Ученые из Института иммунологии Ла-Хойя (LJI) обнаружили, как мутировавший ген запускает опасную цепочку событий во время производства клеток крови. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, как мутировавший ген ASXL1 участвует в заболевании, называемом клональным гемопоэзом, которое является предшественником злокачественных заболеваний, таких как миелоидные опухоли и хронический мономиелоцитарный лейкоз.
«Мы знаем, что многие заболевания — и все виды рака — вызваны мутациями в геноме», — говорит соавтор исследования Чжэнь Дун. «Мы показали, как мутировавший ASXL1 может привести к появлению дисфункциональных клеток в костном мозге и крови».
Донг руководил исследованием совместно с профессором Анджаной Рао. Рао — известный эксперт по генетическим факторам, лежащим в основе дисфункции иммунных клеток и развития рака.
Для нового исследования ученые изучили потенциальную связь между мутировавшим ASXL1 и возрастным заболеванием, называемым клональным гемопоэзом. Пациенты с клональным гемопоэзом испытывают трудности с выработкой здоровых красных и белых кровяных клеток. Вместо этого эти пациенты начинают вырабатывать клетки крови с перепутанными геномами, которые в конечном итоге перерастают в рак.
Все клетки крови происходят из особых клеток, называемых гемопоэтическими стволовыми клетками (ГСК), чье дифференцированное потомство обычно повторно заселяет кровь. Клональный гемопоэз развивается, когда одна ГСК приобретает мутации, способствующие росту, и начинает производить множество своих клонов. В конце концов, эти мутировавшие клетки крови становятся чрезмерно представленными в крови, что может привести к серьезным проблемам со здоровьем, таким как рак и воспаление, особенно воспалительное заболевание сердца.
«Ваш геном становится очень нестабильным», — говорит Донг. «Эти «плохие элементы» вызывают новые мутации и вредят вашим нормальным, здоровым клеткам».
У некоторых пациентов с клональным гемопоэзом повторяющиеся последовательности ДНК заставляют клетки думать, что они инфицированы вирусом. Эта путаница запускает иммунную защиту внутри самих клеток крови, что приводит к пагубному воспалению, которое также повреждает здоровые ткани. Это особенно большая проблема для сердца, которому затем приходится иметь дело с потоком воспалительных молекул, пока оно качает кровь по телу.
«ГСК, содержащие мутации, приводят к образованию провоспалительных иммунных клеток, усугубляющих воспаление сердца и сердечно-сосудистые заболевания, а также могут вызывать или ускорять сердечную недостаточность», — говорит Донг.
У других пациентов перемешанный геном вызывает дополнительные проблемы в расширенных клетках, которые уже предрасположены к более быстрому росту, чем обычно. У этих пациентов быстро увеличивается число аномальных ГСК и миелоидных клеток, что может привести к миелоидным злокачественным новообразованиям, лимфоидным злокачественным новообразованиям, хроническому мономиелоцитарному лейкозу и другим формам лейкемии.
«Аномальные повторяющиеся и транспонируемые последовательности элементов могут снять подавление определенных молчащих генов, которые могли бы способствовать росту клеток, позволяя клеткам более эффективно адаптироваться к изменяющейся среде», — говорит Донг. «И это хорошо для высокопролиферирующих клеток, которые становятся «зависимыми» от плохих белков, которые вредят нормальным клеткам».
Мутации ASXL1 очень распространены у пациентов с клональным гемопоэзом и некоторыми другими заболеваниями крови. Фактически, Рао руководил предыдущим исследованием Nature Communications о роли мутировавшего ASXL1 в миелоидных лейкозах. Тем не менее, ученые не знают точно, как этот мутировавший ген влияет на развитие, рост или функцию клеток крови.
Команда LJI использовала мышиные модели с мутировавшим ASXL1, чтобы решить эту загадку. Поскольку клональный гемопоэз развивается по мере старения человека, Донг работал с мышами в возрасте от 10 месяцев до двух лет, что эквивалентно примерно 70 годам у людей.
Исследователи использовали метод, называемый масс-спектрометрией, чтобы точно выяснить, как мутировавший ASXL1 изменил нормальные гемопоэтические стволовые клетки — клетки, которые служат предшественниками как красных, так и белых кровяных клеток. Эта работа была проделана в сотрудничестве с доцентом Глобального аутоиммунного института LJI Сэмом Майерсом, доктором философии, который в то время был исследователем в Институте Брода.
Рао, Донг и их коллеги обнаружили, что мутация гена ASXL1 нарушает нормальную работу плотно упакованной формы ДНК, называемой гетерохроматином.
Гетерохроматин важен для развития клеток крови, поскольку он «заглушает» потенциально вредные гены — и гены, которые обычно отключаются по мере дифференциации клетки. Благодаря гетерохроматину гемопоэтические стволовые клетки могут правильно развиваться и созревать во все типы клеток крови, такие как эритроциты или лейкоциты (которые выполняют специализированные функции как Т-клетки, В-клетки и т. д.).
В новом исследовании мутация гена ASXL1 обернулась катастрофой для клеток крови. Без правильно работающего гетерохроматина гемопоэтические стволовые клетки никогда не созревали в нормальные линии клеток крови, включая лимфоциты, иммунные клетки и нормальные красные или белые кровяные клетки.
Исследователи увидели, что мутировавшие белки ASXL1 взаимодействовали с белковым комплексом в клетках, называемым комплексом гистонметилтрансферазы EHMT1-EHMT2, чтобы запустить опасный эффект домино. Измененный белковый комплекс уменьшил H3K9me2 и H3K9me3, две репрессивные гистоновые метки, необходимые для подавления гетерохроматина, заставляя плотно упакованный гетерохроматин раскручиваться. Это изменение привело к реактивации ранее подавленных генов и мобильных элементов.
Это чередование также было огромной проблемой для клеток. Гетерохроматин обычно подавляет очень большое количество повторяющихся и транспозируемых элементов, также называемых «прыгающими генами», которые репрессируются в здоровых клетках. Транспозируемые элементы могут быть случайным образом вырезаны и повторно вставлены в геном, что приводит к нестабильности генома.
Даже если они не могут прыгать, транспозируемые элементы могут стать высоко выраженными и, в свою очередь, ненадлежащим образом активировать экспрессию близлежащих генов, особенно тех, что находятся в гетерохроматине. Этот процесс добавляет путаницу в геноме и аберрантную экспрессию генов, вызванную мутантными белками ASXL1.
Затем исследователи сравнили мутировавшие мышиные модели с нормальными мышами. Они обнаружили, что мыши с мутацией ASXL1 имели те же самые перемешанные геномы и вредные повторы ДНК, которые были обнаружены у пациентов с хроническим мономиелоцитарным лейкозом с мутацией ASXL1.
Донг говорит, что команда LJI изучает, как мутировавшие белки ASXL1 взаимодействуют с другими важными игроками в наших иммунных клетках. Пока что их работа предполагает, что ASXL1 также взаимодействует с белком TET2, который также часто мутирует в клональном гемопоэзе и во многих видах рака крови. Функциональные белки TET2 имеют решающее значение для нормального деметилирования ДНК, поэтому необходимо срочно понять, как эти гены влияют друг на друга.
«Оба гена TET2 и ASXL1 могут мутировать, по отдельности или вместе, при клональном гемопоэзе, лейкемии и предраковой форме рака, называемой миелодиспластическим синдромом», — говорит Донг. «Нам нужно спросить, как эти два гена могут сотрудничать при этих заболеваниях».
Донг добавляет, что дальнейшие исследования могут также пролить свет на происхождение некоторых нарушений нейроразвития. Другие гены из семейства ASXL могут мутировать в нейральных стволовых клетках, что может привести к речевым трудностям, задержке моторики, задержке интеллектуального развития и даже смерти у некоторых педиатрических пациентов.
