Митохондриальные изменения в канцерогенезе как цель противоопухолевой терапии (обзор)

To cite: Potemina T.E., Guzikov E.V. Mitochondrial changes in carcinogenesis as a goal of antitumor therapy (review) И Newsletter of the Medical Institute "Reaviz". - 2020. - № 4. - P. 65-73.

Причины и механизмы развития рака в настоящее время являются одной из актуальных проблем медицины. Опухолевый рост захватывает все аспекты жизни организма - от деления клетки и ее дифференцировки до ее гибели или приобретения ею практически бессмертия. Рост злокачественных новообразований в мире растет, что, видимо, связано со многими причинами - это и старение населения, и ухудшающаяся экология, и повышение качества диагностики. При этом на данный момент не разработано радикальных методов лечения раковых опухолей, кроме их оперативного удаления на ранних стадиях процесса, рентгенотерапии, радиотерапии и химиотерапии, результаты которых далеко не однозначны. Что же касается патогенеза опухолей, то здесь в последнее время наиболее признанной является мутационная теория. Особую роль в генезе опухолей играет изменение обмена веществ митохондрий, возникшие в ходе воздействия мутаций.

Именно митохондрии, по мнению ряда исследователей, представляют собой органеллы, которые влияют на начало, рост, выживание и метастазы рака, и изменение в них ряда показателей активно способствует развитию опухоли [1]. К ним относятся митохондриальная масса, динамика, регуляция клеточной смерти, редокс-гомеостаз, метаболическая регуляция и сигнализация. Взаимодействие между этими аспектами митохондриальной биологии приводит к скоординированным программам регуляции клеточной физиологии со стороны этих органелл и подчеркивает плейотропные функции митохондрий при раке [2]. Митохондрии, помимо энергетической функции, генерируют активные формы кислорода, окислительновосстановительные молекулы и метаболиты, регулируют клеточную передачу сигналов, гибель клеток и биосинтетический метаболизм, что особенно важно для выживания опухоли.

Первые подходы к пониманию роли соотношения различных типов обменов в развитии рака относятся к началу 20-го ве ка, когда немецкий биохимик Отто Варбург выяснил, что в кислородной среде срезы быстрорастущих опухолей используют глюкозу с большей скоростью, чем неизмененные клетки, образуя при этом лактат [3,4]. Этот процесс, который в 1930 году был назван аэробным гликолизом, не соответствовал эффекту Пастера, при котором скорость аэробных процессов значительно снижается в присутствии кислорода. В 1966 году О. Варбург писал, что «первичная причина рака - это замещение дыхания кислородом в нормальных клетках брожением сахара». Исследователь предположил, что нарушение дыхания клетки запускает процесс опухолевого роста, при котором основным источником энергии является гликолиз, причем необратимый [3]. В 1972 этот постулат получил название «эффект Варбурга».

В дальнейшем было установлено, что при развитии опухолевого процесса в ряде случаев наблюдалось снижение экспрессии каталитической субъединицы митохондриальной АТФ-азы (бета-Р1-АТФ-азы), и этот процесс был тем более выражен, чем интенсивнее протекал аэробный гликолиз [5]. Признаком злокачественных опухолей в данном случае являлось снижение биоэнергетического индекса - соотношения уровней экспрессии биоэнергетического белка (бета-Р1-АТФ-аза), митохондриального белка Hsp60 и гликолитического фермента дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида. Нарушение работы митохондрий и повышение активности гликолиза, по мнению авторов, приводило к приобретению клеткой гликолитического генотипа в результате супрессии образования энергии в митохондриях [6, 7]. Было предположено, что данный факт может служить показателем прогрессии опухолей, а также использоваться для оценки ответа клеток на ан-тибластомную терапию.

В дальнейшем было установлено, что и при снижении напряженности гликолиза вследствие антибластомной терапии раковые клетки не могли увеличить напряжен- ность процессов окислительного фосфорилирования, то есть нарушение функций митохондрий сохранялось [8]. При этом повышение экспрессии митохондриального белка фратаксина, стимулирующего окислительные процессы в ряде опухолей, приводило к активации потребления кислорода и повышению активности цикла трикарбоновых кислот [9].

Роль нарушения митохондрий в канцерогенезе показали Gaude Е. С соавторами (2014) и Morin А. С соавторами (2014), установившие, что мутации генов сукцинатдегидрогеназы и фумаратгидратазы являются инициирующим моментом в развитии ряда опухолей.

М. A. Kiebish (2008) выявил важнейшую роль кардиолипина - фосфолипида внутренней мембраны митохондрий - при опухолях головного мозга у экспериментальных мышей. В составе его жирных кислот появлялись изменения параллельно со значительным снижением активности ферментативных комплексов дыхательных цепей митохондрий, что делало опухолевый процесс необратимым [12]. Хотя до сих пор имеются сомнения - эти изменения - причина рака, или его последствия?

Samudio I. с соавторами (2009) установил в лейкозных клетках явление разобщения окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания [13]. Повышение экспрессии митохондриального белка UCP2 (uncoupling protein 2), участвующего в этом процессе разобщения, наблюдается при раке молочной железы, яичников, мочевого пузыря, пищевода, яичек, почек, легких, толстого кишечника и предстательной железы. V. Ayyasamy (2011) показал, что экспрессия белков UCP2 в опухолевых клетках молочной железы линии MCF7 ведет к снижению митохондриального мембранного потенциала [14].

При этом споры вокруг теории Варбурга до сих пор сохраняются. Практически в это же время английский биохимик Герберт Кребтри показал, что активация анаэробных процессов в опухолевых клетках зако номерно угнетает использование ими кислорода (эффект Кребтри), так как существует конкуренция между этими процессам за АДФ и неорганический фосфат, но объяснения причины резкого повышения активности гликолиза в раковой ткани не было представлено [15]. Существует и противоположное мнение, что митохондрии раковых клеток не меняются и используют кислород даже в больших количествах по сравнению с неизмененными клетками [16]. Еще в 1976 году С. Вайнтхауз при оценке функционирования митохондрий клеток медленнорастущих гепатом не выявил отличий в параметрах тканевого дыхания в сравнении с нормальными клетками печени [17]. Паралелльно, Pederson P.L. (1978) установил на примере митохондрий клеток, изолированных из быстрорастущих гепатом, достаточно низкую способность окислять гидроксибутират (субстрат НАДзависимых дегидрогеназ), и фосфорилировать добавленный АДФ. Был сделан вывод о том, что митохондриальная дисфункция, вероятно, свойственна только агрессивным быстрорастущим опухолям, и этот факт может активно использоваться при выборе таргетной терапии [18].

Исследователей волновал вопрос пусковых факторов для подобного изменения скорости аэробных и анаэробных процессов. И вот достаточно недавно появились новые исследования о том, что в клетках опухоли на скорость гликолиза могут влиять точечные генетические мутации в митохондриях, приводящие к активации онкогенов или инактивации генов-онкосупрессоров. Исследования с заменой митохондриальной ДНК в опухолевых клетках на мутантную форму показало ингибирование окислительного фосфорилирования, повышение образования активных форм кислорода (АФК), усиление роста и метастатического потенциала этих клеток [19-21 ].

Таким образом, в настоящее время получены данные о том, что раковые клетки уникально перепрограммируют свою клеточную активность, переходя от окисли- тельного фосфорилирования к гликолизу, чтобы поддерживать быструю пролиферацию и миграцию, энергетический баланс, а также противодействовать метаболическому стрессу во время прогрессирования рака [22-24]. Недавние исследования показали, что раковые клетки, лишенные митохондриальной ДНК (мтДНК), лишены и своего канцерогенного потенциала, и они вновь обретают эту способность, приобретая здоровую мтДНК из стромальных клеток хозяина посредством горизонтального переноса целых митохондрий для восстановления дыхательных функций [25, 26]. Следовательно, нацеливание на митохондрии имеет большой потенциал для терапевтической противораковой стратегии.

Много исследований посвящено активации протеинкиназы Akt, G-белков семейства Ras, транскрипционных факторов HIF-1 и с-Мус, и, с другой стороны, инактивации транскрипционного фактора р53, формирующих своеобразную «пентаду», ответственную за развитие гликолитического фенотипа в раковых клетках [27, 28]. Так, наряду со многими биологическими эффектами, протеинкиназа Akt стимулирует экспрессию мембранных переносчиков глюкозы (ГЛЮТ-1) и активирует гексокина-зу-2, с-Мус повышает транскрипцию лактатдегидрогеназы А.

Также известно, что HIF-1 подавляет митохондриальное окислительное фосфорилирование посредством повышения экс- прессии назного (ПДГК-1), тивирует

гена киназы-1 пируватдегидроге-ферментативного комплекса которая фосфорилирует и инак-пируватдегидрогеназный ком- плекс (ПДГ), обеспечивающий превращение пирувата в ацетил-КоА и, таким образом, снижает возможности работы его в цикле Кребса [29].

В литературе имеются данные [30-32], что транскрипционный фактор р53 влияет на тканевое дыхание посредством транскрипционной активации гена SCO2, который кодирует белок, необходимый для сборки митохондриального дыхательного комплекса - цитохромоксидазы, а также путем сохранения массы митохондрий и числа копий митохондриальной ДНК. Снижение функций р53 при мутации его гена тормозит тканевое дыхание. Это, а также снижение экспрессии гена TIGAR, кодирующего белок-регулятор гликолиза, ведет к активации гликолиза.

Chen W. С соавторами (2013) рассматривают р53 в опухолегенезе как фактор адаптации к метаболическому стрессу, уве-личиваюющий выживаемость опухолевых клеток [33]. Эти эффекты выживания ча стично достигаются за счет активизации митохондриальной ФАО и дыхания, позволяя раковым клеткам адаптироваться к условиям голодания. Фактор р53 также ин дуцирует апоптоз в ответ на стресс посредством взаимодействия с членами семейства Bcl-2 [34]. Таким образом, помимо эффектов на транскрипционную активность мутации, р53 может также способствовать выживанию рака через прямые митохондриальные функции.

Митохондриальный биогенез регулиру ется транскрипционными программами, ко торые координируют индукцию как митохондриальных, так и ядерно-локализованных генов, которые кодируют белки этих органелл. Например, PGC-1 α является центральным регулятором биогенеза митохондрий через взаимодействия с множественными факторами транскрипции [35]. Уровни PGC-1 α часто выявляют зави симость опухоли от массы митохондрий с высокой экспрессией PGC-1 α, приводящей к зависимости от митохондриального дыхания. PGC-1 α действует как опухолевый супрессор у некоторых типов рака, причем избыточная экспрессия приводит к индукции апоптоза [35].

LaGory (2015) установил, что PGC-1α понижает в опухолевых клетках HIF-1 α (например, при карциноме почек), усиливая переход на гликолитический метаболизм в условиях низкого содержания кислорода. PGC-1 α-зависимый митохондриальный био генез также может поддерживать самосто ятельный рост раковых клеток, способствуя метастазированию [36]. Lamb R. с соавторами (2014) выявил повышенную регуляцию митохондриальных белков, участвующих в метаболизме и биогенезе [37]. Ингибирование PGC-1 α ведет к замедлению увеличения митохондриальной массы с установленной опухолеобразующей активностью в некоторых линиях рака молочной железы у пациентов [38]. Подобные данные получили в своих исследованиях in vivo Le Bleu V.S.c соавторами (2014) [39]. Таким образом, PGC-1 α-зависимый митохондриальный биогенез может способствовать метастатической активности опухолей.

Известно, что ключевым активатором биогенеза митохондрий при раке является с-Мус - фактор транскрипции, регулирующий клеточный цикл, рост, метаболизм и апоптоз. Более 400 митохондриальных генов идентифицированы как мишени с-Мус, а исследования показали, что усиление либо потеря с-Мус, соответственно, увеличивает или уменьшает митохондриальную массу [40]. Повышенный митохондриальный биогенез из-за с-Мус повышает дыхание и биосинтез в клетках путем активизации обмена митохондрий для поддержки роста клеток, дополняя эффекты с-Мус на стимуляцию прогрессирования клеточного цикла и гликолитического метаболизма [41].

Другим регулирующим фактором для биогенеза митохондрий является mTOR, который имеет решающее значение для роста клеток и гомеостаза энергии. Известно, что mTOR регулирует биогенез митохондрий как транскрипционно через активацию PGC-1 α / Yin Yang 1 (YY1), приводящую к экспрессии гена митохондрий, так и трансляционно, посредством репрессии ингибирующих 4Е-связывающих белков (4Е-ВР), которые подавляют трансляцию ядерно-кодированных митохондриальных белков [41].

Транскрипционные сети, регулирующие биогенез, влияют и на результаты лечения, так как именно с ними связаны биохимические изменения неопластических клеток, которые дают возможность приспособиться к применяемой терапии. Раковые клетки могут адаптировать свою митохондриальную функцию в зависимости от примененного лечения. Например, с-Мус-экспрессия гликолитического гена вызывает устойчивость к метформину в раковых клетках поджелудочной железы, которые активно используют дыхание митохондрий из-за экспрессии PGC-1 α [42]. с-Мус-зависимый митохондриальный биогенез ряд авторов противопоставляет сигнальному пути HIF-1 α , но этот баланс изменяется во время онкогенной трансформации c-Myc-driven [29, 40, 41]. Поэтому так важно при разработке методов персонифицирующей терапии опухолевого процесса изучать состояния митохондрий.

Очищение поврежденных митохондрий с помощью митофагии также имеет решающее значение для клеточного оздоровления, поскольку дисфункциональные митохондрии могут усиливать окислительный стресс. Это происходит при деполяризации митохондриальной мембраны - сигнале дисфункции митохондрий, которая возникает при отсутствии восстановительных эквивалентов, гипоксии и нарушении транспорта электронов. Альтернативный путь индукции митофагии осуществляется через гены-мишени HIF-1 α, которые ингибируют дыхание митохондрий во время гипоксических состояний, что может привести к чрезмерному образованию АФК [43-46].

Таким образом, в доступной литературе рассматриваются две гипотезы участия митохондрий в канцерогенезе: с одной стороны, предполагается, что именно нарушения митохондрий влекут за собой возможности развития опухоли и появления эффекта аэробного гликолиза; по мнению другой стороны, их дисфункция возникает как результат опухолевой трансформации клетки. Очевидно, что имеются примеры линий опухолевых клеток, у которых обнаружено снижение функции митохондрий, вызванное мутациями митохондриальной ДНК или ядерной ДНК, кодирующей неко- торые митохондриальные белки. Напротив, в других линиях опухолевых клеток низкий уровень окислительного фосфорилирования может быть следствием усиления гликолиза, причиной чего являются гипоксия или генетические изменения онкогенов и генов-онкосупрессоров.

В качестве антитезы о роли мутаций в формировании гликолитического генотипа A. D. Ortega et al. [47] еще в 2009 году показал, что слишком незначительна частота мутирования каждого из вышеуказанных онкогенов и генов-онкосупрессоров - не более 50 % - в сравнении с развитием гликолитического фенотипа, который отмечается с частотой более 97 % в большинстве часто встречаемых карцином человека. А, значит, должны быть и другие объяснения этого феномена. В недавних исследованиях митохондриальной ДНК, взятой из 1675 биопсийных образцов тридцати различных видов злокачественных опухолей, вообще не удалось найти доказательств того, что найденные мутации митохондриальной ДНК способствуют развитию и распространению раковых клеток [48].

Несмотря на разноплановость полученных при исследованиях результатов, роль митохондрий в патогенезе неопластических процессов крайне важна [49]. Вариабельность развития, которую митохондрии дают опухолевым клеткам, включая изменения в использовании энергии, возможность выживания при окислительном стрессе, возможно, позволяет тем устоять во время химиотерапевтических целенаправленных методов лечения рака. Следовательно, направленное воздействие терапии на митохондрии имеет большой потенциал для противораковой стратегии. Исследователи предлагают прямое воздействие на митохондрии, включаюшее влияние как на цепь переноса электронов и функцию окислительного фосфорилирования, гликолиз, цикл трикарбоновых кислот, пути апоптоза, гомеостаз активных форм кислорода, так и на митохондриальную ДНК [50, 51]. Известные ингибиторы электронной окислительной цепи (ЭОЦ), такие как метформин, тамоксифен, α-токоферилсукцинат и 3-бромпируват нарушают функции ее дыхательных комплексов и индуцируют высокие уровни АФК, который повреждает онкоклетки [50, 51]. Сообщалось, что оксиматрин эффективно убивает клетки меланомы человека, генерируя высокие уровни АФК. Капсаицин, кастин и мирицетин проявляют противоопухолевую активность, также увеличивая выработку АФК, что приводит к нарушению митохондриального трансмембранного потенциала в раковых клетках, повышая ан-тибластомную активность химиотерапии [50, 52, 53].

Как уже обсуждалось, способность злокачественных клеток гибко переключаться между гликолизом и окислительным фосфорилированием, по-видимому, играет основную роль в устойчивости к онкогенному ингибированию [49, 50]. Поэтому препараты, нацеленные как на гликолиз, так и на функцию окислительного фосфорилирования, могут быть препаратами выбора для противоопухолевой терапии. Митохондриально-направленная терапия в сочетании с гликолитическими ингибиторами синергически подавляет пролиферацию опухолевых клеток [51]. Известно, что гексоки-наза II является основной изоформой фермента, сверхэкспрессируемого в раковых клетках, и играет важную роль в поддержании гликолитической активности. Исследователями было обнаружено, что несколько ингибиторов гексокиназы подавляют рост рака. Например, FV-429 обладает мощной активностью в отношении индукции митохондриально-опосредованного апоптоза в раковых клетках путем ингибирования гликолиза посредством подавления гексокиназы II и нарушения функции митохондрий. Метформин так же ингибирует данный фермент в клетках карциномы легкого, уменьшая поглощение глюкозы и фосфорилирование. Комбинирование метформина с 2-дезоксиглюкозой, ингибитором гликолиза давало заметный лечебный эффект при раке поджелудочной железы [54, 55].

Таким образом, таргетное воздействие разрабатывается по различным направлениям, а ориентация на митохондриальный метаболизм представляет новую концепцию эффективной терапии рака.

Заключение

Теория мутационного канцерогенеза и выявление системы генных мутаций, в том числе и в митохондриях, приводящих к тому или иному виду опухолей, сделали возможным разработку персонализированной так называемой таргетной терапии злокачественных опухолей. Колоссальным преимуществом данного направления является точное попадание в «мишень» и снижение риска побочных осложнений. При раке кожи, прямой кишки и молочной железы, а также ряде опухолей иных локализаций, таргетные препараты включены в международные протоколы лечения [54-58]. Возможно, дальнейшее исследование точечных генных мутаций и митохондриальных изменений в процессе опухолевого роста откроет новые возможности для применения прицельной таргетной терапии.