Ген -супрессор опухолей ( TSG ) или антионкоген — это ген , который регулирует клетку во время деления и репликации. [1] Если клетка растет неконтролируемо, это приведет к раку . Когда ген-супрессор опухолей мутирует, это 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 значимой в развитии рака у человека по сравнению с активацией онкогенов . [2]
TSG можно сгруппировать в следующие категории: гены-хранители , гены-привратники и, в последнее время, гены-ландшафтники. Гены-хранители обеспечивают стабильность генома посредством репарации ДНК и впоследствии при мутации позволяют мутациям накапливаться. [3] Между тем, гены-привратники напрямую регулируют рост клеток, либо ингибируя прогрессирование клеточного цикла, либо вызывая апоптоз . [3] Наконец, гены-привратники регулируют рост, внося вклад в окружающую среду, и при мутации могут вызывать среду, которая способствует нерегулируемой пролиферации. [4] Схемы классификации развиваются по мере того, как медицинские достижения достигаются в таких областях, как молекулярная биология , генетика и эпигенетика .
Открытие онкогенов и их способности дерегуляции клеточных процессов, связанных с пролиферацией и развитием клеток, впервые появилось в литературе в противовес идее генов-супрессоров опухолей. [5] Однако идея генетической мутации, приводящей к усилению роста опухолей, уступила место другой возможной генетической идее о генах, играющих роль в снижении клеточного роста и развития клеток. Эта идея не была укреплена до тех пор, пока Генри Харрис не провел эксперименты с гибридизацией соматических клеток в 1969 году. [6]
В экспериментах Харриса опухолевые клетки были слиты с нормальными соматическими клетками для создания гибридных клеток. Каждая клетка имела хромосомы от обоих родителей, и при росте большинство этих гибридных клеток не обладало способностью развивать опухоли у животных. [6] Подавление опухолеобразования в этих гибридных клетках побудило исследователей выдвинуть гипотезу о том, что гены в нормальной соматической клетке оказывают ингибирующее действие, останавливая рост опухоли. [6] Эта первоначальная гипотеза в конечном итоге привела к открытию первого классического гена-супрессора опухолей Альфредом Кнудсоном , известного как ген Rb, который кодирует белок-супрессор опухолей ретинобластомы . [5]
Альфред Кнудсон , педиатр и генетик рака, предположил, что для развития ретинобластомы необходимы две аллельные мутации , чтобы потерять функциональные копии обоих генов Rb и привести к опухолеобразованию . [6] Кнудсон заметил, что ретинобластома часто развивалась в раннем возрасте у молодых пациентов в обоих глазах, в то время как в некоторых более редких случаях ретинобластома развивалась позже и была только односторонней. [5] Эта уникальная модель развития позволила Кнудсону и нескольким другим научным группам в 1971 году выдвинуть правильную гипотезу о том, что раннее развитие ретинобластомы было вызвано наследованием одной мутации потери функции в гене зародышевой линии RB , за которой последовала более поздняя мутация de novo в его функциональном аллеле гена Rb . Было высказано предположение, что более спорадическое возникновение одностороннего развития ретинобластомы развивалось гораздо позже в жизни из-за двух мутаций de novo , которые были необходимы для полной потери свойств супрессора опухоли. [5] Это открытие легло в основу гипотезы двух ударов. Чтобы проверить, что потеря функции генов-супрессоров опухолей приводит к повышению туморогенности , были проведены эксперименты по интерстициальной делеции на хромосоме 13q14 для наблюдения за эффектом удаления локусов гена Rb. Эта делеция вызвала усиление роста опухоли при ретинобластоме, что позволяет предположить, что потеря или инактивация гена-супрессора опухолей может повысить туморогенность . [6]
В отличие от онкогенов , гены-супрессоры опухолей обычно следуют гипотезе двух ударов , которая гласит, что оба аллеля, которые кодируют определенный белок, должны быть затронуты, прежде чем проявится эффект. [7] Если поврежден только один аллель гена, другой все еще может производить достаточно правильного белка, чтобы сохранить соответствующую функцию. Другими словами, мутантные аллели супрессоров опухолей обычно рецессивны , тогда как мутантные аллели онкогенов обычно доминантны .
Предложено AG Knudson для случаев ретинобластомы. [7] Он заметил, что 40% случаев в США были вызваны мутацией в зародышевой линии. Однако затронутые родители могли иметь детей без заболевания, но здоровые дети стали родителями детей с ретинобластомой. [8] Это указывает на то, что можно унаследовать мутировавшую зародышевую линию, но не проявить заболевание. Knudson заметил, что возраст начала ретинобластомы следовал кинетике 2-го порядка , подразумевая, что необходимы два независимых генетических события. Он признал, что это согласуется с рецессивной мутацией, вовлекающей один ген, но требующей биаллельной мутации. Наследственные случаи включают наследственную мутацию и одну мутацию в нормальном аллеле. [8] Ненаследственная ретинобластома включает две мутации, по одной на каждом аллеле. [8] Кнудсон также отметил, что в случаях наследственности опухоли часто развиваются двусторонними и возникают в более раннем возрасте, по сравнению с ненаследственными случаями, когда у людей развивается только одна опухоль. [8]
Существуют исключения из правила двух ударов для супрессоров опухолей, такие как определенные мутации в продукте гена p53 . Мутации p53 могут функционировать как доминантно-негативный , что означает, что мутировавший белок p53 может предотвратить функцию естественного белка, произведенного из немутировавшего аллеля. [9] Другие гены-супрессоры опухолей, которые не следуют правилу двух ударов, это те, которые демонстрируют 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. [10]
Белки , кодируемые большинством генов-супрессоров опухолей, подавляют пролиферацию или выживание клеток. Инактивация генов-супрессоров опухолей, таким образом, приводит к развитию опухоли за счет устранения негативных регуляторных белков . В большинстве случаев белки-супрессоры опухолей подавляют те же самые пути регуляции клеток, которые стимулируются продуктами онкогенов . [11] Хотя гены-супрессоры опухолей имеют одну и ту же основную функцию, у них есть различные механизмы действия, которые выполняют их транскрибированные продукты, которые включают следующее: [12]
Экспрессия генов, включая опухолевые супрессоры, может быть изменена посредством биохимических изменений, известных как метилирование ДНК . [22] Метилирование является примером эпигенетических модификаций, которые обычно регулируют экспрессию в генах млекопитающих. Добавление метильной группы либо к хвостам гистонов , либо непосредственно к ДНК заставляет нуклеосому плотно упаковываться, ограничивая транскрипцию любых генов в этой области. Этот процесс не только обладает способностью подавлять экспрессию генов, но и может увеличивать вероятность мутаций. Стивен Бейлин заметил, что если области промотора испытывают явление, известное как гиперметилирование, это может привести к более поздним ошибкам транскрипции, подавлению гена-супрессора опухоли, неправильному сворачиванию белка и, в конечном итоге, росту рака. Бейлин и др. обнаружили ингибиторы метилирования, известные как азацитидин и децитабин . Эти соединения могут фактически помочь предотвратить рост рака, вызывая повторную экспрессию ранее подавленных генов, останавливая клеточный цикл опухолевой клетки и заставляя ее перейти в апоптоз. [23]
В настоящее время проводятся дополнительные клинические испытания, касающиеся методов лечения гиперметилирования, а также альтернативных методов подавления опухолей, которые включают профилактику гиперплазии тканей, развития опухолей или метастатического распространения опухолей. [24] Команда, работающая с Ваджедом, исследовала метилирование опухолевой ткани, чтобы в один прекрасный день определить ранние варианты лечения с помощью генной модификации, которая может подавить ген-супрессор опухоли. [25] Помимо метилирования ДНК, другие эпигенетические модификации, такие как деацетилирование гистонов или связывающие хроматин белки, могут помешать ДНК-полимеразе эффективно транскрибировать желаемые последовательности, например, содержащие гены-супрессоры опухоли.
Генная терапия используется для восстановления функции мутировавшего или удаленного типа гена. Когда гены-супрессоры опухолей изменяются таким образом, что приводят к снижению или отсутствию экспрессии , у хозяина может 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 методы доставки. [25]
Вирусный метод переноса генетического материала использует силу вирусов . [25] Используя вирусы, устойчивые к изменениям генетического материала, вирусные методы генной терапии для генов-супрессоров опухолей оказались успешными. [26] В этом методе используются векторы из вирусов. Два наиболее часто используемых вектора - это аденовирусные векторы и аденоассоциированные векторы. Генетическая манипуляция этими типами векторов in vitro проста, а применение in vivo относительно безопасно по сравнению с другими векторами. [25] [27] Перед тем, как векторы будут вставлены в опухоли хозяина, их готовят, мутируя или удаляя части их генома, которые контролируют репликацию . Это делает их более безопасными для вставки . Затем желаемый генетический материал вставляется и лигируется в вектор. [26] В случае с генами-супрессорами опухолей успешно использовался генетический материал, кодирующий p53 , который после применения показал снижение роста или пролиферации опухоли . [27] [28]
Невирусный метод переноса генетического материала используется реже, чем вирусный метод. [25] [27] Однако невирусный метод является более экономически эффективным, безопасным и доступным методом доставки генов, не говоря уже о том, что невирусные методы, как было показано, вызывают меньше иммунных реакций хозяина и не имеют ограничений по размеру или длине переносимого генетического материала. [25] Невирусная генная терапия использует либо химические, либо физические методы для введения генетического материала в желаемые клетки . [25] [27] Химические методы используются в основном для введения генов-супрессоров опухолей и делятся на две категории: голые плазмиды или плазмиды, покрытые липосомами . [27] Стратегия голых плазмид привлекла интерес из-за ее простых в использовании методов. [25] Прямая инъекция в мышцы позволяет вводить плазмиду в клетку возможных опухолей, где генетический материал плазмиды может быть включен в генетический материал опухолевых клеток и устранить любой предыдущий ущерб, нанесенный генам-супрессорам опухолей. [25] [27] Метод плазмид, покрытых липосомами, в последнее время также представляет интерес, поскольку он вызывает относительно низкий иммунный ответ хозяина и эффективен при клеточном нацеливании. [27] Положительно заряженная капсула , в которую упакован генетический материал, способствует электростатическому притяжению к отрицательно заряженным мембранам клеток, а также к отрицательно заряженной ДНК опухолевых клеток. [25] [27] Таким образом, невирусные методы генной терапии являются высокоэффективными в восстановлении функции гена-супрессора опухоли в опухолевых клетках, которые частично или полностью утратили эту функцию.
Вирусные и невирусные генные терапии, упомянутые выше, широко используются, но у каждой есть некоторые ограничения, которые необходимо учитывать. Самым важным ограничением этих методов является эффективность, с которой аденовирусные и аденоассоциированные векторы, голые плазмиды или покрытые липосомами плазмиды поглощаются 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 уничтожение, что еще больше ухудшает общую эффективность лечения генной терапией. [28]
[25]
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 излечивать различные виды рака в будущем. Другие примеры супрессоров опухолей включают pVHL , APC , CD95 , ST5 , YPEL3 , ST7 и ST14 , p16 , BRCA2 . [34]