CC BY
90
НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ
© МИКИТЕНКО Д.А. - 2008
КОРРЕКЦИЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ ДНК: НОВАЯ СТРАТЕГИЯ ПРОТИВООПУХОЛЕВОЙ ТЕРАПИИ
Д.А. Микитенко
(Институт экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р.Е. Кавецкого НАН Украины, г. Киев, директор — д.м.н., проф., академик НАН Украины В.Ф. Чехун)
Резюме. Злокачественные новообразования возникают вследствие как генетических, так и эпигенетических нарушений в клетках, приводящих к злокачественной трансформации и опухолевой прогрессии. Эпигенетическая конформация ДНК является одним из ведущих регуляторов генной экспрессии. Ее нарушения в опухолевых клетках обуславливают развитие генетической и фенотипической нестабильности. Автор анализирует возможности и особенности коррекции эпигенетических нарушений с точки зрения патогенетических механизмов — влияние на уровень гомоцистеина в плазме крови больного — аминокислоты, вовлеченной в регуляцию важнейших биологических процессов в клетках. Ключевые слова: эпигенетические нарушения, рак, лекарственная резистентность, гомоцистеин, противоопухолевая терапия.
Проблема злокачественных новообразований — одна из наиболее острых и актуальных проблем человечества. По данным ВОЗ только в 2000 г. выявлено около 10 млн. онкологических больных, из которых 40% умерли на протяжении года после установления диагноза. Несмотря на значительные успехи в области экспериментальной онкологии, молекулярной биологии, инновационных диагностических и лечебных технологий, до сих пор остаются не развязанными проблемы, связанные с запоздалой диагностикой, природной и приобретенной устойчивостью опухолей к традиционным противоопухолевым препаратам [6]. Поэтому значительная часть больных остаются один на один в смертельном сражении со своим заболеванием.
За последнее время онкологическая наука получила неоспоримые данные, свидетельствующие о том, что причиной рака являются не только генетические, но и эпигенетические нарушения нормальных клеток [7]. Появление собственно генетических изменений (мутаций, рекомбинаций, анэуплоидии) в неопластических клетках значительным образом связано с возможностью возникновения именно эпигенетических изменений. Последние включают в себя ремоделирование структуры хроматина, обусловленные изменением метилирования цитозинов ДНК и связанного с ним аце-тилирования гистоновых белков, а также функционированием молекул микро-РНК. Это и есть основой регуляции генной экспрессии, что и обуславливает необходимость формирования новой стратегии противоопухолевой терапии.
Эпигенетические процессы как механизм регуляции активности генов
Несмотря на распространенное утверждение, что потенциал кодирования генома содержится в пределах четырех нуклеотидов как основных его составляющих, существуют дополнительные изменения конформации ДНК, способные моделировать фенотип клетки и состоят в распределении в геноме модифицированной основы 5-матилцитозина. Такая форма сохранения информации достаточно гибкая, чтобы иметь возможность адаптации к различным типам соматических клеток, и достаточно стабильна, чтоб сохраняться в процессе митоза или мейоза. Она представляет собой и
модификацию генома, и эпигенетический процесс, поскольку при этом не нарушается целостность и последовательность нуклеотидов генома.
Метилирование ДНК — это энзиматическая модификация основы цитозина путем присоединения ме-тильной группы к углероду, расположенному в 5’-по-ложении к гуанозину в СрО-динуклеотиде, что приводит к образованию 5-метилцитозина. Функции метилирования в нормальной клетке заключаются в инактивации Х хромосомы, родительском геномном имп-ринтинге, выключении определенных аллелей генов, защите генома и его структурной целостности путем инактивации чужеродных и мобильных последовательностей ДНК, репрессии транскрипции генов. Метилирование промоторного участка генов приостанавливает транскрипцию последних и обуславливает модификацию структуры хроматина в виде его конденсации путем деацетилирования гистоновых белков [8,9].
В опухолевых клетках дефекты метилирования ДНК определятся в виде гипометилирования генома, возрастающего с увеличением степени малигнизации, а также аберрантного гиперметилирования СрО-островков в определенных сайтах генома. Наиболее вероятным следствием гипометилирования генома при канцерогенезе может быть усиление его нестабильности и повышение мутаторного потенциала клетки, что приводит к превращению проонкогенов в онкогены. При этом аберрантное гиперметилирование инактивирует гены, тормозящие клеточный рост, стимулирующие диффе-ренцировку и отвечают за репарацию нарушений ДНК, создавая благоприятный фон для возникновения и дальнейшего прогрессирования опухолей (инвазии, метастазирования, развития лекарственной резистентности). К негативным регуляторам генной экспрессии относят и молекулы РНК некодирующей последовательности длиной 18-25 нуклеотидов, имеющие название микроРНК [10]. Появление же генетических нарушений в злокачественных клетках обусловлено возможностью возникновения именно эпигенетических альтераций. Этим и обусловлен интерес к коррекции нарушений метилирования как регулятора основных клеточных процессов на генном уровне.
Следует отметить, что дисбаланс метилирования в
клетках определяется еще до появления их злокачественного фенотипа, а это дает возможность использовать маркеры метилирования ДНК с диагностической и прогностической целью как наиболее ранние и достоверные показатели.
Коррекция эпигенетических нарушений
Обратимость процесса метилирования ДНК, в отличие от генетических изменений, дает основание рассматривать его коррекцию как новую стратегию противоопухолевой терапии, что позволит повысить эффективность лечения и выживаемости больных.
На сегодняшний день существует утверждение о целесообразности изучения эффектов использования деметилирующих агентов, способных активизировать гены, экспрессия которых была заблокирована метилированием их промоторной области. Это открывает возможности модуляции и регуляции уровня метилирования ДНК и реэкспрессии некоторых ключевых генов. Проводятся клинические исследования дериватов деоксицитидина (азацитидина (5-азацитидина), деци-табина (5-аза-2’-деоксицитидина), фазарабина (1-Р^-арабинофуразонил-5-азацитозина), дигидро-5-азаци-тидини), зебуланина, противосмысловых олигодезок-синуклеотидов и ингибиторов гистоновых деацетилаз. Последние же не могут самостоятельно активизировать гиперметилированные гены и используются синергетично с деметилирующими агентами для повышения их эффективности. Однако, следует подчеркнуть, что использование деметилирующих препаратов может иметь серьезные побочные эффекты и даже вызывать экспрессию генов, связанных со злокачественной трансформацией клеток [11].
Наиболее целесообразно необходимо сосредоточиться на исследовании физиологических механизмов регуляции системы метилирования ДНК с целью разработки новых патогенетических подходов к модуляции его уровня. Одним из возможных путей решения очерченной проблемы является коррекция уровня аминокислоты гомоцистеина (промежуточного продукта обмена аминокислот метионина и цистеина) — вещества, непосредственно вовлеченного в регуляцию наиважнейших биохимических процессов в клетках. Гиперго-моцистеинэмия сопровождает развитие злокачественных опухолей некоторых локализаций и развивается вследствие нарушения превращения гомоцистеина на указанные аминокислоты. В организме человека гомо-цистеин метаболизируется двумя путями: транссульфирования и реметилирования. Последний при нормальных условиях обеспечивает преобразование в метонин более 50% гомоцистеина. Этот процесс происходит при наличии донора метильной группы 5-метилтетрагидро-фолата, который образуется вследствие обмена фолиевой кислоты при участии фермента метионинсинтета-зы и кофермента метилкобаламина, производного витамина В12. Альтернативный путь метилирования возможен в печени. Здесь донором метильной группы выступает бетаин. Процессы транссульфирования активизируются в условиях нарушения утилизации гомоци-стеина путем реметилирования, но не могут компенсировать его в полном объеме. Коферментом в реакциях транссульфирования выступает пиридоксальфосфат, производный витамина В6. При этом производные гомоцистеина 8-аденозилгомоцистеин и 8-аденозилме-
тионин являются мощными ингибиторами ДНК-метил-трансфераз и метилентетрагидрофолатредуктазы, соответственно, которые являются критически важными в регуляции обмена метильных групп в организме [12,13].
Вместе с тем, механизм действия гомоцистеина также связан с его окислительно-восстановительными свойствами, влиянием на некоторые Са2+-зависимые сигнальные пути и эстроген-индуцированным гормональным канцерогенезом [1,2]. Окислительно-восстановительные свойства гомоцистеина связаны с наличием в его составе 8Н-групп, являющихся частью ти-олдисульфидной системы антиоксидантной защиты клетки [3]. Изменение редокс-равновесия в этой системе носит фазовый разнонаправленный характер и большей частью определяется силой и длительностью действия фактора. Первоочередное изменение тиосуль-фидного соотношения характеризируется смещением в сторону восстановления, но в дальнейшем процесс может изменяться в сторону окисления, что рассматривается как активизация и истощение системы и свидетельствует об окислительном повреждении белковых молекул, и отображает общую динамику адаптивного ответа [4]. Прооксидантные свойства гомоцистеина проявляются их автоокислением (неферментативный путь) в присутствии ионов переходных металлов, восстановление которых является источником электронов во время образования активных форм кислорода [13] или ферментативным путем (КАО(Р)Н-опосредованным) [2].
Согласно одной из медицинских гипотез, патологические эффекты гипергомоцистеинэмии во многом могут опосредоваться путем метаболического накопления внутриклеточного 8-аденозилгомоцистеина, сильного ингибитора катехол-0-метилтрансфераза-опосре-дованого метилирования эндогенных и экзогенных ка-техолов (включая 2-гидроксиэстрадиол и 4-гидроксиэ-страдиол). В свою очередь ингибирование метаболизма 2-гидроксиэстрадиола существенно снижает образование 2-метоксиэстрадиола (эндогенного противоопухолевого метаболита 17Р-эстрадиола, а ингибирование метилирования 4-гидроксиэстрадиола приводит к накоплению этого гормонально-активного и сильного прокарциногенного метаболита эстрогена [5].
Согласно результатам многочисленных исследований, дефицит витаминов В6, В12, фолиевой кислоты и бетаина непосредственно связан с нарушением обмена гомоцистеина, развитием гипергомоцистеинэмии, что приводит к нарушению процессов метилирования и обуславливает гипометилирование генома и дисрегуля-цию экспрессии генов [8,12].
Коррекции обмена гомоцистеина как физиологического регулятора уровня метилирования посвящена серия современных экспериментальных и клинических исследований. Достоверно выяснено, что существенно влиять на уровень гомоцистеина можно, изменяя поступление некоторых витаминов (В6, В12, фолиевой кислоты) в организм.
Таким образом, коррекция возникших эпигенетических нарушений злокачественных клеток (прежде всего метилирования ДНК и ацетилирования гистонов) является перспективным направлением борьбы со злокачественными новообразованиями и преодоления резистентности опухолей к действию химиотерапевтических препаратов.
Исследование возможностей коррекции этих нарушений на уровне конкретных генов открывает широкие перспективы разработки индивидуальных эффективных схем лечения и создания новой генерации противоопухолевых препаратов. Такая терапия может быть сфокусированной и рациональной только при условии корректно определенного профиля метилирования и наличия лекарственных препаратов, способных влиять на конкретный ген.
Использование препаратов, модулирующих уровень эпигенетического дисбаланса злокачественных клеток, требует основательных дальнейших исследований и может окончательно определить рациональные пути терапии онкологических заболеваний с патогенетической точки зрения (коррекция уровня гомоцистеина в плазме крови больного). Такой подход даст возможность не только снизить дозу каждого препарата, но и
снизить побочные эффекты их использования. Терапевтическая же стратегия, базирующаяся на применении деметилирующих агентов, должна избавиться от внутренних противоречий, ведь описанные цитостатичес-кие и цитотоксические эффекты их использования могут быть связаны с развитием генетической нестабильности и дальнейшей прогрессии опухоли.
Посему, насущной потребностью клинической онкологии является разработка единой системы диагностических и прогностических критериев. Определение нарушений карты метилирования ДНК в конкретных случаях и систематизация полученных данных могут стать основой формирования научно обоснованной эффективной системы таких показателей, на которых будет полагаться патогенетический подход к коррекции эпигенетических нарушений как новой стратегии противоопухолевой терапии
CORRECTION OF EPIGENETIC ALTERATION OF DNA AS A NEW STRATEGY OF
ANTICANCER THERAPY
D.A. Mykytenko
(R.E. Kavetsky Institute for Experimental Pathology, Oncology and Radiobiology, NAS of Ukraine, Kyiv)
The malignant neoplasms arise up because of both genetic, and epigenetic changes in cells resulting in malignant transformation and tumor progression. Epigenetic conformation of DNA is one of leading regulators of gene expression. Its alterations in tumor cells are led to development of genetic and phenotype instability. Author analyses possibilities and features of correction of epigenetic alterations from point of pathogenetic mechanisms, such as influence on the homocysteine level — the amino acid, involved in adjusting of major biological processes in cells.
ЛИТЕРАТУРА
1. Губський Ю.И., Беленичев И.Ф., Левицкий Е.Л. и др. Токсикологические последствия окислительной модификации белков при различных патологических состояниях (обзор литературы) // Суч. пробл. токсикол.
- 2005. - М З. - С.20-27.
2. Пентюк О. О., Луцюк Б.М., Андрушко І.І., Постовітенко К.П. Метаболізм гомоцистеїну та його роль у патології // Укр.. Біохім Ж. - 200З. - Vol. 75, М 1. - C.5-17.
3. Чехун В. Ф., МикитенкоД. О., Лук’янова Н.Ю., Погрібний
І.П. Корекція порушень метилування ДНК як можливий шлях модуляції лікарської резистентності злоякісних клітин. // Укр. Біохім Ж. - 200б. - Т. 78, М б. - С.5-14.
4. Чехун В. Ф, Шишова Ю.В. Современные взгляды на формирование лекарственной устойчивости опухолей // Онкология. - 2000. - Т. 2, М 1-2. - С.11-15.
5. Шевченко О.П. Гомоцистеин - новый фактор риска атеросклероза и тромбоза (лекция) // Клиническая лабораторная диагностика. - 2004. - М10. - С25-З1.
6. Alice L.S. Au, Seto S. W, Chan S. W, et al. Modulation by homocysteine of the iberiotoxin-sensitive, Ca2+-activated K+ channels ofporcine coronary artery smooth muscle cells // Eur. J. of Pharmacol. - 200б. - Vol. 54б, М 1-З. - P.109-
119.
7. Bagnyukova T.V, PogribnyI.P., Chekhun V.F. MicroRNAs in Normal and Cancer Cells: a New Clas of Gene Expression Regulators // Exp. Oncology. — 2006. — Vol. 28, № 4.
- P.263-269.
8. Joseph F. Costello, Christoph Plass. Methylation matters // J Med Genet. - 2001. - Vol. 38. - P285-303.
9. Levine R.L., Barlett B.S., Mozkovitz J., MosoniL. Methionine residues may protect proteins from critical oxidative damage // Mech. Agening and Develop. - 1999. - Vol. 107, №
3. - P323-332.
10. Peter W.L. The power and the promice of DNA methyla-tion markers // Nature Reviews Cancer. - 2003. - № 3. -P253-266.
11. Sato N., Maehara N., Su G.H., et al. Effects of 5-aza-2'-deox-ycytidine on matrix metalloproteinase expression and pancreatic cancer cell invasiveness // J. Natl. Cancer Inst. -2003. - Vol. 95. - P.327-330.
12. Tyagi N., Moshal K. S., Ovechkin A.V., et al. Mitochondrial mechanism of oxidative stress and systemic hypertension in hyperhomocysteinemia // J. of Cell. Biochem. - 2005. -Vol. 96, № 4. - P665-671.
13. Zhu B.T. Medical Hypothesis: Hyperhomocysteinemia is a Risk Factor for Estrogen-Induced hormonal cancer // Intern. J. of Oncol. - 2003. - Vol. 22. - P.499-508.
© ПИНСКИЙ С.Б., ДВОРНИЧЕНКО В.В., КАЛИНИН А.П., РЕПЕТА О.Р. - 2008
МЕДУЛЛЯРНЫЙ РАК ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
С.Б. Пинский, В.В. Дворниченко, А.П. Калинин, О.Р. Репета
(Иркутский государственный медицинский университет; ректор — д.м.н., проф. И.В. Малов, кафедра общей хирургии с курсом урологии, зав. — д.м.н., проф. С.Б. Пинский; Иркутский институт усовершенствования врачей, ректор — д.м.н., проф. В.В. Шпрах, кафедра онкологии, зав. — д.м.н., проф. В.В. Дворниченко; Московский областной научно-исследовательский институт им. М.Ф. Владимирского, директор — член-корр.
РАМН Г.А. Оноприенко)
Резюме. В обзоре приводятся современные данные о происхождении, частоте, клинике, диагностике и лечении медуллярного рака щитовидной железы (МРЩЖ). Подчеркиваются особенности клинических проявлений и диагностики спорадических и семейных форм заболевания, в том числе в сочетании с синдромами множественной эндокринной нео-плазии (МЭН 2). Приводятся современные клинико-морфологические, лабораторные, молекулярно-генетические исследования в ранней диагностике заболевания. Рассматриваются вопросы хирургического и комбинированного лечения
Ключевые слова: щитовидная железа, спорадический и наследственный медуллярный рак, RET — мутации, тиреои-дэктомия.
