Филадельфийская хромосома при лейкемии: генетические основы

Введение

Генетическая аномалия в лейкемических раковых клетках

Филадельфийская хромосома или филадельфийская транслокация (Ph) – это специфическая генетическая аномалия в хромосоме 22 лейкемических раковых клеток (особенно в клетках хронического миелолейкоза (ХМЛ)). Эта хромосома дефектна и аномально коротка из-за взаимной транслокации t(9;22)(q34;q11) генетического материала между хромосомой 9 и хромосомой 22 и содержит ген слияния под названием BCR-ABL1. Этот ген представляет собой ген ABL1 хромосомы 9, расположенный рядом с областью кластера точек разрыва гена BCR хромосомы 22, кодирующий гибридный белок – тирозинкиназный сигнальный белок, который находится в состоянии постоянной активации, вызывая неконтролируемое деление клеток путем нарушения стабильности генома и ухудшения работы различных сигнальных путей, регулирующих клеточный цикл. (В некоторых случаях диагностику затрудняют либо криптическая транслокация, невидимая при окраске по методу G, либо вариантная транслокация с участием другой хромосомы или хромосом, а также длинных плеч хромосом 9 и 22. Другие подобные, но истинно Ph-отрицательные состояния классифицируются как ХМЛ-подобные миелопролиферативные новообразования.) Однако обнаружение филадельфийской хромосомы (Ph) недостаточно специфично для диагностики ХМЛ, поскольку она также встречается при остром лимфобластном лейкозе (ОЛЛ, 25–30% случаев у взрослых и 2–10% случаев у детей) и иногда при остром миелогенном лейкозе (ОМЛ), а также при остром лейкозе смешанного фенотипа (ОЛСФ).

Молекулярная биология

Хромосомный дефект в хромосоме Филадельфии – это взаимная транслокация, при которой фрагменты двух хромосом, 9 и 22, меняются местами. В результате образуется химерный ген, возникающий в результате соединения гена ABL1 на хромосоме 9 (регион q34) с частью гена BCR (регион кластерного разрыва) на хромосоме 22 (регион q11). Это взаимная транслокация, приводящая к образованию удлиненной хромосомы 9 (называемой производной хромосомой или der 9) и укороченной хромосомы 22 (филадельфийская хромосома, 22q). В соответствии с Международной системой цитогенетической номенклатуры человека (ISCN), эта хромосомная транслокация обозначается как t(9;22)(q34;q11). Обозначение ABL1 происходит от названия вируса лейкемии Абельсона, который несет схожий белок. Обозначение BCR происходит от «breakpoint cluster region» – региона кластерного разрыва, гена, кодирующего белок, функционирующий как фактор обмена гуаниннуклеотидов для белков Rho GTPase. Транслокация приводит к образованию онкогенного химерного гена BCR-ABL1, который обнаруживается на более короткой производной хромосоме 22. Этот ген кодирует химерный белок BCR-ABL1. В зависимости от точного места слияния, молекулярная масса этого белка может варьироваться от 185 до 210 кДа. Следовательно, гибридный белок BCR-ABL1 обозначается как p210 или p185. Три клинически значимых варианта, кодируемых химерным геном, – это изоформы p190, p210 и p230. p190 обычно ассоциируется с острой лимфобластной лейкемией (ОЛЛ), в то время как p210 обычно ассоциируется с хронической миелоидной лейкемией (ХМЛ), но также может встречаться при ОЛЛ и остром миелоидном лейкозе (ОМЛ). p230 обычно ассоциируется с хронической миелогенной лейкемией, сопровождающейся нейтрофилией и тромбоцитозом (ХМЛ N). Ген ABL1 экспрессирует мембранный белок, тирозинкиназу, а транскрипт BCR-ABL1 также транслируется в тирозинкиназу, содержащую домены как гена BCR, так и гена ABL1. Активность тирозинкиназ обычно регулируется автоингибированием, однако химерный ген BCR-ABL1 кодирует белок, который находится в состоянии постоянной активации (конститутивно активирован), что приводит к нарушению связывания ДНК и неконтролируемому делению клеток (т.е. раку). Это обусловлено заменой миристоилированного «шапочного» региона, который при наличии индуцирует конформационные изменения, инактивирующие киназный домен, укороченным фрагментом белка BCR. Хотя область BCR также экспрессирует серин/треонинкиназы, функция тирозинкиназы имеет важное значение для лекарственной терапии. Поскольку N-концевые домены Y177 и CC гена BCR кодируют конститутивную активацию киназы ABL1, эти области являются мишенями для терапии, направленной на снижение активности киназы BCR-ABL1. Ингибиторы тирозинкиназы, специфичные к таким доменам, как CC, Y177 и Rho (например, иматиниб и сунитиниб), являются важными препаратами для лечения различных видов рака, включая ХМЛ, почечно-клеточный рак (ПКР) и опухоли желудочно-кишечного строма (ГИСТ). Химерный белок BCR-ABL1 взаимодействует с бета-субъединицей рецептора интерлейкина-3 и модулируется петлей активации в его домене SH1, которая активируется при связывании с АТФ и запускает нисходящие сигнальные пути. Тирозинкиназная активность BCR-ABL1 выше, чем у дикого типа ABL1. Поскольку ABL активирует ряд белков и ферментов, контролирующих клеточный цикл, результатом слияния BCR-ABL1 является ускорение деления клеток. Кроме того, он ингибирует восстановление ДНК, вызывая геномную нестабильность и потенциально приводя к опасному бластному кризу при ХМЛ.

The chromosomal defect in the Philadelphia chromosome is a reciprocal translocation, in which parts of two chromosomes, 9 and 22, swap places. The result is that a fusion gene is created by juxtaposing the ABL1 gene on chromosome 9 (region q34) to a part of the BCR (breakpoint cluster region) gene on chromosome 22 (region q11). This is a reciprocal translocation, creating an elongated chromosome 9 (termed a derivative chromosome, or der 9), and a truncated chromosome 22 (the Philadelphia chromosome, 22q ). In agreement with the International System for Human Cytogenetic Nomenclature (ISCN), this chromosomal translocation is designated as t(9;22)(q34;q11). The symbol ABL1 is derived from Abelson, the name of a leukemia virus which carries a similar protein. The symbol BCR is derived from breakpoint cluster region, a gene which encodes a protein that acts as a guanine nucleotide exchange factor for Rho GTPase proteins. Translocation results in an oncogenic BCR ABL1 gene fusion that can be found on the shorter derivative chromosome 22. This gene encodes for a BCR ABL1 fusion protein. Depending on the precise location of fusion, the molecular weight of this protein can range from 185 to 210 kDa. Consequently, the hybrid BCR ABL1 fusion protein is referred to as p210 or p185. Three clinically important variants encoded by the fusion gene are the p190, p210, and p230 isoforms. p190 is generally associated with B cell acute lymphoblastic leukemia (ALL), while p210 is generally associated with chronic myeloid leukemia but can also be associated with ALL and AML. p230 is usually associated with chronic myelogenous leukemia associated with neutrophilia and thrombocytosis (CML N). The ABL1 gene expresses a membrane associated protein, a tyrosine kinase, and the BCR ABL1 transcript is also translated into a tyrosine kinase containing domains from both the BCR and ABL1 genes. The activity of tyrosine kinases is typically regulated in an auto inhibitory fashion, but the BCR ABL1 fusion gene codes for a protein that is "always on" or constitutively activated, leading to impaired DNA binding and unregulated cell division (i. e. cancer). This is due to the replacement of the myristoylated cap region, which when present induces a conformational change rendering the kinase domain inactive, with a truncated portion of the BCR protein. Although the BCR region also expresses serine/threonine kinases, the tyrosine kinase function is very relevant for drug therapy. As the N terminal Y177 and CC domains from BCR encode the constitutive activation of the ABL1 kinase, these regions are targeted in therapies to downregulate BCR ABL1 kinase activity. Tyrosine kinase inhibitors specific to such domains as CC, Y177, and Rho (such as imatinib and sunitinib) are important drugs against a variety of cancers including CML, renal cell carcinoma (RCC) and gastrointestinal stromal tumors (GISTs). The fused BCR ABL1 protein interacts with the interleukin 3 receptor beta(c) subunit and is moderated by an activation loop within its SH1 domain, which is turned "on" when bound to ATP and triggers downstream pathways. The ABL1 tyrosine kinase activity of BCR ABL1 is elevated relative to wild type ABL1. Since ABL activates a number of cell cycle controlling proteins and enzymes, the result of the BCR ABL1 fusion is to speed up cell division. Moreover, it inhibits DNA repair, causing genomic instability and potentially causing the feared blast crisis in CML.

Пролиферативная роль в лейкемии

Ген и белок BCR-ABL1, кодируемые филадельфийской хромосомой, влияют на множество сигнальных путей, которые напрямую воздействуют на апоптотический потенциал, скорость деления клеток и различные фазы клеточного цикла, что приводит к неконтролируемой пролиферации, характерной для хронического миелолейкоза и острого лимфобластного лейкоза.

Путь JAK/STAT

Особенно важна для выживания и пролиферации миелогенных лейкозных клеток в микросреде костного мозга цитокиновая и сигнальная система факторов роста. Путь JAK/STAT модулирует многие из этих эффекторов, активируя STAT, которые являются факторами транскрипции, способными модулировать рецепторы цитокинов и факторы роста. JAK2 фосфорилирует белок химерной конструкции BCR-ABL в положении Y177 и стабилизирует этот белок, усиливая онкогенную клеточную сигнализацию. Показано, что мутации JAK2 играют центральную роль в миелопролиферативных новообразованиях, а киназы JAK играют ключевую роль в развитии гематологических злокачественных заболеваний (JAK blood journal). В терапии ОЛЛ и ХМЛ используются нилотиниб и руксолитиниб в моделях на мышах для подавления нижестоящей цитокиновой сигнализации путем ингибирования активации транскрипции STAT3 и STAT5 (Appelmann et al.). Взаимодействие между JAK2 и BCR-ABL при этих гематологических злокачественных новообразованиях указывает на важную роль цитокиновой сигнализации, опосредованной JAK/STAT, в стимулировании роста лейкозных клеток, экспрессирующих хромосому Филадельфии и обладающих тирозинкиназной активностью BCR-ABL. Хотя центральная роль пути JAK2 в прямой пролиферации при ХМЛ обсуждается, его роль как нисходящего эффектора тирозинкиназы BCR-ABL сохраняется. Воздействие на клеточный цикл через JAK/STAT в основном периферическое, но, напрямую влияя на поддержание гематопоэтической ниши и окружающей ее микросреды, регуляция JAK/STAT сигнализации BCR-ABL играет важную роль в поддержании роста и деления лейкозных клеток.

Рас/МАРК/ЭРК

Путь Ras/MAPK/ERK передает сигналы ядерным факторам транскрипции и играет роль в регуляции клеточного цикла и дифференцировки. В клетках, содержащих Ph-хромосому, тирозинкиназа BCR-ABL активирует путь RAS/RAF/MEK/ERK, что приводит к нерегулируемой пролиферации клеток посредством транскрипции генов в ядре. Тирозинкиназа BCR-ABL активирует Ras посредством фосфорилирования белка GAB2, что зависит от фосфорилирования Y177, расположенного в BCR. Ras, в частности, является важной нижестоящей мишенью BCR-ABL1 при хроническом миелолейкозе (ХМЛ), поскольку мутанты Ras в моделях на мышах нарушают развитие ХМЛ, связанного с геном BCR-ABL1 (Влияние ингибирования Ras на гематопоэз и лейкемогенез BCR/ABL). Путь Ras/RAF/MEK/ERK также вовлечен в переэкспрессию остеопонтина (OPN), который важен для поддержания ниши гематопоэтических стволовых клеток, что косвенно влияет на неконтролируемую пролиферацию, характерную для лейкозных клеток. Клетки, несущие ген слияния BCR-ABL, также демонстрируют постоянно высокие уровни активированного Ras, связанного с GTP, активируя Ras-зависимый сигнальный путь, который, как показано, ингибирует апоптоз ниже по течению от BCR-ABL (Cortez et al.). Взаимодействие с рецептором IL-3 также индуцирует путь Ras/RAF/MEK/ERK к фосфорилированию факторов транскрипции, которые играют роль в инициировании перехода G1/S клеточного цикла.

Связывание ДНК и апоптоз

Ген c Abl в клетках дикого типа участвует в связывании ДНК, что влияет на такие процессы, как транскрипция ДНК, репарация, апоптоз и другие процессы, лежащие в основе клеточного цикла. Хотя характер этого взаимодействия остаётся предметом дискуссий, имеются данные, свидетельствующие о том, что c Abl фосфорилирует HIPK2, серин/треонинкиназу, в ответ на повреждение ДНК и стимулирует апоптоз в нормальных клетках. В отличие от этого, было показано, что химерный белок BCR ABL ингибирует апоптоз, однако его влияние на связывание ДНК, в частности, остаётся неясным. При ингибировании апоптоза клетки BCR ABL демонстрируют устойчивость к апоптозу, индуцированному лекарственными препаратами, но при этом проявляют проапоптотический профиль экспрессии, обусловленный повышенными уровнями экспрессии p53, p21 и Bax. Тем не менее, функция этих проапоптотических белков нарушена, и апоптоз в этих клетках не осуществляется. BCR ABL также участвует в предотвращении активации каспазы 9 и каспазы 3, что усиливает ингибирующий эффект. Другим фактором, препятствующим прогрессированию клеточного цикла и апоптозу, является делеция гена IKAROS, наблюдаемая более чем в 80% случаев острого лимфобластного лейкоза (ОЛЛ) с положительной хромосомой Филадельфии. Ген IKAROS играет критическую роль в остановке клеточного цикла, опосредованной пре-B-клеточным рецептором, в ОЛЛ-клетках, несущих хромосому Филадельфии, и его нарушение обеспечивает механизм неконтролируемой прогрессии клеточного цикла и пролиферации дефектных клеток, стимулируемой сигнализацией тирозинкиназы BCR ABL.

Номенклатура

Филадельфийская хромосома обозначается хромосомой Ph (или Ph') и представляет собой укороченную хромосому 22, кодирующую ген-слияние BCR-ABL и протеинкиназу. Она возникает в результате транслокации, обозначаемой как t(9;22)(q34.1;q11.2), между хромосомой 9 и хромосомой 22, с разрывами в области (3), полосе (4), подполосе (1) длинного плеча (q) хромосомы 9 и области (1), полосе (1), подполосе (2) длинного плеча (q) хромосомы 22. Таким образом, точки разрыва хромосом обозначаются как (9q34.1) и (22q11.2) соответственно, в соответствии со стандартами ISCN.

Ингибиторы тирозинкиназы

В конце 1990-х годов STI 571 (иматиниб, Gleevec/Glivec) был идентифицирован фармацевтической компанией Novartis (тогда известной как Ciba Geigy) в высокопроизводительном скрининге ингибиторов тирозинкиназы. Последующие клинические испытания под руководством доктора Брайана Дж. Дрюкера в Oregon Health & Science University в сотрудничестве с доктором Чарльзом Сойерсом и доктором Моше Талпазом показали, что STI 571 ингибирует пролиферацию гематопоэтических клеток, экспрессирующих BCR-ABL. Хотя он и не элиминировал клетки ХМЛ, он значительно ограничил рост опухолевого клона и снизил риск опасаемого "бластового криза". В 2000 году доктор Джон Куриан определил механизм, посредством которого STI 571 ингибирует киназный домен Abl. В 2001 году Novartis вывела препарат на рынок под названием иматиниб мезилат (Gleevec в США, Glivec в Европе). Ведутся разработки других фармакологических ингибиторов, которые обладают большей потенцией и/или активны против возникающих устойчивых к Gleevec/Glivec клонов BCR-ABL у пациентов, получающих лечение. Большинство этих устойчивых клонов представляют собой точечные мутации в киназе BCR-ABL. Новые ингибиторы включают дазатиниб и нилотиниб, которые значительно более эффективны, чем иматиниб, и могут преодолевать резистентность. Комбинированная терапия нилотинибом и руксолитинибом также продемонстрировала эффективность в подавлении резистентности путем одновременного воздействия на стадии JAK-STAT и BCR-ABL. Ингибиторы малых молекул, такие как триоксид мышьяка и аналоги гельданамицина, также были идентифицированы как средства, снижающие регуляцию трансляции BCR-ABL-киназы и способствующие ее деградации протеазой. Акситиниб, препарат, используемый для лечения карциномы почечных клеток, показал эффективность в ингибировании активности Abl-киназы у пациентов с BCR-ABL1(T315I). Мутация T315I в генe слияния обуславливает резистентность к другим ингибиторам тирозинкиназы, таким как иматиниб, однако акситиниб успешно применялся для лечения пациентов с ОЛЛ, несущих эту мутацию, а также клеток ХМЛ в культуре. Лечение педиатрической Ph+ ОЛЛ комбинацией стандартной химиотерапии и ингибиторов RTK может привести к ремиссии, но о его потенциале к излечению пока ничего не известно. Асциминиб (Scemblix) был одобрен для медицинского применения в Соединенных Штатах в октябре 2021 года.

In the late 1990s, STI 571 (imatinib, Gleevec/Glivec) was identified by the pharmaceutical company Novartis (then known as Ciba Geigy) in high throughput screens for tyrosine kinase inhibitors. Subsequent clinical trials led by Dr. Brian J. Druker at Oregon Health & Science University in collaboration with Dr. Charles Sawyers and Dr. Moshe Talpaz demonstrated that STI 571 inhibits proliferation of BCR ABL expressing hematopoietic cells. Although it did not eradicate CML cells, it did greatly limit the growth of the tumor clone and decreased the risk of the feared "blast crisis". In 2000 Dr. John Kuriyan determined the mechanism by which STI 571 inhibits the Abl kinase domain. It was marketed in 2001 by Novartis as imatinib mesylate (Gleevec in the US, Glivec in Europe). Other pharmacological inhibitors are being developed, which are more potent and/or are active against the emerging Gleevec/Glivec resistant BCR abl clones in treated patients. The majority of these resistant clones are point mutations in the kinase of BCR abl. New inhibitors include dasatinib and nilotinib, which are significantly more potent than imatinib and may overcome resistance. Combination therapies with nilotinib and ruxolitnib have also shown success in suppressing resistance by targeting the JAK STAT and BCR ABL stages simultaneously. Small molecule inhibitors, like arsenic trioxide and geldanamycin analogues, have also been identified in downregulating BCR ABL kinase translation and promoting its degradation by protease. Axitinib, a drug used to treat renal cell carcinoma, has been shown to be effective at inhibiting the Abl kinase activity in patients with BCR ABL1(T315I). The T315I mutation in the fusion gene confers resistance to other tyrosine kinase inhibitors such as imatinib, however axitinib has been successfully been used to treat a patient with ALL carrying this mutation, as well as CML cells in culture. Treatment of pediatric Ph+ ALL with a combination of standard chemotherapy and RTK inhibitors may result in remission, but the curative potential is unknown. Asciminib (Scemblix) was approved for medical use in the United States in October 2021.

Трансплантация крови или мозга

Потенциально излечивающим, но рискованным вариантом лечения педиатрической Ph+ ALL или Ph+ CML является трансплантация костного мозга или трансплантация пуповинной крови, однако некоторые врачи отдают предпочтение химиотерапии для достижения первой ремиссии (CR1). Для некоторых пациентов, при достижении ремиссии, предпочтительна трансплантация костного мозга от полностью совместимого брата или сестры, либо от неродственного, но полностью совместимого донора. Трансплантацию пуповинной крови некоторые предпочитают, когда невозможно найти 10/10 совместимого донора костного мозга, и она может иметь определенные преимущества, включая снижение частоты развития реакции «трансплантат против хозяина» (GVHD), являющейся распространенным и серьезным осложнением трансплантации. Однако трансплантация пуповинной крови иногда требует больше времени для приживления, что может повысить риск осложнений, связанных с инфекцией. Независимо от типа трансплантации, возможна смертность, связанная с трансплантацией, и рецидив заболевания, при этом частота этих осложнений может меняться по мере совершенствования протоколов лечения. В случае достижения второй ремиссии (CR2), возможны как химиотерапия, так и трансплантация, и многие врачи предпочитают именно трансплантацию.

Прогноз

В исследованиях, проведенных в эпоху ингибиторов тирозинкиназы, пятилетняя выживаемость при остром лимфобластном лейкозе (ALL) с положительным показателем BCR-ABL колеблется от 50% до 75%.