухоли. А еще опухолевые фибробласты могут подвергаться сенесценции под действием стрессовых факторов. Их SASP обладает проопухолевым эффектом и может как непосредственно стимулировать пролиферацию злокачественных клеток, так и перестраивать микроокружение под опухолевый рост [56].

Важнейший компонент опухолевого микроокружения — иммунные клетки, и они тоже могут становиться сенесцентными. Иммуносенесценция в целом способствует развитию рака, в том числе через поддержание хронического воспаления [56]. Она нарушает адаптивный антиопухолевый иммунитет, а в особенности его T-клеточное звено.

Сенесценция может затрагивать и клетки врожденного иммунитета. Клетки миелоидного ряда могут становиться сенесцентными как вследствие старения, так и по другим причинам. Например, было показано, что свойства сенесцентных клеток могут приобретать макрофаги и некоторые незрелые нейтрофилы, находящиеся в микроокружении опухоли [56]. Так что сенесценция — еще и фактор взаимодействия иммунных клеток с опухолью.

Наконец, клетки эндотелия сосудов опухоли также могут становиться сенесцентными. Впрочем, сенесценция эндотелия проявляется и при сердечно-сосудистых заболеваниях, нарушая целостность эндотелия и повышая проницаемость сосудов. Кроме того, сенесцентные эндотелиоциты меняются функционально: продуцируют меньше оксида азота (NO) и больше активных форм кислорода [71], [72]. Учитывая, какое колоссальное значение для опухоли играет кровоснабжение, сенесценцию эндотелия нельзя недооценивать.

Старение клеток как перспективная терапевтическая мишень

Мы рассмотрели, как тесно переплетены онкогенез и сенесценция в опухоли, а также обратили внимание на сенесценцию ее микроокружения. Напрашивается вопрос: может ли сенесценция быть терапевтической мишенью? Спойлер: да, но пока только в теории из-за описанной выше «двуликости». «Приручить» сенесценцию, чтобы ее эффект был однозначно антиопухолевым, — задача будущего. Пока препараты против сенесценции изучаются главным образом в контексте замедления старения, однако ученые имеют основания полагать, что у них есть и антираковый потенциал.

В настоящее время ведутся разработки препаратов прицельного уничтожения сенесцентных клеткок — сенолитиков. Они «заставляют» сенесцентные клетки умереть, действуя, например, на антиапоптотические белки семейства BCL-2 [73]. Ведутся также разработки CAR-T-клеток, направленно уничтожающих сенесцентные клетки [74].

К слову сказать, сенолитическим потенциалом обладают и некоторые природные соединения — например, флавоноид физетин, содержащийся в ягодах и фруктах вроде клубники и яблок. Стоит отметить, что разработка сенолитиков сильно осложняется тем, что сенесцентные клетки из разных тканей на молекулярном уровне (особенно на уровне SASP) отличаются друг от друга. Из-за этого сенолитики, эффективные в одной ткани, могут быть бесполезны или даже вредны в другой [75].

Есть и менее радикальный подход — не уничтожать сенесцентные клетки, но снижать вред от них, в частности, подавляя SASP. Препараты, действующие по такому пути, известны как сеноморфы. Действительно, нельзя забывать, что у сенесцентных клеток есть и полезные функции — например, они участвуют в заживлении ран [55]. По сравнению с сенолитиками, сеноморфы изучены хуже. Это некоторые ингибиторы mTOR и JAK, глюкокортикоиды [75] и даже метформин [76].

Может показаться, что просенесцентная терапия и терапия сенолитиками противоречат друг другу. Однако можно объединить два подхода в один: сначала индуцировать сенесцентность в клетках опухоли, а затем ударить по ним сенолитиком. Такой подход назвали стратегией «двойного удара» (one-two punch) [77]. Проверить эффективность такой комбинации успешно удалось на моделях рака кожи, простаты, легких и печени. Однако сможет ли такая связка сработать на реальных опухолях — покажет время.

Заключение

Надеемся, эта статья дала вам некоторое представление о том, как причудливо тасуются процессы роста, старения и программируемой гибели в раковых клетках. Интенсивное клеточное деление — далеко не единственная и, возможно, даже не главная черта злокачественных клеток. Судя по тому, какую важную роль в онкогенезе играют мутации гена р53, нарушения регуляции апоптоза играют в злокачественной трансформации клеток по меньшей мере такую же важную роль, как и нарушение регуляции клеточного цикла через «традиционные» онкогены типа cMYC. Именно блокирование путей регулируемой клеточной гибели позволяет раковым клеткам из поколения в поколение накапливать новые мутации.

В свою очередь, опухолевые клетки с секреторным сенесенсеным фенотипом (SASP), хотя и не делятся сами, щедро синтезируют сигнальные молекулы, необходимые их активно делящимся соседям, и таким образом также действуют на благо опухоли, но во вред организму как целому. Чтобы распутать этот клубок взаимодействий, ученым предстоит еще немало потрудиться. Однако изменение генотипа и поведения отдельных клеток — это еще не конец истории: огромную роль в формировании опухоли играет межклеточное взаимодействие — тема, которую мы пока едва затронули. Оставайтесь со спецпроектом «Онкология» на «Биомолекуле» — наше путешествие в мир молекулярной онкологии продолжается!

Литература

1. Происхождение рака: генетика и эпигенетика;
2. От медицинской онкологии к молекулярной биологии рака;
3. Онкодиагностика — вызовы и решения;
4. От подтипов к терапии: молекулярная логика гинекологических раков;
5. Antonino Glaviano, Samarendra K. Singh, E. Hui Clarissa Lee, Elena Okina, Hiu Yan Lam, et. al.. (2025). Cell cycle dysregulation in cancer. Pharmacological Reviews. 77, 100030;
6. Tobias Otto, Piotr Sicinski. (2017). Cell cycle proteins as promising targets in cancer therapy. Nat Rev Cancer. 17, 93-115;
7. Ornella Morana, Will Wood, Christopher D. Gregory. (2022). The Apoptosis Paradox in Cancer. IJMS. 23, 1328;
8. Рецептор «нетрадиционной ориентации»;
9. Dongliao Fu, Zhigang Hu, Xinyang Xu, Xiaoyan Dai, Ziyi Liu. (2022). Key signal transduction pathways and crosstalk in cancer: Biological and therapeutic opportunities. Translational Oncology. 26, 101510;
10. Циклины и их помощники — регуляторы клеточного цикла;
11. Lingyun Dai, Tianyun Zhao, Xavier Bisteau, Wendi Sun, Nayana Prabhu, et. al.. (2018). Modulation of Protein-Interaction States through the Cell Cycle. Cell. 173, 1481-1494.e13;
12. Мушкамбаров Н. Н., Кузнецов С. Л. Молекулярная биология. М.: «Медицинское информационное агентство», 2007. — 536 c.;
13. Juan Manuel Garcia-Arias, Noelia Pinal, Sara Cristobal-Vargas, Carlos Estella, Ginés Morata. (2023). Lack of apoptosis leads to cellular senescence and tumorigenesis in Drosophila epithelial cells. Cell Death Discov.. 9;
14. Helen K. Matthews, Cosetta Bertoli, Robertus A. M. de Bruin. (2022). Cell cycle control in cancer. Nat Rev Mol Cell Biol. 23, 74-88;
15. Michael M. Vilenchik, Alfred G. Knudson. (2003). Endogenous DNA double-strand breaks: Production, fidelity of repair, and induction of cancer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 100, 12871-12876;
16. Yilan Fan, Filiz Kuybu, Hengjun Cui, Katja Lammens, Jia-Xuan Chen, et. al.. (2025). Structural basis for DNA break sensing by human MRE11-RAD50-NBS1 and its regulation by telomeric factor TRF2. Nat Commun. 16;
17. Ralph Scully, Arvind Panday, Rajula Elango, Nicholas A. Willis. (2019). DNA double-strand break repair-pathway choice in somatic mammalian cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 20, 698-714;
18. Kurt Engeland. (2022). Cell cycle regulation: p53-p21-RB signaling. Cell Death Differ. 29, 946-960;
19. Jan-Philipp Kruse, Wei Gu. (2009). Modes of p53 Regulation. Cell. 137, 609-622;
20. Advaitha Madireddy, Pravinkumar Purushothaman, Christopher P. Loosbroock, Erle S. Robertson, Carl L. Schildkraut, Subhash C. Verma. (2016). G-quadruplex-interacting compounds alter latent DNA replication and episomal persistence of KSHV. Nucleic Acids Research. 44, 3675-3694;
21. Sneha Saxena, Lee Zou. (2022). Hallmarks of DNA replication stress. Molecular Cell. 82, 2298-2314;
22. Youwei Zhang, Tony Hunter. (2014). Roles of Chk1 in cell biology and cancer therapy. Intl Journal of Cancer. 134, 1013-1023;
23. Alberts B., Johnson A., Lewis J. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. Garland Science, 2015. — 1297 p.;
24. Karen E. Gascoigne, Stephen S. Taylor. (2008). Cancer Cells Display Profound Intra- and Interline Variation following Prolonged Exposure to Antimitotic Drugs. Cancer Cell. 14, 111-122;
25. Ilio Vitale, Gwenola Manic, Maria Castedo, Guido Kroemer. (2017). Caspase 2 in mitotic catastrophe: The terminator of aneuploid and tetraploid cells. Molecular & Cellular Oncology. 4, e1299274;
26. Bing Cheng, Karen Crasta. (2017). Consequences of mitotic slippage for antimicrotubule drug therapy. Endocrine-Related Cancer. 24, T97-T106;
27. Valery Sudakin, Gordon K.T. Chan, Tim J. Yen. (2001). Checkpoint inhibition of the APC/C in HeLa cells is mediated by a complex of BUBR1, BUB3, CDC20, and MAD2. The Journal of Cell Biology. 154, 925-936;
28. C L Rieder, R W Cole, A Khodjakov, G Sluder. (1995). The checkpoint delaying anaphase in response to chromosome monoorientation is mediated by an inhibitory signal produced by unattached kinetochores.. The Journal of cell biology. 130, 941-948;
29. Francisco Sanchez-Vega, Marco Mina, Joshua Armenia, Walid K. Chatila, Augustin Luna, et. al.. (2018). Oncogenic Signaling Pathways in The Cancer Genome Atlas. Cell. 173, 321-337.e10;
30. Douglas Hanahan, Robert A. Weinberg. (2011). Hallmarks of Cancer: The Next Generation. Cell. 144, 646-674;
31. Jiandong Chen. (2016). The Cell-Cycle Arrest and Apoptotic Functions of p53 in Tumor Initiation and Progression. Cold Spring Harb Perspect Med. 6, a026104;
32. Toshinori Ozaki, Akira Nakagawara. (2011). Role of p53 in Cell Death and Human Cancers. Cancers. 3, 994-1013;
33. Hui-Zi Chen, Shih-Yin Tsai, Gustavo Leone. (2009). Emerging roles of E2Fs in cancer: an exit from cell cycle control. Nat Rev Cancer. 9, 785-797;
34. M. Molinari. (2000). Cell cycle checkpoints and their inactivation in human cancer. Cell Proliferation. 33, 261-274;
35. Taichi Igarashi, Kimiyoshi Yano, Syoju Endo, Bunsyo Shiotani. (2024). Tolerance of Oncogene-Induced Replication Stress: A Fuel for Genomic Instability. Cancers. 16, 3507;
36. Emilio Lecona, Oscar Fernández-Capetillo. (2014). Replication stress and cancer: It takes two to tango. Experimental Cell Research. 329, 26-34;
37. Giorgia Simonetti, Samantha Bruno, Antonella Padella, Elena Tenti, Giovanni Martinelli. (2019). Aneuploidy: Cancer strength or vulnerability?. Intl Journal of Cancer. 144, 8-25;
38. Rendy Hosea, Sharon Hillary, Sumera Naqvi, Shourong Wu, Vivi Kasim. (2024). The two sides of chromosomal instability: drivers and brakes in cancer. Sig Transduct Target Ther. 9;
39. Aniek Janssen, Marja van der Burg, Karoly Szuhai, Geert J. P. L. Kops, René H. Medema. (2011). Chromosome Segregation Errors as a Cause of DNA Damage and Structural Chromosome Aberrations. Science. 333, 1895-1898;
40. Samuel F. Bakhoum, Dan Avi Landau. (2017). Chromosomal Instability as a Driver of Tumor Heterogeneity and Evolution. Cold Spring Harb Perspect Med. 7, a029611;
41. Devon A. Lukow, Erin L. Sausville, Pavit Suri, Narendra Kumar Chunduri, Angela Wieland, et. al.. (2021). Chromosomal instability accelerates the evolution of resistance to anti-cancer therapies. Developmental Cell. 56, 2427-2439.e4;
42. Alain D. Silk, Lauren M. Zasadil, Andrew J. Holland, Benjamin Vitre, Don W. Cleveland, Beth A. Weaver. (2013). Chromosome missegregation rate predicts whether aneuploidy will promote or suppress tumors. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 110;
43. Nicolai J. Birkbak, Aron C. Eklund, Qiyuan Li, Sarah E. McClelland, David Endesfelder, et. al.. (2011). Paradoxical Relationship between Chromosomal Instability and Survival Outcome in Cancer. Cancer Research. 71, 3447-3452;
44. M. Jamal-Hanjani, R. A'Hern, N.J. Birkbak, P. Gorman, E. Grönroos, et. al.. (2015). Extreme chromosomal instability forecasts improved outcome in ER-negative breast cancer: a prospective validation cohort study from the TACT trial. Annals of Oncology. 26, 1340-1346;
45. Toshiaki Watanabe, Takashi Kobunai, Yoko Yamamoto, Keiji Matsuda, Soichiro Ishihara, et. al.. (2012). Chromosomal Instability (CIN) Phenotype, CIN High or CIN Low, Predicts Survival for Colorectal Cancer. JCO. 30, 2256-2264;
46. Gabe S. Sonke, Annemiek van Ommen-Nijhof, Noor Wortelboer, Vincent van der Noort, Astrid C. P. Swinkels, et. al.. (2024). Early versus deferred use of CDK4/6 inhibitors in advanced breast cancer. Nature. 636, 474-480;
47. Valentina Rossi, Paola Berchialla, Diana Giannarelli, Cecilia Nisticò, Gianluigi Ferretti, et. al.. (2019). Should All Patients With HR-Positive HER2-Negative Metastatic Breast Cancer Receive CDK 4/6 Inhibitor As First-Line Based Therapy? A Network Meta-Analysis of Data from the PALOMA 2, MONALEESA 2, MONALEESA 7, MONARCH 3, FALCON, SWOG and FACT Trials. Cancers. 11, 1661;
48. Gabriel N. Hortobagyi, Salomon M. Stemmer, Howard A. Burris, Yoon-Sim Yap, Gabe S. Sonke, et. al.. (2022). Overall Survival with Ribociclib plus Letrozole in Advanced Breast Cancer. N Engl J Med. 386, 942-950;
49. Siqing Fu, Shuyang Yao, Yuan Yuan, Rebecca A. Previs, Anthony D. Elias, et. al.. (2023). Multicenter Phase II Trial of the WEE1 Inhibitor Adavosertib in Refractory Solid Tumors Harboring CCNE1 Amplification. JCO. 41, 1725-1734;
50. Benedito A. Carneiro, Wafik S. El-Deiry. (2020). Targeting apoptosis in cancer therapy. Nat Rev Clin Oncol. 17, 395-417;
51. Соревнуясь с раком;
52. L. Hayflick. (1965). The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Experimental Cell Research. 37, 614-636;
53. Mohammad Reza Habibi-Kavashkohie, Tatiana Scorza, Malika Oubaha. (2023). Senescent Cells: Dual Implications on the Retinal Vascular System. Cells. 12, 2341;
54. Экзосома — механизм координации и взаимопомощи клеток организма;
55. Weijun Huang, LaTonya J. Hickson, Alfonso Eirin, James L. Kirkland, Lilach O. Lerman. (2022). Cellular senescence: the good, the bad and the unknown. Nat Rev Nephrol. 18, 611-627;
56. Manuel Colucci, Miles Sarill, Martino Maddalena, Aurora Valdata, Martina Troiani, et. al.. (2025). Senescence in cancer. Cancer Cell. 43, 1204-1226;
57. Maja Milanovic, Dorothy N. Y. Fan, Dimitri Belenki, J. Henry M. Däbritz, Zhen Zhao, et. al.. (2018). Senescence-associated reprogramming promotes cancer stemness. Nature. 553, 96-100;
58. Bennett G Childs, Darren J Baker, James L Kirkland, Judith Campisi, Jan M van Deursen. (2014). Senescence and apoptosis: dueling or complementary cell fates?. EMBO Rep. 15, 1139-1153;
59. Norman E. Sharpless, Charles J. Sherr. (2015). Forging a signature of in vivo senescence. Nat Rev Cancer. 15, 397-408;
60. Douglas Hanahan. (2022). Hallmarks of Cancer: New Dimensions. Cancer Discov. 12, 31-46;
61. T. V. Pukhalskaia, T. R. Yurakova, V. S. Mikhailovskaya, D. A. Bogdanova, O. N. Demidov. (2024). “Comparison of <I>in vitro</I> models for the study of senescence of macrophages associated with a tumor. Med. immunol.. 26, 693-700;
62. Chrysiis Michaloglou, Liesbeth C. W. Vredeveld, Maria S. Soengas, Christophe Denoyelle, Thomas Kuilman, et. al.. (2005). BRAFE600-associated senescence-like cell cycle arrest of human naevi. Nature. 436, 720-724;
63. Andrea Alimonti, Caterina Nardella, Zhenbang Chen, John G. Clohessy, Arkaitz Carracedo, et. al.. (2010). A novel type of cellular senescence that can be enhanced in mouse models and human tumor xenografts to suppress prostate tumorigenesis. J. Clin. Invest.. 120, 681-693;
64. Liqin Wang, Lina Lankhorst, René Bernards. (2022). Exploiting senescence for the treatment of cancer. Nat Rev Cancer. 22, 340-355;
65. Hasini Jayatilaka, Pranay Tyle, Jonathan J. Chen, Minsuk Kwak, Julia Ju, et. al.. (2017). Synergistic IL-6 and IL-8 paracrine signalling pathway infers a strategy to inhibit tumour cell migration. Nat Commun. 8;
66. Tae-Won Kang, Tetyana Yevsa, Norman Woller, Lisa Hoenicke, Torsten Wuestefeld, et. al.. (2011). Senescence surveillance of pre-malignant hepatocytes limits liver cancer development. Nature. 479, 547-551;
67. Seunghyun Lee, Biancamaria Ricci, Jennifer Tran, Emily Eul, Jiayu Ye, et. al.. (2025). Stroma-derived Dickkopf-1 contributes to the suppression of NK cell cytotoxicity in breast cancer. Nat Commun. 16;
68. Ilaria Guccini, Ajinkya Revandkar, Mariantonietta D'Ambrosio, Manuel Colucci, Emiliano Pasquini, et. al.. (2021). Senescence Reprogramming by TIMP1 Deficiency Promotes Prostate Cancer Metastasis. Cancer Cell. 39, 68-82.e9;
69. Опухолевые разговоры, или Роль микроокружения в развитии рака;
70. Manuel Collado, Maria A. Blasco, Manuel Serrano. (2007). Cellular Senescence in Cancer and Aging. Cell. 130, 223-233;
71. Judith Haendeler, Jörg Hoffmann, J. Florian Diehl, Mariuca Vasa, Ioakim Spyridopoulos, et. al.. (2004). Antioxidants Inhibit Nuclear Export of Telomerase Reverse Transcriptase and Delay Replicative Senescence of Endothelial Cells. Circulation Research. 94, 768-775;
72. Hidetsugu Matsushita, Edwin Chang, Alexander J. Glassford, John P. Cooke, Choy-Pik Chiu, Philip S. Tsao. (2001). eNOS Activity Is Reduced in Senescent Human Endothelial Cells. Circulation Research. 89, 793-798;
73. Martina Troiani, Manuel Colucci, Mariantonietta D’Ambrosio, Ilaria Guccini, Emiliano Pasquini, et. al.. (2022). Single-cell transcriptomics identifies Mcl-1 as a target for senolytic therapy in cancer. Nat Commun. 13;
74. Corina Amor, Judith Feucht, Josef Leibold, Yu-Jui Ho, Changyu Zhu, et. al.. (2020). Senolytic CAR T cells reverse senescence-associated pathologies. Nature. 583, 127-132;
75. Timur Saliev, Prim B. Singh. (2025). Targeting Senescence: A Review of Senolytics and Senomorphics in Anti-Aging Interventions. Biomolecules. 15, 860;
76. Olga Moiseeva, Xavier Deschênes‐Simard, Emmanuelle St‐Germain, Sebastian Igelmann, Geneviève Huot, et. al.. (2013). Metformin inhibits the senescence‐associated secretory phenotype by interfering with IKK/NF‐κB activation. Aging Cell. 12, 489-498;
77. Laura Bousset, Jesús Gil. (2022). Targeting senescence as an anticancer therapy. Molecular Oncology. 16, 3855-3880.