Исследователи из Германии выяснили, как канал, контролирующий уровни калия в клетках, вызывает метаболическую перестройку в раковых клетках, способствуя росту опухоли. ВКСа, кальцийзависимый калиевый канал, находящийся на внутренней мембране митохондрий, отвечает за переключение метаболизма клеток рака молочной железы на гликолиз, что значительно увеличивает злокачественность солидной опухоли.
Credit:
123rf.com
Раковые клетки характеризуются повышенной метаболической активностью из-за высоких темпов размножения в бедных питательными веществами нишах в опухолевом микроокружении. Одна из самых распространенных адаптаций к таким условиям — метаболический сдвиг от окислительного фосфорилирования к гликолизу, называемый эффектом Варбурга. При нем происходит выделение лактата во внеклеточный матрикс (ECM) вместо использования пирувата для подпитки цикла Кребса. Ранее исследования показали, что выделение лактата в ЕСМ, а также нарушение токов K+ и Ca2+ и работы ионных каналов связано со злокачественностью и прогрессированием опухоли. Один из этих каналов — BKCa, активируемый ионами кальция и потенциалом калиевый канал большой проводимости (calcium ion (Ca2+)- and voltage-activated K+ channel of large conductance), который кодируется геном KCNMA1. BKCa располагается в плазматической мембране и на внутренней мембране митохондрий и регулирует содержание ионов K+, мембранный потенциал (ΔΨ), клеточный цикл и подвижность клеток. В недавно опубликованном исследовании ученые из Тюбингенского университета (University of Tübingen), Германия, вместе с национальными и международными партнерами продемонстрировали, что метаболическое репрограммирование в клетках рака молочной железы (РМЖ) зависит от ионных токов калия и кальция, и их динамика регулируется ионным каналом BKCa, тем самым способствуя прогрессии опухоли.
Сначала ученые проанализировали экспрессию ВКСа в клетках рака молочной железы (ВСС) человека при помощи метода пэтч-кламп. BCC, полученные от трансгенных мышей с раком молочной железы (MMTV-PyMT) дикого типа (WT) или с нокдауном ВКСа (BK-KO), использовались в качестве положительных или отрицательных контролей, соответственно. Эксперименты показали, что деполяризующие стимулы индуцировали выходящие токи K+, которые были больше в клетках MMTV-PyMT WT по сравнению с клетками BK-KO. Чтобы подтвердить, что эти токи вызываются BKCa, исследователи фармакологически ингибировали канал с помощью пациллина или иберитоксина. В то время как ток оставался неизменным при этих обработках в отрицательном контроле (BK-KO), пиковые токи (Imax) были резко снижены в мышиных опухолевых клетках дикого типа. Похожие результаты были также получены на двух культурах ВСС человека, MDA-MB-453 и MCF7.
Поскольку BKCa потенциально влияет на внутриклеточные токи Ca2+, группа ученых также исследовала гомеостаз Ca2+ в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) и митохондриях. Используя кальциевые сенсоры, ученые показали, что разные изоформы ВКСа в органелах могут увеличивать уровень ионов кальция в цитоплазме и снижать его в ЭПР. Эти противоположные эффекты ожидаемы, поскольку захват K+ в ER, опосредованный BKCa, должен ограничивать способность этого субклеточного компартмента к захвату Ca2+, тогда как функциональная экспрессия канала на плазматической мембране может увеличивать движущую силу для притока Ca2+, способствуя повышению цитозольного кальция. Уровень митохондриального кальция, однако, подавляется активностью внутриклеточно расположенных вариантов BKCa в клетках MMTV-PyMT WT и MDA-MB-453, и митохондриальной формы BKCa в клетках MCF-7.
Учитывая эти результаты, команда изучила, влияет ли BKCa также на метаболические процессы в клетках РМЖ. Проанализировав скорость внеклеточного подкисления и проведя стресс-тест митохондрий, ученые измерили секрецию лактата в клетках MMTV-PyMT и MDA-MB-453. Как и ожидалось, в клетках с BKCa наблюдалось повышенное выделение лактата и сниженное потребление кислорода по сравнению с клетками РМЖ без BKCa (ВК-КО), что указывает на метаболическую перестройку, опосредованную этим ионным каналом.
Для выяснения того, как BKCa регулирует метаболическую активность клеток рака молочной железы, ученые исследовали клеточный биоэнергетический профиль в реальном времени с использованием флуоресцентной микроскопии единичных клеток. Они показали, что при наличии ВКСа клетки переключают режим АТФ-синтазы с синтеза АТФ на его гидролиз для поддержания потенциала митохондриальной мембраны при переходе к метаболизму без участия кислорода. Эти результаты подтверждают ранее выдвинутую гипотезу о роли ВКСа в метаболическом репрограммировании. Более того, измерение уровня пероксида водорода, Н2О2, в митохондриях при помощи флуоресцентного сенсора показало его повышенные уровни в клетках MMTV-PyMT WT и MDA-MB-453. Повышение продукции активных форм кислорода (АФК), таких как Н2О2, вероятно, связано с разобщением митохондриальной цепи при переключении с окислительного фосфорилирования на анаэробный метаболизм, что опосредовано ВКСа. В совокупности эти результаты указывают на значительное влияние митохондриального BKCa на злокачественность рака молочной железы.
Наконец, авторы исследовали, присутствует ли митохондриальный BKCa в первичных тканях рака молочной железы. Они измерили экспрессию мРНК в 551 образце, детектировав ее наличие во всех образцах. При этом в 10 из них экспрессия BKCa была особенно высокой. «Наши эксперименты свидетельствуют о наличии ионного канала в энергетической производственной системе клеток рака груди, который вызывает значительные биоэнергетические изменения и в конечном счете запускает рост раковых клеток в условиях нехватки кислорода, как, например, в солидных опухолях, — заключает руководитель исследования профессор Роберт Луковски (Robert Lukowski). — В совокупности, экспрессия митохондриального BKCa может быть использована в качестве прогностического или терапевтического маркера у пациентов с раком груди и представляет собой потенциально новую стратегию лечения рака».
Источник
Helmut Bischof et al., mitoBKCa is functionally expressed in murine and human breast cancer cells and potentially contributes to metabolic reprogramming. // eLife 12:RP92511, DOI: 10.7554/eLife.92511.3
Цитаты по пресс-релизу