Mutações, drogas impulsionam o câncer ao borrar(pintar grosseiramente) sinais de crescimento
Pesquisadores controlam trajetória comum do câncer em laboratório com pulsos de luz
Mutações genéticas em uma forma de câncer de pulmão de células não pequenas (NSCLC) podem impulsionar a formação de tumores, distorcendo a percepção das células dos principais sinais de crescimento, de acordo com um novo estudo de laboratório publicado em 31 de agosto de 2018 na Science . A pesquisa, conduzida por pesquisadores da UC San Francisco, pode ter implicações importantes para a compreensão e, em última análise, para os mecanismos defeituosos subjacentes a muitos cânceres humanos.
As células saudáveis baseiam-se na via de sinalização de crescimento Ras / Erk central (também conhecida como a via Ras / MAPK) para interpretar sinais externos sobre como e quando crescer, dividir e migrar, mas defeitos na forma como estas mensagens são comunicadas podem fazer com que as células crescer fora de controle e invadir agressivamente outras partes do corpo. Tais mutações são encontradas na maioria dos cânceres humanos, tornando os tratamentos para os defeitos de Ras / Erk um "santo graal" da pesquisa do câncer.
Décadas de estudo levaram os cientistas a acreditarem que os cânceres causados por Ras / Erk ocorrem quando as mutações fazem com que um ou mais componentes do caminho fiquem presos em um estado pró-crescimento. Pesquisadores têm trabalhado para desenvolver tratamentos direcionados que desligam esses interruptores quebrados, mas até agora a maioria não conseguiu passar por testes clínicos. Agora, usando uma técnica de alta produtividade desenvolvida na UCSF, que permite aos cientistas controlar a sinalização Ras / Erk usando pulsos de luz e, em seguida, ler rapidamente a atividade genômica resultante, os pesquisadores fizeram uma descoberta surpreendente sobre esse caminho amplamente estudado.
A optogenética - na qual proteínas sensíveis à luz são geneticamente modificadas em células para fazê-las responder a pulsos de luz - tem sido uma técnica de laboratório transformadora em neurociência, permitindo aos pesquisadores controlar e estudar padrões de atividade elétrica dentro de redes de neurônios com requintado precisão. Ao usar a mesma abordagem para explorar padrões de comunicação química dentro de células individuais, a nova pesquisa revelou que algumas mutações de Ras / Erk podem desencadear o câncer, alterando o tempo, em vez da intensidade, dos sinais de crescimento celular. O novo estudo também mostra que este desfoque do tempo do sinal pode explicar porque alguns medicamentos direcionados para impedir a sinalização defeituosa de Ras / Erk podem ativar a via paradoxal, aumentando potencialmente o risco de formação de novos tumores.
"Esta nova técnica é como um instrumento de diagnóstico que conectamos a uma célula doente, o que nos permite estimular e interrogar a célula com muitos estímulos à base de luz para ver como ela reage", disse o biólogo sintético da UCSF, Wendell Lim, PhD, autores seniores do estudo. "Usando essa abordagem, fomos capazes de identificar células cancerígenas que têm certos defeitos na forma como processam sinais, comportamentos que levam à proliferação celular em resposta a sinais que normalmente são filtrados pelos circuitos celulares".
O médico oncologista da UCSF e biólogo especializado em câncer Trever Bivona, MD, PhD, e o biólogo molecular de Princeton Jared Toettcher, PhD, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lim, foram co-autores sênior do novo estudo. O principal autor do estudo foi Lukasz Bugaj, PhD, da Universidade da Pensilvânia, também ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lim.
Optogenética revela corrupção da sinalização de crescimento celular por mutações, drogas
A via Ras / Erk é complexa, mas em seu núcleo há uma cascata de quatro proteínas - Ras, Raf, Mek e Erk - que se ativam como uma cadeia de dominós em queda em resposta a sinais de crescimento de fora da célula. Ras senta na membrana celular e recebe os sinais, então os passa para Raf e Mek, que os processam e amplificam, até que finalmente Erk (também chamado MAP Kinase ou MAPK) transporta o sinal para dentro do núcleo celular, onde pode ativar o sinal. programas genéticos apropriados.
Anteriormente, os pesquisadores tinham pouca compreensão de como o timing dos sinais de crescimento afetou o comportamento das células. Para abordar essa questão, a nova pesquisa utilizou uma nova ferramenta optogenética desenvolvida por Toettcher como pós-doutorado no laboratório de Lim. Esta ferramenta, OptoSOS, pode ser projetada em células para desencadear a atividade Ras em resposta a pulsos de luz precisamente cronometrados.
Para rastrear as respostas das células a diferentes padrões de ativação Ras, os pesquisadores projetaram o sistema OptoSOS em várias linhas de células saudáveis e cancerígenas, e colocaram diferentes grupos dessas células em uma série de pequenos poços em um prato de laboratório. Ao iluminar este prato com um dispositivo especialmente projetado - apelidado de optoPlate - a equipe foi capaz de estimular rapidamente centenas de diferentes grupos experimentais de células com uma variedade de padrões de teste, e simultaneamente ler suas respostas sob um microscópio.
Essas técnicas revelaram que as células saudáveis respondem seletivamente a sinais de crescimento de longa duração, enquanto ignoram os sinais que piscam - supostamente considerando-os irrelevantes como "ruído". Em contraste, os pesquisadores descobriram que certas linhas celulares de câncer de pulmão de células não pequenas (NSCLC) parecem interpretar erroneamente esses sinais ruidosos intermitentes como sinais mais fortes e sustentados, desencadeando crescimento excessivo e formação de tumores.
"Os biólogos oncológicos esperam que as mutações oncogênicas sigam um caminho constante e alto", disse Toettcher. "Nosso trabalho mostra que existe uma segunda opção, em que as células mutantes ainda podem sentir os fatores externos, mas alterar a dinâmica de suas respostas".
Esta má leitura dos sinais parece ocorrer devido a um tipo específico de mutação na proteína B-Raf corrompe o tempo de entrada de sinais de crescimento, os pesquisadores descobriram, causando pulsos curtos de ativação Ras para reverberar por mais tempo dentro de uma célula afetada - semelhante ao como o pedal "sustentar" em um piano faz com que as notas individuais sejam desenhadas e borradas juntas.
Quando os pesquisadores ativaram Ras em células saudáveis com um breve pulso de estimulação OptoSOS, Erk ligou e desligou novamente com um atraso de apenas dois minutos. Em contraste, em células mutantes de B-Raf, a atividade de Erk levou 20 minutos para dissipar após a estimulação com OptoSOS, e experimentos posteriores mostraram que isso resultou na ativação de programas genéticos a jusante associados ao crescimento e proliferação celular.
Os pesquisadores também mostraram que alguns medicamentos contra o câncer direcionados que são destinados a desligar componentes superativos da via de sinalização Ras / Erk podem embaçar a fidelidade da sinalização, da mesma forma que as mutações do B-Raf. Especificamente, eles descobriram que o vemurafenib e o SB590885 - parte de uma classe de medicamentos chamados inibidores da B-Raf que ativam o paradoxo - diminuíram significativamente a duração da atividade de Ras / Erk após a estimulação com OptoSOS, o que poderia ajudar os pesquisadores a entender risco conhecido de desencadear nova formação tumoral em pacientes.
"Esta pesquisa nos ensina sobre uma dimensão anteriormente subestimada a sinalização oncogênica e sugere que o momento da sinalização de crescimento poderia desempenhar um papel importante em uma ampla variedade de cânceres humanos", disse Bivona. "Pode haver futuras oportunidades diagnósticas e terapêuticas que alavanquem a capacidade de detectar aspectos da corrupção do sinal em um nível funcional que não são aparentes simplesmente por seqüenciar o genoma do câncer com as abordagens descritivas que atualmente são padrão no campo."
Lim acrescentou: "Agora podemos usar ferramentas interrogativas como a optogenética para obter uma compreensão muito mais quantitativa e sistemática de como funcionam os circuitos celulares e como eles se quebram. Essa abordagem pode nos ajudar a descobrir o que está errado em muitas doenças envolvendo problemas de decisão". fazendo circuitos em células, variando de câncer a autoimunidade ".
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela University of California - San Francisco . Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e tamanho.
Referência do Journal :
- LJ Bugaj, AJ Sabnis, A. Mitchell, JE Garbarino, J. Toettcher, TG Bivona, WA Lim. Mutações de câncer e drogas direcionadas podem interromper a codificação de sinais dinâmicos pela via Ras-Erk . Science , 2018; 361 (6405): eaao3048 DOI: 10.1126 / science.aao3048
Universidade da Califórnia - São Francisco. "Mutações, drogas impulsionam o câncer, obscurecendo os sinais de crescimento: os pesquisadores controlam o caminho comum do câncer em laboratório com pulsos de luz." ScienceDaily. ScienceDaily, 31 de agosto de 2018. <www.sciencedaily.com/release/2018/08/180831175032.htm>.
- 31 de agosto de 2018
- https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180831175032.htm
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