Академик Г. П. ГЕОРГИЕВ, директор Института биологии гена АН СССР

В прессе нередки сообщения об открытии действенных средств борьбы со злокачественными опухолями. Однако рак по-прежнему занимает одно из первых мест среди болезней- убийц. Поэтому оговоримся: работа, о которой пойдет речь, - открытие гена метастазина - лишь шаг на пути к раскрытию молекулярной природы рака - болезни генома человека, наследственного аппарата клетки.

Это работа одной из групп нашей лаборатории в Институте молекулярной биологии АН СССР, возглавляемой доктором биологических наук Е. М. Луканидиным (теперь она стала самостоятельной лабораторией во вновь организованном Институте биологии гена АН СССР). Здесь изучают молекулярные основы изменения аппарата наследственности при возникновении и развитии опухолей. В течение многих лет группа пыталась раскрыть механизм метастазирования. Например, с помощью ДНК превратить метастазирующие клетки в неметастазирующие, и наоборот. Однако все попытки оказались безуспешными.

Тогда ученые пошли в другом направлении. Была поставлена задача выделить ген, ответственный за регуляцию процессов метастазирования. Для этого взяли две линии раковых клеток молочной железы мыши одного и того же происхождения, т.е. полученных из одной и той же материнской линии. Одна линия, не дающая вообще или дающая метастазы очень редко, лишь на поздних стадиях. Другая устойчиво давала метастазы в легкие и лимфоузлы с очень высокой частотой: что-то происходило в раковых клетках. Эти-то последние и отбирали, используя в качестве модели.

Геном человека состоит из 3 млрд. нуклеотидных пар (родственных, но отличающихся друг от друга химических соединений), и каждая из 10 клеток, составляющих организм человека, содержит эти 3 млрд. нуклеотидов. Все свойства человеческого организма записаны в геноме. Что касается рака, то его понимают теперь как болезнь генома человека.

Начался поиск генов, которые работали в метастазирующей линии клеток, выдавали информацию, вызывающую синтез белков, а в неметастазирующей - нет.

Не вдаваясь в детали, поясним, что ни работа генов (матрицы или отрезков ДНК), ни синтез белка невозможны без рибонуклеиновых кислот - РНК: если ген работает, на нем идет синтез матричной РНК (мРНК). Следует оговориться, что ген необходимо получить в виде молекулы ДНК, так как молекулы РНК нельзя тиражировать.

Исследователи брали матричную РНК метастазирующей линии и синтезировали соответствующую ей (комплектарную) ДН К с помощью специального фермента - ревертазы. После этого производили так называемое "вычитание". Иными словами, синтезированную ДНК соединяли с мРНК из неметастазирующей линии. Все, что соединилось или сгибридизировалось, отбрасывали: молекулы ДНК, одинаковые для метастазирующих и неметастазирующих клеток, "узнавали" друг друга, связывались между собой и выходили из реакции.

Молекулы, не нашедшие партнеров, - ими и отличается одна линия клеток от другой - были использованы для дальнейших исследований. В этом заключался процесс вычитания. После него оставались лишь ДНК, соответствующие м РНК, такие ДНК есть в метастазирующей линии и отсутствуют в другой.

Дальнейшая задача сводилась к размножению, или как принято говорить, тиражированию этих молекул с помощью методов генной инженерии. Оставшиеся несгибридизированные ДНК встраивались в ДНК вирусов бактерий (их называют фагами) и получали клоны - бактерии, несущие в себе наследственный материал измененных фагов. Затем клоны тиражировали, и выделенную из них ДНК гибриди-зировали с комплектарной мРНК метастазирующей и неметастазирующей линий. После этого шел отбор тех клонов, которые с матричной РНК метастазирующих клеток гибридизируются, а с матричной РНК неметастазирующих - нет.

В конце концов выявили клон, содержащий ген, который работает в метастазирующих клетках и не работает в немета-

стр. 77

стазирующих. Значит, ген работал у данной линии метастазирующих клеток.

Последовала более тщательная проверка. Была взята серия метастазирующих и неметастазирующих опухолей множества разных линий рака. Эта работа велась совместно со специалистами Всесоюзного онкологического центра AMН СССР. Из разных опухолей мышей выделили РНК и изучили гибридизацию с полученным геном. Во всех метастазирующих опухолях за небольшим исключением этот ген работал, а в неметастазирующих - нет. Кроме того, выяснилось, что в большинстве видов нормальных клеток он не функционирует, но довольно активно размножается в отвечающих за иммунитет.

После того как было показано, что данный ген работает только во многих метастазирующих клетках, его назвали метастазин- 1 (mts-1).

Следующий этап - расшифровка первичной структуры гена, которая кодирует его белковый продукт. С помощью компьютера провели структурный анализ белка, после чего стало ясно: чистых аналогов в банке данных нет, т.е. получен принципиально новый ген. Однако некоторое сходство с другими белками обнаружилось. Оказалось, белок - продукт гена mts-1 - принадлежит к большому семейству белков клетки, способных связывать кальций. Правда, отсюда еще не вытекает, что этим объясняется его склонность образовывать метастазы, хотя такие белки могут играть регуляторную роль в жизнедеятельности клетки.

Принципиально важно было выяснить, в какой степени mts-1 определяет процесс метастазирования. Ответ на вопрос могла бы дать попытка превратить неметастазирующие клетки в метастазирующие с помощью гена. Сотрудница группы Луканидина М. Григорян выехала к американским коллегам в Рочестерский университет, где были проведены опыты по уточнению биологической роли mts-1. Исследователи вводили в неметастазирующие клетки (в которых mts-1 не работал) конструкции, содержащие активно работающий mts-1, - как бы заражали их. Если такая конструкция внедрялась в геном клетки и активно работала, то происходящие из такой клетки опухоли приобретали свойство метастазировать.

В это время в Москве вели сходные опыты, где использовали тот же ген, но не в правильной, а в перевернутой ориентации: с помощью специального фермента он считывался в противоположном направлении, и в результате получалась антисмысловая последовательность данного гена. Когда такая конструкция активно работала в метастазирующих клетках, то синтезируемые антисмысловые последовательности связывались с правильной (смысловой) мРНК, которой они соответствуют, и выключали ее. Фактически выключался сам ген. А клетка резко снижала свою способность образовывать метастазы.

Накапливается все больше фактов о прямой связи между работой гена mts-1 и способностью опухолевых клеток давать метастазы. Тем не менее об окончательных выводах говорить пока рано, нужны еще дополнительные эксперименты на разных модельных системах.

Между тем М. Григорян провела в Рочестере новые исследования. Она занялась изучением белкового продукта гена mts-1 - белка, названного метастазином. Поскольку структура белка была известна - она прямо следует из структуры гена mts-1, были синтезированы полипептиды - отрезки белковой цепи. С их помощью, уже в Москве, получили антитела, обладающие способностью связываться как с самими пептидами, так и с метастазином мыши. Таким образом, открывается путь для широкого изучения метастазина, его содержания в тканях, распределения внутри клетки и участия в клеточном обмене веществ.

Эти работы Луканидина и Григорян развиваются сейчас в Москве. Уже есть первые результаты, позволившие определить место метастазина в цитоплазме метастазирующих опухолевых клеток.

После того как ген метастазина (mts-1) был выделен из клеток мышей и определена его структура, группа Луканидина переключилась на геном человека. Ген метастазина человека был выделен и охарактеризован. По структуре он близок, но не идентичен гену мыши. Чтобы изучить широкий спектр опухолей человека, другой сотрудник Луканидина А. Эбралидзе поехал в норвежский Центр раковых исследований, где имеется большая коллекция метастазирующих и неметастазирующих клеточных линий человека. Его целью было выяснить, как работает mts-1. Для этого из большого числа различных опухолей он выделял матричную РНК (мРНК), разделял ее с помощью электрофореза по молекулярному весу и переносил на фильтры, где она гибридизировалась с меченым геном метастазина человека. Стало ясно: если в препарате мРНК присутствуют РНК, синтезированные на mts-1, они связывают меченую ДНК гена mts-1. На рентгеновской пленке при наложении на нее фильтра выявляется засвеченная полоса. По ней можно точно определить интенсивность работы гена. Чем она ярче, тем активнее работает ген. Сопоставление показало, что для различных опухолей человека существует прямая взаимосвязь между интенсивностью работы mts-1 и степенью злокачественности опухоли, метастазированием.

Сейчас Е. Тульчинский, сотрудник группы Луканидина, начал исследования по регуляции работы mts-1. Идет поиск участков ДНК, отвечающих за активную работу гена в метастазирующих клетках.

Условно можно сказать, что ген состоит из двух частей: регуляторной и структурной. Уже найдены две области: одна перед геном, другая - внутри него. Они нужны для того, чтобы mts-1 эффективно работал. Известно, что с такими регуляторными участками ДНК связываются белки, определяющие синтез РНК. Возникает задача - выделить эти белки и гены, их кодирующие, тогда можно будет считать заключенную в них наследственную информацию. И мы будем иметь гены, управляющие работой mts-1.

Одновременно идет поиск новых генов, связанных с метастазированием. Стал известен еще один ген, вернее, часть гена, который отобран так же, как и ген метастазина, но из других опухолей. Он выделен, клонирован, анализируется его первичная последовательность. Затем эту последовательность пропустят через компьютерный банк данных и посмотрят, известна ли она. Если нет, то предстоит выяснить, почему этот ген работает преимущественно в метастазирующих клетках, как он связан с метастазином. Это новая глава.

Сейчас в лабораторию института из многих стран мира поступают все новые предложения о сотрудничестве. В Рочестер отправляется Е. Тульчинский. Он продолжит исследования по регуляции работы гена метастазина. Идут совместные исследования с коллегами из Норвегии. Недавно к ним присоединились ученые из Франции.

Наука в СССР N 6, 1991

Постоянный адрес данной публикации: