Transpozoni in rak

Uvod

Transpozoni (TE) so mobilna DNA zaporedja v genomu. Aktivni TE lahko ob dodatnem zunaj ali znotrajceličnem stresu privedejo do mutacij. Zato je veliko TE epigenetsko utišanih, ob mutacijah pa se ta utišanja razveljavijo, kar lahko kot skupek vseh dejavnikov vodi do tvorbe rakavih celic in posledično do rakavih obolenj.

Epigenetske modifikacije na transpozonih

Transpozicijski elementi (TE) so lahko v genomu epigenetsko spremenjeni, kar povzroči bodisi njihovo utišanje ali izražanje. Stalna mobilizacija TE bi hitro povzročila gensko nestabilnost, zato so nekateri utišani. Pri obolenju zdravih celic v rakave se lahko ta epigenetska utišanja razveljavijo in posledično se TE aktivirajo. V nekaterih primerih pa lahko pride tudi do utišanja TE kot posledica epigenetskih sprememb. V obeh primerih to lahko vodi do tvorbe rakastih celic. Epigenetske modifikacije, ki jih poznamo so DNA metilacije, histonske modifikacij in od nekodirajočih RNA odvisno izražanje genov. Metilacije DNA so pogoste na CpG otočkih (regije na DNA, ki so v smeri 5' konec proti 3' konec, bogate s cisteini in gvanini). Metilacije histona so lahko supresirajoča (trimetilacija lizinov 9 in 27 na H3, ki jih pogosto najdemo na nukleosomih, kjer so TE starejših ERV pa na LTR z H3K9me2 in H3M9me3) ali aktivirajoča (acetilacije), odvisno je od lokacije in stopnje, do katere je določen histon metiliran. Poleg tega poznamo še fosforilacijo in ubikvitinacijo histona.

Ko je retrotranspozicija LINE-1 (dolgi razpršeni nukleotidni element 1) izven nadzora, pride do obolenj, najbolj pa jo povezujemo s tvorbo raka, ko govorimo o hipometilaciji LINE-1, saj njegova aktivacija vodi do vrsto procesov, ki prispevajo k tvorbi rakavih celic. Pri rakavih celicah opazimo, da na mestih, kjer je prvotno prišlo do metilacije (pretežno je to na CpG otočkih) oziroma utišanja, izgubimo vse te metilacije in jih pridobimo na promotorski regiji genov za kodiranje tumor supresorske proteine. Protein 53 (p53) je eden izmed tumor supresorskih proteinov, katerega mutacije so večkrat opažene v rakastih človeških celicah. Mutiran lahko reaktivira LINE-1.

DNA metilacije so pogostejše pri mlajših TE, še posebej na ERV (endogen retrovirus, spadajo v TE razreda I), saj so bogatejše s CpG otočki kot starejše. Ob metilaciji citozina lahko pride do spontane deaminacije, kar vodi do pretvorbe citozina v timin. Dlje kot je ERV vključen v genom, več takih mutacij dobimo in posledično je tudi manj CpG otočkov na ERV. Ob tem pa ne more priti do metilacij in določen TE, ki je bil nekoč epigenetsko utišan, se lahko aktivira. To privede tudi do ekspanzije genoma.

Pri sesalcih opazimo tudi epigenetsko utišanje, ki ga vodi molekula RNA. Poznamo siRNA (mala interferenčna RNA) in miRNA (mikro RNA), obe zavirata retrotranspozicijo LINE-1 in sodelujeta pri uravnavanju normalnega delovanja celičnih procesov. Omembe vredna je tudi piRNA (PIWI-interakcijska RNA), ki je enoverižna, ta vodi proteine PIWI (proteini izraženi predvsem v zarodni liniji, potrebni so za spermatogenezo, v povezavi s piRNA cepijo TE) do mest v genomu, ki jih je treba utišat. Tudi ta zatira retrotranspozicijo LINE-1 v moških spolnih celicah miši in v induciranih pluripotentnih matičnih celicah ljudi.

Stres iz okolja in tudi življenjski stil vplivata na epigenetske spremembe na TE. Že zmerni oksidativni stres in toplotni šok zvišata pogostost transpozicije. Ob kroničnem zvišanju kortizola pa vodi do zmanjšanja demetilacij DNA, to pa povzroči aktivacijo retrotranspozonov. Zdrav življenjski stil je pozitivno vpliva na metilacijo LINE-1, kajenje pa ravno obratno povzroči izražanje metiltransferaz. Kot zanimivost lahko še dodamo, da se je v raziskavah in vitro izkazalo, da polifenoli, kot so epigalokatehin galat, ki je prisoten v zelenem čaju in genistein v soji, inhibirajo delovanje DNA metiltransferaz in tako vplivajo na celične linije raka debelega črevesja, požiralnika, dojk in prostate. Če imamo veliko poškodb na DNA, se nivo SIRT6 (deacetilaza, ki sodeluje pri zatiranju LINE-1 med staranjem) 'izčrpa', posledično se aktivirajo retrotranspozoni. Izražanje LINE-1 in njegovo mobilizacijo nadzoruje melatonin, katerega izražanje se s staranjem slabša, to pa povzroči njegovo aktivacijo. Kljub vsemu se moramo zavedati, da se različna tkiva različno odzovejo na stres, recimo pri akutnem psihološkem stresu se je v malih možganih aktivnost retotranspozona povečala, v hipokampusu pa je prišlo do trimetilacije, ki je zavirala njegovo aktivnost.

Vloga transpozonov pri rakavih obolenjih

Pri integriteti genoma imajo transpozoni ključno vlogo, zato lahko neregulirana aktivnost transpozonov privede do genomske nestabilnosti in posledično rakavih celic. Znotraj in zunajcelični dejavaniki vplivajo na celični stres in lahko aktivirajo transpozone z metilacijo in spremembami kromatina. Aktivirani transpozoni lahko nadalnje inducirajo genomsko nestabilnost, aktivacijo onkogeneze in transkripcijsko deregulacijo.

Transpozoni so sposobni spremeniti izražanje gena z insercijo v eksonsko regijo. S tem direktno vplivajo na biološko funkcijo gena, premakne se lahko tudi bralni okvir (ORF). Insercija transpozonov v intronske regije vpliva na alternativno izrezovanje genov. Nastanejo lahko napačni ali mutirani produkti. To poveča genomsko nestabilnost in poveča možnosti za nastanka mutacij. Posledica aktivnih transpozonov so tudi dvojni zlomi DNA (DSBs), ki so za celico najnevarnejši in prispevajo k genomski nestabilnosti ter lahko vodijo celico v celično smrt, mutacije ali preureditev kromosomov. DSBs nastanejo zarad endonukleaz, ki nastajajo iz avtonomnih transpozonov in delujejo kot endotoksini, ki naredijo dvojne zlome DNA na naključnih mestih v genomu. Pri nealelni homologni rekombinaciji (NAHR) lahko pride do napak pri prekrižanju med mejozo in mitozo, kar lahko privede do delecije ali duplikacije na rekombinantnih mestih.

Vloga LINE-1 (L1) pri raku

LINE-1 je edini delujoč retrotranspozon pri človeku in ima pomembno vlogo pri genomski nestabilnosti v rakavih celicah. L1 se prepiše preko bicistronske RNA, ki kodira RNA povezovalni protein, odprt bralni okvir 1 protein (ORF1p ali p40) in endonukleazno ter reverzno transktiptazo (ORF2p). L1 elementi so v zdravih celicah epigenetsko utišani, občasno pa preidejo L1 promotorji v aktivno obliko, posledica česar je transkripcija in nastanek ORF1p proteina. ORF1p je ključen za retrotranspozicijo L1 elementov v genomu. L1 elementi se povečajo z aktivnostjo ORF2p, ki z reverznotranskripcijo prepiše L1 mRNA in vstavi L1 DNA na nov položaj v genomu. LINE-1 elementi imajo dvojno vlogo, pri nekaterih mutacijah L1 insercije vodijo mutacije in tako direktno vplivajo na onkogeno transformacijo. V drugih primerih pa so samo zraven, vendar ne vplivajo na razvoj rakavih celic. V študiji ki je analizirala malo pod 3000 genomov iz rakov z 38 podtipi, je identificirala več vlog L1, vključno z kromoskomskimi delecijami tumor supreskorskih genov in strukturnimi spremembami. Odkrili so tudi možnost, da je zgodnja LINE reaktivacija lahko glavni faktor za nastanek rakavih celic, vendar se to zgodi v manj kot 1% primerov.

Regulacija L1 s p53

Tumor supersor P53 je eden glavnih regulatorjev, ki preprečuje raka. TP53 gen je najbolj pogosto mutiran gen pri človeških rakavih obolenjih. Študije prikazujejo nasprotujoče si dokaze o odnosu med L1 in p53. Večina dokazov kaže antagonističen odnos. P53 zavre transkripcijo Alu elementov z vezavo na 5' konec neprevajajoče se regije (UTR) in spodbuja adicijo histonskih metiltransferaznih proteinov, ki utišajo transkrpicijo L1. Agonističen odnos pa je bil opažen pri zarodnih celicah, kjer P53 spodbuja transkripcijo LINE-1. Posledica česar je nastanetk ORF2p, ki povzroči dvoje zlome DNA in poveča aktivnost P53. Nastane pozitivna aktivacijska zanka, ki nakoncu celico vodi v apoptozo.

L1 retrotranspozicija inducira celični stres preko odziva na poškodbe DNA

Aktivacija L1 elementov in s tem možnost retrotranspozicije lahko aktivira odziv na poškodbe DNA in omeji le celično rast ne pa tudi retrotranspozicijske aktivnosti. To bi lahko uporabili za zdravljenje, saj z aktivacijo L1 pride do genomske nestabilnosti, kar lahko vodi do apoptoze.