Рак в эпигенетических исследованиях
Существует тонкое равновесие между самообновлением и дифференцировкой. Неопластическая трансформация (называемая также туморогенезом ) рассматривается как процесс, посредством которого клетки претерпевают изменения, включающие бесконтрольную клеточную пролиферацию, утрату checkpoint-контроля, делающую возможными накопление хромосомных аберраций и геномную анеуплоидию, и неправильно регулируемую дифференцировку ( Lengauer et al., 1998 ). Обычно полагают, что эти изменения вызываются по крайней мере одним генетическим повреждением - точечной мутацией, делецией или транслокацией, разрушающими либо ген-супрессор опухоли, либо онкоген ( Hanahan and Weinberg, 2000 ). В опухолевых клетках гены, супрессирующие опухоль, становятся "молчащими". Онкогены активируются посредством доминантных мутаций или сверхэкспрессии нормального гена (протоонкогена). Важно, что с опухолевыми клетками связано также накопление аберрантных эпигенетических модификаций (глава " Эпигенетические детерминанты при раковых заболеваниях "). Эти эпигенетические изменения включают измененные паттерны метилирования ДНК, модификации гистонов и структуру хроматина ( рис. 3.19 ). Таким образом, неопластическая трансформация - это сложный, многоэтапный процесс, включающий случайную активацию онкогенов и (или) сайленсинг генов-супрессоров опухоли и осуществляемый посредством генетических или эпигенетических событий. Все это называют " двухударной теорией Кнудсона " ( Feinberg, 2004 ; Feinberg and Tyko, 2004 ). Проиллюстрируем это следующим образом. Сайленсинг гена ретинобластомы (Rb) - гена-супрессора опухоли - вызывает утрату checkpoint-контроля, что не только обеспечивает пролиферативное преимущество, но и стимулирует "второй удар", влияя на функции "ниже по течению", связанные со структурой хроматина, поддерживающие целостность генома ( Gonzalo and Blasco, 2005 ). Сходный эффект может давать несвоевременная активация онкогенного продукта, такого как ген myc , ( Knoepfler et al., 2006 ).
Один из вопросов, порождаемых современными исследованиями, заключается в следующем: до какой степени аберрантные эпигенетические изменения способствуют возникновению опухоли и определяют ее общее поведение? Этот вопрос был исследован в опытах по пересадке ядер с использованием клеток меланомы в качестве донора ядер ( Hochedlinger et al., 2004 ). Любые генетические повреждения донорской клетки сохраняются; однако NT стирает эпигенетический "грим". Затем исследовали возникновение опухолей у клонированных зародышей мышей; выяснилось, что спектр опухолей, возникших de novo, сильно варьировал в соответствии с различным вкладом эпигенетических модификаций в разных тканях, в которых включалась неопластическая прогрессия.
Гипометилирование ДНК (в противоположность гиперметилированию) может происходить в отдельных локусах или на протяженных участках хромосомы (гипометилирование ДНК было, по сути, первым типом эпигенетического перехода, который удалось связать с раком; Feinberg and Vogelstein, 1983 ). Оно оказалось широко распространенным фенотипом раковых клеток. На уровне индивидуальных генов гипометилирование ДНК может быть неопластическим благодаря активации протоонкогенов, дерепрессии генов, вызывающих аберрантные функции клеток, или биаллельной экспрессии импринтированных генов (что также называется утратой импринтинга, или LOI - loss of imprinting) (главы " Эпигенетика и болезни человека " и " Эпигенетические детерминанты при раковых заболеваниях "). В более глобальных масштабах, масштабах всего генома обширное гипометилирование ДНК, особенно в участках конститутивного гетерохроматина , обусловливает предрасположение клеток к хромосомным транслокациям и анеуплоидии , способствующим раковой прогрессии. Этот эффект рекапитулируется у мутантов по Dnmt1 ( Chen et al., 1998 ). Геномная нестабильность, возникающая в условиях гипометилирования ДНК, обусловлена, вероятно, мутагенным эффектом реактивации транспозонов. Когда обратили внимание на существенную роль репрессивных модификаций гистонов в поддержании гетерохроматина в центромерах и теломерах , появились данные о том, что если эти метки утрачиваются, возникает также нестабильность генома, вносящая свой вклад в раковую прогрессию ( Gonzalo and Blasco, 2005 ).
Напротив, гиперметилирование ДНК при многих раковых заболеваниях сконцентрировано в промоторных участках CpG-островков . Сайленсинг генов-супрессоров опухолей посредством такого аберрантного гиперметилирования ДНК имеет особо важное значение в раковой прогрессии. Проведенные исследования показали, что имеет место существенное взаимовлияние [cross-talk] между модификациями хроматина и метилированием ДНК, показывающее, что в сайленсинг гена-супрессора опухоли может быть вовлечен не один эпигенетический механизм. Приведем пример: известно, что гены-супрессоры опухолей, р16 и hMLH1 , сайленсируются при раке как метилированием ДНК, так и репрессивным метилированием лизинов гистона ( МсGarvey et al., 2006 ).
Предполагается, что при многих формах рака имеет место дерегуляция модификаторов хроматина. Некоторые энзимы, модифицирующие гистоны, - например, белок EZH2 группы PcG и белок MLL группы trxG - становятся онкогенными и действуют, нарушая эпигенетическую идентичность клетки, вследствие чего возникает либо транскрипционный сайленсинг, либо активация "несоответствующих", "не тех" генов ( Schneider et al., 2002 ; Valk-Lingbeek et al., 2004 ). Ясно, что эпигенетическая идентичность является ключевым фактором для клеточной функции. Действительно, рисунок глобальных ацетильных и метильных меток гистонов оказывается признаком, имеющим важное значение для прогрессии некоторых раковых заболеваний, как показывают исследования прогрессии опухоли простаты ( Seligson et al., 2005 ).
Разработка мишеней для лекарственных агентов с целью подавления функции эффекторных энзимов, модифицирующих хроматин, открыла новые горизонты для лечения рака ( рис. 3.19 ). Использование ингибиторов DNMT и HDAC находится на наиболее продвинутой стадии клинических испытаний этого нового поколения противораковых терапевтических средств. Двумя такими ингибиторами являются, соответственно, Зебуларин и SAHA . Они особенно эффективны по отношению к раковым клетам, у которых имеются репрессированные гены-супрессоры опухолей ( J.C. Cheng et al., 2004 ; Garcia-Manero and Issa, 2005 ; Marks and Jiang, 2005 ), потому что воздействие ими приводит к стимуляции транскрипции. Основная доля репрессивного метилирования лизинов гистонов утрачивается в ходе воздействия, скорее всего благодаря сочетанному с транскрипцией обмену гистонов и замещению нуклеосом; однако эти ингибиторы не изменяют сколько-нибудь существенно НЗК9mеЗ в промоторных участках, являющихся мишенями ( McGarvey et al., 2006 ). Остается выяснить, могут ли сохраняющиеся репрессивные метки индуцировать последующий ресайленсинг генов-супрессоров опухоли, когда воздействие временно прерывается, противодействуя тем самым пользе "эпигенетической терапии". Возможно, что стратегия двойной эпигенетической терапии, использующая ингибиторы DNMT и HDAC, может обеспечить более благоприятный прогноз в клинических испытаниях.
Идентификация ингибиторов для других классов модификаторов гистонов, а именно HKMTs и PRMTs , находится в настоящее время на стадии разработки. В геноме млекопитающих имеются приблизительно 50 одних только HKMTs с доменом SET . Большинство хорошо охарактеризованных энзимов, таких как SUV39H , EZH2 , MLL и RIZ , уже связывали с развитием опухолей ( Schneider et al., 2002 ). Так, используются методы высокопроизводительного скрининга (HTS) в надежде идентифицировать низкомолекулярные ингибиторы, которые можно было бы использовать в исследовательской работе и, в конечном счете, в противораковой терапии. Для такого подхода годятся все классы энзимов, модифицирующих гистоны, поскольку их специфические сайты связывания с субстратом (т.е. гистоновыми пептидами), в противоположность сайтам связывания общего кофактора (например, CoA и SAM ), позволяют разрабатывать лекарственные препараты более селективного действия. HTS оказался успешным в случае HDACs ( Su et al., 2000 ), PRMTs ( D. Cheng et al., 2004 ) и HKMTs ( Greiner et al., 2005 ).
Для того чтобы произошел переход знаний из фундаментальных исследований в прикладные, требуются как основанные на гипотезах, так и эмпирические подходы, чтобы окончательно определить эффективность и полезность какого-нибудь ингибитора энзима, модифицирующего гистоны. Например, селективные ингибиторы НКМТ против MLL или EZH2 могут быть ценными терапевтическими агентами против лейкемии или рака простаты. В качестве альтернативы использование НКМТ-ингибитора SUV39H (что интуитивно кажется неправильным из-за потребности в этом энзиме для поддержания конститутивного гетерохроматина и стабильности генома) могло бы все же избирательно сенсибилизировать опухолевые клетки. Кроме того, анализ HDAC-ингибитора SAHA показал, что он может действовать через дополнительные пути, не связанные с реактивацией транскрипции ( Marks and Jiang, 2005 ). Например, HDAC-ингибиторы могут также сенсибилизировать повреждения хроматина, подавляя эффективную репарацию ДНК и делая возможным возникновение геномной нестабильности, которая может включить апоптоз в опухолевых клетках. Эти наблюдения необходимо будет проконтролировать при оценке эффективности двойной комбинационной терапии. Однако, судя по результатам, имеющимся на сегодняшний день, можно себе представить, что комбинационная терапия с использованием HDAC- и НКМТ-ингибиторов может быть более избирательной в уничтожении пронеопластических клеток, переводя их в состояние информационной избыточности и катастрофы с хроматином. Можно надеяться, что продолжение исследований позволит идентифицировать жизнеспособные кандидатуры для эффективной эпигенетической противораковой терапии.
