Epigenetika rakoviny - Cancer epigenetics

Epigenetika rakoviny je studium epigenetických modifikací DNA rakovinných buněk , které nezahrnují změnu v nukleotidové sekvenci, ale místo toho zahrnují změnu ve způsobu vyjádření genetického kódu. Epigenetické mechanismy jsou nezbytné k udržení normálních sekvencí tkáňově specifické genové exprese a jsou zásadní pro normální vývoj. Mohou být stejně důležité, nebo dokonce důležitější, než genetické mutace při transformaci buňky na rakovinu. Narušení epigenetických procesů u rakoviny může vést ke ztrátě exprese genů, ke které dochází asi 10krát častěji transkripčním umlčením (způsobeným hypermethylací epigenetického promotoru ostrovů CpG ) než mutacemi. Jak Vogelstein et al. zdůrazněte, že u kolorektálního karcinomu je obvykle asi 3 až 6 mutací řidiče a 33 až 66 mutací stopaře nebo spolujezdce. Avšak v nádorech tlustého střeva ve srovnání se sousední normálně se objevující sliznicí tlustého střeva je v promotorech genů v nádorech asi 600 až 800 silně methylovaných ostrovů CpG, zatímco tyto ostrovy CpG nejsou v sousední sliznici methylovány. Manipulace s epigenetickými změnami je velkým příslibem pro prevenci, detekci a terapii rakoviny. V různých typů rakoviny, paleta epigenetických mechanismů, může být narušena, jako je tlumení hluku z nádorových supresorových genů a aktivaci všech onkogenů změněnou CpG ostrov methylačních vzorů, histonových modifikací a dysregulace proteiny vázající DNA . U několika z těchto onemocnění se nyní používá několik léků, které mají epigenetický účinek.

Epigenetické vzorce v normálních a rakovinných buňkách

Epigenetické změny v progresi nádoru

Mechanismy

Methylace DNA

DNA molekula fragment, který se methyluje na dvou cytosinů

V somatických buňkách jsou vzorce methylace DNA obecně přenášeny do dceřiných buněk s vysokou věrností. K této methylaci obvykle dochází pouze u cytosinů, které jsou umístěny 5 'od guanosinu v CpG dinukleotidech eukaryot vyššího řádu. Metiglace epigenetické DNA se však u normálních buněk a nádorových buněk u lidí liší. „Normální“ methylační profil CpG je často invertován v buňkách, které se stanou tumorigenními. V normálních buňkách jsou CpG ostrovy předcházející genové promotory obecně nemetylované a mají tendenci být transkripčně aktivní, zatímco jiné jednotlivé CpG dinukleotidy v celém genomu bývají metylované. V rakovinných buňkách jsou však CpG ostrůvky předcházející promotory nádorového supresorového genu často hypermethylované, zatímco methylace CpG regionů promotoru onkogenu a parazitických opakujících se sekvencí je často snížena.

Hypermethylace oblastí promotoru genu supresoru tumoru může mít za následek umlčení těchto genů. Tento typ epigenetické mutace umožňuje buňkám nekontrolovaně růst a reprodukovat, což vede k tumorigenezi. Přidání methylových skupin k cytosinům způsobí, že se DNA těsně navine kolem histonových proteinů, což má za následek DNA, která nemůže podstoupit transkripci (transkripčně umlčená DNA). Geny, u nichž se běžně zjistilo, že jsou transkripčně umlčeny v důsledku hypermethylace promotoru, zahrnují: Inhibitor kinázy závislý na cyklinu p16 , inhibitor buněčného cyklu; MGMT , gen pro opravu DNA ; APC , regulátor buněčného cyklu; MLH1 , gen pro opravu DNA; a BRCA1 , další gen pro opravu DNA. Rakovinové buňky se mohou stát závislými na transkripčním umlčení v důsledku hypermethylace promotoru některých klíčových nádorových supresorových genů, což je proces známý jako epigenetická závislost.

Hypomethylace CpG dinukleotidů v jiných částech genomu vede k nestabilitě chromozomů v důsledku mechanismů, jako je ztráta potisku a reaktivace transponovatelných prvků . Ztráta potisku genu pro inzulínový růstový faktor (IGF2) zvyšuje riziko kolorektálního karcinomu a je spojena s Beckwith-Wiedemannovým syndromem, který významně zvyšuje riziko rakoviny u novorozenců. Ve zdravých buňkách se CpG dinukleotidy s nižší hustotou nacházejí v kódujících a nekódujících intergenních oblastech. Exprese některých opakujících se sekvencí a meiotická rekombinace v centromerech jsou potlačeny methylací

Celý genom rakovinné buňky obsahuje výrazně méně methylcytosinu než genom zdravé buňky. Ve skutečnosti mají genomy rakovinných buněk o 20-50% méně methylace v jednotlivých dinukleotidech CpG v celém genomu. Ostrovy CpG nacházející se v promotorových oblastech jsou obvykle chráněny před methylací DNA. V rakovinných buňkách jsou CpG ostrovy hypomethylované Oblasti lemující CpG ostrovy nazývané CpG ostrovní břehy jsou místem, kde se v metylaci DNA vyskytuje v dinukleotidovém kontextu CpG. Buňky rakoviny jsou na březích ostrova CpG deferenciálně metylovány. V rakovinných buňkách se hypermethylace na březích ostrovů CpG přesouvá na ostrovy CpG nebo hypomethylace ostrovů CpG na pobřeží ostrovů CpG, což eliminuje ostré epigenetické hranice mezi těmito genetickými prvky. V rakovinných buňkách může „globální hypomethylace“ v důsledku narušení DNA methyltransferáz (DNMT) podporovat mitotickou rekombinaci a přeskupení chromozomů , což v konečném důsledku vede k aneuploidii, když se chromozomy během mitózy správně neoddělí .

Methylace ostrova CpG je důležitá při regulaci genové exprese, přesto methylace cytosinu může vést přímo k destabilizaci genetických mutací a prekancerózního buněčného stavu. Methylované cytosiny aby hydrolýza na aminové skupiny a spontánní konverze na thymin příznivější. Mohou způsobit aberantní nábor chromatinových proteinů. Methylace cytosinu mění množství absorpce nukleotidové báze ultrafialovým zářením a vytvářejí pyrimidinové dimery . Pokud mutace vede ke ztrátě heterozygotnosti v genových místech supresorových nádorů, mohou se tyto geny stát neaktivními. Mutace jednoho páru bází během replikace mohou mít také škodlivé účinky.

Modifikace histonů

Eukaryotická DNA má složitou strukturu. Obvykle je obalen speciálními proteiny nazývanými histony a vytváří strukturu nazývanou nukleozom . Nukleosom se skládá ze 2 sad 4 histonů: H2A , H2B , H3 a H4 . Navíc, histon H1 přispívá k DNA balení mimo nucleosome. Některé enzymy modifikující histon mohou přidávat nebo odebírat funkční skupiny k histonům a tyto modifikace ovlivňují úroveň transkripce genů obalených kolem těchto histonů a úroveň replikace DNA. Profily modifikace histonů zdravých a rakovinných buněk se obvykle liší.

Ve srovnání se zdravými buňkami vykazují rakovinné buňky snížené monoacetylované a trimethylované formy histonu H4 (snížené H4ac a H4me3). Myší modely navíc ukázaly, že pokles histonové H4R3 asymetrické dimetylace (H4R3me2a) promotoru p19ARF koreluje s pokročilejšími případy tumorigeneze a metastáz. V myších modelech se ztráta acetylace a trimethylace histonu H4 zvyšuje s pokračujícím růstem nádoru. Ztráta acetylace histonu H4 lysin 16 ( H4K16ac ), která je známkou stárnutí v telomerách , konkrétně ztrácí svou acetylaci. Někteří vědci doufají, že tato konkrétní ztráta acetylace histonu může být potírána inhibitorem histon deacetylázy (HDAC) specifickým pro SIRT1 , HDAC specifickým pro H4K16.

Mezi další histonové značky spojené s tumorigenezí patří zvýšená deacetylace (snížená acetylace) histonů H3 a H4, snížená trimethylace histonu H3 lysin 4 ( H3K4me3 ) a zvýšená monomethylace histonu H3 lysinu 9 ( H3K9me ) a trimethylace histonu H3 lysinu 27 ( H3K27me3 ). Tyto histonové modifikace mohou umlčet nádorové supresorové geny navzdory poklesu methylace CpG ostrova genu (událost, která normálně aktivuje geny).

Některé výzkumy se zaměřily na blokování účinku BRD4 na acetylované histony, u nichž bylo prokázáno, že zvyšují expresi proteinu Myc , zapojeného do několika druhů rakoviny. Proces vývoje léku vázat se na BRD4 je pozoruhodný pro kolaborativní, otevřený přístup, který tým používá.

Nádorový supresorový gen p53 reguluje opravu DNA a může indukovat apoptózu v neregulovaných buňkách. E Soto-Reyes a F Recillas-Targa objasnili význam proteinu CTCF při regulaci exprese p53. CTCF nebo CCCTC vazebný faktor je protein zinkového prstu, který izoluje promotor p53 od akumulace represivních histonových značek. V některých typech rakovinných buněk se protein CTCF neváže normálně a promotor p53 akumuluje represivní histonové značky, což způsobuje snížení exprese p53.

Mohou také nastat mutace v epigenetickém aparátu, potenciálně zodpovědné za měnící se epigenetické profily rakovinných buněk. Histonů variant H2A rodina jsou vysoce konzervativní u savců, hraje klíčovou roli v regulaci mnoha jaderných procesů změnou chromatinové struktury. Jedna z klíčových variant H2A, H2A.X, označuje poškození DNA, což usnadňuje nábor proteinů opravy DNA k obnovení genomové integrity. Další varianta, H2A.Z, hraje důležitou roli jak v genové aktivaci, tak v represi. Vysoká úroveň exprese H2A.Z je detekována u mnoha rakovin a je významně spojena s buněčnou proliferací a genomickou nestabilitou. Histonová varianta macroH2A1 je důležitá v patogenezi mnoha typů rakovin, například u hepatocelulárního karcinomu. Mezi další mechanismy patří snížení H4K16ac může být způsobeno buď snížením aktivity histonových acetyltransferáz (HAT), nebo zvýšením deacetylace pomocí SIRT1. Obdobně platí, že inaktivace frameshift mutace v HDAC2 , s histon-deacetylázy , která působí na mnoha histon-ocas lysinu , byla spojena s rakoviny ukazuje změněnou acetylace histonů vzory. Tato zjištění naznačují slibný mechanismus pro změnu epigenetických profilů prostřednictvím enzymatické inhibice nebo vylepšení.

Poškození DNA způsobené ultrafialovým zářením, ionizujícím zářením , toxiny z prostředí a metabolickými chemikáliemi může také vést ke genomové nestabilitě a rakovině. Reakce poškození DNA na dvouřetězcové zlomy DNA (DSB) je částečně zprostředkována histonovými modifikacemi. V DSB proteinový komplex MRE11 - RAD50 - NBS1 (MRN) rekrutuje kinázu mutovanou ataxii telangiektázií (ATM), která fosforyluje serin 129 histonu 2A. MDC1, mediátor kontrolního bodu poškození DNA 1, se váže na fosfopeptid a fosforylace H2AX se může šířit pozitivní zpětnou vazbou náboru a fosforylace MRN-ATM. TIP60 acetyluje γH2AX , který je poté polyubikvitylován . RAP80 , podjednotka komplexu proteinů citlivých na protein prsu typu 1 ( BRCA1 -A) na opravu DNA , váže ubikvitin navázaný na histony. Aktivita BRCA1-A zastavuje buněčný cyklus v kontrolním bodě G2/M , což umožňuje čas na opravu DNA, nebo může být zahájena apoptóza .

Ztlumení genu MicroRNA

U savců regulují mikroRNA (miRNA) asi 60% transkripční aktivity genů kódujících protein. Některé miRNA také procházejí umlčením spojeným s methylací v rakovinných buňkách. Let-7 a miR15/16 hrají důležitou roli v down-regulaci RAS a BCL2 onkogenů a k jejich umlčení dochází v rakovinných buňkách. Snížená exprese miR-125b1, miRNA, která funguje jako nádorový supresor , byla pozorována u rakoviny prostaty, vaječníků , prsu a gliových buněk. Experimenty in vitro ukázaly, že miR-125b1 cílí na dva geny, HER2/neu a ESR1 , které jsou spojeny s rakovinou prsu. Methylace DNA, konkrétně hypermethylace, je jedním z hlavních způsobů, jakým je miR-125b1 epigeneticky umlčen. U pacientů s rakovinou prsu byla pozorována hypermethylace ostrovů CpG umístěných proximálně od místa zahájení transkripce. Ztráta vazby CTCF a zvýšení represivních histonových značek, H3K9me3 a H3K27me3, koreluje s methylací DNA a umlčením miR-125b1. Mechanicky může CTCF fungovat jako hraniční prvek k zastavení šíření methylace DNA. Výsledky experimentů provedených Soto-Reyesem et al. ukazují negativní účinek methylace na funkci a expresi miR-125b1. Proto dospěli k závěru, že methylace DNA má podíl na umlčení genu. Kromě toho jsou některé miRNA epigeneticky umlčeny na počátku rakoviny prsu, a proto by tyto miRNA mohly být potenciálně užitečné jako nádorové markery. Epigenetické umlčení genů miRNA aberantní methylací DNA je častou událostí v rakovinných buňkách; téměř jedna třetina miRNA promotorů aktivních v normálních mléčných buňkách byla nalezena hypermethylovaná v buňkách rakoviny prsu - to je několikanásobně větší podíl, než je obvykle pozorován u genů kódujících protein.

Metabolické překódování epigenetiky při rakovině

Dysregulace metabolismu umožňuje nádorovým buňkám vytvářet potřebné stavební kameny a také modulovat epigenetické značky na podporu zahájení a progrese rakoviny. Metabolické změny vyvolané rakovinou mění epigenetickou krajinu, zejména modifikace na histonech a DNA, čímž podporují maligní transformaci, přizpůsobení se nedostatečné výživě a metastázy. Akumulace určitých metabolitů v rakovině může cílit na epigenetické enzymy, aby globálně změnila epigenetickou krajinu. Metabolické změny související s rakovinou vedou k lokálně specifickému překódování epigenetických značek. Epigenetika rakoviny může být přesně přeprogramována buněčným metabolismem prostřednictvím 1) na dávku závislé modulace rakovinné epigenetiky metabolity; 2) nábor metabolických enzymů specifický pro sekvenci; a 3) cílení epigenetických enzymů nutričními signály.

Oprava mikroRNA a DNA

Zdá se, že poškození DNA je primární základní příčinou rakoviny. Pokud je oprava DNA nedostatečná, poškození DNA se obvykle hromadí. Takové nadměrné poškození DNA může zvýšit mutační chyby během replikace DNA v důsledku syntézy translezie náchylné k chybám . Nadměrné poškození DNA může také zvýšit epigenetické změny způsobené chybami během opravy DNA. Takové mutace a epigenetické změny mohou vést k rakovině (viz maligní novotvary ).

Mutace zárodečných linií v genech pro opravu DNA způsobují pouze 2–5% případů rakoviny tlustého střeva . Změněná exprese mikroRNA, způsobující nedostatky opravy DNA, je však často spojena s rakovinou a může být důležitým příčinným faktorem těchto rakovin.

Nadměrná exprese určitých miRNA může přímo snížit expresi specifických proteinů pro opravu DNA. Wan a kol. odkazuje na 6 genů pro opravu DNA, které jsou přímo zaměřeny miRNA uvedenými v závorkách: ATM (miR-421), RAD52 (miR-210, miR-373), RAD23B (miR-373), MSH2 (miR-21), BRCA1 (miR-182) a P53 (miR-504, miR-125b). Více nedávno, Tessitore et al. uvedeny další geny pro opravu DNA, které jsou přímo zaměřeny dalšími miRNA, včetně ATM (miR-18a, miR-101), DNA-PK (miR-101), ATR (miR-185), Wip1 (miR-16), MLH1, MSH2 a MSH6 (miR-155), ERCC3 a ERCC4 (miR-192) a UNG2 (mir-16, miR-34c a miR-199a). Z těchto miRNA patří miR-16, miR-18a, miR-21, miR-34c, miR-125b, miR-101, miR-155, miR-182, miR-185 a miR-192 k těm, které identifikoval Schnekenburger a Diederich jako nadměrně exprimovaný u rakoviny tlustého střeva epigenetickou hypomethylací. Nadměrná exprese jakékoli z těchto miRNA může způsobit sníženou expresi jejího cílového genu pro opravu DNA.

Zdálo se, že až 15% nedostatků MLH1 u sporadických rakovin tlustého střeva je důsledkem nadměrné exprese mikroRNA miR-155 , která potlačuje expresi MLH1. Bylo však zjištěno , že většina 68 sporadických rakovin tlustého střeva se sníženou expresí proteinu MLH1 pro opravu nesouladu DNA nesouhlasí kvůli epigenetické methylaci ostrova CpG genu MLH1 .

U 28% glioblastomů je protein pro opravu DNA MGMT deficientní, ale promotor MGMT není methylován. U glioblastomů bez methylovaných promotorů MGMT hladina mikroRNA miR-181d nepřímo koreluje s proteinovou expresí MGMT a přímým cílem miR-181d je MGMT mRNA 3'UTR ( tři primární netranslatované oblasti MGMT mRNA). U 28% glioblastomů tedy může být příčinným faktorem zvýšená exprese miR-181d a snížená exprese DNA opravného enzymu MGMT. U 29–66% glioblastomů je oprava DNA nedostatečná kvůli epigenetické methylaci genu MGMT , která snižuje expresi proteinu MGMT.

Proteiny skupiny A ( HMGA ) s vysokou pohyblivostí , charakterizované AT-hook , jsou malé, nehistonové, s chromatinem asociované proteiny, které mohou modulovat transkripci. MikroRNA řízení exprese HMGA proteinů, a tyto proteiny ( HMGA1 a HMGA2 ) jsou architektonické chromatin transkripční řídící prvky. Palmieri a kol. ukázala, že v normálních tkáních, HGMA1 a HMGA2 geny jsou cílené (a tak silně snižuje expresi) pomocí miR-15 , miR-16 , miR-26a , miR-196a2 a Let-7a .

Exprese HMGA je v nediferencovaných dospělých tkáních téměř nezjistitelná, ale u mnoha rakovin je zvýšená. Proteiny HGMA jsou polypeptidy o ~ 100 aminokyselinových zbytcích charakterizované modulární sekvenční organizací. Tyto proteiny mají tři vysoce pozitivně nabité oblasti, nazývané AT háčky , které vážou menší drážku úseků DNA bohaté na AT ve specifických oblastech DNA. Lidské neoplázie, včetně karcinomu štítné žlázy, prostaty, děložního hrdla, kolorektálního karcinomu, pankreatu a vaječníků, vykazují silný nárůst proteinů HMGA1a a HMGA1b. Transgenní myši s HMGA1 cílené na lymfoidní buňky vyvíjejí agresivní lymfom, což ukazuje, že vysoká exprese HMGA1 není spojena pouze s rakovinou, ale že gen HMGA1 může působit jako onkogen a způsobit rakovinu. Baldassarre et al., Ukázali, že protein HMGA1 se váže na promotorovou oblast genu pro opravu DNA BRCA1 a inhibuje aktivitu promotoru BRCA1 . Ukázali také, že zatímco pouze 11% nádorů prsu mělo hypermethylaci genu BRCA1 , 82% agresivních nádorů prsu má nízkou expresi proteinu BRCA1 a většina těchto snížení byla způsobena remodelací chromatinu vysokými hladinami proteinu HMGA1.

Protein HMGA2 cílí specificky na promotor ERCC1 , čímž snižuje expresi tohoto genu pro opravu DNA. Exprese proteinu ERCC1 byla nedostatečná u 100% ze 47 hodnocených rakovin tlustého střeva (ačkoli rozsah, do kterého byl zapojen HGMA2, není znám).

Palmieri a kol. ukázal, že každá z miRNA, které cílí na geny HMGA, je ve srovnání s normální hypofýzou drasticky snížena téměř ve všech studovaných adenomech lidského hypofýzy. V souladu s down-regulací těchto miRNA cílících na HMGA bylo pozorováno zvýšení mRNA specifických pro HMGA1 a HMGA2. Tři z těchto mikroRNA (miR-16, miR-196a a Let-7a) mají methylované promotory, a proto nízkou expresi u rakoviny tlustého střeva. U dvou z nich, miR-15 a miR-16, jsou kódující oblasti epigeneticky umlčeny u rakoviny v důsledku aktivity histon deacetylázy . Když jsou tyto mikroRNA exprimovány na nízké úrovni, pak jsou proteiny HMGA1 a HMGA2 exprimovány na vysoké úrovni. HMGA1 a HMGA2 cílí (snižují expresi) genů pro opravu DNA BRCA1 a ERCC1 . Opravu DNA lze tedy omezit, což pravděpodobně přispívá k progresi rakoviny.

Cesty opravy DNA

Tabulka běžných činidel poškozujících DNA, příklady lézí, které způsobují v DNA, a cesty používané k opravě těchto lézí. Rovněž je ukázáno mnoho genů v těchto drahách, což naznačuje, které geny jsou epigeneticky regulovány tak, aby měly sníženou (nebo zvýšenou) expresi u různých rakovin. Ukazuje také geny v chybě spojující mikrohomologicky zprostředkovanou dráhu spojování konce se zvýšenou expresí u různých rakovin.

Tabulka v této části ukazuje některá častá činidla poškozující DNA, příklady poškození DNA, které způsobují, a cesty, které se zabývají těmito poškozeními DNA. Nejméně 169 enzymů se buď přímo používá při opravě DNA, nebo ovlivňuje procesy opravy DNA. Z toho 83 je přímo zaměstnáno při opravách 5 typů poškození DNA znázorněných v tabulce.

Některé z více studovaných genů ústředních pro tyto procesy opravy jsou uvedeny v tabulce. Označení genů zobrazené červeně, šedě nebo azurově označuje geny často epigeneticky pozměněné u různých typů rakoviny. Články Wikipedie o každém z genů zvýrazněných červenou, šedou nebo azurovou barvou popisují epigenetické změny a rakovinu, u nichž se tyto epimutace nacházejí. Dva rozsáhlé články z experimentálního průzkumu také dokumentují většinu těchto nedostatků epigenetické opravy DNA u rakovin.

Červeně zvýrazněné geny jsou často redukovány nebo umlčeny epigenetickými mechanismy při různých rakovinách. Pokud mají tyto geny nízkou nebo žádnou expresi, může dojít k akumulaci poškození DNA. Chyby replikace kolem těchto poškození (viz syntéza transleze ) mohou vést ke zvýšeným mutacím a nakonec k rakovině. Epigenetická represe genů pro opravu DNA v přesných cestách opravy DNA se zdá být ústředním prvkem karcinogeneze .

Dva šedě zvýrazněné geny RAD51 a BRCA2 jsou nutné pro homologní rekombinační opravu. U některých druhů rakoviny jsou někdy epigeneticky nadměrně exprimovány a někdy nedostatečně exprimovány. Jak je uvedeno ve článcích Wikipedie o RAD51 a BRCA2 , takové rakoviny mají obvykle epigenetické nedostatky v jiných genech pro opravu DNA. Tyto nedostatky oprav by pravděpodobně způsobily zvýšené poškození neopravených DNA. Nadměrná exprese RAD51 a BRCA2 pozorovaná u těchto rakovin může odrážet selektivní tlaky pro kompenzační nadměrnou expresi RAD51 nebo BRCA2 a zvýšenou homologní rekombinační opravu, aby se alespoň částečně vypořádala s takovým poškozením nadbytečné DNA. V případech, kdy jsou RAD51 nebo BRCA2 nedostatečně exprimovány, by to samo o sobě vedlo ke zvýšenému neopravenému poškození DNA. Chyby replikace za těmito poškozeními (viz syntéza transleze ) by mohly způsobit zvýšené mutace a rakovinu, takže nedostatečná exprese RAD51 nebo BRCA2 by byla sama o sobě karcinogenní.

Azurově zvýrazněné geny jsou v cestě MMEJ (end joining) zprostředkované mikrohomologií a jsou při rakovině up-regulovány. MMEJ je další nepřesná cesta opravy náchylná k chybám pro přerušení dvou vláken. Při opravě dvouvláknového přerušení MMEJ postačuje k zarovnání vláken homologie 5-25 párů komplementárních bází mezi oběma spárovanými vlákny, ale obvykle jsou přítomny nesouladné konce (chlopně). MMEJ odstraní nadbytečné nukleotidy (chlopně), kde jsou vlákna spojena, a poté liguje vlákna za vzniku neporušené dvojité šroubovice DNA. MMEJ téměř vždy zahrnuje alespoň malou deleci, takže jde o mutagenní cestu. FEN1 , klapková endonukleáza v MMEJ, je epigeneticky zvýšena hypomethylací promotoru a je nadměrně exprimována u většiny rakovin prsu, prostaty, žaludku, neuroblastomů, pankreatu a plic. PARP1 je také nadměrně exprimován, když je místo ETS jeho promotorové oblasti epigeneticky hypomethylované, což přispívá k progresi do rakoviny endometria, rakoviny vaječníků mutované BRCA a serózního rakoviny vaječníků mutované BRCA. Jiné geny v dráze MMEJ jsou také nadměrně exprimovány u řady rakovin ( shrnutí viz MMEJ ) a jsou také zobrazeny modře.

Frekvence epimutací v genech pro opravu DNA

Nedostatek proteinů pro opravu DNA, které fungují v přesných cestách opravy DNA, zvyšuje riziko mutace. Mutační rychlosti jsou silně zvýšeny v buňkách s mutacemi v opravě chybného párování DNA nebo v homologní rekombinační opravě (HRR). Jedinci s dědičnými mutacemi v kterémkoli z 34 genů pro opravu DNA mají zvýšené riziko rakoviny (viz defekty opravy DNA a zvýšené riziko rakoviny ).

U sporadických rakovin je příležitostně zjištěno, že nedostatek opravy DNA je způsoben mutací genu pro opravu DNA, ale mnohem častěji je snížená nebo chybějící exprese genů pro opravu DNA způsobena epigenetickými změnami, které snižují nebo umlčují expresi genu. Například u 113 kolorektálních rakovin vyšetřovaných v sekvenci pouze čtyři měli missense mutaci v genu pro opravu DNA MGMT , zatímco většina měla sníženou expresi MGMT v důsledku methylace oblasti promotoru MGMT (epigenetická změna). Podobně, ze 119 případů kolorektálních karcinomů s nedostatkem opravných deficitů, které postrádaly expresi PMS2 genu pro opravu DNA , protein PMS2 postrádal 6 v důsledku mutací v genu PMS2 , zatímco ve 103 případech byla exprese PMS2 nedostatečná, protože jeho párující partner MLH1 byl potlačen kvůli methylaci promotoru (protein PMS2 je nestabilní v nepřítomnosti MLH1). V dalších 10 případech byla ztráta exprese PMS2 pravděpodobně v důsledku epigenetické nadměrné exprese mikroRNA, miR-155, která down-reguluje MLH1.

Epigenetické defekty v genech pro opravu DNA jsou u rakoviny časté. V tabulce byla u více rakovin hodnocena snížená nebo chybějící exprese požadovaného genu pro opravu DNA a uvedená frekvence je frekvence, s jakou rakovina měla epigenetický nedostatek genové exprese. Takové epigenetické nedostatky pravděpodobně vznikají na počátku karcinogeneze , protože se také často nacházejí (i když s poněkud nižší frekvencí) v polním defektu obklopujícím rakovinu, ze kterého rakovina pravděpodobně vznikla (viz tabulka).

Zdá se, že rakovina může být často zahájena epigenetickou redukcí exprese jednoho nebo více enzymů opravujících DNA. Snížená oprava DNA pravděpodobně umožňuje akumulaci poškození DNA. Syntéza transláze náchylná k chybám za některá z těchto poškození DNA může vést k mutaci se selektivní výhodou. Klonální náplast se selektivní výhodou může růst a konkurovat sousedním buňkám a vytvářet defekt pole . I když neexistuje žádná zjevná selektivní výhoda pro buňku se sníženou opravou DNA, epimutaci genu pro opravu DNA lze přenášet jako cestujícího, když jsou replikovány buňky se selektivně výhodnou mutací. V buňkách nesoucích jak epimutaci genu pro opravu DNA, tak mutaci se selektivní výhodou se hromadí další poškození DNA, a ty by zase mohly vést k dalším mutacím s ještě většími selektivními výhodami. Epigenetické defekty při opravě DNA tak mohou přispět k charakteristické vysoké frekvenci mutací v genomech rakoviny a způsobit jejich karcinogenní progresi.

Rakovina má vysokou úroveň nestability genomu spojenou s vysokou frekvencí mutací . Vysoká frekvence genomových mutací zvyšuje pravděpodobnost výskytu určitých mutací, které aktivují onkogeny a inaktivují geny potlačující nádor, což vede ke karcinogenezi . Na základě sekvenování celého genomu se zjistilo, že rakovina má v celém svém genomu tisíce až stovky tisíc mutací. (Viz také Frekvence mutací u rakoviny .) Pro srovnání, frekvence mutací v celém genomu mezi generacemi u lidí (rodič - dítě) je asi 70 nových mutací za generaci. V proteinových kódujících oblastech genomu je mezi generacemi rodič/dítě pouze asi 0,35 mutace (méně než jeden mutovaný protein na generaci). Sekvenování celého genomu v krevních buňkách u páru identických dvojčat 100 let starých stoletých nalezlo pouze 8 somatických rozdílů, ačkoli somatické variace vyskytující se u méně než 20% krvinek by nebyly detekovány.

Zatímco poškození DNA může vést k mutacím prostřednictvím syntézy transláze náchylné k chybám , poškození DNA může také vést k epigenetickým změnám během chybných procesů opravy DNA. Poškození DNA, která se hromadí v důsledku defektů opravy epigenetické DNA, mohou být zdrojem zvýšených epigenetických změn nacházejících se v mnoha genech u rakoviny. V rané studii, při pohledu na omezenou sadu transkripčních promotorů, Fernandez et al. zkoumali profily methylace DNA 855 primárních nádorů. Při srovnání každého typu nádoru s jeho odpovídající normální tkání vykazovalo 729 ostrovních míst CpG (55% z 1322 hodnocených míst CpG) diferenciální methylaci DNA. Z těchto míst bylo 496 hypermethylovaných (potlačených) a 233 hypomethylovaných (aktivovaných). V nádorech je tedy vysoká úroveň změn methylace epigenetického promotoru. Některé z těchto epigenetických změn mohou přispět k progresi rakoviny.

Epigenetické karcinogeny

Různé sloučeniny jsou považovány za epigenetické karcinogeny - vedou ke zvýšenému výskytu nádorů, ale nevykazují mutagenní aktivitu (toxické sloučeniny nebo patogeny, které způsobují nádory se zvýšenou regenerací, by měly být také vyloučeny). Příklady zahrnují diethylstilbestrol , arsenit , hexachlorbenzen a sloučeniny niklu .

Mnoho teratogenů má specifické účinky na plod epigenetickými mechanismy. Zatímco epigenetické účinky mohou zachovat účinek teratogenu, jako je diethylstilbestrol, po celý život postiženého dítěte, možnost vrozených vad vyplývajících z expozice otců nebo u dalších a následujících generací potomků byla z teoretických důvodů a pro nedostatek důkaz. Byla však prokázána řada abnormalit zprostředkovaných muži a pravděpodobně jich bude více. Informace na etiketě FDA pro Vidaza, formulaci 5-azacitidinu (nemetylovatelného analogu cytidinu, který po začlenění do DNA způsobuje hypomethylaci) uvádí, že „muži by měli být upozorněni, aby při užívání drogy nezplodili dítě“, přičemž citují důkazy u ošetřených samců myší snížené plodnosti, zvýšené ztráty embryí a abnormálního vývoje embryí. U potkanů ​​byly pozorovány endokrinní rozdíly u potomků samců vystavených morfinu. U myší byly popsány účinky druhé generace diethylstilbesterolu, ke kterým dochází epigenetickými mechanismy.

Podtypy rakoviny

Rakovina kůže

Melanom je smrtelná rakovina kůže, která pochází z melanocytů. Je známo několik epigenetických změn, které hrají roli při přechodu melanocytů na melanomové buňky. To zahrnuje methylaci DNA, kterou lze zdědit bez provedení změn v sekvenci DNA, a také umlčení nádorových supresorových genů v epidermis, které byly po určitou dobu vystaveny UV záření. Ztlumení nádorových supresorových genů vede k fotokarcinogenezi, která je spojena s epigenetickými změnami v methylaci DNA, DNA methyltransferázách a acetylaci histonu. Tyto změny jsou důsledkem deregulace jejich odpovídajících enzymů. Mezi tyto enzymy patří několik histonmethyltransferáz a demetyláz.

Rakovina prostaty

Rakovina prostaty zabíjí přibližně 35 000 mužů ročně a přibližně 220 000 mužů je diagnostikováno s rakovinou prostaty ročně, a to pouze v Severní Americe. Rakovina prostaty je druhou hlavní příčinou úmrtí způsobených rakovinou u mužů a během mužského života bude mít tuto nemoc každý šestý muž. Změny v acetylaci histonu a methylaci DNA se vyskytují v různých genech ovlivňujících rakovinu prostaty a byly pozorovány v genech zapojených do hormonální odpovědi. Více než 90% karcinomů prostaty ukazují umlčení genu od CpG ostrov hypermetylace části GSTP1 genového promotoru , který chrání prostatické buňky z genomové poškozením, které je způsobeno různými oxidanty nebo karcinogeny . Methylačně specifická polymerázová řetězová reakce (PCR) v reálném čase naznačuje, že mnoho dalších genů je také hypermethylovaných. Genová exprese v prostatě může být modulována změnami výživy a životního stylu.

Rakovina děložního hrdla

Druhým nejčastějším maligním nádorem u žen je invazivní karcinom děložního čípku (ICC) a více než 50% všech invazivních nádorů děložního čípku (ICC) je způsobeno onkongenním lidským papilomavirem 16 ( HPV16 ). Kromě toho je intraepiteliální neoplazie děložního čípku (CIN) primárně způsobena onkogenním HPV16. Jako v mnoha případech, příčinný faktor rakoviny ne vždy vede přímou cestou od infekce k rozvoji rakoviny. Genomické methylační vzorce byly spojeny s invazivním karcinomem děložního čípku. V oblasti HPV16L1 má 14 testovaných míst CpG významně vyšší metylaci v CIN3+ než v genomech HPV16 žen bez CIN3 . Bylo zjištěno, že pouze 2/16 míst CpG testovaných v regulační oblasti proti proudu HPV16 má souvislost se zvýšenou methylací v CIN3+. To naznačuje, že přímá cesta od infekce k rakovině je někdy odkloněna do prekancerózního stavu v intraepiteliální neoplazii děložního čípku. Navíc byla u většiny z pěti studovaných hostitelských jaderných genů zjištěna zvýšená methylace místa CpG v nízkých hladinách, včetně 5/5 TERT , 1/4 DAPK1 , 2/5 RARB , MAL a CADM1 . Kromě toho byla 1/3 CpG míst v mitochondriální DNA spojena se zvýšenou methylací v CIN3+. Existuje tedy korelace mezi CIN3+ a zvýšenou methylací míst CpG v otevřeném čtecím rámci HPV16 L1. To by mohl být potenciální biomarker pro budoucí screening rakovinotvorných a prekancerózních onemocnění děložního čípku.

Leukémie

Nedávné studie ukázaly, že gen leukemie smíšené linie (MLL) způsobuje leukémii přeskupením a fúzí s jinými geny v různých chromozomech, což je proces pod epigenetickou kontrolou. Mutace v MLL blokují správné regulační oblasti translokací nebo inzercí spojených s leukémií způsobující maligní transformaci řízenou HOX geny. Právě to vede ke zvýšení počtu bílých krvinek. Geny související s leukémií jsou řízeny stejnými cestami, které řídí epigenetiku, signální transdukci, transkripční regulaci a energetický metabolismus. Bylo uvedeno, že infekce, elektromagnetická pole a zvýšená porodní hmotnost mohou přispět k tomu, že jsou příčinami leukémie.

Sarkom

V USA je každoročně asi 15 000 nových případů sarkomu a v USA se podle odhadů v roce 2014 zemřelo na 6 200 lidí na sarkom. Sarkomy zahrnují velké množství vzácných, histogeneticky heterogenních mezenchymálních nádorů, mezi které patří například chondrosarkom, Ewingův sarkom, leiomyosarkom, liposarkom, osteosarkom, synoviální sarkom a (alveolární a embryonální) rhabdomyosarkom. U sarkomů je epigeneticky změněno několik onkogenů a genů potlačujících nádor. Patří sem APC, CDKN1A, CDKN2A, CDKN2B, Ezrin, FGFR1, GADD45A, MGMT, STK3, STK4, PTEN, RASSF1A, WIF1, stejně jako několik miRNA. Exprese epigenetických modifikátorů, jako je složka BMI1 komplexu PRC1, je deregulována u chondrosarkomu, Ewingova sarkomu a osteosarkomu a exprese složky EZH2 komplexu PRC2 je u Ewingova sarkomu a rhabdomyosarkomu pozměněna. Podobně je exprese dalšího epigenetického modifikátoru, histonové demetylázy LSD1, zvýšena u chondrosarkomu, Ewingova sarkomu, osteosarkomu a rhabdomyosarkomu. Cílení na léky a inhibice EZH2 v Ewingově sarkomu nebo LSD1 v několika sarkomech inhibuje růst nádorových buněk v těchto sarkomech.

Metody identifikace

Dříve byly epigenetické profily omezeny na jednotlivé geny zkoumané konkrétním výzkumným týmem. V poslední době však vědci směřují ke genomičtějšímu přístupu ke stanovení celého genomického profilu pro rakovinné versus zdravé buňky.

Mezi oblíbené přístupy k měření methylace CpG v buňkách patří:

• Bisulfitové sekvenování
• Kombinovaná bisulfitová restrikční analýza (COBRA)
• Methylačně specifická PCR
• MethyLight
• Pyrosekvenování
• Omezovací orientační skenování genomu
• Libovolná primární PCR
• Test HELP (obohacování drobných fragmentů HpaII pomocí ligací zprostředkované PCR)
• Imunoprecipitace chromatinu ChIP-Chip s použitím protilátek specifických pro proteiny vazebné domény methyl-CpG
• Imunoprecipitace methylované DNA Methyl-DIP
• Profily genové exprese pomocí DNA microarray  : porovnání hladin mRNA z linií rakovinných buněk před a po ošetření demetylačním činidlem

Jelikož je bisulfitové sekvenování považováno za zlatý standard pro měření methylace CpG, při použití jedné z dalších metod jsou výsledky obvykle potvrzeny pomocí bisulfitového sekvenování [1]. Mezi oblíbené přístupy ke stanovení profilů modifikace histonu v rakovinných versus zdravých buňkách patří:

• Hmotnostní spektrometrie
• Test imunoprecipitace chromatinu

Diagnostika a prognóza

Vědci doufají, že identifikují specifické epigenetické profily různých typů a podtypů rakoviny s cílem použít tyto profily jako nástroje k diagnostice jednotlivců konkrétněji a přesněji. Jelikož se epigenetické profily mění, vědci by chtěli použít různé epigenomické profily k určení stádia vývoje nebo úrovně agresivity konkrétního rakoviny u pacientů. Například hypermethylace genů kódujících proteinovou kinázu spojenou se smrtí (DAPK), p16 a epiteliální membránový protein 3 (EMP3) byla spojena s agresivnějšími formami rakoviny plic , kolorekta a mozku . Tento typ znalostí může ovlivnit způsob, jakým budou lékaři diagnostikovat a rozhodovat o léčbě svých pacientů.

Dalším faktorem, který ovlivní léčbu pacientů, je vědět, jak dobře budou reagovat na určité léčby. Personalizované epigenomické profily rakovinotvorných buněk mohou poskytnout vhled do tohoto pole. Například MGMT je enzym, který obrací adici alkylových skupin k nukleotidu guaninu . Alkylační guanin je však mechanismus, kterým působí několik chemoterapeutických léků , aby narušily DNA a způsobily buněčnou smrt . Pokud je tedy gen kódující MGMT v rakovinných buňkách hypermethylován a ve skutečnosti umlčen nebo potlačen, budou chemoterapeutická léčiva, která působí methylací guaninu, účinnější než v rakovinných buňkách, které mají funkční enzym MGMT.

Epigenetické biomarkery mohou být také použity jako nástroje pro molekulární prognózu. Ve vzorcích biopsie primárních nádorových a mediastinálních lymfatických uzlin slouží hypermethylace CDKN2A a CDH13 jako ukazatel zvýšeného rizika rychlejšího relapsu rakoviny a vyšší úmrtnosti pacientů.

Léčba

decitabin

Epigenetická kontrola protoonko oblastí a nádorových supresorových sekvencí konformačními změnami v histonech hraje roli při tvorbě a progresi rakoviny. Farmaceutika, která zvrátí epigenetické změny, může hrát roli v různých rakovinách.

V poslední době je evidentně známo, že asociace mezi specifickými histotypy rakoviny a epigenetickými změnami může usnadnit vývoj nových epi-léčiv. Vývoj léčiv se zaměřil především na modifikaci DNA methyltransferázy , histon acetyltransferázy (HAT) a histon deacetylázy (HDAC).

Mezi léky, které se specificky zaměřují na invertovaný methylační vzorec rakovinných buněk, patří inhibitory DNA methyltransferázy azacitidin a decitabin . Tato hypomethylační činidla se používají k léčbě myelodysplastického syndromu , rakoviny krve způsobené abnormálními kmenovými buňkami kostní dřeně . Tato činidla inhibují všechny tři typy aktivních DNA methyltransferáz a byla považována za vysoce toxická, ale ukázala se jako účinná při použití v nízkých dávkách, což snižuje progresi myelodysplastického syndromu k leukémii .

Inhibitory histon deacetylázy (HDAC) vykazují účinnost při léčbě T buněčného lymfomu . dva inhibitory HDAC, vorinostat a romidepsin , byly schváleny Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv . Protože však tyto HDAC inhibitory mění kromě požadovaného histonu stav acetylace mnoha proteinů, je nutná znalost základního mechanismu na molekulární úrovni odpovědi pacienta, aby se zvýšila účinnost použití takových inhibitorů jako léčby. Bylo zjištěno, že léčba inhibitory HDAC podporuje reaktivaci genů poté, co inhibitory DNA methyl-transferáz potlačily transkripci. Panobinostat je schválen pro určité situace u myelomu .

Dalšími farmaceutickými cíli ve výzkumu jsou histon lysin methyltransferázy (KMT) a protein arginin methyltransferázy (PRMT). Předklinická studie naznačila, že lunasin může mít potenciálně příznivé epigenetické účinky.

Viz také

• Farmakopigenetika

Reference