Гени-супресори пухлинного росту

Гени-супресори пухлинного росту (tumor suppressor genes), на відміну від прото-онкогенів, відповідають за негативний контроль проліферативної активності клітини і  гальмують її поділ у разі надходження відповідного сигналу, а в крайньому випадку можуть ініціювати програмовану загибель клітини – апоптоз. Такими сигналами зазвичай слугують: (1) пошкодження ДНК або поява інших помилок поділу клітини в S чи M фазах клітинного циклу; (2) контактне ігібування розмноження клітин в обмеженому просторі; (3) відсутність ростових факторів або недостатнє надходження поживних речовин. За Kinzler and Vogelstein супресори поділяються на ті, що безпосередньо залучені в регуляції проліферації клітин – це так звані gatekeeper genes – і ті, що «слідкують» за цілісністю геному клітини – це так звані мутаторні гені (caretaker genes). Білкові продукти останніх беруть участь в сигнальних каскадах відповіді на утворення різноманітні пошкоджень ДНК або напряму виправляють їх. Відповідно, виведення з ладу мутаторних генів веде до збільшення частоти мутагенезу і до швидшого накопичення мутацій в клітинах, що в свою чергу значно збільшує ймовірність виникнення злоякісних новоутворень. Відтак, супресори є важливими регуляторами якості реплікації генетичного матеріалу в клітинах, а також тканинного гомеостазу загалом. Втрата експресії генів-супресорів є невід’ємним етапом в прогресії злоякісних новоутворень, а в певних випадках може навіть ініціювати канцерогенез.

Історично першим описаним геном-супресором пухлинного росту вважається ген «ретинобластома» – Rb –, мутації в якому спричиняють злоякісні пухлини очей. Вивчаючи природу цієї недуги на початку 70-ч років ХХ ст., Alfred Knudson сформулював гіпотезу «двох ударів» (two-hit hypothesis), рис. 2. Досліджуючи 48 випадків ретонобластоми, Knudson помітив існування двох форм згаданого захворювання – спадкової та спорадичної (в родині пацієнта раніше захворювання ні в кого не проявлялося). Порівнюючи ці дві форми, він виявив головні відмінності їхнього прояву: спадкова форма як правило проявлялася в ранньому віці і уражувала обидва ока, тоді як спорадична була характерна для людей зрілого віку і проявлялася лише на одному оці (рис. 1).

Рис. 1. Розподіл пацієнтів із ретинобластомою за віком та типом (за ураженням одного ока або двох очей)

Рис. 1. Розподіл пацієнтів із ретинобластомою за віком та типом (за ураженням одного ока або двох очей). Як бачимо, випадки ретинобластоми із ураженням обох очей молодших від 20 місяців і корелюють із статистикою одної випадкової події («одного удару»). Випадки ретинобластоми із ураженням одного ока мають ширший розкид і вкладаються в статистику двох випадкових подій («двох ударів»). Джерело: http://www.nature.com/wls/ebooks/cancer-16550193/118552230.

Усі дані свідчили на користь того, що хворобу викликає інактивація певного гену, тобто рецесивна мутація гену із втратою функції відповідного протеїну. Проаналізувавши статистику, Knudson дійшов висновку, що спадкова форма ретинобластоми описується моделлю із однією незалежною подією втрати функції, тоді як спорадична форма відповідає двом незалежним почерговим подіям такого роду (рис. 1). Оскільки людський геном диплоїдний, то необхідна інактивація обох алелів гену Rb (через це, власне, гіпотеза отримала назву «двох ударів») в клітині ретинобласту для розвитку характерної патології. У разі спадкової форми захворювання, пацієнт є носієм гетерозиготного стану гену Rb, тож для прояву неоплазії достатньо інактивація лише однієї алелі, що залишився, в соматичній клітині. Так як вірогідність цього вища за таку в разі почергової інактивації двох алелів, це пояснює виникнення пухлин в дитячому віці чи навіть відразу після народження, радше ніж в зрілому або старечому віці. Тим самим пояснюється й утворення пухлин в обох очах одразу в спадковій формі ретинобластоми, оскільки всі клітини організму містять лише однин активний алель гену Rb. Названі вище закономірності, такі як асоціація із розвитком спадкових пухлин, а також рецесивний тип наслідування у відповідності до гіпотези «двох ударів», у подальшому стали застосуватися як критерії для пошуку інших генів-супресорів пухлинного росту (див. таблицю нижче).

Рис. 2. Схематичне зображення гіпотези «двох ударів» на прикладі родинної та спорадичної ретинобластоми (пояснення на рисунку)

Рис. 2. Схематичне зображення гіпотези «двох ударів» на прикладі родинної та спорадичної ретинобластоми (пояснення на рисунку). Джерело: Weiberg, R.A. The Biology Of Cancer. New York: Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC, 2007. Print.

Пізніше було виявлено, що гетерозиготність за геном-супресором може не лише успадковуватися від гетерозиготних батьків. Також інактивація одного з алелів гену-супресору може відбуватися прямо в статевих клітинах батьків, а саме – в сперматозоїдах, адже вони проходять набагато більше клітинних поділів, тож ймовірність виникнення мутації вища. Відтак, яйцеклітина, яка буде запліднена сперматозоїдом із інактивованим алелем, дасть початок гетерозиготному організму, тоді як самі батьки мали обидва нормальні алелі. Оскільки мутантний алель гену-супресору має рецесивний прояв, тобто компенсується присутністю алелю дикого типу, то гетерозиготний стан Rb не впливає на розвиток ембріону та народження дитини. Це пояснює, чому в ґенезі спадкових форм раку задіяні саме гени-супресори, а не онкогени, оскільки останні мають домінантний прояв і призводять до загибелі ембріону на ранніх стадіях розвитку.

Шляхи інактивації генів-супресорів пухлинного росту включають усі можливі генетичні аномалії. Основним механізмом є мутації, що призводять до повної втрати продукту гену на рівні мРНК – це, головно, беззмістовні (non-sense) мутації, такі як поява передчасного стоп-коду і зсув рамки зчитування, а також хромосомні делеції. Щодо останніх, описані як втрати цілого плеча хромосоми, що містить локус із відповідним геном-супресором, так і субмікроскопічні делеції («випадіння» коротких ділянок, втрату яких неможливо спостерігати в світловий мікроскоп під час рутинного цитогенетичного аналізу). Щоправда, до інактивації супресорів можуть призводити й точкові мутації із втратою змісту (miss-sense), такі характерні зокрема для пухлинного супресора р53. Також в інактивації генів-супресорів задіяні епігенетичні механізми, зокрема de novo метилування промотерів цих генів.

В рамках гіпотези «двох ударів» залишається нерозглянутим одне питання, яке стосується головним чином виникнення спорадичних форм ретинобластоми, а саме: як «виходить з ладу» друга копія гену-сапресору? Інактивація шляхом мутагенезу є подією не дуже частою і становить 10–6 на клітинний поділ. В свою чергу ймовірність двох подій інактивації в одній і тій самій клітині дорівнює квадрату, тобто 10–12. Із такою статистикою, виглядає дивним факт розвитку пухлин з гетерозиготних за генами-супресорами клітин. Відповідно, повинен існувати механізм, який дозволяє клітині обійти необхідність «чекати» на другу мутаційну подію і прискорити інактивацію другого алелю. Вважається, що таким механізмом є втрата гетерозиготності (loss of heterozygosity, LOH) також знана як «алельне видалення» (allelic deletion), рис 3. Втрата гетерозиготності можлива завдяки двом феноменам: мітотичній рекомбінації та конверсії генів шляхом гомологічної рекомбінації. В першому випадку під час метафази мітозу може випадково відбутися обмін ділянками між сестринськими хроматидами в складі бівалентів (тетрад). Внаслідок такого обміну одна з дочірніх клітин може отримати обидва домінантних алелів гену-супресору, а інша – обидва рецесивних (звичайно, якщо обмінювана ділянка містить локуси генів-супресорів). Ймовірність такої події в середньому становить 10–4,5. Конверсія генів теоретично може відбуватися навіть із більшою частотою. Вона полягає у переписуванні послідовності ДНК з однієї сестринської хроматиди на іншу. Таким чином може відбутися заміщення послідовності гену-супресору дикого типу на інактиваваний. До слова, використання ДНК сестринської хроматиди в якості матриці для синтезу комплементарного ланцюга характерне для процесу репарації пошкоджень ДНК шляхом гомологічної рекомбінації. Серед патологічних шляхів, які призводять до втрати гетерозиготності слід виділити так зване нерозходження (nondisjunction). Внаслідок процесів, що сукупно називаються «нестабільність геному», в неопластичній клітині може відбутися нерівномірний розподіл сестринських хроматид по дочірніх клітинах. В результаті одна новоутворена клітина отримує лише одну з чотирьох хроматид, а друга – три хроматиди. Надалі, перша клітина гине, а в другій відбувається вибіркова втрата третьої зайвої хроматиди в ході подальших клітинних поділів. Продуктом такого патологічного процесу може стати диплоїдна клітина, що міститиме дві ідентичні хроматиди, обидві з яких можуть нести рецесивний алель гену-супресору. Слід відзначити, що профілі метилування ДНК також успадковуються в низці клітинних поділів. Тож, неправильне метилування одного з алелів гену-супресору також може поширюватися на другий алель через втрату гетерозиготності (зокрема шляхами мітотичної рекомбінації та нерозходження, які насправді є переважними механізмами LOH у злоякісних клітинах). Вартий уваги також той факт, що феномен втрати гетерозиготності став свого роду «маяком» генів-супресорів і, за умови вдалого використання генетичних маркерів, дозволив вченим наприкінці 80-х рр. вийти на ділянки хромосом, що містили ці гени, і навіть клонувати деякі з них (див. таблицю нижче).

Рис. 3. Три можливі механізми втрати гетерозиготності (пояснення на рисунку)

Рис. 3. Три можливі механізми втрати гетерозиготності (пояснення на рисунку). Джерела: https://classconnection.s3.amazonaws.com/587/flashcards/1781587/png/loh1350948663103.png (а та б), Weiberg, R.A. The Biology Of Cancer. New York: Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC, 2007. Print (в).

Пізніше виявилося, що гіпотеза «двох ударів» не така вже однозначна, як здавалося. Зокрема до кінця 90-х рр. накопичилося достатньо даних, що вказували на відмінність фенотипового прояву гомозиготних та гетерозиготних генотипів за генами-супресорами пухлинного росту. Простіше кажучи, активність супресорів в клітині є дозо-залежним: дві функціональні копії справляються із своїми завданнями краще, ніж одна копія. Такий феномен був відомий ще на світанку генетики під назвою алельна недостатність (або гаплонедостатність) – haploinsufficiency –, але по відношенню до генів-супресорів ця концепція була застосована відносно нещодавно. Доповнення гіпотези «двох ударів» новими даними продемонстровано на рис. 4. Перше беззаперечне підтвердження щодо такої поведінки супресорів було отримано Fero et al. (1998) на прикладі інгібітора циклін-залежних кіназ p27kip1. Цей ген не супресором пухлинного росту самим по собі (оскільки сам лише нокаут цього гену не призводить до розвитку пухлин, але це відбувається у разі паралельного застосування мутагенів), але напряму залучений в пригніченні проліферації на ранній G1-фазі клітинного циклу. Спостерігаючи за онтогенезом нормальних мишей та мишей із одно- та двоалельним нокаутом згаданого гену, вчені констатували наявність зв’язку між фізичними розмірами мишей і відповідними фенотипами, що можна було виразити наступним чином: p27+/+ < p27+/– < p27–/–. Збільшення лінійних розмірів було викликано посиленням динаміки проліферації клітин у відповідь на недостатню кількість або повну відсутність інгібітора p27. У разі моделювання канцерогенезу шляхом радіаційного опромінення мишей із зазначеними фенотипами дозою в 1 грей (Gray, Gy), частота розвитку різноманітних пухлин і відповідні показники виживаності піддослідних тварин фенотипу p27+/– мали проміжні значення  відносно таких у p27+/+ і p27–/–. Важливо відзначити те, що при молекулярному досліджені пухлин, вилучених у таких мишей, не було виявлено жодних порушень, які б вказували на інактивацію залишкового функціонального алелю p27 за моделлю «двох ударів». Це свідчить на користь того, що здатність пригнічувати розвиток пухлин залежить не лише від наявності гену-супресору пухлинного росту як такого, але й від кількості та активності його білкового продукту в клітині. Найбільшою мірою це твердження відображає поведінку генів-супресорів, які є транскрипційними факторами. Відомо, що останні повинні накопичитися в достатній кількості в ядрі клітини в певний момент, щоб ініціювати експресію підконтрольних генів. Часто буває так, що різні цільові гени вимагають різної концентрації одного і того ж фактора для ініціації транскрипції. Відповідно із цим, інактивація одного алелю фактора із подальшим зменшенням концентрації функціонального протеїну може призвести до зсуву рівноваги транскрипційної активності підконтрольних йому генів. В цьому плані найкраще дослідженим є фактор транскрипції Nkx3.1, інактивація якого пов’язана із розвитком новоутворень передміхурової залози. Заданий фактор містить так званий homeobox домен і в нормі задіяний в припиненні поділів та термінальному диференціюванні клітин люмінального епітелію передміхурової залози у відповідь на дію андрогену. Експериментуючі із одноалельним нокаутом Nkx3.1+/– в мишах, Magee et al. (2003) помітили нерівномірні зміни в профілях експресії підконтрольних йому генів порівняно із контролем (Nkx3.1+/+). Відтак, експресія intelectin була суттєво знижена, тоді як експресія probasin не відрізнялася від контролю. Також вчені відзначали більш тривалу проліферативну активність Nkx3.1+/– клітини простати, що призводила до гіперплазії люмінального епітелію. На сьогодні із розвитком методів молекулярної біології з’являється можливість прослідковувати поведінку гаплонедостатності у все ширшого кола супресорів.

Рис. 4. Модифікація гіпотези «двох ударів» у відповідності до відомостей про феномен алельної недостатності (або гаплонедостатності) деяких генів-супресорів пухлинного росту (пояснення на рисунку)

Рис. 4. Модифікація гіпотези «двох ударів» у відповідності до відомостей про феномен алельної недостатності (або гаплонедостатності) деяких генів-супресорів пухлинного росту (пояснення на рисунку). Джерело: Santarosa M., Ashworth A. Haploinsufficiency for tumour suppressor genes: when you don’t need to go all the way. Biochimica et Biophysica Acta. Vol. 1654, (2004): 105 – 122.

 

Таблиця основних генів-супресорів пухлинного росту та спадкових ракових синдромів, з якими ті пов’язані

Синдром Ген Локалізація Функція Тип/локалізація раку
Супресори, які контролюють проліферацію клітини (Gatekeepers)
Родинна ретинобластома Rb 13q14 Розглянуто окремо Ретинобластома
Синдром Лі-Фраумені ТР53 17p13 Розглянуто окремо Різноманітні пухлини, сарком, гліоми
Родинна меланома p16INK4A 9p21 Інгібітор циклін-залежних кіназ ранньої G1-фази. Транскрипційна активація у відповідь на p53. Меланома та пухлини нейрогенного походження
Синдром Беквіта-Відеманна BWS/

CDKN1C

11p15 Ген кодує інгібітор циклін-залежних кіназ ранньої G1-фази (p57kip2). Транскрипційна активація у відповідь на TGF-β. Мутації в 600 разів збільшують ймовірність різноманітних пухлин
Родинний неполіпозний рак прямої кишки TGFBR2

 

3p24

 

Рецептор TGF-β. Відповідає за гальмування клітинного циклу на ранній G1-фазі та диференціацію клітин. Схильність до раку прямої кишки та підшлункової залози
Поліпоз юнацького віку Smad4

BMPR1

18q21

10q21

Залучені в проведенні сигналу від рецепторів TGF-β та BMP, відповідно. Рак прямої кишки та підшлункової залози
Множинна ендокринна неоплазія І типу MEN1 11q13 Безпосередньо взаємодіє з фактором транскрипції JunD, перешкоджаючи активації генів проліферації клітини. Рак наднирників, рак клітин острівців Лангерганса підшлункової залози
Родинний аденоматозний поліпоз APC 5q21 Безпосередньо взаємодіє та інгібує β-катенін, перешкоджаючи активації генів проліферації клітини. Рак прямої кишки та щитовидної залози
Фон Хіппеля-Ліндау VHL 3p25 Е3-убіквітинлігаза Мішень – транскрипційний фактор генів, індукованих гіпоксією (HIF). Зростання цитоплазматичної концентрації HIF веде до зниження чутливості до сигналів апоптозу, активації цикліну D та пухлинного неоангіогенезу. Карцинома нирки, феохромоцитома
Сндром Бріта-Хогга-Дюбе BHD/

FLCN

17p11 Контролює проліферацію клітин нирки, впливаючи на рівні фосфорильованого рибосомального протеїну S6. Доброякісні фолікуломи, новоутворення нирок
Родинна пухлина Вільмса WT1 11q13 Транскрипційний фактор, що містить 4 цинкові пальці. Задіяний в інгібуванні транскрипції з промоторів, які активуються факторами росту клітин нирки. Бере участь в нормальному розвитку урогенітальної системи Пухлини нирки
Синдром Коудена PTEN 10q22 Фосфатаза, що інактивує проліферативне сигналювання, зокрема PI3K/Akt. Рак молочної та щитоподібної залоз
Синдром Горліна PTC/

PTCH1

9q22 Рецептор фактору Sonic Hedgehog. Інгібує проліферативне сигналювання за відсутності зазначеного фактору Карцинома базальних клітин (рак шкіри)
Родинний циліндроматоз CYLD 16q12 Деубіквітиназа TRAF2 та 6, активність якої призводить до пригнічення NF-κB, зупинки проліферації, а також  апоптозу. Новоутворення волосяних фолікулів та потових залоз шкіри
Синдром Пейтца-Єгерса (Peutz-Jeghers) STK11/

LKB1

19p13 Серин/треонінова кіназа, що запускає ріст-супресуючий кіназний каскад у відповідь на відсутність поживних речовин в клітині, взаємодіє із p53 та PTEN. Пухлини молочної залози, прямої кишки
Лімфома, пов’язана з Х хромосомою XLP/

SAP/

SH2D1A

Xq25 Протеїн із SH2 доменом. Задіяний в конкурентному інгібуванні рецептору SLAM  на поверхні B- та T-клітин. Перешкоджає активації тирозинкінази SHP2, таким чином пригнічуючи проліферацію. Лімфома
Нейрофіброматоз І типу NF1 17q11 Протеїн, що активує ГТФазну активність Ras (Ras-GAP). Стимулює гідроліз ГТФ прото-онкогеном Ras, переводячи його в неактивний стан. Карцинома прямої кишки, астроцитома
Супресори, які «слідкують» за цілісністю геному (Caretakers)
Родинний рак молочної залози та яєчника BRCA1

BRCA2

17q21

13q13

Обидва гени у взаємодії із RAD51 залучені в репарації дволанцюгових розривів ДНК шляхом гомологічної рекомбінації Рак молочної залози, яєчника, передміхурової залози
Xeroderma pigmentosum XP(A–D) 9q,3p,

19q,15p

Протеїн системи репарації пошкоджень ДНК, спричинених ультрафіолетовим світлом, в клітинах шкіри. Меланома, карцинома базальних клітин,
Анемія Фанконі FANCC

FANCA

9q22

16q24

Протеїн системи гомологічної репарації ДНК. p53 запускає експресію FANCC. Гостра мієлоїдна лейкемія
Синдром Блюма BLM 15q26 АТФ-залежна ДНК-хеліказа. Бере участь у регуляції гомологічної рекомбінації. При мутації, що зачіпають ДНК-зв’язуючий  мотив втрачає функції, що веде до геномної нестабільності. Лейкемія, лімфоми
Спадковий неполіпозний рак товстої кишки (складова синдрому Лінча 1) MLH1

MSH2

MSH6

PMS2

3p22

2p21

2p16

7p22

Гени репарації ДНК за неправильного спарювання азотистих основ (mismatch repair) Неполіпозний рак товстої кишки, фіброматозні вузлики шкіри

 

Пов’язані публікації:
р53 задіяний в індукції клітинного старіння у відповідь на зниження концентрації NADP в клітині: нові мішені протиракової терапії

Нарешті стало відомо як працює CHD5 – найпотужніший супресор пухлинного росту

Застосування системи геномного редагування CRISPR/Cas9 для швидкого моделювання канцерогенезу

Читайте також: Онкоген

Читати усі публікації за теґом супресори пухлинного росту

<<назад до глосарію

Advertisements

Залишити відповідь

Заповніть поля нижче або авторизуйтесь клікнувши по іконці

Лого WordPress.com

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис WordPress.com. Log Out / Змінити )

Twitter picture

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Twitter. Log Out / Змінити )

Facebook photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Facebook. Log Out / Змінити )

Google+ photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Google+. Log Out / Змінити )

З’єднання з %s