Epigenetske spremembe in rak

Uvod

Kancerogeneza je proces, pri katerem prihaja do maligne transformacije celic, ki vodi v nastanek tumorjev. Kancerogeni dejavniki, ki vplivajo na maligno transformacijo, so lahko različni, a vsi vplivajo na gene, ki regulirajo rast, smrt in diferenciacijo celic. V tej seminarski nalogi se bomo osredotočili na epigenetske dejavnike – mehanizme, ki ne povzročijo spremembe v sami strukturi DNA, pač pa vplivajo na izražanje določenih genov. Ti geni nosijo zapise za signalne proteine, ki uravnavajo rast, smrt in diferenciacijo celic. Razdelimo jih na protoonkogene in tumor supresorske gene. Protoonkogeni so geni, ki nosijo zapis za rastne in transkripcijske faktorje in so pod nadzorom kontrolnih mehanizmov. V primeru mutacij teh genov dobimo onkogene, ki uidejo kontrolnim mehanizmom in tako spodbujajo celice k neprestani delitvi. Druga vrsta genov udeleženih pri kontroli rasti tumorskih celic so tumorski supresorski geni, ki nosijo zapise za proteine, ki regulirajo transkripcijo, popravljanje DNA in medcelično komunikacijo. Mutacije teh genov, mutirani tumorski supresorski geni, vodijo prav tako kot v primeru onkogenov v maligno transformacijo celice.

Metilacija DNA

Poglavite epigenetske spremembe, katere se pojavijo v procesu razvoja raka sta metilacija DNA in modifikacije histonov. DNA metilacija genov se pojavi na promotorski regiji, ki vsebuje CpG (citozinski in gvaninski nukleotidi povezani s fosfodiestrsko povezavo) »otočke«. Poznamo 2 mehanizma te metilacije in sicer hipometilacijo in hipermetilacijo.

Hipometilacija DNA

Raziskovalci so v tumorjih odkrili bistveno nižjo aktivnost metilacije DNA, kot v normalnih tkivnih celicah. Ta nizka aktivnost metilacije DNA v rakavih celicah je zaradi hipometilacije ponavljajočih se DNA sekvenc in demetilacije kodirajočih regij in intronov. Hipometilacija povzroči aktivacijo protoonkogenov in ostalih genov, odgovornih za tumorsko metastaziranje. Eden izmed mehanizmov, ki razloži hipometilacijo DNA v rakavih celicah je »loss of imprinting«. To je proces pri katerem se neaktivni gen ponovno aktivira in tako spodbudi neprestano delitev celice, kar povzroči mutacije. Za nastanek rakavih celic pa je potrebnih več mutacij, kar pomeni, da je to stopenjski proces, ki se dogaja daljšem časovnem obdobju.

Hipermetilacija DNA

Hipermetilacija CpG »otočkov« na promotorskih regijah tumor supresorskih genov ima pomembno vlogo o izvoru številnih tipov raka. V različnih tipih raka poteka hipermetilacija CpG »otočkov« na različnih tumor supresorskih genih, vendar ne na vseh. Hipermetilacija teh otočkov na promotorskih regijah lahko vpliva na gene, ki so vključeni v celični cikel, pri popravljanju DNA, medceličnih interakcijah in apoptozi, kateri so vključeni v samem procesu nastajanja raka. Tako hipermetilacija tumor supresorskih genov povzroči njihovo utišanje, kar pomeni, da se pri metilaciji citozinov sproščajo 5-metilcitozini, z veliko večjim mutagenim potencialom. Gre za tako imenovano točkasto mutacijo, pri katerem se nato 5-metilcitozin deaminira v timin. Ta tranzicija C→T je tudi najbolj pogost vzrok genetskih bolezni pri človeku.

Modifikacija histonov in miRNA

Modifikacije histonov

Modifikacije na histonskih oktamerih vplivajo na strukturo kromatina, popravljanje DNA in izražanje genov . Največji vpliv imata metilacija in acetilacija histonskih ostankov lizina, arginina in serina na histonih 3 (H3)in 4 (H4).Modifikacije histonov in njihov vpliv na izražanje genov imenujemo histonski kod. Ko na primer pride do deacetilacije N-terminalnega lizina na H4, pozitivni lizin privlači negativno nabito DNA, ki se ovije okoli histona. Ta proces onemogoča ekpresijo genov. Protein, ki uravnava deacetilacijo histonov je histon deacetilaza (HDAC). Obsežna deacetilacija histonov (hipoacetilacija),ki je lahko posledica prekomerne aktivnosti HDAC, povzroča neoplastične spremembe. Pri nekaterih tipih levkemije translokacija genov povzroči sintezo fuzijskih proteinov, ki povzroči deacetilacijo histonov in utišanje genov vpletenih v diferenciacijo celice. Druga pomembna modifikacija je metilacija. Metilacija prav tako povzroči spremembe v izražanju genov. Metilacija lizina-4 na H3 povzroči manjšo kondenzacijo kromatina, ki omogoča ekspresijo. Metilacija lizina-9 prav tako na H3 pa povzroči kondenzacijo kromatina, ki onemogoči ekspresijo genov. Izkazalo se je, da je hipermetilirana promotorska regija na DNA obdana z metiliranimi H3 na lizinu-9, medtem ko je nemetilirana promotorska regija obdana z metiliranimi H3 na lizinu-4. To podpira raziskave, ki so pokazale, da obstaja medsebojna komunikacija (»cross-talk«) med metilacijo DNA in modifikacijo histonov. Opazili so, da se na metilirano DNA veže 5-metil-citozin vezavni protein (MBP), ki privlači HDAC. Iz tega odkritja so zaključili tudi to, da metilacija DNA vodi proces modifikacije histonov.

miRNA

To so kratke, 22 nukleotidov dolge, nekodirajoče RNA, ki regulirajo ekspresejijo genov, tako da se povežejo, s tvorbo baznih parov, z mRNA na 3' koncu. Te kratki RNA-ji igrajo pomembno vlogo pri celični poliferaciji, apoptozi in diferenciaciji. Raziskave so pokazale, da je ekspresija miRNA-jev različna pri normalnih in tumorskih celicah. MiRNA naj bi imele tudi tumor-supresorske funkcije, saj so tarče nekaterih miRNA onkogeni. Tak primer je miR-16, katere tarča je onkogen BCL2.

Epigenetsko zdravljenje raka

V zadnjih letih so raziskovalci začeli odkrivati, kako epigenetske spremembe brez povzročitve spremembe na DNA zaporedju vplivajo in sodelujejo z genskimi napakami, ki spodbudijo rast in razvoj tumorjev.

Epigenom pri normalnem delovanju koordinira izražanje genov s posebnimi molekulami, ki označijo DNA in proteine in s tem poskrbi za pravilno zvitje genoma. Če se pojavi napaka v epigenetskih mehanizmih, se lahko utiša prepisovanje supresorskih genov za tumor, ki nadzirajo rast celice. Trenutno so na voljo tri zdravila, ki se uporabljajo za zdravljenje hematoloških malignomov in delujejo tudi na epigenetske mehanizme. Številna ciljna zdravila lahko popravijo le okvare posameznega gena, medtem ko z epigenetskim zdravljenjem delujemo širše in lahko popravimo celoten molekularni program, ne samo ključnega gena. Pri vseh preučenih malignih spremembah so ugotovili, da je na stotine genov nepravilno metiliranih in da veliko tumorskih sprememb vsebuje preveč ali premalo acetiliranih histonov. Takšne okvare povzročijo spremembe v strukturi kromatina in v nadzoru prepisovanja genov, ki vključujejo celično rast, diferenciacijo in apoptozo.

Pri zdravljenju raka je pomembno, da je stanje acetilacije histonov in nepravilno metilirane DNA reverzibilno, saj jih potem lahko uporabimo kot potencialne tarče za zdravila, ki inhibirajo metilacijo DNA in deacetilirajo histone. Za potencialnega in specifičnega inhibitorja DNA-metilacije se je izkazal decitabin, saj ponovno aktivira večino utišanih z rakom povezanih človeških tumorskih celic. Inhibitorja metilacije DNA azacitidin (5-azacitidin) in decitabin (5-aza-2′-deoksicitidin) uporabljajo v majhnih odmerkih za zdravljenje mielodisplastičnega sindroma (MDS). Pri bolnikih z manjšimi odmerki zaznavajo boljše odzive na zdravljenje, kar nakazuje, da glavni mehanizem delovanja ni citoksični, saj tovrstna zdravila kažejo boljše rezultate v večjih odmerkih. Pri pacientih z levkemijo, ki so jih zdravili z decitabinom, so našli povezavo med odzivom na zdravilo in reaktivacijo tumor supresorskega gena p15, ki je bil pri teh bolnikih čezmerno metiliran. Kljub dobremu odzivu bolnikov z MDS, ki so bili zdravljeni z decitabinom, se je bolezen skoraj vedno vrnila.

Obstajata tudi dva inhibitorja HDAC: vorinostatin in etinostat, ki so ju odobrili za zdravljenje kožnih sprememb T-celičnega limfoma, medtem ko ostale še preizkušajo. Dokazali so, da pride pri uporabi demetilacijskih učinkovin na DNA skupaj z inhibitorji HDAC do sinergističnega povečanja v izražanju predhodno utišanih supresorskih genov za tumor. Tako so bolnike z napredovalnim nedrobnoceličnim rakom pljuč zdravili z azacitidinom v kombinaciji z inhibitorjem HDAC etinostatom. Na podlagi teh raziskav so sklepali, da je utišanje genov, ki je posledica nepravilne metilacije DNA in deacetilacije histonov, glavni dejavnik pri karcinogenezi pljučnega raka.

Dosedanji rezultati zdravljenja trdnih tumorjev z epigenetskimi zdravili niso dali želenih terapevtskih učinkov, saj se je samo približno 15 % bolnikov s pljučnim rakom odzivalo na zdravljenje. Izginjanje tumorja je bilo počasno, vendar zanesljivo, po približno štirih mesecih zdravljenja. Epigenetsko zdravljenje trdnih tumorjev še vedno ni dovolj raziskano. Potrebno je odkriti, zakaj se določene skupine bolnikov odzivajo na zdravljenje in še bolj raziskati molekularne značilnosti oblik točno določenega raka.

Zaključek

Epigenetika je v zadnjih letih dala veliko odgovorov o nastanku raka in možnostih njegovega zdravljenja. Metilacija DNA in modifikacija histonov sta ključna mehanizma, ki vodita do nastanka raka, proteini, ki sodeluje v obeh procesih pa so glavna tarča že obstoječih zdravil in zdravil, ki jih bodo še razvili. Odkritja kot so »cross-talk« in »loss of imprinting«  nam pojasnjujejo proces kancerogeneze in omogočajo odkrivanje novih terapij, ki bi v prihodnosti lahko predstavljale prvo zdravilo za raka.

Viri

• Richard L Momparler. Cancer epigenetics, Oncogene 22 (2003), 6479-6483
• Manel Esteller. Epigenetics of Cancer, The New England Journal of Medicine 2008, 1148-1159
• Peter W. Laird. Cancer epigenetics; Human Molecular Genetics 14 (2005), R65-R76
• M.J. Friedrich, prevod Klemen Žiberna. Epigenetsko zdravljenje omogoča nove pristope v borbi proti raku na genetskem nivoju, JAMA-SI, junij 2010, 105-107