Ісікке қарсы гендер: ұйымдастырушылық және қатерсіздік механизмдері

Кіріспе

Туморогендік фенотиптің көрінісін тежейтін ген

Ісікке қарсы ген (TSG) немесе антионкоген – жасуша бөлінуі мен көбейісі кезінде жасушаны реттейтін ген. Егер жасуша бақылаусыз өссе, онда қатерлі ісік пайда болады. Ісікке қарсы геннің мутацияға ұшырауы оның функциясын жоғалтуға немесе азайтуға әкеледі. Бұл басқа генетикалық мутациялармен бірге жасушаның қалыптан тыс өсуіне жағдай жасайды. Адамдағы қатерлі ісіктердің дамуында осы гендердің функциясын жоғалтуы, онкогендердің белсенділігімен салыстырғанда, одан да маңызды болуы мүмкін. TSG-лерді келесі топтарға бөлуге болады: қадағалаушы гендер, қақпа күзетшісі гендері және соңғы кезде ландшафттық гендер. Қадағалаушы гендер ДНК жөндеу арқылы геномның тұрақтылығын қамтамасыз етеді, ал мутацияға ұшыраған кезде мутациялар жинақталуына мүмкіндік береді. Ал қақпа күзетшісі гендері жасуша циклінің дамуын тежеу немесе апоптозды күшейту арқылы жасуша өсуін тікелей реттейді. Классификация схемалары молекулалық биология, генетика және эпигенетика сияқты салалардағы медициналық жетістіктерге байланысты дамып келеді.

Тарих

Онкогендердің және олардың жасушалық көбею мен дамуға қатысты жасушалық процестерді бұзу қабілетінің ашылуы, ісік басушы гендер туралы идеяға қарағанда, әдебиетте алғаш пайда болды. Дегенмен, ісіктің өсуіне алып келетін генетикалық мутация идеясы, жасушалардың өсуін және дамуын төмендетуге қатысты гендердің басқа генетикалық идеясына орын берді. Бұл идея 1969 жылы Генри Харрис жүргізген соматикалық жасушаларды гибридизациялау эксперименттерінен кейін ғана нақтыланды. Харрис эксперименттерінде ісік жасушалары қалыпты соматикалық жасушалармен біріктіріліп, гибридтік жасушалар құрылды. Әрбір жасушада екі ата-ананың хромосомалары болды және өскеннен кейін, осы гибридтік жасушалардың көпшілігі жануарларда ісік дамыту қабілетіне ие болмады. Ол АҚШ-тағы жағдайлардың 40% микробтық желідегі мутацияға байланысты екенін анықтады. Алайда, ауруға шалдыққан ата-аналар аурусыз балалар тууы мүмкін, бірақ ауру жұқтырмаған балалардың ұрпақтары ретинобластомамен ауыратын балаларға ие болды. Бұл, мутацияланған микробтық желіге ие болу мүмкін екендігін, бірақ аурудың белгілерін көрсетпеуді білдіреді. Кнудсон ретинобластоманың пайда болу жасы екінші реттік кинетикаға сәйкес келетінін байқады, яғни екі тәуелсіз генетикалық оқиға қажет екенін көрсетеді. Ол бұл бір генге қатысты рецессивті мутацияға сәйкес келетінін, бірақ биаллельді мутация талап ететінін мойындады. Мұрагерлік жағдайларда мұрагерлік мутация және қалыпты аллельдегі бір мутация болады. Екі соққы қағидасын ұстанбайтын басқа ісік басушы гендер гаплоинсуффициенцияны көрсетеді, оның ішінде медуллобластомадағы PTCH және нейрофибромадағы NF1. Тағы бір мысал – бір аллель мутацияланған кезде канцерогенге сезімталдықты арттыратын жасуша циклының ингибиторы p27.

Функциялар

Көптеген ісік тежегіш гендер кодтайтын ақуыздар жасушалардың көбеюіне немесе тірі қалуына кедергі келтіреді. Сондықтан, ісік тежегіш гендердің белсенділігінен айырылуы теріс реттеуші ақуыздарды жою арқылы ісік дамуына алып келеді. Көп жағдайда ісік тежегіш ақуыздар онкогендер өнімдерімен стимуляцияланатын жасушалық реттеу жолдарының қызметін тежейді. Ісік тежегіш гендердің негізгі функциясы бірдей болғанымен, олардың транскрипцияланған өнімдері атқаратын әртүрлі әрекет ету механизмдері бар, олар мыналарды қамтиды:
* Жасуша ішіндегі ақуыздар, жасуша циклінің белгілі бір кезеңіндегі ген экспрессиясын бақылайды. Егер бұл гендер экспрессияланбаса, жасуша циклі тоқтатылады, тиімді түрде жасуша бөлінуін тежейді. (мысалы, pRB және p16)
* Жасуша көбеюін тежейтін секрецияланған гормондар немесе даму сигналдарының рецепторлары немесе сигнал берушілері (мысалы, трансформациялық өсу факторы (TGF) β және аденоматозды полипоз (APC)).
* ДНК зақымдануына немесе хромосомалық ақауларға жауап ретінде жасуша циклының тоқтауын қозғауға қабілетті бақылау ақуыздары (мысалы, 1-ші типті сүт қатерлі ісігіне бейімділік ақуызы (BRCA1), p16 және p14).
* Апоптозды (бағдарланған жасуша өлімін) тудыратын ақуыздар. Егер зақымды түзету мүмкін болмаса, жасуша организмге қауіпті жою үшін бағдарланған өлімге өтеді. (мысалы, p53).
* Жасушалардың жабысуы. Жасушалардың жабысуына қатысатын кейбір ақуыздар ісік жасушаларының таралуын болдырмайды, байланыс жоғалуын тежейді және метастаздауды тоқтатады. Бұл ақуыздар метастаздауды тежегіштер деп аталады. (мысалы, CADM1)
* ДНК-дағы қателерді жөндеуге қатысатын ақуыздар. «Қамқоршы» гендер геномдағы мутацияларды жөндеуге қабілетті ақуыздарды кодтайды, бұл жасушалардың мутациялармен көбейіп кетуіне жол бермейді. Сонымен қатар, ДНК жөндеуінің төмендеуінен мутация деңгейінің жоғарылауы басқа ісік тежегіштердің белсенділігін төмендетуге және онкогендерді белсендіруге әкеледі. (мысалы, p53 және ДНК сәйкессіздіктерін жөндеу ақуызы 2 (MSH2)).
Кейбір гендер ісік тежегіш және онкогендер ретінде де әрекет ете алады. «Ісік тежегіш функциясы бар протоонкогендер» деп аталатын бұл гендер, транскрипцияны оң және теріс реттейтін «қос агенттер» ретінде әрекет етеді. (мысалы, NOTCH рецепторлары, TP53 және FAS).

The proteins encoded by most tumor suppressor genes inhibit cell proliferation or survival. Inactivation of tumor suppressor genes therefore leads to tumor development by eliminating negative regulatory proteins. In most cases, tumor suppressor proteins inhibit the same cell regulatory pathways that are stimulated by the products of oncogenes. While tumor suppressor genes have the same main function, they have various mechanisms of action, that their transcribed products perform, which include the following:
Intracellular proteins, that control gene expression of a specific stage of the cell cycle. If these genes are not expressed, the cell cycle does not continue, effectively inhibiting cell division. (e. g., pRB and p16)
Receptors or signal transducers for secreted hormones or developmental signals that inhibit cell proliferation (e. g., transforming growth factor (TGF) β and adenomatous polyposis coli (APC)). Checkpoint control proteins that trigger cell cycle arrest in response to DNA damage or chromosomal defects (e. g., breast cancer type 1 susceptibility protein (BRCA1), p16, and p14). Proteins that induce apoptosis. If damage cannot be repaired, the cell initiates programmed cell death to remove the threat it poses to the organism as a whole. (e. g., p53). Cell adhesion. Some proteins involved in cell adhesion prevent tumor cells from dispersing, block loss of contact inhibition, and inhibit metastasis. These proteins are known as metastasis suppressors. (e. g., CADM1)
Proteins involved in repairing mistakes in DNA. Caretaker genes encode proteins that function in repairing mutations in the genome, preventing cells from replicating with mutations. Furthermore, increased mutation rate from decreased DNA repair leads to increased inactivation of other tumor suppressors and activation of oncogenes. (e. g., p53 and DNA mismatch repair protein 2 (MSH2)). Certain genes can also act as tumor suppressors and oncogenes. Dubbed Proto oncogenes with Tumor suppressor function, these genes act as “double agents” that both positively and negatively regulate transcription. (e. g., NOTCH receptors, TP53 and FAS).

Эпигенетикалық әсерлер

Гендердің экспрессиясы, оның ішінде ісікке қарсы гендерді қоса алғанда, ДНК метилирлеу деп аталатын биохимиялық өзгерістер арқылы өзгеруі мүмкін. Метилирлеу – сүтқоректілердің гендеріндегі экспрессияны реттейтін эпигенетикалық өзгерістердің бір мысалы. Метил тобын гистонның құйрығына немесе тікелей ДНК-ға қосу нуклеосоманың тығыз жиналуына алып келеді, бұл аймақтағы кез келген геннің транскрипциясын шектейді. Бұл процесс ген экспрессиясын тежеп қана қоймай, мутациялардың пайда болу ықтималдығын да арттырады. Стивен Бейлин промотор аймақтары гиперметилдену деп аталатын құбылысқа ұшыраса, ол кейіннен транскрипциялық қателерге, ісікке қарсы геннің белсенділігін жоюға, ақуыздың бұзылуына және, әрі қарай, қатерлі ісіктің өсуіне әкелуі мүмкін екенін анықтады. Бейлин және әріптестері метилирлеуге қарсы әсер ететін азацитидин және децитабин сияқты препараттарды тапты. Бұл қосылыстар бұрын өшірілген гендердің қайта экспрессиясын тудыру арқылы, ісік клеткасының клеткалық циклын тоқтатып, оны апоптозға ұшырату арқылы қатерлі ісіктің өсуін тоқтатуға көмектеседі. Гиперметилденуді емдеу және тіндердің гиперплазиясын, ісіктің дамуын немесе ісіктердің метастаздық таралуын болдырмау сияқты басқа да ісікке қарсы терапиялар бойынша клиникалық зерттеулер жалғастырылуда. Уаджедпен жұмыс істейтін команда, бір күні ісікке қарсы генді өшіретін гендік модификациялаудың ерте емдеу әдістерін анықтау мақсатында, неопластикалық тіндердің метилирленуін зерттеді. Бұл әдісте вирустардың векторлары қолданылады. Ең көп қолданылатын екі вектор – аденовирустық және адено-ассоциированный векторлар. Осы векторлардың түрлерін in vitro жағдайында генетикалық түрлендіру оңай, ал in vivo қолдану басқа векторлармен салыстырғанда салыстырмалы түрде қауіпсіз. Векторларды қонақшының ісігіне енгізер алдында, олардың репликацияны бақылайтын геномдық бөліктері мутацияға ұшыратылады немесе жойылады. Бұл оларды енгізу үшін қауіпсіз етеді. Содан кейін қажетті генетикалық материал енгізіліп, вектормен байланыстырылады.

Expression of genes, including tumor suppressors, can be altered through biochemical alterations known as DNA methylation. Methylation is an example of epigenetic modifications, which commonly regulate expression in mammalian genes. The addition of a methyl group to either histone tails or directly on DNA causes the nucleosome to pack tightly together restricting the transcription of any genes in this region. This process not only has the capabilities to inhibit gene expression, it can also increase the chance of mutations. Stephen Baylin observed that if promoter regions experience a phenomenon known as hypermethylation, it could result in later transcriptional errors, tumor suppressor gene silencing, protein misfolding, and eventually cancer growth. Baylin et al. found methylation inhibitors known as azacitidine and decitabine. These compounds can actually help prevent cancer growth by inducing re expression of previously silenced genes, arresting the cell cycle of the tumor cell and forcing it into apoptosis. There are further clinical trials under current investigation regarding treatments for hypermethylation as well as alternate tumor suppression therapies that include prevention of tissue hyperplasia, tumor development, or metastatic spread of tumors. The team working with Wajed have investigated neoplastic tissue methylation in order to one day identify early treatment options for gene modification that can silence the tumor suppressor gene. In this method, vectors from viruses are used. The two most commonly used vectors are adenoviral vectors and adeno associated vectors. In vitro genetic manipulation of these types of vectors is easy and in vivo application is relatively safe compared to other vectors. Before the vectors are inserted into the tumors of the host, they are prepared by having the parts of their genome that control replication either mutated or deleted. This makes them safer for insertion. Then, the desired genetic material is inserted and ligated to the vector.

Вирустық емес әдістер

Вирустық емес әдіспен генетикалық материалды беру, вирустық әдіске қарағанда сирек қолданылады. Ретинобластома ақуызы (pRb). pRb – адам ретинобластомасында табылган алғашқы ісікке қарсы белок; алайда, соңғы деректер pRb-ді ісіктің тіршілік ету факторы ретінде де көрсетеді. RB1 гені – жасуша көбеюін тоқтатып, жасуша бөлінуін және жасуша өлімін реттейтін «қақпашы» ген. Бұл жасушаның ДНК-сын зақымдалған жағдайда көшіруіне кедергі келтіреді. p53. TP53 – «геномның күзетшісі» деп аталған p53 ақуызын кодтайтын «күзетші» ген. p53 жасушада ДНК жөндеу, апоптозды күйзеуге түсіру, транскрипция және жасуша циклын реттеу сияқты көптеген функцияларды атқарады. Мутацияланған p53 көптеген адам қатерлі ісіктеріне қатысты, жыл сайын қойылған 6,5 миллион қатерлі ісік диагнозының шамамен 37%-ы p53 мутацияларымен байланысты. Оның басты қызметі – митохондрия мембранасының құрамын сақтап, цитохром c-нің цитозолға шығуына жол бермеу болып табылады. SWI/SNF. SWI/SNF – хроматин құрылымын өзгертуге қатысатын кешен, ол ісіктердің шамамен 20%-ында жоғалады. Бұл кешен 20 түрлі генмен кодталған 10-15 суббірліктен тұрады.