Pionierskie badania, których wyniki mogą zwiększyć skuteczność nowoczesnych celowanych terapii przeciwnowotworowych, prowadzą naukowcy z Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego.
Białka są najważniejszymi makrocząsteczkami organizmów żywych. Szacuje się, że pojedyncza komórka ludzka zawiera kilkadziesiąt tysięcy różnych białek. Te z kolei występują w wielu milionach kopii, czego efektem jest ich ogromna liczba w jednej tylko komórce – ponad 100 miliardów cząstek białkowych! Pełnią przy tym kluczową funkcję we wszystkich procesach biologicznych.
Biotechnolodzy z Zakładu Inżynierii Białka Uniwersytetu Wrocławskiego rozpoczynają właśnie kolejny projekt badawczy poświęcony białkom FGF i FGFR, biorącym udział w procesach podziału, migracji i umierania komórek w organizmach żywych. Jego celem jest wyjaśnienie roli białek z rodziny galektyn w regulacji systemu FGF/FGFR. Przypomina on nieco pracę listonoszy lub kurierów. Białka FGF są swoistą paczką, która zawiera informację: „Komórko, nie umieraj, przemieszczaj się, podziel się”. Mimo że wiadomość skierowana jest do komórki, ona sama nie jest w stanie samodzielnie jej odczytać. Do tego celu służy jej inny rodzaj cząstek białkowych – FGFR. To właśnie one są receptorami („skrzynkami pocztowymi”), które potrafią wychwycić i odczytać informacje zakodowane w białkach FGF.
Większość białek FGF znajduje się w przestrzeni międzykomórkowej. Jako czynniki wzrostu mogą one krążyć w krwioobiegu lub działać lokalnie. Z kolei białka FGFR jako receptory komórkowe występują bezpośrednio na powierzchniach komórek. FGFR – tak jak i pozostałe białka znajdujące się na powierzchni komórki – są w regulowany sposób transportowane do wnętrza komórki. Proces wnikania białek z powierzchni komórki do jej wnętrza nazywany jest endocytozą. To właśnie ona decyduje o tym, jak długi i jak silny sygnał zostanie przekazany komórce.
Prawidłowe działanie systemu FGF/FGFR jest kluczowe dla optymalnego rozwoju ludzkiego organizmu. Zaburzenia w jego pracy prowadzą do chorób metabolicznych oraz nowotworów. Biotechnolodzy z Zakładu Inżynierii Białka Uniwersytetu Wrocławskiego prowadzą badania dotyczące poszukiwania nowych białek partnerskich, które mogą regulować transport i działanie systemu FGF/FGFR. Dzięki zastosowaniu technik wysokoprzepustowych (spektrometria mas) zidentyfikowali wiele nowych tego rodzaju białek partnerskich dla FGFR. Odkryli zarazem zupełnie nieznany wcześniej mechanizm, który wpływa na przekazywanie sygnałów przez FGFR oraz ich transport do wnętrza komórki.
Okazuje się, że w trakcie powstawania białka FGFR są modyfikowane przez dołączenie do ich zewnątrzkomórkowych regionów kilku łańcuchów cukrowych (tzw. N-glikozylacja FGFR). Do tej pory znaczenie tych modyfikacji dla działania FGFR było w znacznym stopniu nieznane. Wrocławscy badacze wykazali jednak, że łańcuchy cukrowe dołączone do FGFR stanowią rodzaj dodatkowego „swoistego kodu”, który jest odczytywany przez galektyny, czyli zewnątrzkomórkowe białka wiążące cukry. Badania zespołu wykazały, że galektyna-1 powoduje aktywację FGFR i, podobnie jak FGF, stymuluje proces podziału komórek oraz chroni komórki przed śmiercią. Z kolei galektyna-3 powoduje zatrzymanie receptora FGFR na powierzchni komórki, a więc uniemożliwia proces endocytozy.
Nasze wyniki sugerują, że komórki nowotworowe mogą wykorzystywać kod cukrowy białek FGFR oraz galektyny do aktywacji i stymulacji podziału komórek nawet pod nieobecność białek FGF. Jest to ważna hipoteza, która może tłumaczyć szybkie namnażanie się komórek nowotworowych. Pozwala także zrozumieć sposób, w jaki komórki nowotworowe nabywają odporność na niektóre ze stosowanych obecnie terapeutyków. Jeśli ją potwierdzimy, może to ułatwić projektowanie nowych terapii celowanych w onkologii – wyjaśnia dr hab. Łukasz Opaliński (na fot.), kierownik właśnie rozpoczętego projektu realizowanego w ramach grantu SONATA BIS Narodowego Centrum Nauki.
Ma on na celu wyjaśnienie roli całej rodziny galektyn w regulacji systemu FGF/FGFR. Warto dodać, że do tej pory w ludzkim ciele zidentyfikowano kilkanaście białek z rodziny galektyn.
Galektyny pełnią wiele ważnych funkcji w komórce. W wypadku nowotworów mogą one ułatwiać guzom ucieczkę przed rozpoznaniem i zniszczeniem przez nasz układ odpornościowy. Mogą też napędzać podział oraz przemieszczanie się komórek nowotworowych. System FGF/FGFR oraz galektyny były do tej pory traktowane w znacznym stopniu jako dwie niepowiązane ze sobą grupy białek. Nasze wyniki sugerują jednak, że białka te mogą ze sobą współpracować zarówno w regulacji przekazywania sygnałów w komórce, jak i w modulacji transportu białek – mówi Opaliński.
Oprócz badań dotyczących galektyn prowadzi on także drugim projekt, w którym bada rolę przestrzennego ułożenia białek FGFR na powierzchni komórek. Okazuje się, że ten aspekt ma także duże znaczenie dla rozwoju nowotworów w ludzkim organizmie. Komórki nowotworowe wykorzystują system FGF/FGFR do niekontrolowanej stymulacji własnego podziału oraz zwiększenia zdolności do migracji. Objawia się to rozwojem guzów i przerzutowaniem. Dzieje się tak m.in. dlatego, że na powierzchni komórek nowotworowych znajduje się więcej białek FGFR, przez co komórki te efektywniej niż komórki zdrowe wychwytują z krwi czynniki wzrostu FGF i odbierają intensywne sygnały do podziałów. Około 10% wszystkich ludzkich nowotworów ma nadaktywny system FGF/FGFR.
Jednym z podstawowych mechanizmów regulujących poziom FGFR jest ich transport do wnętrza komórki, a więc endocytoza. Jest to kluczowy proces także dla leczenia nowotworów z wykorzystaniem nowoczesnych celowanych terapii nowotworowych, które zwalczają komórki rakowe, pozostawiając zdrowe komórki nietknięte. Tego rodzaju terapie korzystają z wysoce selektywnego podejścia ADC (koniugatów przeciwciał z lekami cytotoksycznymi). Metoda ta wykorzystuje dwa elementy: białko kierujące (przeciwciało lub inne białko rozpoznające dany receptor, np. FGFR) oraz cytotoksyczny lek. Razem tworzą one koniugat ADC.
Na jakiej zasadzie działa ADC? Znajdujące się w nim białko kierujące precyzyjnie wyszukuje tylko te komórki, które nadprodukują dany receptor, czyli komórki nowotworowe. Gdy białko kierujące już je rozpozna, wówczas wykorzystuje endocytozę, aby trafić do wnętrza komórki. Tam dochodzi do kontrolowanego uwolnienia drugiego elementu ADC, czyli cytotoksycznego leku. W rezultacie powoduje to śmierć komórki nowotworowej.
Największą zaletą podejścia ADC jest przede wszystkim jej selektywność: terapia w odróżnieniu od konwencjonalnej chemioterapii oszczędza zdrowe komórki. Warto także podkreślić, że metodę tę uważa się obecnie za przyszłość terapii przeciwnowotworowych i że rynek ADC jest jednym z dynamiczniej rozwijających się gałęzi tego rodzaju terapii – mówi dr hab. Łukasz Opaliński.
Jest on jednym z członków zespołu prof. Jacka Otlewskiego, który od lat zajmuje się badaniem systemu FGF/FGFR i jest pionierem w konstrukcji cytotoksycznych koniugatów ADC dla nowotworów nadprodukujących białka FGFR. Naukowcy mają na swoim koncie liczne projekty badawcze i istotne odkrycia w tym zakresie.
W ramach wciąż jeszcze trwającego projektu First TEAM wykazali, że endocytoza FGFR jest inicjowana przez zmiany w ułożeniu FGFR na powierzchni komórki. Udowodnili, że fizyczne zbliżenie do siebie wielu cząstek FGFR, czyli klastrowanie FGFR do wyższych stanów oligomerycznych, kilkukrotnie zwiększa wydajność ich endocytozy. Do badań zastosowali specjalnie do tego celu stworzone oligomeryczne białka kierujące, które rozpoznają FGFR. Wyniki potwierdziły hipotezę, że możliwe jest kontrolowanie komórkowego transportu FGFR przez zmiany w ułożeniu tych białek na powierzchni komórek.
Wytworzyliśmy wiele oligomerycznych cząstek kierujących, za pomocą których wykazaliśmy, że oprócz endocytozy dzięki oligomeryzacji FGFR możliwe jest uzyskanie także i innych efektów, jak stymulacja podziałów komórek czy zmiana ich metabolizmu. Nasze oligomeryczne cząstki rozpoznające FGFR wykorzystujemy przede wszystkim do rozwoju podejścia cytotoksycznych koniugatów ADC w terapii przeciwnowotworowej. Do czego dokładnie nam one służą? Przede wszystkim do zwiększenia wydajności i selektywności leków cytotoksycznych wprowadzanych do komórek nowotworowych nadprodukujących FGFR – wyjaśnia Łukasz Opaliński, dodając: – Zazwyczaj w terapii ADC jako cząstki kierujące stosowane są przeciwciała, które wnikają do komórek na drodze klatrynozależnej. Komórki nowotworowe często jednak wyłączają tę ścieżkę endocytozy, co może zmniejszać skuteczność terapii celowanych ADC. Nasze wyniki pokazały, że problem uzyskiwania odporności na ADC przez komórki nowotworowe może zostać ominięty dzięki zastosowaniu oligomerycznych cząstek kierujących.
Aleksandra Draus, źródło: UWr