Gen supresorowy nowotworu - Tumor suppressor gene

Cyklu komórkowego . Wiele supresorów guza działa w celu regulacji cyklu w określonych punktach kontrolnych, aby zapobiec replikacji uszkodzonych komórek.

Gen supresorowy nowotworów , albo anty-onkogenu , jest gen , który reguluje komórki podczas podziału komórkowego i replikacji. Jeśli komórka rośnie w sposób niekontrolowany, spowoduje raka . Kiedy gen supresorowy nowotworu jest zmutowany, powoduje to utratę lub zmniejszenie jego funkcji. W połączeniu z innymi mutacjami genetycznymi może to umożliwić nieprawidłowy wzrost komórki. Utrata funkcji tych genów mogą być nawet bardziej istotne w rozwoju ludzkich nowotworów, w porównaniu z aktywacją onkogenów .

Geny supresorowe nowotworu (TSG) można podzielić na następujące kategorie: geny opiekunów, geny strażników, a ostatnio geny krajobrazu. Geny opiekunów zapewniają stabilność genomu poprzez naprawę DNA, a następnie, po zmutowaniu, umożliwiają akumulację mutacji. Tymczasem geny strażnika bezpośrednio regulują wzrost komórek poprzez hamowanie progresji cyklu komórkowego lub indukowanie apoptozy . Wreszcie, geny krajobrazu regulują wzrost, przyczyniając się do otaczającego środowiska, gdy zmutowane mogą powodować środowisko, które promuje nieuregulowaną proliferację. Schematy klasyfikacji ewoluują wraz z postępem medycyny w takich dziedzinach, jak biologia molekularna , genetyka i epigenetyka .

Historia

Odkrycie onkogenów i ich zdolności do deregulacji procesów komórkowych związanych z proliferacją i rozwojem komórek pojawiło się po raz pierwszy w literaturze, w przeciwieństwie do idei genów supresorowych nowotworów. Jednak pomysł mutacji genetycznej prowadzącej do zwiększonego wzrostu guza ustąpił innej możliwej genetycznej idei genów odgrywających rolę w zmniejszaniu wzrostu i rozwoju komórek. Ta idea nie została utrwalona, ​​dopóki w 1969 nie przeprowadzono eksperymentów Henry'ego Harrisa z hybrydyzacją komórek somatycznych .

W ramach eksperymentów dr Harrisa komórki nowotworowe połączono z normalnymi komórkami somatycznymi, tworząc komórki hybrydowe. Każda komórka miała chromosomy od obojga rodziców i po wzroście większość tych komórek hybrydowych nie miała zdolności do rozwoju guzów u zwierząt. Tłumienie rakotwórczości w tych komórkach hybrydowych skłoniło badaczy do postawienia hipotezy, że geny w normalnej komórce somatycznej mają działanie hamujące, hamujące wzrost guza. Ta wstępna hipoteza ostatecznie doprowadziła do odkrycia przez Alfreda Knudsona pierwszego klasycznego genu supresorowego guza , znanego jako gen Rb, który koduje białko supresorowe guza siatkówczaka .

Alfred Knudson , pediatra i genetyk nowotworów, zaproponował, że do rozwoju siatkówczaka potrzebne są dwie mutacje alleliczne, aby utracić funkcjonalne kopie obu genów Rb, co prowadzi do rakotwórczości . Knudson zaobserwował, że siatkówczak często rozwija się we wczesnym okresie życia u młodszych pacjentów w obu oczach, podczas gdy w niektórych rzadszych przypadkach siatkówczak rozwijał się w późniejszym życiu i był tylko jednostronny. Ten unikalny wzorzec rozwoju pozwolił Knudsonowi i kilku innym grupom naukowym w 1971 r. poprawnie postawić hipotezę, że wczesny rozwój siatkówczaka był spowodowany dziedziczeniem jednej mutacji utraty funkcji w genie linii zarodkowej RB, a następnie późniejszej mutacji de novo w jego funkcjonalnym Rb allel genu . Postawiono hipotezę, że bardziej sporadyczne występowanie jednostronnego rozwoju siatkówczaka rozwinie się znacznie później w życiu z powodu dwóch mutacji de novo, które były potrzebne do całkowitej utraty właściwości supresorowych guza. To odkrycie stanowiło podstawę hipotezy dwóch trafień. W celu sprawdzenia, czy utrata funkcji genów supresorowych guza powoduje zwiększoną rakotwórczość , przeprowadzono eksperymenty z delecją śródmiąższową na chromosomie 13q14 , aby zaobserwować efekt usunięcia loci dla genu Rb. Ta delecja spowodowała zwiększony wzrost guza w siatkówczaku, co sugeruje, że utrata lub inaktywacja genu supresorowego guza może zwiększyć rakotwórczość .

Hipoteza dwóch trafień

W przeciwieństwie do onkogenów , geny supresorowe guza generalnie podążają za hipotezą dwóch trafień , która mówi, że oba allele kodujące dane białko muszą zostać naruszone, zanim efekt się ujawni. Jeśli tylko jeden allel genu jest uszkodzony, drugi może nadal wytwarzać wystarczającą ilość prawidłowego białka, aby zachować odpowiednią funkcję. Innymi słowy, zmutowane allele supresorowe guza są zwykle recesywne , podczas gdy zmutowane allele onkogenów są zazwyczaj dominujące .

Modele supresji guza
Ilustracja hipotezy dwóch trafień

Zaproponowany przez AG Knudsona w przypadkach siatkówczaka. Zaobserwował, że 40% przypadków w USA było spowodowanych mutacją w linii zarodkowej. Jednak chorzy rodzice mogli mieć dzieci bez choroby, ale dzieci zdrowe stały się rodzicami dzieci z siatkówczakiem. Wskazuje to, że można odziedziczyć zmutowaną linię zarodkową, ale nie wykazywać choroby. Knudson zaobserwował, że wiek zachorowania na siatkówczaka był zgodny z kinetyką drugiego rzędu , co sugeruje, że konieczne były dwa niezależne zdarzenia genetyczne. Uznał, że jest to zgodne z mutacją recesywną obejmującą pojedynczy gen, ale wymagającą mutacji dwuallelowej. Przypadki dziedziczne obejmują dziedziczną mutację i pojedynczą mutację w normalnym allelu. Niedziedziczny siatkówczak obejmuje dwie mutacje, po jednej na każdym allelu. Knudson zauważył również, że w przypadkach dziedzicznych często rozwijają się guzy obustronne i rozwijają się one wcześniej w życiu, w porównaniu z przypadkami niedziedzicznymi, w których osobniki były dotknięte tylko jednym guzem.

Istnieją wyjątki od reguły dwóch trafień dla supresorów guza, takie jak pewne mutacje w produkcie genu p53 . Mutacje p53 mogą funkcjonować jako dominujący negatywny , co oznacza, że ​​zmutowane białko p53 może zapobiegać funkcji naturalnego białka wytwarzanego z niezmutowanego allelu. Inne geny supresorowe nowotworu, które nie podlegają zasadzie dwóch trafień, to te, które wykazują haploinsufficiency , w tym PTCH w rdzeniaku i NF1 w nerwiakowłókniaku . Innym przykładem jest p27 , inhibitor cyklu komórkowego, który, gdy jeden allel jest zmutowany, powoduje zwiększoną podatność na karcynogeny.

Funkcje

Te białka kodowane przez większość genów supresorowych hamowania proliferacji komórek lub przeżycie. Inaktywacja genów supresorowych guza prowadzi zatem do rozwoju guza poprzez eliminację negatywnych białek regulatorowych . W większości przypadków białka supresorowe guza hamują te same szlaki regulatorowe komórek, które są stymulowane przez produkty onkogenów . Chociaż geny supresorowe guza pełnią tę samą główną funkcję, mają różne mechanizmy działania, które wykonują ich transkrybowane produkty, które obejmują:

  1. Białka wewnątrzkomórkowe, które kontrolują ekspresję genów określonego etapu cyklu komórkowego . Jeśli te geny nie ulegają ekspresji, cykl komórkowy nie jest kontynuowany, skutecznie hamując podział komórek . (np. pRB i p16 )
  2. Receptory lub przetworniki sygnału wydzielanych hormonów lub sygnałów rozwojowych, które hamują proliferację komórek (np. transformujący czynnik wzrostu (TGF)-β i polipowatość gruczolakowata jelita grubego (APC)).
  3. Białka kontrolujące punkty kontrolne, które wywołują zatrzymanie cyklu komórkowego w odpowiedzi na uszkodzenie DNA lub defekty chromosomalne (np. białko podatności raka piersi typu 1 (BRCA1), p16 i p14 ).
  4. Białka indukujące apoptozę . Jeśli uszkodzenia nie można naprawić, komórka inicjuje zaprogramowaną śmierć komórki, aby usunąć zagrożenie, jakie stanowi dla organizmu jako całości. (np. p53 ).
  5. Adhezja komórek . Niektóre białka zaangażowane w adhezję komórek zapobiegają dyspersji komórek nowotworowych, blokują utratę hamowania kontaktu i hamują przerzuty . Białka te są znane jako supresory przerzutów . (np. CADM1 )
  6. Białka zaangażowane w naprawę błędów w DNA . Geny opiekunów kodują białka, które działają w naprawie mutacji w genomie, zapobiegając replikacji komórek z mutacjami. Co więcej, zwiększone tempo mutacji w wyniku zmniejszonej naprawy DNA prowadzi do zwiększonej inaktywacji innych supresorów nowotworów i aktywacji onkogenów. (np. p53 i białko naprawy niedopasowań DNA 2 (MSH2)).
  7. Niektóre geny mogą również działać jako supresory nowotworów i onkogeny. Nazywane protoonkogenami z funkcją supresora guza, geny te działają jako „podwójne czynniki”, które zarówno pozytywnie, jak i negatywnie regulują transkrypcję . (np. receptory NOTCH , TP53 i FAS ).

Wpływy epigenetyczne

Naukowcy Shahjehan A. Wajed i in. stwierdzają, że ekspresja genów, w tym supresorów guza, może być zmieniona poprzez zmiany biochemiczne znane jako metylacja DNA . Metylacja jest przykładem modyfikacji epigenetycznych, które powszechnie regulują ekspresję w genach ssaków. Dodanie grupy metylowej do ogonów histonów lub bezpośrednio na DNA powoduje, że nukleosom ciasno łączy się, ograniczając transkrypcję dowolnych genów w tym regionie. Proces ten ma nie tylko zdolność hamowania ekspresji genów, ale może również zwiększać prawdopodobieństwo mutacji. Stephen Baylin zauważył, że jeśli regiony promotorowe doświadczają zjawiska zwanego hipermetylacją, może to skutkować późniejszymi błędami transkrypcyjnymi, wyciszeniem genu supresorowego guza, nieprawidłowym fałdowaniem białek i ostatecznie wzrostem raka. Baylin i in. znaleźli inhibitory metylacji znane jako azacytydyna i decytabina . Związki te mogą faktycznie pomóc w zapobieganiu wzrostowi raka poprzez wywoływanie ponownej ekspresji wcześniej wyciszonych genów, zatrzymywanie cyklu komórkowego komórki nowotworowej i zmuszanie jej do apoptozy.

Obecnie prowadzone są dalsze badania kliniczne dotyczące leczenia hipermetylacji, jak również alternatywnych terapii supresji guza, które obejmują zapobieganie hiperplazji tkanek, rozwojowi guza lub przerzutom guzów. Zespół pracujący z Wajedem zbadał metylację tkanki nowotworowej, aby pewnego dnia zidentyfikować wczesne opcje leczenia modyfikacji genów, które mogą wyciszyć gen supresorowy guza. Oprócz metylacji DNA, inne modyfikacje epigenetyczne, takie jak deacetylacja histonów lub białka wiążące chromatynę, mogą uniemożliwić polimerazie DNA skuteczną transkrypcję pożądanych sekwencji, takich jak te zawierające geny supresorowe guza.

Znaczenie kliniczne

Terapia genowa służy do przywrócenia funkcji zmutowanego lub usuniętego typu genu. Kiedy geny supresorowe nowotworu są zmienione w sposób, który skutkuje mniejszą lub brakiem ekspresji , u gospodarza może pojawić się kilka poważnych problemów. Właśnie dlatego geny supresorowe guza są powszechnie badane i wykorzystywane w terapii genowej. Dwa główne podejścia stosowane obecnie do wprowadzania materiału genetycznego do komórek to metody dostarczania wirusowego i niewirusowego.

Metody wirusowe

Wirusowa metoda transferu materiału genetycznego wykorzystuje moc wirusów . Dzięki zastosowaniu wirusów, które są odporne na zmiany materiału genetycznego, wirusowe metody terapii genowej genów supresorowych nowotworu okazały się skuteczne. W tej metodzie wykorzystywane są wektory wirusów. Dwa najczęściej używane wektory to wektory adenowirusowe i wektory związane z adenowirusami . Manipulacja genetyczna in vitro tego typu wektorów jest łatwa, a zastosowanie in vivo jest stosunkowo bezpieczne w porównaniu z innymi wektorami. Przed wektory są wkładane w nowotworach gospodarza są one wytwarzane poprzez części ich genomu kontroli replikacji albo zmutowane lub usunięte. Dzięki temu są bezpieczniejsze do włożenia . Następnie żądany materiał genetyczny jest wstawiany i ligowany do wektora. W przypadku genów supresorowych nowotworów z powodzeniem zastosowano materiał genetyczny kodujący p53 , który po zastosowaniu wykazał zmniejszenie wzrostu lub proliferacji nowotworu .

Metody niewirusowe

Niewirusowa metoda przenoszenia materiału genetycznego jest stosowana rzadziej niż metoda wirusowa. Jednak metoda niewirusowa jest bardziej opłacalną, bezpieczniejszą, dostępną metodą dostarczania genów, nie wspominając o tym, że metody niewirusowe wykazały mniejszą liczbę odpowiedzi immunologicznych gospodarza i nie mają ograniczeń co do wielkości ani długości przenoszonego materiału genetycznego . Niewirusowa terapia genowa wykorzystuje metody chemiczne lub fizyczne w celu wprowadzenia materiału genetycznego do pożądanych komórek . Metody chemiczne są stosowane głównie do wprowadzania genów supresorowych nowotworów i dzielą się na dwie kategorie, którymi są nagie plazmidy lub plazmidy pokryte liposomami . Strategia nagiego plazmidu zyskała zainteresowanie ze względu na łatwe w użyciu metody. Bezpośrednie wstrzyknięcie do mięśni pozwala na wchłonięcie plazmidu do komórki ewentualnych guzów, gdzie materiał genetyczny plazmidu może być włączony do materiału genetycznego komórek guza i odwrócić wszelkie wcześniejsze uszkodzenia wyrządzone genom supresorowym guza. Metoda plazmidów powlekanych liposomami również była ostatnio przedmiotem zainteresowania, ponieważ wytwarzają one stosunkowo niską odpowiedź immunologiczną gospodarza i są skuteczne w celowaniu w komórki. Dodatnio naładowana kapsuła, w której zapakowany jest materiał genetyczny, pomaga w przyciąganiu elektrostatycznym ujemnie naładowanych błon komórkowych, a także ujemnie naładowanego DNA komórek nowotworowych. W ten sposób niewirusowe metody terapii genowej są wysoce skuteczne w przywracaniu funkcji genu supresorowego nowotworu komórkom nowotworowym, które częściowo lub całkowicie utraciły tę funkcję.

Ograniczenia

Wymienione powyżej wirusowe i niewirusowe terapie genowe są powszechnie stosowane, ale każda z nich ma pewne ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę. Najważniejszym ograniczeniem tych metod jest skuteczność, z jaką wektory adenowirusowe i związane z adenowirusami, nagie plazmidy lub plazmidy pokryte liposomami są pobierane przez komórki nowotworowe gospodarza. Jeśli nie zostanie osiągnięty właściwy wychwyt przez komórki nowotworowe gospodarza, ponowne wprowadzenie wprowadza problemy, takie jak rozpoznawanie przez układ odpornościowy gospodarza tych wektorów lub plazmidów i ich niszczenie, co dodatkowo pogarsza ogólną skuteczność terapii genowej.

Przykłady

Gen Oryginalna funkcja Dwa trafienia? Powiązane raki
Rb Replikacja DNA, podział komórek i śmierć tak Siatkówczak
p53 Apoptoza Nie Połowa wszystkich znanych nowotworów
VHL Podział, śmierć i różnicowanie komórek tak Rak nerki
APC Uszkodzenie DNA, podział komórek, migracja, adhezja, śmierć tak Rak jelita grubego
BRCA2 Podział i śmierć komórki oraz naprawa pęknięć dwuniciowego DNA tak Rak piersi/jajnika
NF1 Różnicowanie, podział, rozwój, transdukcja sygnału RAS Nie Guzy nerwów, Neuroblastoma
PTCH Sygnalizacja jeż Nie rdzeniak zarodkowy, rak podstawnokomórkowy

  • Białko siatkówczaka (pRb) . pRb było pierwszym białkiem supresorowym guza odkrytym w ludzkim siatkówczaku ; jednak ostatnie dowody wskazują również, że pRb jest czynnikiem przetrwania nowotworu. Gen RB1 to gen strażnika, który blokuje proliferację komórek, reguluje podział komórek i śmierć komórki. W szczególności pRb zapobiega progresji cyklu komórkowego z fazy G1 do fazy S poprzez wiązanie z E2F i hamowanie transkrypcji niezbędnego genu. Zapobiega to replikacji DNA komórki w przypadku uszkodzenia.
  • s.53. TP53 , gen opiekuńczy, koduje białko p53 , nazywane „strażnikiem genomu”. p53 pełni wiele różnych funkcji w komórce, w tym naprawę DNA, indukowanie apoptozy, transkrypcję i regulację cyklu komórkowego. Zmutowane p53 jest zaangażowane w wiele ludzkich nowotworów, z 6,5 miliona diagnoz raka każdego roku około 37% jest związanych z mutacjami p53. To sprawia, że ​​jest popularnym celem nowych terapii przeciwnowotworowych. Homozygotyczna utrata p53 występuje w 65% raków okrężnicy, 30–50% raków piersi i 50% raków płuca. Zmutowane p53 jest również zaangażowane w patofizjologię białaczek, chłoniaków, mięsaków i guzów neurogennych. Nieprawidłowości genu p53 mogą być dziedziczone w zespole Li-Fraumeni (LFS), co zwiększa ryzyko rozwoju różnych typów nowotworów.
  • BCL2. BCL2 to rodzina białek, które biorą udział w indukowaniu lub hamowaniu apoptozy. Główna funkcja polega na utrzymaniu składu błony mitochondrialnej i zapobieganiu uwalnianiu cytochromu c do cytozolu. Kiedy cytochrom c jest uwalniany z mitochondriów, rozpoczyna kaskadę sygnalizacyjną, aby rozpocząć apoptozę.
  • SWI/SNF. SWI/SNF to kompleks remodelujący chromatynę , który jest tracony w około 20% nowotworów. Kompleks składa się z 10-15 podjednostek kodowanych przez 20 różnych genów. Mutacje w poszczególnych kompleksach mogą prowadzić do nieprawidłowego fałdowania, co osłabia zdolność kompleksu do współpracy jako całości. SWI/SNF ma zdolność poruszania nukleosomów , co powoduje kondensację DNA, umożliwiając transkrypcję lub blokowanie transkrypcji niektórych genów. Mutacja tej zdolności może spowodować, że geny będą włączane lub wyłączane w niewłaściwym czasie.

Ponieważ koszt sekwencjonowania DNA nadal maleje, można zsekwencjonować więcej nowotworów. Pozwala to na odkrycie nowych supresorów nowotworów i może dać wgląd w to, jak leczyć i leczyć różne nowotwory w przyszłości. Inne przykłady supresorów nowotworów obejmują pVHL , APC , CD95 , ST5 , YPEL3 , ST7 i ST14 , p16 , BRCA2 .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki