Xeroderma pigmentosum
Pigmentna kserodermija (lat. Xeroderma pigmentosum, krajše XP) je redka avtosomna recesivna bolezen, pri kateri je okvarjen popravljalni mehanizem za popravljanje poškodb na DNA, nastalih zaradi UV sevanja. Značilna je povečana občutljivost na izpostavljenost UV svetlobi, kar povzroči degenerativne spremembe kože in oči. Zaenkrat še ne poznamo uspešnega zdravljenja.
Incidenca XP v ZDA in Evropi je 1:1.000.000 in nekoliko višja v Severni Afriki 1:50.000.
Popravljanje z izrezom nukleotida
Popravljanje z izrezom nukleotida (ang. »nucleotide excision repair«, krajše NER) je glavni mehanizem za popravljanje poškodb na DNA vijačnici, ki nastanejo predvsem zaradi izpostavljenosti UV sevanju in tudi zaradi delovanja kemoterapevtikov in ostalih okoljskih mutagenih dejavnikov (npr. oksidativni stres). Ultravijolično sevanje na DNA vijačnici povzroči tvorbo fotoproduktov dveh tipov: ciklobutanskih primidinskih dimerov (CPD) in fotoproduktov 6-4. Največkrat se z neobičajnimi vezmi povežeta dva vzporedna timina, kar povzroči rahlo konformacijsko spremembo v dvojni vijačnici DNA (ang. »bulky DNA legions«).
Princip delovanja
Princip mehanizma NER je prepoznava distorzije dvojne vijačnice DNA, tvorba denaturacijskega mehurčka, uvedba dveh zarez na poškodovani verigi ter na koncu odcep vmesnega segmenta in ligacija.
Pri evkariontih ločimo dva mehanizma delovanja: globalnega (GG-NER), ki poteka kjerkoli v genomu, in mehanizma sklopljenega s transkripcijo (TC-NER). GG-NER mehanizem sproži dejavnik XPC-RAD23B, pogosto ob sodelovanju s UV-DDB2 faktorjem. TC-NER sproti popravlja napake aktivnih genov, sproži ga zaostanek delovanja RNA polimeraze II.
Pomembna karakteristika NER je zelo širok spekter prepoznave škodljivih substratov vezanih na DNA, katerih skupni lastnosti sta termodinamska destabilizacija in rahlo ukrivljenje poškodovane DNA. Glavni začetni dejavnik, potreben za nadaljnjo vezavo ostalih je XPC-RAD23B. XPC nosi prepoznavno funkcijo, saj se veže na nepoškodovano verigo nasproti poškodbe. CPD DNA vijačnice ne destabilizira toliko, da bi ga XPC-RAD23B prepoznal. V tem primeru je potreben dodaten dejavnik NER mehanizma, DDB2.
Nastanek denaturacijskega mehurčka in izrezovalnega kompleksa
Naslednji faktor, ki se veže na XPC-RAD23B je TFIIH. Sestavljen je iz desetih podenot, ki skupaj tvorijo osrednji kompleks in CAK. XPD in XPB sta 2 helikazni podenoti TFIIH, ki razpreta DNA okoli poškodbe. Na tej točki se NER kompleksu pridružijo proteini XPA, RPA in XPG. XPA poskrbi, da so vsi ostali faktorji NER na mestu. Replikacijski protein A (RPA) koordinira izrezovanje in stabilizira preiniciacijski kompleks. Po vezavi na nepoškodovano verigo DNA usmerja nukleazi ERCC1-XPF in XPG na poškodovano verigo. Ko je kompleks iz TFIIH, XPA, RPA in XPG sestavljen, se nanj veže še ERCC1-XPF, kar sproži izrezovanje.
Dvojno izrezovanje
Ko sta endonukleazi na mestu, je dvojno izrezovanje poškodovane verige omogočeno. Najprej ERCC1-XPF cepi verigo na 5' koncu, nato pa XPG cepi na 3’. Izrezan oligonukleotid se skupaj s TFIIH sprosti iz DNA.
Popravljalna sinteza in ligacija
Nepoškodovana veriga DNA služi kot matrica za polimerazi δ in ε. Dejavnika RFC in PNCA rekrutirata ti polimerazi za vezavo na NER kompleks. Zadnji korak predstavlja ligacija DNA, opravita ga ligaza I in ligaza IIIα.
Tipi
Ločimo 8 tipov te bolezni XP A-G in V.
XPA
Protein XPA je centralni dejavnik mehanizma NER, saj veže veliko število faktorjev NER in skrbi za pravilno postavitev prediniciacijskega kompleksa. Gen, ki zapisuje XPA (lokacija 9q22.3), je sestavljen iz šestih eksonov. Znanih je vsaj 25 različnih mutacij tega gena, ki lahko povzročajo XP, simptomi so odvisni od mesta mutacije. Večina mutacij poteče na eksonu 3 ali 4, kar povzroči nefunkcionalno DNA-vezavno domeno. Ta oblika XPA je najhujša, pogosto jo spremljajo nevrološki zapleti in je najbolj razširjena na Japonskem (1 milijon nosilcev za XPA). Centralna domena proteina XPA (eksoni 3-5) se veže na poškodovani del DNA in RPA protein (ekson 4). Sestavljena je iz Cys2-Cys2 cinkovega prsta in C-končne domene, ki skupaj tvorita pozitivno nabito režo za vezavo DNA. C-končna domena (ekson 6) se veže na TFIIH, mutacija na tem eksonu vodi do blažje oblike XP. Gen za XPA vsebuje tudi zapis za interakcijo z ERCCI-XPF. Delecija tega dela ohrani vezavno sposobnost proteina, vendar ne pritegne ERCCI1-XPF in tako ne pride do cepitve.
XPC
XPC je najpogostejši tip pigmentne kserodermije. Bolniki nimajo nevroloških motenj, ampak imajo najvišjo frekvenco za nastanek kožnega raka. Gen za ta protein je sestavljen iz 15 eksonov in 16 intronov ter se nahaja na tretjem kromosomu (3p25.1). Znanih je 18 različnih mutacij v odprtem bralnem okvirju na genu, ki zapisuje protein XPC, od katerih je 13 relevantnih za patološki fenotip. Visoko frekvenco pojavljanja (nad 70 %) ima točkovna mutacija na eksonu 9, in sicer delecija TG (c. 1643_1644delTG). Vsi pacienti imajo podobne simptome (fotofobija, kožni rak, očesne anomalije), pri redkih se pojavijo še nevrološke motnje.
XPV
XPV se od ostalih razlikuje po tem da tako polimeraza η kot gen, ki jo zapisuje (PolH), nista del popravljalnega temveč tolerantnega mehanizma UV poškodb na DNA. Mehanizem translezijske sinteze (TLS) med podvajanjem DNA začasno zaobide lezijo na poškodovani verigi, dokler je ne prepoznajo popravljalni mehanizmi. Ta sistem daje prednost dokončanju replikacije na račun nenatančnosti genomske informacije. Celici to omogoči trenutno preživetje, vendar pa lahko hkrati celo spodbuja nastanek mutacij. Za TLS so odgovorne specializirane, potencialno mutagene in visoko ohranjene DNA polimeraze, translezijske polimeraze. XPV bolniki imajo zaradi različnih mutacij v genu PolH nefunkcionalno polimerazo η. Takšne celice med podvajanjem niso sposobne zaobiti fotoproduktov, kar se kaže v izredni občutljivosti na UV sevanje in veliki verjetnosti za mutagenezo in razvoj kožnega raka.
Simptomi
- povečana občutljivost na svetlobo
- pogosti tumorji na območjih izpostavljenih soncu (obraz, vrat, roke)
- poikiloderma
- hitro staranje kože
- aktinična keratoza
- kožna atrofija
- kuperoza
- očesna neoplazma
- fotofobija
- slabovidnost
- konjunktivitis
- spremembe roženice
Pri nekaterih tipih XP lahko pride do nevroloških motenj, kot so arefleksija, nenormalna motorična aktivnost in EKG, težave s sluhom in mikrocefalija. Pogosta je počasnejša rast, kasnejši razvoj sekundarnih spolnih znakov in težave z govorom. Mediana starosti pri pacientih z nevrološkimi degeneracijami je 29 let, pri ostalih pa 37 let. Vzrok smrti je običajno rak, drug najpogostejši pa nevrološke motnje.
Rak
Oboleli lahko razvijejo na stotine oblik kožnega raka, nekateri se pojavijo že do 10 leta, kar je 50 – 60 let hitreje kot pri ostalih primerih. Nemelanomski rak se razvije zelo hitro in je pogostejši od melanoma. Obstaja srednje tveganje za nastanek raka na možganih in ostalih delih centralnega živčnega sistema. Vzrok za razvoj karcinoma so lahko tudi karcinogeni v cigaretnem dimu, saj povzročajo poškodbe, ki jih običajno popravlja NER. Pri pacientih, ki nikoli niso imeli opeklin oz. so bili manj izpostavljeni soncu, obstaja večja verjetnost za razvoj kožnega raka v zgodnjem otroštvu, kot pri tistih, ki so že večkrat imeli opekline.
Zdravljenje
Trenutno ni nobenega zdravila le prepoved izpostavljanja sončni svetlobi, kar je pogosto vzrok za psihološke težave. Z ustreznimi zaščitnimi oblačili se lahko za maksimalno eno uro po sončnem vzhodu oziroma eno uro pred sončnim zahodom zunaj prosto gibljejo. Takrat je UV sevanje manjše kot preostali del dneva.
Za nevrodegenerativne okvare še ne poznamo učinkovite terapije, niti mehanizmi nastanka teh še niso pojasnjeni.
Kemoterapija
V primeru predčasnega odkritja rakavih obolenj tumorje odstranijo s kemoterapevtskimi zdravili, kot je npr. 5-fluorouracil, včasih v kombinaciji s cisplatinom. Najbolj učinkoviti sta kirurška odstranitev ali ionizirajoča sevanja. Pri pacientih z velikim številom tumorjev na izpostavljeni koži je potrebna avtologna presaditev. Zaradi velike občutljivosti na kemoterapevtike dobivajo 30 – 50 % nižje odmerke kot ostali pacienti brez XP.
Encimska terapija
Z encimsko terapijo poskušajo nadomestiti mutirane proteine. Eden od načinov je s fagno T4-endonukleazo V, ki cepi vez med pirimidinoma v CPD. Klinična preizkušanja uporabe T4-endonukleaze so pokazala obetavne rezultate (70 % zmanjšanje aktinične keratoze in 30 % karcinoma bazalnih celic), ampak še vseeno ne dovolj, da bi FDA dovolila uporabo.
Genska terapija
Pri genski terapiji sta predlagana dva možna pristopa: uporaba virusnih vektorjev oz. homologne rekombinacije. V prvem primeru so dobili najboljše rezultate z uporabo adenovirusov in rekombinantnih retrovirusov, a imata obe metodi neželene učinke.
Injiciranje adenovirusov pod kožo miši je preprečilo nastanek tumorjev, ampak ti pri človeku sprožijo močen imunski odziv in so v celici prisotni le določen čas. Pri retrovirusih je ena možnih težav insercijska mutageneza na aktivnem mestu kromatina, kar lahko povzroči aktivacijo onkogenov ali inaktivacijo tumor supresorskih genov (dokazano na kliničnih preizkušanjih).
Pomanjkljivost homologne rekombinacije je nizka frekvenca rekombinacije, zato razvijajo metode, s katerimi bi povečali učinkovitost tarčenja. Za efektivno se je izkazalo zdravljenje z meganukleazami. Zadnje raziskave pa razkrivajo bistveno boljše rezultate popravljanja genov z uporabo TALE-nukleaz, ki imajo veliko specifičnost vezave in cepitve DNA na točno določenih mestih, pri čemer metilacija DNA ni omejujoč faktor.
Viri
- Ahmad, S. I. in Hanaoka, F. Molecular mechanisms of Xeroderma Pigmentosum. New York: Springer, 2008. Advances in Experimental Medicine and Biology, 637. ISBN 978-0-387-09598-1.
*Schärer, Orlando D. Nucleotide excision repair in eukaryotes. Cold Spring Harbor perspectives in biology,2013, a012609.
*Waters, L. S., Minesinger, B. K., Wiltrout, M. E., D'Souza, S., Woodruff, R. V., & Walker, G. C. Eukaryotic translesion polymerases and their roles and regulation in DNA damage tolerance. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2009, str. 134-154.
*DiGiovanna, J. J., Kenneth H. K. Shining a light on xeroderma pigmentosum. Journal of Investigative Dermatology, 2012, str. 785-796.
*Dupuy, A. in Sarasin, A. DNA damage and gene therapy of xeroderma pigmentosum, a human DNA repair-deficient disease. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2015, str. 2-8.
