Введение
Ген, подавляющий экспрессию опухолевого фенотипа.
Ген-супрессор опухоли (ГСО) или антионкоген – это ген, который регулирует клетку во время деления и репликации. Если клетка растет неконтролируемо, это приводит к раку. Когда ген-супрессор опухоли мутирует, это приводит к потере или снижению его функции. В сочетании с другими генетическими мутациями это может позволить клетке аномально расти. Потеря функции этих генов может быть даже более значимой в развитии рака человека, чем активация онкогенов. ГСО можно классифицировать на следующие категории: гены-хранители генома, гены-контролеры и, относительно недавно, гены-ландшафтные архитекторы. Гены-хранители генома обеспечивают стабильность генома посредством репарации ДНК, а при мутациях позволяют накапливаться мутациям. Гены-контролеры, в свою очередь, напрямую регулируют рост клеток, либо ингибируя прогрессирование клеточного цикла, либо индуцируя апоптоз. Схемы классификации постоянно развиваются по мере достижений в медицине, особенно в областях молекулярной биологии, генетики и эпигенетики.
История
Открытие онкогенов и их способности нарушать регуляцию клеточных процессов, связанных с пролиферацией и развитием клеток, впервые появилось в литературе в противовес идее о генах-супрессорах опухолей. Однако идея о генетической мутации, приводящей к увеличению роста опухоли, уступила место другой возможной генетической концепции о роли генов в снижении клеточного роста и развития клеток. Эта идея не получила подтверждения до экспериментов Генри Харриса по гибридизации соматических клеток, проведенных в 1969 году. В экспериментах Харриса опухолевые клетки сливались с нормальными соматическими клетками для создания гибридных клеток. Каждая клетка содержала хромосомы от обоих родителей, и при культивировании большинство этих гибридных клеток не проявляли способности образовывать опухоли у животных. Он отметил, что 40% случаев в США были вызваны мутацией в зародышевой линии. Однако пораженные родители могли иметь здоровых детей, но здоровые дети могли родить детей с ретинобластомой. Это указывает на то, что можно унаследовать мутировавшую зародышевую линию, но не проявлять заболевание. Кнудсон заметил, что возраст начала ретинобластомы соответствует кинетике второго порядка, что подразумевает необходимость двух независимых генетических событий. Он пришел к выводу, что это согласуется с рецессивной мутацией в одном гене, требующей биаллельной мутации. Наследственные случаи включают унаследованную мутацию и одну мутацию в нормальном аллеле. Другие гены-супрессоры опухолей, не подчиняющиеся правилу двух ударов, проявляют гаплоинсуффициенцию, например PTCH при медуллобластоме и NF1 при нейрофиброматозе. Другой пример – p27, ингибитор клеточного цикла, мутация одного аллеля которого приводит к повышенной восприимчивости к канцерогенам.
Функции
Белки, кодируемые большинством генов-супрессоров опухолей, ингибируют пролиферацию или выживание клеток. Инактивация генов-супрессоров опухолей, следовательно, приводит к развитию опухоли путем устранения отрицательно регулирующих белков. В большинстве случаев белки-супрессоры опухолей ингибируют те же пути регуляции клеток, которые стимулируются продуктами онкогенов. Несмотря на то, что гены-супрессоры опухолей выполняют одну и ту же основную функцию, они обладают различными механизмами действия, реализуемыми их транскрибированными продуктами, включая следующие:
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).
Внутриклеточные белки, контролирующие экспрессию генов на определенной стадии клеточного цикла. Если эти гены не экспрессируются, клеточный цикл останавливается, эффективно ингибируя деление клеток (например, pRB и p16).
Рецепторы или трансдукторы сигналов секретируемых гормонов или сигналов развития, ингибирующие пролиферацию клеток (например, трансформирующий фактор роста (TGF) β и аденоматозный полипоз толстой кишки (APC)).
Контрольные белки контрольных точек, запускающие остановку клеточного цикла в ответ на повреждение ДНК или хромосомные дефекты (например, белок предрасположенности к раку молочной железы 1 типа (BRCA1), p16 и p14).
Белки, индуцирующие апоптоз. Если повреждение не может быть восстановлено, клетка инициирует запрограммированную клеточную гибель, чтобы устранить угрозу для организма в целом (например, p53).
Клеточная адгезия. Некоторые белки, участвующие в клеточной адгезии, предотвращают распространение опухолевых клеток, блокируют потерю ингибирования контакта и ингибируют метастазирование. Эти белки известны как супрессоры метастазирования (например, CADM1).
Белки, участвующие в исправлении ошибок в ДНК. Гены-хранители кодируют белки, функционирующие в восстановлении мутаций в геноме, предотвращая репликацию клеток с мутациями. Кроме того, повышенная частота мутаций из-за снижения репарации ДНК приводит к увеличению инактивации других супрессоров опухолей и активации онкогенов (например, p53 и белок 2 (MSH2) репарации неспаренных оснований ДНК).
Некоторые гены также могут действовать как супрессоры опухолей и онкогены. Эти гены, названные протоонкогенами с функцией супрессора опухолей, действуют как "двойные агенты", которые как положительно, так и отрицательно регулируют транскрипцию (например, рецепторы NOTCH, TP53 и FAS).
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).
Эпигенетические влияния
Экспрессия генов, включая гены-супрессоры опухолей, может изменяться посредством биохимических изменений, известных как метилирование ДНК. Метилирование является примером эпигенетических модификаций, которые обычно регулируют экспрессию генов у млекопитающих. Добавление метильной группы к гистоновым хвостам или непосредственно к ДНК приводит к плотной упаковке нуклеосом, ограничивая транскрипцию генов в данной области. Этот процесс не только способен подавлять экспрессию генов, но и повышает вероятность мутаций. Стивен Бейлин обнаружил, что гиперметилирование промоторных областей может приводить к поздним транскрипционным ошибкам, инактивации генов-супрессоров опухолей, неправильной укладке белка и, в конечном итоге, к росту рака. Бейлин и его коллеги обнаружили ингибиторы метилирования, известные как азацитидин и децитабин. Эти соединения могут помочь предотвратить рост рака, индуцируя реэкспрессию ранее подавленных генов, останавливая клеточный цикл опухолевых клеток и вызывая апоптоз. В настоящее время проводятся дополнительные клинические испытания, посвященные лечению гиперметилирования, а также альтернативным методам подавления опухолей, включающим предотвращение гиперплазии тканей, развития опухоли или метастатического распространения опухолей. Команда, работающая с Ваджедом, исследовала метилирование новообразованных тканей с целью разработки ранних методов лечения, направленных на модификацию генов, способных инактивировать гены-супрессоры опухолей. В этом методе используются вирусные векторы. Два наиболее часто используемых вектора – аденовирусные и аденоассоциированные векторы. Генетическая манипуляция этими типами векторов in vitro проста, а их применение in vivo относительно безопасно по сравнению с другими векторами. Перед введением векторов в опухоли хозяина они подготавливаются путем мутации или удаления участков генома, контролирующих репликацию. Это повышает их безопасность при введении. Затем желаемый генетический материал вставляется и лигируется к вектору.
Невирусные методы
Невирусный метод переноса генетического материала используется реже, чем вирусный метод. Белок ретинобластомы (pRb). pRb был первым белком-супрессором опухолей, обнаруженным при человеческой ретинобластоме; однако, недавние данные также указывают на участие pRb в факторах выживания опухоли. Ген RB1 – это ген-страж, который блокирует пролиферацию клеток, регулирует деление и гибель клеток. Это предотвращает репликацию ДНК клетки при наличии повреждений. p53. TP53, ген-опекун, кодирует белок p53, который называют "хранителем генома". p53 выполняет множество различных функций в клетке, включая восстановление ДНК, индукцию апоптоза, транскрипцию и регуляцию клеточного цикла. Мутировавший p53 вовлечен во многие виды рака человека, и примерно 37% из 6,5 миллионов ежегодных диагнозов рака связаны с мутациями p53. Основная функция заключается в поддержании состава мембраны митохондрий и предотвращении высвобождения цитохрома c в цитозоль. SWI/SNF. SWI/SNF – это комплекс ремоделирования хроматина, который теряется примерно в 20% опухолей. Комплекс состоит из 10–15 субъединиц, кодируемых 20 различными генами.