КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-74-20161

НазваниеАнтираковая активность секретируемых пептидов человека SLURP-1 и SLURP-2: молекулярные механизмы и специфичность действия

РуководительШулепко Михаил Анатольевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020  , продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые словаонкология, эпителий, никотиновый ацетилхолиновый рецептор, пролиферация, трехпетельные пептиды, межклеточная сигналлизация

Код ГРНТИ34.15.51


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Открытие у млекопитающих эндогенных трехпетельных пептидов, по структуре напоминающих нейротоксины яда змей, которые являются высокоспецифичными блокаторами никотиновых ацетилхолиновых рецепторов (nAChR), вызвало огромный интерес к этим молекулам. На данный момент у человека обнаружено 35 генов трехпетельных пептидов. Однако роль этих пептидов в функционировании организма человека в настоящее время все еще остается мало изученной. Известно, что гены секретируемых трехпетельных пептидов SLURP-1 и SLURP-2 экспрессируются в тканях эпителиального происхождения, и нарушение их экспрессии приводит к возникновению ряда кожных и эндокринных заболеваний. Никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChR) является лигандозависимым ионным каналом и играет важную роль в межклеточной сигнализации. В последнее время появились данные о локализации некоторых подтипов nAChR в тканях эпителиального происхождения и о вовлечении этих рецепторов в регуляцию воспалительных процессов, а также процессы клеточной пролиферации, дифференцировки, миграции и апоптоза. Известно, что с употреблением никотина (табака) связано развитие сердечно-сосудистых заболеваний, а также рака легкого, головы, шеи, груди, поджелудочной железы, толстой кишки, желудка и мочевого пузыря. Показано, что активация nAChR типа альфа7 (альфа7-nAChR) никотином стимулирует пролиферацию раковых клеток. Таким образом, альфа7-nAChR является перспективной мишенью для разработки новых противоопухолевых препаратов, - селективных ингибиторов этого рецептора. Прообразами для подобных препаратов могут выступать природные эндогенные трехпетельные пептиды. Ранее авторами предлагаемого проекта было показано, что рекомбинантные аналоги секретируемых пептидов человека SLURP-1 и SLURP-2 ингибируют альфа7-nAChR. Кроме того, авторами было продемонстрировано антипролиферативное действие этих пептидов в отношении клеточных линий карцином эпителиального происхождения (кишечника и кожи). Для аденокарциномы кожи показано, что действие SLURP-1 и SLURP-2 опосредовано взаимодействием с nAChR, причем белки подавляют рост опухолевых клеток в концентрациях, недостаточных для подавления роста нормальных клеток (сотни пикомоль для раковых клеток и десятки микромоль для нормальных клеток). Таким образом, эти пептиды можно рассматривать как природных «защитников», ингибирующих рост опухолевых клеток и обладающих низкой иммуногенностью и токсичностью. Целью предлагаемого проекта является детальное исследование противоопухолевой активности белков человека SLURP-1 и SLURP-2 и механизмов, лежащих в ее основе. Для достижения цели проекта планируется исследовать спектр активности белков, протестировав их действие в отношении ряда опухолевых и нормальных клеточных линий, экспрессирующих nAChR. На каждой линии предполагается детально охарактеризовать антипролиферативное действие белков с определением полумаксимальной эффективной концентрации действия и продолжительности действия. Кроме того, будет исследовано влияние белков на миграцию и апоптоз опухолевых клеток. В отношении линий, на которых будет обнаружен противоопухолевый эффект SLURP-1 и SLURP-2, будет проведено уточнение мишени действия, используя селективные ингибиторы различных подтипов nAChR. Будет проведено исследование механизмов, лежащих в основе антипролиферативной активности белков. Для этого будут исследованы эффекты, оказываемые пептидами на рост и апоптоз раковых и нормальных клеток в присутствии селективных ингибиторов различных участников внутриклеточных сигнальных каскадов, например, киназ Jac2, Raf, MAPK, Akt, ERK1/2, STAT3, STAT5, NF-kB и др. Влияние пептидов на экспрессию тех или иных компонентов внутриклеточных каскадов будет также подтверждено с помощью ПЦР в реальном времени и с использованием интерферирующих РНК. Так как никотин-индуцированный рост опухолевых клеток является одним из главных механизмов развития опухолей у курильщиков, будет изучено влияние никотина на экспрессию SLURP-1, SLURP-2 и nAChR, а также на пролиферацию клеток выбранных раковых линий и нормальных клеток. Методами конфокальной микроскопии и иммуногистохимии будут проанализированы изменения в раковых и нормальных клетках (экспрессия пептидов, nAChR, их локализация), происходящие под действием никотина и приводящие к изменениям внутриклеточных сигнальных каскадов. Кроме того, на выбранных раковых линиях будут протестированы мутантные варианты SLURP-1 и SLURP-2 с целью выявления наиболее активных. Это позволит предложить модификации молекул SLURP-1 и SLURP-2, приводящие к направленному усилению противоопухолевой активности пептидов. Комбинации наиболее активных вариантов пептидов с другими противоопухолевыми препаратами, используемыми в настоящее время для терапии рака, будут протестированы как in vitro, так и в сингенной или ксенографтной модели опухоли in vivo. Распределение в организме препаратов SLURP-1 и SLURP-2 или их вариантов будет исследовано на лабораторных животных, используя флуоресцентно-меченые варианты пептидов. Кроме того, планируется изучить влияние препаратов SLURP-1 и SLURP-2 на жизнеспособность первичных опухолей, полученных от пациентов РОНЦ им. Н.Н. Блохина, страдающих злокачественными неоплазиями. Выполнение проекта позволит понять роль трехпетельных пептидов человека SLURP-1 и SLURP-2 в процессах пролиферации, дифференциации и апоптоза эпителиальных клеток. Сравнение данных, полученных для пептидов SLURP-1 и SLURP-2 на нормальных и раковых клетках, позволит детально описать молекулярные механизмы, лежащие в основе их противораковой активности. Выполнение проекта также позволит предложить модификации молекул пептидов, приводящие к направленному усилению противопухолевой активности. Полученные данные в будущем могут послужить основой для разработки новой технологической платформы для таргетной терапии рака.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения предлагаемого проекта будет исследована роль малоизученных трехпетельных пептидов человека SLURP-1 и SLURP-2 в процессах пролиферации, дифференцировки, апоптоза и миграции эпителиальных клеток. Впервые будет раскрыта роль этих пептидов в контроле роста опухолевых клеток, описаны механизмы их противоопухолевой активности. Будет исследован спектр активности пептидов, протестировано их действие в отношении ряда нормальных и раковых клеточных линий, экспрессирующих nAChR. На каждой линии предполагается детально охарактеризовать действие пептидов с определением полумаксимальной эффективной концентрации действия и продолжительности действия. Предполагается изучить влияние рекомбинатных препаратов SLURP-1 и SLURP-2 не только на жизнеспособность клеток различных нормальных и опухолевых линий, но и исследовать их влияние на клеточный цикл, морфологию клеток и ядер, процессы миграции клеток, а также на различные пути гибели клеток - апоптоз, некроз и аутофагию. Кроме того, будет исследовано влияние пептидов на жизнеспособность опухолевых клеток в 3D-модели опухолей – мультиклеточных сфероидах. В отношении линий, на которых будет обнаружен противоопухолевый эффект пептидов SLURP-1 и SLURP-2, впервые будет проведено уточнение мишеней действия при помощи селективных ингибиторов различных подтипов nAChR, ПЦР в реальном времени и вестерн-блоттинга. Также планируется получение магнитных частиц с иммобилизованными на их поверхности пептидами SLURP-1 и SLURP-2. С их помощью из клеточных экстрактов будут экстрагированы молекулярные мишени действия нейропептидов, после чего мишени будут установлены методами масс-спектрометрии и вестерн-блоттинга. Кроме того, будет исследовано совместное действие нейропептидов с другими противоопухолевыми препаратами, используемыми в настоящее время для терапии рака. Так как никотин-индуцированный рост опухолевых клеток является одним из главных механизмов развития опухолей у курильщиков, впервые будет изучено влияние никотина на экспрессию эндогенных пептидов SLURP-1, SLURP-2 и nAChR, а также на пролиферацию клеток выбранных раковых линий и нормальных клеток. Методами вестерн-блоттинга, ПЦР в реальном времени, конфокальной микроскопии и иммуногистохимии будут проанализированы изменения в опухолевых и нормальных клетках (экспрессия нейропептидов, nAChR, их локализация), происходящие в результате инкубации клеток с никотином и приводящие к изменениям внутриклеточных сигнальных каскадов. После этого, планируется изучить влияние рекомбинантных препаратов SLURP-1 и SLURP-2 на никотин-индуцированные процессы в раковых и нормальных клетках, в том числе на ток ионов через мембрану клетки. Впервые будут исследованы эффекты, оказываемые пептидами на пролиферацию раковых и нормальных клеток в присутствии селективных ингибиторов различных участников внутриклеточных сигнальных каскадов, например, киназ Jac2, Raf, MAPK, Akt, ERK1/2, STAT3, STAT5, NF-kB и др. Влияние пептидов на экспрессию тех или иных компонентов внутриклеточных каскадов будет также подтверждено с помощью вестерн-блоттинга, ПЦР в реальном времени и нокдауна генов с помощью интерферирующей РНК. На основании этих данных будут подобраны вещества для комбинированной с SLURP-1 и SLURP-2 обработки опухолевых клеток различных линий. Будет изучено влияние химиотерапевтических веществ (например, доксорубицин, паклитаксел, цисплатин, IRESSA и др.) на экспрессию мишеней пептидов и пролиферацию опухолевых клеток. После чего будет исследована совместная противоопухолевая активность пептидов и химиотерапевтических веществ на различных линиях опухолевых клеток. Также будет исследована токсичность подобранных комбинаций на нормальных клетках. Кроме того, на выбранных опухолевых линиях будут протестированы мутантные варианты SLURP-1 и SLURP-2. Мутантные варианты с наибольшей противоопухолевой активностью будут протестированы в комбинации с подобранными химиотерапевтическими веществами in vitro, а также в сингенной или ксенографтной модели опухоли in vivo. Распределение в организме препаратов SLURP-1 и SLURP-2 или их вариантов будет исследовано на лабораторных животных, используя флуоресцентно-меченые варианты пептидов. Планируется изучить влияние препаратов SLURP-1 и SLURP-2 на жизнеспособность первичных опухолей, полученных от пациентов РОНЦ им. Н.Н. Блохина, страдающих злокачественными неоплазиями. Эффекты пептидов на жизнеспособность и рост опухолевых клеток будут сравниваться с таковыми на клетках из биопсий здоровых пациентов. Такой сравнительный анализ, а также сопоставление данных об экспрессии рецепторов пептидов и их вторичных мессенджеров позволят понять природу селективности препаратов SLURP-1 и SLURP-2 по отношению к раковым клеткам. Полученные в ходе реализации предлагаемого проекта результаты, в том числе новые способы контроля роста опухолевых клеток, основанные на комбинированной обработке трансформированных клеток пептидами и другими химиотерапевтическими препаратами, будут подлежать правовой охране, так как соответствуют всем критериям патентования: новизне, промышленной применимости, изобретательскому уровню и др. Результаты исследований позволят заложить новую технологическую платформу для разработки таргетной терапии рака на основе природных нейропептидов, обладающих пониженной иммуногенностью и токсичностью. Результаты предлагаемого проекта будут превосходить мировой уровень в области исследования трехпетельных пептидов, модулирующих работу никотинового ацетилхолинового рецептора человека, и позволят сохранить приоритет российских ученых в исследуемой области. Результаты исследования будут представлены в виде не менее 8 публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Сore Сollection) или «Скопус» (Scopus), а также лягут в основу ряда докладов на международных конференциях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект посвящен исследованию молекулярных механизмов, лежащих в основе антираковой активности эндогенных пептидов человека SLURP-1 и SLURP-2, модулирующих работу никотинового ацетилхолинового рецептора человека (nAChR). Благодаря важной роли, которую играет nAChR в межклеточной сигнализации, понимание механизмов, лежащих в основе регуляции работы рецептора, является одной из фундаментальных задач молекулярной биологии. Данные, полученные в ходе выполнения этого проекта, будут интересны не только с точки зрения фундаментальной науки, но, в перспективе, также могут быть применены для разработки новых противоопухолевых таргетных препаратов, обладающих низкой иммуногенностью и токсичностью. Для исследования антираковой активности пептидов SLURP были наработаны достаточные для осуществления проекта количества рекомбинантных пептидов SLURP-1, SLURP-2 и мутантных вариантов SLURP-1. Мы установили, что пептиды SLURP-1 и SLURP-2 подавляют рост линий опухолевых клеток: карциномы груди SKBR-3 и MCF-7, карциномы легкого А549, карциномы почки ACHN, лейкемий Jurkat. Наибольший антипролиферативный эффект был показан на клетках SKBR-3 и MCF-7. Оба пептида SLURP ингибировали рост клеток Jurkat, SLURP-1 был активен в отношении ACHN. Препараты SLURP не ингибировали рост клеток U937. Ингибируя рост линий раковых клеток, пептиды SLURP-1 и SLURP-2 в наномолярных концентрациях оказывали минимальное влияние на рост нормальных клеточных линий: кератиноцитов человека НАСАТ, клеток легкого WI-38, фибробластов крайней плоти, гепатоцитов Chang, демонстрируя свойства т.н. «фармакологического окна». Изучение продолжительности антипролиферативного действия SLURP показало, что они сохраняют активность на клетках MCF7 и SKBR-3 при 48-часовой инкубации. Мы показали, что пептиды SLURP не проявляют цитотоксических свойств, а механизм их действия можно охарактеризовать как антипролиферативный. Изучение влияния пептидов на клеточный цикл выявило, что SLURP-1, но не SLURP-2 вызывает уменьшение количества клеток в G0/G1 фазе клеток А549, что согласуется с ранее полученными результатами о анти- и про- пролиферативной активности белков SLURP-1 и SLURP-2 в клетках А549 соответственно. Оба пептида SLURP вызывали уменьшение количества клеток А431 и SKBR3 в G0/G1 фазе клеточного цикла, но не в клеточном цикле нормальных клеток (НАСАТ и фибробластах крайней плоти). Таким образом, можно заключить, что пептиды SLURP проявляют антипролиферативную активность посредством ареста клеточного цикла. Установлено, что SLURP-1 значительно снижает скорость миграции клеток А549 и А431. На клетках НТ29 наблюдалось снижение миграции клеток только под действием пептида SLURP-2. При этом оба пептида SLURP не влияли на скорость миграции клеток MCF-7. Показано, что SLURP-1 ингибирует рост не только клеток, культивируемых в монослое, но также мультиклеточных сфероидов - модели солидных опухолей, полученных из клеток А549, А431 и SKBR-3. SLURP-2 оказывал ингибирующее действие только на мультиклеточные сфероиды A431. На рост мультиклеточных сфероидов MCF-7 ни один из пептидов SLURP не оказывал значительного ингибирующего действия. С целью идентифицировать молекулярную мишень действия SLURPв раковых клетках, мы подтвердили экспрессию функционального α7-nAChR на мембране клеточных линий А431, MCF-7, SKBR3, A549 и Het-1A. Далее, используя флуресцентно-меченый SLURP-1, мы обнаружили со-локализацию SLURP-1 и α7-nAChR на плазматической мембране клеток A431, MCF7 и SKBR3. Для детекции мишени действия SLURP был проведен также ингибиторный анализ. Селективный ингибитор α7-nAChR, токсин α-Bgtx продемонстрировал антипролиферативный эффект сравнимый с эффектом SLURP на всех тестируемых клетках. Однако α-Bgtx будучи высокотоксичным, не может быть использован для системного лечения рака. Неспецифический ингибитор nAChR мекамиламин отменял эффект пептидов SLURP на клетках А431, А549 и SKBR3. Эксперименты со специфическим ингибитором mAChR атропином показали, что активность SLURP-1 не зависит от mAChR в клетках А431, А549 и SKBR3. В то же время активность SLURP-2, частично, может быть опосредована взаимодействием с mAChR. Ингибирование β-AR тимололом и EGFR гефитинибом в клетках А431 не оказывало существенного влияния на антипролиферативную активность SLURP. Это свидетельствует о том, что β-AR и EGFR не участвуют в проведении внутриклеточных сигналов обеспечивающих активность пептидов SLURP. Эффект пептидов SLURP на клетках A431 был выражен сильнее, чем эффект гефитиниба, одобренного препарата для лечения некоторых видов рака. Совместное применение гефитиниба и SLURP приводило к аддитивному эффекту, который выражался в почти полной остановке пролиферации клеток А431. Разработан протокол экстракции из клеток А431 мишеней пептидов с помощью магнитных частиц с иммобилизованными на их поверхности молекулами SLURP-1, который позволит провести анализ мишеней действия SLURP методом масс-спектрометрии. Поскольку известно, что никотин вызывает пролиферацию раковых клеток, мы исследовали его действие в комбинации с SLURP-1. Действительно, мы увидели, что никотин усиливает пролиферацию клеток A549 и увеличивает экспрессию α7-nAChR в этих клетках. Было показано, что инкубация клеток совместно с никотином и SLURP-1 отменяет никотин-индуцированный рост клеток и увеличение количества α7-nAChR на мембране А549. Таким образом, SLURP-1 возможно обладает протекторным свойством при никотин-индуцированной пролиферации клеток рака легкого. Мы установили, что обработка клеток А431 рекомбинантным препаратом SLURP-1 снижает содержание функционального α7-nAChR на поверхности плазматической мембраны, а также снижает уровень эндогенного внутриклеточного SLURP-1. Было показано, что клетки А431 секретируют эндогенный SLURP-1 во внеклеточную среду постоянно, а обработка клеток рекомбинантным препаратом приводит к дополнительному быстрому освобождению внутриклеточных депо и секреции эндогенного пептида в культуральную среду. Возможно, обнаруженная секреция SLURP-1 лежит в основе аутокринного/паракринного действия пептидов SLURP. Увеличение концентрации SLURP во внеклеточной среде может стимулировать соседние клетки к секреции собственных сигнальных белков, запуская положительную обратную связь.

 

Публикации

1. Люкманова Е.Н., Бычков М.Л., Шаронов Г.В., Ефременко А.В., Шулепко М.А., Кульбацкий Д.С., Шенкарев З.О., Феофанов А.В., Долгих Д.А., Кирпичников М.П. Human secreted proteins SLURP-1 and SLURP-2 control the growth of epithelial cancer cells via interactions with nicotinic acetylcholine receptors. British journal of pharmacology, V. 175 (11), p.1973-1986 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1111/bph.14194

2. Бычков М.Л., Шлепова О.В., Шулепко М.А., Люкманова Е.Н. Секретируемый белок человека SLURP-1 контролирует рост эпителиальных раковых клеток посредством взаимодействия с никотиновым ацетилхолиновым рецептором а7 типа Сборник тезисов "VI молодежной конференции по молекулярной и клеточной биологии Института цитологии РАН", стр. 19 (год публикации - 2018)

3. - Трехпетельные белки млекопитающих замедлили рост раковых клеток Индикатор, - (год публикации - )

4. - Российские учёные нашли белок, замедляющий рост раковых клеток Пресс-центр ФАНО России, - (год публикации - )

5. - Трехпетельные белки млекопитающих замедлили рост раковых клеток Газета.ru, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект посвящен исследованию молекулярных механизмов, лежащих в основе антираковой активности эндогенных пептидов человека семейства Ly-6/uPAR, модулирующих работу никотинового ацетилхолинового рецептора человека (nAChR). Благодаря важной роли, которую играет nAChR в межклеточной сигнализации, понимание механизмов, лежащих в основе регуляции работы рецептора, является одной из фундаментальных задач молекулярной биологии. На втором этапе проекта мы уточнили молекулярные мишени действия SLURP-1 в опухолевых и нормальных клетках. Было показано, что антипролиферативный эффект SLURP-1 на клетках эпидермоидной карциномы А431 помимо а7-nAChR опосредуется также GABAA рецепторами. На клетках аденокарциномы легкого А549 нами обнаружено, что антипролиферативный эффект SLURP-1 связан с активацией nAChR, EGFR и β-адренергических рецепторов. Таким образом, в обеих клеточных линиях эффект SLURP-1 опосредован nAChR, а отличия скорее всего объясняются секрецией клетками различных факторов в присутствии SLURP-1. Ингибирование роста нормальных кератиноцитов Het-1A при инкубации с SLURP-1 также опосредуется nAChR. Нами впервые было показано, что ингибитор десенситизации - PNU 120596, действующий на α7-nAChR, полностью отменяет антипролиферативный эффект SLURP-1 на клетках А431 и А549. Таким образом, основным молекулярным механизмом, опосредующим антипролиферативный эффект SLURP-1, является его взаимодействие с десенситизированным состоянием α7-nAChR. Исследование внутриклеточных сигнальных механизмов выявило, что эффект SLURP-1 на обоих типах раковых клеток А431 и А549 опосредован активацией PI3K и PKC. Также, SLURP-1 запускает в клетках А549 и А431 различные внутриклеточные сигнальные пути, что вероятно связано с тем, что SLURP-1 активирует разные поверхностные мишени. Впервые показано, что действие SLURP-1 на нормальные кератиноциты опосредовано p38/MAPK, PI3K, но не IP3-рецепторами, STAT3 и STAT5. Инкубация клеток А431 с SLURP-1 приводила к увеличению фосфорилирования EGFR и ERK1/2 - участников сигнального пути RAF-MEK-ERK. Мы также выявили усиление фосфорилирования CREB, который является нижестоящим эффектором ERK. Другим крупным сигнальным каскадом, активируемым SLURP-1 в клетках А431, был Wnt-путь. Мы наблюдали достоверное увеличение фосфорилирования компонентов этого пути – GSK3 α/β и β-catenine. В сигнальный каскад, активируемый SLURP-1, также вовлечен АКТ-сигнальный путь поскольку мы обнаружили увеличение фосфорилирования белка PRAS40. Мы наблюдали значительное увеличение фосфорилирования ингибитора циклин-зависимой киназы p27 и онкосупрессорного белка р53. Таким образом, мы обнаружили, что в клетках А431 SLURP-1 запускает EGFR-опосредованные сигнальные каскады, включающие в себя активацию ERK, Wnt-сигнального пути и АКТ-каскада. Проведен анализ активности SLURP-1 на клетках А431 с помощью технологии нокдауна гена α7-nAChR интерферирующей РНК с последующей трансфекцией в клетках экзогенного α7-nAChR дикого типа, либо мутантного варианта α7-nAChR (345-348A) с удаленным внутриклеточным доменом, в котором нарушен сайт связывания G-белков. Полученные результаты прямо указывают на то, что антипролиферативный эффект SLURP-1 в клетках А431 передается посредством α7-nAChR по G-белок опосредованному метаботропному пути. Мы изучили эффект трехпетельного пептида ws-Lynx1 на рост опухолевых клеток А549. Инкубация клеток A549 с ws-Lynx1 в течение 72-часов приводила к концентрационно-зависимому ингибированию роста клеток. Было установлено также, что ws-Lynx1 подавляет индуцированный никотином рост раковых клеток in vitro. Анализ с помощью ингибиторов поверхностных рецепторов показал, что действие ws-Lynx1 на рост клеток A549 опосредовано α7-nAChR. Наблюдаемое подавление эффекта ws-Lynx1 ингибиторами рецептора IP3, PKC и MEK/ERK подразумевает участие PLC-зависимой передачи сигналов с дальнейшей активацией транскрипционных факторов NFκB и STAT5, но не STAT3. Зависимость эффекта ws-Lynx1 от JNK, p38 MAP-киназы и PI3K указывает на возможное вовлечение других сигнальных путей. Анализ антипролиферативной активности ws-Lynx1 на раковых клетках с помощью технологии нокдауна гена α7-nAChR интерферирующей РНК продемонстрировал прямую связь антипролиферативного эффекта ws-Lynx1 с α7-nAChR. Исследование влияния ws-Lynx1 на клеточный цикл клеток A549 показало, что ws-Lynx1 индуцирует остановку клеточного цикла в фазах G0/1 и G2/M после 24 и 72-часовой инкубации, соответственно. Было показано, что ws-Lynx1 подавляет рост клеток A549 не только путем подавления пролиферации через остановку клеточного цикла, но и посредством индукции апоптоза. Мы провели исследование совместного действия SLURP-1 и ряда противоопухолевых препаратов на жизнеспособность мультиклеточных сфероидов полученных из клеток А431 и А549. Показано, что SLURP-1 усиливает эффект всех опробованных химиотерапевтических препаратов как на клетках А549, так и на клетках А431. Наибольший антипролиферативный эффект достигается при совместном применении SLURP-1 и гефитиниба на клетках А431. Для определения структурных детерминант молекулы SLURP-1, важных для лиганд-рецепторного взаимодействия, на основе трехпетельного α-нейротоксина из яда Naja oxiana (NTII) были получены химерные белки, в которых петлевые участки NTII заменены на петлевые участки SLURP-1. С помощью MTT-теста было показано, что наибольшей активность, обладает химерный белок, содержащий фрагмент II петли SLURP-1.

 

Публикации

1. Бычков М.Л., Шенкарев З.О., Шулепко М.А., Шлепова О.В., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Water-soluble variant of human Lynx1 induces cell cycle arrest and apoptosis in lung cancer cells via modulation of α7 nicotinic acetylcholine receptors PLOS ONE, - (год публикации - 2019)

2. Шулепко М.А., Бычков М.Л., Кульбацкий Д.С., Люкманова Е.Н. Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы человека. Часть II: Не-нейрональная холинергическая система Биоорганическая химия, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0132342319020131

3. Шулепко М.А., Бычков М.Л., Шаронов Г.В., Ефременко А., Кульбацкий Д.С., Шенкарев З.О., Феофанов А.В., Шлепова О.В., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Human secreted protein SLURP-1 interacts with nicotinic acetylcholine receptors to control the growth of epithelial cancer cells FEBS OPEN BIO, 8(S1):330 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

4. Шулепко М.А., Бычков М.Л., Шлепова О.В., Шенкарев З.О., Люкманова Е.Н. Toxin-like action of human secreted proteins slurp-1 and slurp-2 on epithelial tumor cells. TOXICON, 159:S25 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.11.403


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект посвящен исследованию молекулярных механизмов, лежащих в основе антираковой активности эндогенных пептидов человека семейства Ly-6/uPAR, экспрессирующихся в эпителии и модулирующих работу никотиновых ацетилхолиновых рецепторов человека (nAChR). Благодаря важной роли, которую играет nAChR в межклеточной сигнализации, понимание механизмов, лежащих в основе регуляции работы этих рецепторов, является одной из фундаментальных задач молекулярной биологии. Данные, полученные в ходе выполнения этого проекта, интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и могут быть применены для разработки новых противоопухолевых таргетных препаратов, обладающих низкой иммуногенностью и токсичностью. На 3м этапе проекта был проведен сравнительный анализ фосфорилирования внутриклеточных киназ и транскрипционных факторов при инкубации клеток карциномы кожи А431 с rSLURP-1 в течение 1 часа и 24 часов. Было показано, что EGFR вовлечен в передачу сигнала SLURP-1 при обоих временах инкубации. Кроме EGFR, при обоих временах инкубации наблюдалась активация компонентов Wnt пути. При часовой инкубации с клетками А431, rSLURP-1 вызывает уменьшение фосфорилирования киназ, регулирующих митогенные сигнальные пути (ERK1/2, CREB, RSK1/2/3, с-Jun, АКТ (S473), p70 s6, р38α МАР-киназы), ингибирует фосфорилирование киназ семейства Src (Src, Lyn, Fgr и Lck), активирует транскрипционный фактор STAT5, но уменьшает фосфорилирование STAT2, STAT3 и STAT6; активация р53 (S15, S46) и HSP60 и снижение фосфорилирования HSP27. Кроме того, rSLURP-1 при часовом действии на клетки А431 увеличивал фосфорилирование WNK1 киназы, активирующей АКТ путь, но также ингибирующей сигналы от TGF-β. Таким образом, мы предполагаем, что rSLURP-1 после действия на митогенные сигнальные пути и регуляторы синтез ДНК, вызывает в клетках А431 не апоптотическую гибель, а терминальную дифференцировку либо сам по себе, либо посредством секреции различных факторов, например пикомолярных количеств EGF. Эксперименты с заменой среды на клетках А431 подтвердили, что активность rSLURP-1 отчасти может быть обусловлена секретируемыми факторами. Практически все остальные эффекты rSLURP-1, обнаруженные через час, пропадают через сутки, что может быть связано с адаптацией клеток А431 к эффекту белка. Ранее, мы показали, что rSLURP-1 ингибирует рост клеток карциномы легкого, но не фибробластов легкого. Чтобы изучить причины различия в действии rSLURP-1, мы исследовали экспрессию SLURP1 и CHRNA7 в клетках А549. Мы обнаружили, что экспрессия мРНК SLURP-1 была значительно снижена, а экспрессия функционального α7-nAChR наоборот значительно увеличена в клетках A549 по сравнению с фибробластами WI-38. Похожее распределение экспрессии SLURP1 и CHRNA7 было выявлено в образцах опухолей и нормальных тканей из базы данных TCGA. Таким образом, нечувствительность нормальных клеток к SLURP-1 может быть результатом одновременно повышенной экспрессии SLURP-1 и сниженной экспрессии α7-nAChR. На прошлых этапах проекта с помощью интерферирующих малых РНК мы показали, что антипролиферативный эффект rSLURP-1 в клетках карциномы кожи А431 опосредован α7-nAChR. На данном этапе, мы выявили, что трансфекция клеток карциномы А549 интерферирующими малыми РНК к α7-nAChR снижает экспрессию рецептора на поверхности клеток и отменяет антипролиферативный эффект rSLURP-1, что указывает на α7-nAChR как на его мишень действия. Обработка клеток A549 никотином приводила к увеличению экспрессии CHRNA7, а добавление rSLURP-1 полностью отменяло эффект никотина. Вероятно, этот механизм может лежать в основе протекторного эффекта rSLURP-1 при никотин-индуцированном росте клеток А549, показанном в рамках проекта ранее. На 2м этапе проекта мы показали, что эффект SLURP-1 на клетках А549 обусловлен сигнальным путем PI3K/AKT. Поскольку этот сигнальный путь может отвечать за стимуляцию роста клеток A549 никотином, мы изучили влияние никотина на экспрессию гена PTEN - главного негативного регулятора PI3K/AKT пути. Как мы и предполагали, обработка никотином значительно снижала, а совместное применение никотина и SLURP-1 восстанавливало уровень экспрессии PTEN до контрольного уровня. Таким образом, нами выявлено, что rSLURP-1 селективно тормозит рост клеток карциномы легкого А549 посредством взаимодействия с α7-nAChR и препятствует никотин-индуцированной пролиферации клеток карциномы легкого, регулируя экспрессию онкосупрессора PTEN. Анализ базы данных TCGA (GTEX и GBM), показал, что экспрессия гена CHRNA7 повышена в глиомах по сравнению с нормальной тканью мозга, а также выявил отсутствие SLURP1 в глиомах. Это наблюдение побудило нас исследовать антипролиферативную активность rSLURP-1 на клетках глиом. Было показано, что rSLURP-1 ингибирует рост клеток U251 MG и А172 в наномолярных концентрациях, а неспецифический ингибитор nAChR - мекамиламин (Mec) не влиял на рост клеток U251 MG, но отменял антипролиферативный эффект rSLURP-1. В соответствии с этим анализ экспрессии генов CHRNA7 и SLURP1 в клетках глиомы U251 MG и нормальных астроцитах показал повышенную экспрессию гена CHRNA7 в клетках глиомы U251 MG и отсутствие экспрессии SLURP1 в обоих типах клеток. Таким образом, нами впервые показано, что rSLURP-1 ингибирует рост клеток глиом U251 MG и А172 с наномолярной эффективностью, и установлено, что активность рекомбинантного белка связана с nAChR. В рамках предыдущего и данного этапа проекта с помощью технологии интерферирующих РНК и ингибиторного анализа было показано, что антипролиферативный эффект rSLURP-1 в клетках карциномы кожи и легкого был опосредован его взаимодействием с α7-nAChR. Для рационального дизайна миметиков rSLURP-1 с антипролиферативной активностью мы построили молекулярную модель комплекса rSLURP-1 с α7-nAChR. Для молекулярного моделирования лиганд-рецепторного взаимодействия использовалась полученная нами ранее методом ЯМР структура rSLURP-1 (PDB: 2MUO), модель внеклеточного домена α7-nAChR (α7-ECD) (Lyukmanova et al. 2016), а также данные по влиянию мутаций различных остатков rSLURP-1 на пролиферацию кератиноцитов, полученные ранее. Полученная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными об активности rSLURP-1. Анализ модели позволяет предположить наличие второй мишени rSLURP-1, и на эту роль был предложен рецептор EGFR. Для проверки гипотезы о действии rSLURP-1 на EGFR, мы провели ингибиторный анализ с использованием антител к внеклеточному домену EGFR на кератиноцитах человека Het-1A и показали, что добавление антител отменяет антипролиферативную активность SLURP-1. Таким образом EGFR может участвовать в проведении внутриклеточных сигналов, обеспечивающих активность SLURP-1 на клетках Het-1A. Недавно было показано, что экспрессия SLURP-1 снижена в клетках меланомы по сравнению со здоровыми тканями, а также в клетках метастатической меланомы по сравнению с первичной опухолью. Мы провели анализ базы данных TCGA Melanoma и показали, что в образцах первичных меланом экспрессия SLURP-1 снижена по сравнению со здоровыми тканями, а в большинстве тканей метастатической меланомы SLURP-1 отсутствует. Показано, что пониженная экспрессия CHRNA7 связана с большим временем жизни больных метастатической меланомой. Так как экспрессия эндогенных модуляторов α7-nAChR снижена в меланоме, а гиперэкспрессия α7-nAChR является негативным прогностическим фактором, мы изучили антипролиферативную активность rSLURP-1 на клетках первичных меланом, полученных от пациентов РОНЦ им. Блохина. В работе были использованы линии Mel Kor, Mel Cher, Mel P, а также линия Mel Gi. Экспрессия SLURP1 и SLURP2 бала обнаружена во всех изученных линиях клеток. Ген α7-nAChR экспрессируется в клетках линий Mel Kor и Mel Cher. Результаты WST-1 теста показали, что rSLURP-1 значительно тормозит рост клеток меланомы Mel Gi как при 48-часовой, так и при более длительных инкубациях, при этом не было обнаружено достоверного эффекта на рост Mel Cher и Mel Kor и Mel P. Возможно, отличие эффекта rSLURP-1 на клетках Mel P, Mel Cher, Mel Kor, и Mel Gi связано с более выраженной по сравнению с клетками Mel Gi степенью дифференцировки нечувствительных к rSLURP-1 клеток, что подтверждается экспрессией в них различных маркеров дифференцировки, таких как HMB45 или HMW. Также, эффект rSLURP-1 на клетках Mel Gi может быть связан с большей экспрессией на их поверхности молекул CD3 и CD20, участвующих в самообновлении популяции стволовых клеток. Таким образом, экспрессия мРНК эндогенного SLURP-1 снижена в образцах меланом по сравнению со здоровой тканью, а rSLURP-1 тормозит рост некоторых линий клеток первичных меланом. Тот факт, что rSLURP-1 тормозит рост CD20-экспрессирующих клеток свидетельствует о перспективности использования данного препарата для лечения резистентных к терапии меланом. Для изучения действия rSLURP-1 in vivo сначала была исследована иммуногенность этого белка на мышах линии С57BL. Было показано, что rSLURP-1 не вызывает иммунного ответа при каждодневном введении. Введение rSLURP-1 через день вызывает синтез антител в 1,3-5,8 раз ниже, чем у мышей, иммунизированных смесью полного адъюванта Фрейнда и rSLURP-1. Таким образом, нами показано, что rSLURP-1 обладает низкой иммуногенностью и более предпочтительным способом введения препарата является каждодневное введение. Для исследования фармакокинетики рекомбинантного SLURP-1 его вводили внутривенно мышам линии C57BL в дозе 0,5 мг/кг. К сожалению, метод прямого ИФА оказался недостаточно чувствителен для определения содержания белка SLURP-1 в сыворотке крови, при этом минимальное количество детектируемого SLURP-1 составляло 250 нг. Другим объяснением может служить быстрая деградации и выведение белка из организма животных, что частично согласуется с данными по распределению препарата rSLURP-1 в организме животных. Планируется произвести расчет интегральных параметров фармакокинетики белка по экспериментально определенному временному ряду концентраций C=C(t) в крови в рамках продления гранта. Также, с помощью флуоресцентно-меченного препарата rSLURP-1, было изучено распределение препарата rSLURP-1 в организме лабораторных животных. Было установлено, что препарат rSLURP-1 накапливается в почках мышей, но не в сердце, мозге, печени, селезенке или легком животных. Оценка количества rSLURP-1 показала, что большая часть препарата выходит из кровотока в течение 5 минут. Исходя из накопления rSLURP-1 в почках, можно сделать вывод о почечном выведении белка, что соответствует его относительно низкой молекулярной массе (8974 Да), полярности и низкой липофильности – основным критериям почечного выведения белков. На предыдущих этапах проекта нами in vitro была продемонстрирована антипролиферативная активность rSLURP-1 на клетках карциномы кожи А431 и определены сигнальные пути, запускаемые rSLURP-1 в этих клетках. В рамках 3го этапа проекта нами были проведены пилотные эксперименты по изучению противоопухолевого эффекта rSLURP-1 in vivo в ксенографтной модели карциномы кожи. Была использована технология, позволяющая проводить прижизненную визуализацию опухолей, благодаря подсадки животным люминесцирующей линии клеток А431. Прогрессию карциномы кожи визуализировали in vivo посредством системы IVIS Spectrum CT и ежедневно оценивали объем опухоли штангенциркулем. Полученные данные свидетельствуют о том, что rSLURP-1 значительно тормозит динамику роста карциномы А431 in vivo. Изучение противоопухолевой активности препарата rSLURP-1 in vivo продолжается в данный момент, однако для окончательного понимания эффекта действия rSLURP-1 на рост опухолей in vivo, а также для изучения комбинированного эффекта rSLURP-1 с другими противоопухолевыми препаратами необходимы дальнейшие исследования, которые мы надеемся продолжить в рамках продления гранта. Таким образом, все поставленные задачи выполнены полностью, кроме того, решен ряд незапланированных ранее задач. Показана высокая эффективность и перспективность препаратов на основе белка человека SLURP-1 для терапии карцином и глиом.

 

Публикации

1. Бычков М.Л., Шулепко М.А., Шлепова О.В., Люкманова Е.Н., Кирпичников М. П. Рекомбинантный аналог белка человека SLURP-1 тормозит рост мультиклеточных сфероидов из клеток карцином. Доклады Академии Наук, том 489, No 5, с. 517–520 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S1607672919060103

2. М. А. Шулепко, М. Л. Бычков, Е. Н. Люкманова, М. П. Кирпичников Рекомбинантный аналог белка человека SLURP-1 тормозит рост клеток глиом U251 MG и A172. Доклады Академии Наук, - (год публикации - 2020)

3. Шулепко М.А., Бычков М.Л., Шенкарев З.О., Парамонов А.С., Чугунов А.О., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Biochemical basis of skin disease Mal de Meleda: mutated forms of SLURP-1 differently influence keratinocytes proliferation and apoptosis Journal of Investigative Dermatology, - (год публикации - 2020)

4. Шулепко М.А., Бычков М.Л., Шлепова О.В., Шенкарев З.О., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Human secreted protein SLURP-1 abolishes nicotine-induced proliferation, PTEN down-regulation and α7-nAChR expression up-regulation in lung cancer cells. International Immunopharmacology, 24;82:106303. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.intimp.2020.106303

5. M.A. Шулепко, М.Л. Бычков, О.В. Шлепова, А.В. Ефременко, Г.В. Шаронов, Д.С. Кульбацкий, А.В. Феофанов, Д.A. Долгих, M.П. Кирпичников, З.О. Шенкарев, E.Н. Люкманова. Трехпетельные белки человека Lynx1, SLURP-1 и SLURP-2 подавляют пролиферацию опухолевых клеток эпителиального происхождения. Acta Naturae, Acta Naturae, спецвыпуск, том 2 стр. 53 (год публикации - 2019)

6. М.А. Шулепко, М.Л. Бычков, Е.Н. Люкманова Human Three-Finger Proteins In Defense From Epithelial Cancer Progression. 5th International Symposium on non-neuronal acetylcholine. 27-29 Sept. 2019. Long Beach, California, USA., 5th International Symposium on non-neuronal acetylcholine. 27-29 Sept. 2019. Long Beach, California, USA. p14 (год публикации - 2019)

7. М.А. Шулепко, М.Л. Бычков, З.О. Шенкарев, О.В. Шлепова, М.П. Кирпичников, Е.Н. Люкманова Modulation of α7 nicotinic acetylcholine receptors by human prototoxin Lynx1 induces apoptosis in A549 lung cancer cells. FEBS OPEN BIO, FEBS Open Bio 9 (Suppl.1) (2019) 65–431 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12675

8. М.А. Шулепко, М.Л. Бычков, О.В. Шлепова, Е.Н. Люкманова Human secreted protein SLURP-1 inhibits the growth of epithelial cancer cells via interaction with α7-nAChR 16th International Symposium on Cholinergic Mechanisms. December 8-13, 2019. Weizmann Institute of Science. Rehovot, Israel., p. 93 (год публикации - 2019)

9. М.А. Шулепко, О.В. Шлепова, М.Л. Бычков, З.О. Шенкарев, Е.Н. Люкманова. Белки человека Lynx1, Slurp-1 и Slurp-2 подавляют пролиферацию опухолевых клеток эпителиального происхождения. Успехи молекулярной онкологии, Том 6, № 4, стр. 168 (год публикации - 2019)

10. М.Л. Бычков, М.А. Шулепко, М.П. Кирпичников, З.О. Шенкарев, Е.Н. Люкманова Three-finger proteins Lynx1 and SLURP-1 regulate proliferation of glial cells. 16th International Symposium on Cholinergic Mechanisms. December 8-13, 2019. Weizmann Institute of Science. Rehovot, Israel., p. 64 (год публикации - 2019)

11. О. Шлепова, М. Бычков, З. Шенкарев, М. Шулепко, Е. Люкманова Mechanism of Lynx1-induced apoptosis in lung cancer cells. 16th International Symposium on Cholinergic Mechanisms. December 8-13, 2019. Weizmann Institute of Science. Rehovot, Israel., p. 92 (год публикации - 2019)

12. - Российские ученые предложили новый способ победить рак легких РЕН ТВ, 20 августа 2019 г (год публикации - )

13. - Российские ученые открыли молекулу для эффективной борьбы с раком РИА «Новый День», 08.08.2019 (год публикации - )

14. - Как заставить опухоль нервничать Новый способ борьбы с раком легкого, в том числе у курильщиков "Коммерсантъ", 19.09.2019 (год публикации - )

15. - Российские ученые придумали, как остановить рак курильщика МЕДИАЗАВОД, 08.08.2019 (год публикации - )

16. - Открытие ученых защитит курильщиков от рака легких Общество Биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова, 18.09.2019 (год публикации - )

17. - Российские ученые выяснили, как защитить курильщиков от рака легких Сетевое издание «Городские вести», 10 Авг 2019 (год публикации - )

18. - Российские ученые предложили новый способ борьбы с раком легких «МИР 24», 20/08/2019 (год публикации - )

19. - Курильщиков защитят от рака легких с помощью нервных клеток Мультимедийный портал ПОИСК, 08.08.19 (год публикации - )

20. - Российские ученые сделали открытие, которое сможет защитить курильщиков от рака Подробнее на «БИЗНЕС Online»: https://www.business-gazeta.ru/news/434269 Деловая электронная газета «Бизнес Online», 8 Августа 2019 (год публикации - )

21. - Российские ученые обнаружили новый способ борьбы с раком легких ИА SakhaNews, 22.08.2019 (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Данные, полученные в ходе выполнения этого проекта, могут быть применены для разработки новых противоопухолевых таргетных препаратов, обладающих низкой иммуногенностью и токсичностью.