Бактерия в опухоли лёгкого может усиливать мутации

Бактерия в опухоли лёгкого может быть не просто случайным пассажиром. В образцах немелкоклеточного рака лёгкого исследователи обнаружили связь между Mycobacterium abscessus и характерным типом мутаций, а затем в экспериментальных моделях проследили цепочку событий от бактериального белка до повреждений генома раковой клетки.

Речь не о том, что бактерия вызывает рак лёгкого. Работа показывает другой и более необычный механизм: оказавшись внутри уже существующей опухоли, микроб может активировать собственную систему клетки, способную создавать новые мутации.

Исследователи изучили парные образцы опухоли и соседней нормальной ткани у 43 пациентов с немелкоклеточным раком лёгкого. Они одновременно анализировали мутации в ДНК, состав бактериального сообщества и белки опухолевых клеток. Среди обнаруженных микроорганизмов особое внимание привлекла Mycobacterium abscessus — быстрорастущая нетуберкулёзная микобактерия, встречающаяся в воде и почве и способная колонизировать дыхательные пути.

С помощью флуоресцентного зонда микобактерии удалось увидеть внутри опухолевых клеток. Сам зонд распознавал род Mycobacterium, а не только M. abscessus, поэтому исследователи дополнительно сопоставили эти данные с бактериальным секвенированием. В 12 образцах с сильным сигналом микобактерий M. abscessus была хорошо представлена и по данным секвенирования.

Как бактерия связалась с мутациями

В опухолях с большей долей M. abscessus оказалось повышено содержание APOBEC3A. Это один из ферментов врождённой противовирусной защиты: он способен превращать цитозин в урацил в одноцепочечной ДНК. Такая реакция помогает защищаться от некоторых вирусов, но при длительной или неправильной активации APOBEC3A может повреждать уже геном собственной клетки.

Ошибки, возникающие при этом процессе, оставляют характерный рисунок мутаций. Именно такие APOBEC-связанные мутационные подписи чаще встречались в опухолях с большей представленностью M. abscessus.

Одной корреляции в человеческих образцах для вывода о механизме недостаточно. Поэтому исследователи перешли к экспериментальным системам. В клетках, органоидах немелкоклеточного рака лёгкого и нескольких моделях опухолей у мышей воздействие M. abscessus усиливало экспрессию APOBEC3A и накопление соответствующих мутаций.

В одной из мышиных моделей бактерию вводили непосредственно в опухоль, поэтому этот эксперимент показывает биологическую возможность такого эффекта, а не воспроизводит естественный путь колонизации человека.

Когда APOBEC3A удаляли из опухолевых клеток, связанное с M. abscessus увеличение мутационной нагрузки и роста опухоли ослабевало. Это указывало на то, что APOBEC3A — важная часть обнаруженного эффекта.

Бактериальный белок нажимает на клеточный переключатель

Чтобы понять, какая именно молекула бактерии запускает процесс, авторы проверили 23 предполагаемых бактериальных эффектора — белка, с помощью которых микроб может вмешиваться в работу клетки. Выделился один: нуклеозиддифосфаткиназа NDK.

Дальнейшие эксперименты показали необычный механизм. NDK связывается с человеческим белком IRF3 — одним из регуляторов противовирусного ответа — и модифицирует в нём аминокислоту гистидин в позиции 263. К ней присоединяется фосфатная группа.

Эта реакция усиливала сигнальный путь интерферона I типа. В результате клетка дольше поддерживала высокий уровень APOBEC3A. Получалась цепочка: бактериальный NDK активирует IRF3, тот усиливает интерфероновый сигнал, а повышенный APOBEC3A начинает оставлять больше мутаций в ДНК опухоли.

Когда исследователи изменяли гистидин-263 в IRF3 или подавляли NDK у бактерии, активация APOBEC3A и связанный с ней мутагенез заметно уменьшались. Таким образом, работа не ограничилась статистической связью между бактериями и мутациями: отдельные звенья предполагаемого механизма удалось экспериментально выключать.

Почему это важно

Опухоль постоянно эволюционирует. Новые мутации создают генетическое разнообразие, из которого отбор может сохранять клетки, лучше приспособленные к росту, иммунному давлению или терапии. Поэтому процессы, увеличивающие поток мутаций, потенциально способны влиять на дальнейшую эволюцию опухоли.

Эта работа добавляет к известным источникам мутаций ещё один возможный фактор — микроорганизм внутри самой опухоли. Раньше влияние опухолевого микробиома в основном связывали с воспалением, иммунитетом и обменом веществ. Здесь показан более прямой путь: бактериальный белок вмешивается в сигнальную систему клетки и включает фермент, который способен менять её геном.

Авторы даже создали экспериментальную молекулу, направленную против бактериального NDK. В мышиных моделях она снижала уровень NDK и APOBEC3A и замедляла рост опухолей при воздействии M. abscessus. Однако это пока доклинический инструмент, а не противораковое лечение: его фармакологические свойства и долгосрочная безопасность у людей не изучены.

Есть и более фундаментальные ограничения. Клиническая часть основана только на одной группе из 43 пациентов, а число опухолей с M. abscessus было небольшим. Связь бактерии с более короткой безрецидивной выживаемостью поэтому требует особенно осторожной интерпретации и независимого подтверждения.

Кроме того, из-за химической нестабильности фосфорилированного гистидина авторам не удалось напрямую картировать эндогенную модификацию IRF3 стандартной масс-спектрометрией.

Главный результат работы поэтому не в том, что найден новый «микроб рака лёгкого». Он гораздо точнее: определён конкретный бактериальный механизм, который в экспериментальных системах способен заставить опухолевую клетку активнее производить собственные мутации. Насколько часто такой процесс действительно влияет на эволюцию опухолей у пациентов, теперь предстоит проверить на значительно больших выборках.