Опухолевый супрессор ген, или анти-онкоген, является геном, который регулирует клетку во время клеточного деления и репликации. Если клетка бесконтрольно растет, это приведет к раку. Мутация гена-супрессора опухоли приводит к потере или снижению его функции. В сочетании с другими генетическими мутациями это может привести к аномальному росту клетки. Потеря функции этих генов может быть еще более значительной в развитии злокачественных опухолей человека, по сравнению с активацией онкогенов.
Гены-супрессоры опухолей (TSG) можно сгруппировать в следующие категории: гены-смотрители, гены- привратники и, в последнее время, гены ландшафтных дизайнеров. Гены-хранители обеспечивают стабильность генома за счет репарации ДНК и впоследствии при мутации позволяют мутациям накапливаться. Между тем, гены-привратники напрямую регулируют рост клеток, либо ингибируя развитие клеточного цикла, либо вызывая апоптоз. Наконец, гены ландшафтного дизайна регулируют рост, внося свой вклад в окружающую среду, когда мутации могут создавать среду, которая способствует нерегулируемому размножению. Схемы классификации развиваются по мере достижения медицинских достижений в таких областях, как молекулярная биология, генетика и эпигенетика.
Открытие онкогенов и их способность нарушать регуляцию клеточных процессов, связанных с пролиферацией и развитием клеток, впервые появилось в литературе в отличие от идеи генов-супрессоров опухолей. Однако идея генетической мутации, ведущей к увеличению роста опухоли, уступила место другой возможной генетической идее о генах, играющих роль в уменьшении клеточного роста и развития клеток. Эта идея не получила подтверждения до тех пор, пока Генри Харрис не провел эксперименты с гибридизацией соматических клеток в 1969 году.
В экспериментах доктора Харриса опухолевые клетки были слиты с нормальными соматическими клетками, чтобы получить гибридные клетки. Каждая клетка имела хромосомы от обоих родителей, и при росте большинство этих гибридных клеток не обладали способностью к развитию опухолей у животных. Подавление онкогенности в этих гибридных клетках побудило исследователей выдвинуть гипотезу о том, что гены в нормальной соматической клетке обладают ингибирующим действием, останавливая рост опухоли. Эта первоначальная гипотеза в конечном итоге привела к открытию Альфредом Кнудсоном первого классического гена-супрессора опухоли, известного как ген Rb, который кодирует белок-супрессор опухоли ретинобластомы.
Альфред Кнудсон, педиатр и генетик рака, предположил, что для развития ретинобластомы необходимы две аллельные мутации, чтобы потерять функциональные копии обоих генов Rb, что приведет к онкогенности. Knudson заметил, что ретинобластома часто развивается в раннем возрасте у более молодых пациентов на обоих глазах, в то время как в некоторых более редких случаях ретинобластома развивается позже и только односторонняя. Этот уникальный паттерн развития позволил Кнудсону и нескольким другим научным группам в 1971 году правильно предположить, что раннее развитие ретинобластомы было вызвано наследованием одной мутации потери функции гена зародышевой линии RB с последующей мутацией de novo его функционального Rb. генный аллель. Было выдвинуто предположение, что более спорадическое возникновение одностороннего развития ретинобластомы происходит намного позже в жизни из-за двух мутаций de novo, которые были необходимы для полной потери опухолевых супрессорных свойств. Это открытие легло в основу гипотезы о двух ударах. Чтобы проверить, что потеря функции генов-супрессоров опухолей вызывает повышенную онкогенность, были проведены эксперименты по интерстициальной делеции на хромосоме 13q14 для наблюдения эффекта удаления локусов для гена Rb. Эта делеция вызвала усиленный рост опухоли в ретинобластоме, предполагая, что потеря или инактивация гена-супрессора опухоли может увеличить онкогенность.
В отличие от онкогенов, гены-супрессоры опухолей обычно следуют гипотезе двух совпадений, которая гласит, что оба аллеля, кодирующие конкретный белок, должны быть затронуты, прежде чем эффект проявится. Если поврежден только один аллель гена, другой все еще может производить достаточное количество правильного белка для сохранения соответствующей функции. Другими словами, мутантные аллели-супрессоры опухолей обычно рецессивны, тогда как мутантные аллели онкогенов обычно являются доминантными.
Модели подавления опухоли Иллюстрация гипотезы двух ударовПредложено А.Г. Кнудсоном для случаев ретинобластомы. Он заметил, что 40% случаев заболевания в США были вызваны мутацией в зародышевой линии. Однако у пораженных родителей могли быть дети без заболевания, а здоровые дети стали родителями детей с ретинобластомой. Это указывает на то, что можно унаследовать мутировавшую зародышевую линию, но не проявить болезнь. Кнудсон заметил, что возраст начала ретинобластомы следует кинетике 2-го порядка, подразумевая, что необходимы два независимых генетических события. Он признал, что это соответствует рецессивной мутации с участием одного гена, но требует биаллельной мутации. Наследственные случаи включают наследственную мутацию и единственную мутацию в нормальном аллеле. Ненаследственная ретинобластома включает две мутации, по одной на каждый аллель. Кнудсон также отметил, что в наследственных случаях часто развиваются двусторонние опухоли, и они будут развиваться раньше в жизни, по сравнению с ненаследственными случаями, когда люди были поражены только одной опухолью.
Существуют исключения из правила двух ударов для супрессоров опухолей, такие как определенные мутации в продукте гена p53. Мутации p53 могут действовать как доминантно-отрицательные, что означает, что мутировавший белок p53 может препятствовать функционированию природного белка, продуцируемого немутантным аллелем. Другие гены-супрессоры опухолей, которые не подчиняются правилу двух ударов, - это те, которые проявляют гаплонедостаточность, включая PTCH в медуллобластоме и NF1 в нейрофиброме. Другим примером является p27, ингибитор клеточного цикла, который при мутации одного аллеля вызывает повышенную восприимчивость к канцерогенам.
Эти белки, кодируемые с помощью большинства генов - супрессоров опухолей ингибируют пролиферацию клеток или выживание. Таким образом, инактивация генов-супрессоров опухолей приводит к развитию опухоли за счет устранения негативных регуляторных белков. В большинстве случаев белки-супрессоры опухолей подавляют те же пути клеточной регуляции, которые стимулируются продуктами онкогенов. Хотя гены-супрессоры опухолей выполняют одну и ту же основную функцию, у них есть различные механизмы действия, которые выполняют их транскрибируемые продукты, которые включают следующее:
Ученые Shahjehan A. Wajed et al. заявляют, что экспрессия генов, в том числе опухолевых супрессоров, может быть изменена посредством биохимических изменений, известных как метилирование ДНК. Метилирование является примером эпигенетических модификаций, которые обычно регулируют экспрессию генов млекопитающих. Добавление метильной группы к гистоновым хвостам или непосредственно к ДНК заставляет нуклеосомы плотно упаковываться вместе, ограничивая транскрипцию любых генов в этой области. Этот процесс не только способен подавлять экспрессию генов, но также может увеличивать вероятность мутаций. Стивен Бэйлин заметил, что если промоторные области испытывают явление, известное как гиперметилирование, это может привести к более поздним ошибкам транскрипции, подавлению гена-супрессора опухоли, неправильной укладке белков и, в конечном итоге, к росту рака. Baylin et al. обнаружены ингибиторы метилирования, известные как азацитидин и децитабин. Эти соединения могут фактически помочь предотвратить рост рака, индуцируя повторную экспрессию ранее заглушенных генов, останавливая клеточный цикл опухолевой клетки и вынуждая ее к апоптозу.
В настоящее время проводятся дополнительные клинические испытания, касающиеся лечения гиперметилирования, а также альтернативных методов подавления опухоли, которые включают предотвращение гиперплазии тканей, развития опухолей или метастатического распространения опухолей. Команда, работающая с Ваджедом, исследовала метилирование опухолевой ткани, чтобы в один прекрасный день определить варианты раннего лечения для модификации гена, которая может заставить замолчать ген-супрессор опухоли. Помимо метилирования ДНК, другие эпигенетические модификации, такие как деацетилирование гистонов или связывающие хроматин белки, могут препятствовать эффективной транскрипции ДНК-полимеразой желаемых последовательностей, например, содержащих гены-супрессоры опухоли.
Генная терапия используется для восстановления функции мутировавшего или удаленного типа гена. Когда гены-супрессоры опухолей изменяются таким образом, что их экспрессия снижается или отсутствует, у хозяина могут возникнуть несколько серьезных проблем. Вот почему гены-супрессоры опухолей обычно изучаются и используются для генной терапии. Два основных подхода, используемых в настоящее время для введения генетического материала в клетки, - это вирусные и невирусные способы доставки.
Вирусный метод передачи генетического материала использует мощь вирусов. При использовании вирусов, устойчивых к изменениям генетического материала, вирусные методы генной терапии генов-супрессоров опухолей оказались успешными. В этом методе используются векторы от вирусов. Два наиболее часто используемых вектора - это аденовирусные векторы и аденоассоциированные векторы. Генетические манипуляции с этими типами векторов in vitro просты, а применение in vivo относительно безопасно по сравнению с другими векторами. Перед тем как векторы вставлены в опухоли хозяина, они получают, имеющие части их генома, что контроль репликации либо мутированные или удалены. Это делает их более безопасными для установки. Затем желаемый генетический материал вставляется и лигируется с вектором. В случае с генами-супрессорами опухоли успешно использовался генетический материал, кодирующий р53, который после применения показал снижение роста или пролиферации опухоли.
Невирусный метод передачи генетического материала используется реже, чем вирусный. Однако невирусный метод является более экономичным, более безопасным и доступным методом доставки генов, не говоря уже о том, что невирусные методы, как было показано, вызывают меньше иммунных ответов хозяина и не имеют ограничений по размеру или длине передаваемого генетического материала.. Невирусная генная терапия использует химические или физические методы для введения генетического материала в желаемые клетки. Химические методы используются в основном для введения гена-супрессора опухоли и делятся на две категории: голые плазмиды или плазмиды, покрытые липосомами. Стратегия «голой плазмиды» вызвала интерес из-за ее простых в использовании методов. Прямая инъекция в мышцы позволяет плазмиде попасть в клетку возможных опухолей, где генетический материал плазмиды может быть включен в генетический материал опухолевых клеток и восстановить любое предыдущее повреждение, нанесенное генам-супрессорам опухоли. Метод плазмид, покрытых липосомами, в последнее время также представляет интерес, поскольку они вызывают относительно низкий иммунный ответ хозяина и эффективны при нацеливании на клетки. Положительно заряженная капсула, в которой упакован генетический материал, способствует электростатическому притяжению к отрицательно заряженным мембранам клеток, а также к отрицательно заряженной ДНК опухолевых клеток. Таким образом, невирусные методы генной терапии очень эффективны в восстановлении функции гена-супрессора опухоли опухолевым клеткам, которые частично или полностью утратили эту функцию.
Вышеупомянутые методы лечения вирусными и невирусными генами широко используются, но каждый из них имеет некоторые ограничения, которые необходимо учитывать. Наиболее важным ограничением этих методов является эффективность, с которой аденовирусные и аденоассоциированные векторы, голые плазмиды или плазмиды, покрытые липосомами, захватываются опухолевыми клетками хозяина. Если надлежащее поглощение опухолевыми клетками хозяина не достигается, повторная вставка создает проблемы, такие как распознавание иммунной системой хозяина этих векторов или плазмид и их разрушение, что дополнительно снижает общую эффективность лечения генной терапией.
Ген | Исходная функция | Два удара? | Ассоциированные карциномы |
---|---|---|---|
Руб. | Репликация ДНК, деление клеток и смерть | да | Ретинобластома |
p53 | Апоптоз | Нет | Половина всех известных злокачественных новообразований |
ВХЛ | Деление клеток, смерть и дифференциация | да | Рак почки |
БТР | Повреждение ДНК, деление клеток, миграция, адгезия, смерть | да | Колоректальный рак |
BRCA2 | Деление и смерть клеток, а также восстановление разрывов двухцепочечной ДНК | да | Рак груди / яичников |
NF1 | Дифференциация, деление, развитие клеток, передача сигнала RAS | Нет | Опухоли нервов, нейробластома |
ПТЧ | Ежик сигнализация | Нет | Медуллобластома, базально-клеточная карцинома |
Поскольку стоимость секвенирования ДНК продолжает снижаться, можно секвенировать больше видов рака. Это позволяет открывать новые супрессоры опухолей и может дать представление о том, как лечить и лечить различные виды рака в будущем. Другие примеры опухолевых супрессоров включают pVHL, APC, CD95, ST5, YPEL3, ST7 и ST14, p16, BRCA2.