Metylacja DNA w raku
Metylacja DNA w nowotworach odgrywa różne role, pomagając zmienić zdrowe komórki poprzez regulację ekspresji genów na komórki rakowe lub wzór choroby komórek chorych . Jedną z najczęściej badanych dysregulacji metylacji DNA jest hipermetylacja promotora, w której wyspy CPG w regionach promotora są metylowane, przyczyniając się lub powodując wyciszenie genów.
Wszystkie komórki ssaków pochodzące z zapłodnionego jaja ( zygoty ) mają wspólną sekwencję DNA (z wyjątkiem nowych mutacji w niektórych liniach). Jednak podczas rozwoju i formowania się różnych tkanek epigenetyczne . Zmiany obejmują histonów , metylacje wysp CpG i reorganizacje chromatyny, które mogą powodować stabilne wyciszanie lub aktywację poszczególnych genów. Po utworzeniu zróżnicowanych tkanek metylacja wysp CpG jest na ogół stabilnie dziedziczona z jednego podziału komórki do następnego poprzez maszynerię podtrzymującą metylację DNA.
W raku stwierdza się szereg zmian mutacyjnych w genach kodujących białka. Raki jelita grubego zazwyczaj mają od 3 do 6 kierowcy i od 33 do 66 mutacji autostopowicza lub pasażera, które wyciszają ekspresję białek w dotkniętych genach. Jednak wyciszanie transkrypcji może być ważniejsze niż mutacja w powodowaniu wyciszania genów w progresji do raka. W raku jelita grubego około 600 do 800 genów jest transkrypcyjnie wyciszanych, w porównaniu z sąsiednimi normalnie wyglądającymi tkankami, przez metylację wyspy CpG. Represja transkrypcji w raku może również wystąpić w wyniku innych epigenetycznych , takich jak zmieniona ekspresja mikroRNA .
Wyspy CpG są częstymi elementami kontrolnymi
par zasad C: G > 50% i częste sekwencje CpG 5 '→ 3'. Około 70% ludzkich promotorów zlokalizowanych w pobliżu miejsca startu transkrypcji genu zawiera wyspę CpG .
Promotory zlokalizowane w pewnej odległości od miejsca startu transkrypcji genu również często zawierają wyspy CpG. Na przykład promotor genu naprawy DNA ERCC1 został zidentyfikowany i zlokalizowany około 5400 nukleotydów powyżej jego regionu kodującego. Wyspy CpG występują również często w promotorach funkcjonalnych niekodujących RNA, takich jak mikroRNA i długie niekodujące RNA (lncRNA).
Metylacja wysp CpG w promotorach stabilnie wycisza geny
Geny można wyciszyć przez wielokrotną metylację miejsc CpG na wyspach CpG ich promotorów. Nawet jeśli wyciszenie genu jest inicjowane przez inny mechanizm, często następuje po nim metylacja miejsc CpG w wyspie CpG promotora, aby ustabilizować wyciszenie genu. Z drugiej strony hipometylacja wysp CpG w promotorach może skutkować nadekspresją genów.
Promotor hiper/hipo-metylacji CpG w raku
W nowotworach utrata ekspresji genów występuje około 10 razy częściej w wyniku hipermetylacji wysp CpG promotora niż w wyniku mutacji. Na przykład, w guzach okrężnicy w porównaniu z sąsiadującą normalnie wyglądającą błoną śluzową okrężnicy, około 600 do 800 silnie zmetylowanych wysp CpG występuje w promotorach genów w guzach, podczas gdy te wyspy CpG nie są metylowane w sąsiedniej błonie śluzowej. W przeciwieństwie do tego, jak Vogelstein i in. podkreślić, że w raku jelita grubego występuje zwykle tylko około 3 do 6 mutacji kierowcy i 33 do 66 mutacji autostopowicza lub pasażera.
Wyciszanie genów naprawy DNA w raku
W sporadycznych nowotworach czasami stwierdza się, że niedobór naprawy DNA jest spowodowany mutacją w genie naprawy DNA. Jednak znacznie częściej zmniejszona lub nieobecna ekspresja genu naprawy DNA w raku jest spowodowana metylacją jego promotora. Na przykład spośród 113 zbadanych raków jelita grubego tylko cztery miały mutację zmiany sensu w genie naprawy DNA MGMT , podczas gdy większość miała zmniejszoną ekspresję MGMT z powodu metylacji regionu promotora MGMT . Podobnie, wśród 119 przypadków raków jelita grubego z niedoborem naprawy niedopasowania, które nie miały ekspresji genu naprawy DNA PMS2 , 6 miało mutację w genie PMS2 , podczas gdy dla 103 PMS2 miał niedobór, ponieważ jego partner parujący MLH1 był represjonowany z powodu metylacji promotora (białko PMS2 jest niestabilny przy braku MLH1). W pozostałych 10 przypadkach utrata ekspresji PMS2 była prawdopodobnie spowodowana epigenetyczną nadekspresją mikroRNA, miR-155, który obniża poziom MLH1.
Częstotliwość hipermetylacji genów naprawy DNA w raku
Stwierdzono, że 22 geny naprawy DNA z hipermetylowanymi promotorami i zmniejszoną lub nieobecną ekspresją występują wśród 17 rodzajów raka, jak wymieniono w dwóch artykułach przeglądowych. Hipermetylacja promotora MGMT występuje często w wielu nowotworach, w tym w 93% raków pęcherza moczowego, 88% raków żołądka, 74% raków tarczycy, 40% -90% raków jelita grubego i 50% raków mózgu. [ Potrzebne źródło ] Ten przegląd wykazał również, że hipermetylacja promotora LIG4 , NEIL1 , ATM , MLH1 lub FANCB występuje z częstotliwościami od 33% do 82% w jednym lub więcej rakach głowy i szyi , niedrobnokomórkowym raku płuc lub niedrobnokomórkowym raku -komórkowy rak płuca rak płaskonabłonkowy. Artykuł Epigenetyczna inaktywacja genu przedwczesnego starzenia się zespołu Wernera w ludzkim raku wskazuje, że gen naprawy DNA WRN ma promotor, który jest często hipermetylowany w wielu nowotworach, przy czym hipermetylacja występuje w 11% do 38% jelita grubego , głowy i szyi , żołądka prostaty , piersi , tarczycy , chłoniaka nieziarniczego , chrzęstniakomięsaka i kostniakomięsaka (patrz WRN ).
Prawdopodobna rola hipermetylacji genów naprawy DNA w raku
Jak omówili Jin i Roberston w swojej recenzji, wyciszenie genu naprawy DNA przez hipermetylację może być bardzo wczesnym krokiem w progresji do raka. Sugeruje się, że takie wyciszenie działa podobnie do mutacji linii zarodkowej w genie naprawy DNA i predysponuje komórkę i jej potomków do progresji do raka. Inny przegląd wskazał również na wczesną rolę hipermetylacji genów naprawy DNA w raku. Jeśli gen niezbędny do naprawy DNA jest hipermetylowany, co skutkuje niedoborem naprawy DNA, uszkodzenia DNA będą się kumulować. Zwiększone uszkodzenia DNA zwykle powodują zwiększone błędy podczas syntezy DNA, prowadząc do mutacji, które mogą prowadzić do raka.
Jeśli hipermetylacja genu naprawy DNA jest wczesnym etapem karcynogenezy, może ona również wystąpić w normalnie wyglądających tkankach otaczających nowotwór, z którego wyrósł rak (wada pola ) . Zobacz tabelę poniżej.
| Rak | Gen | Częstotliwość w raku | Częstotliwość w przypadku defektu pola | Ref. |
|---|---|---|---|---|
| jelita grubego | MGMT | 55% | 54% | |
| jelita grubego | MSH2 | 13% | 5% | |
| jelita grubego | WRN | 29% | 13% | |
| Głowa i szyja | MGMT | 54% | 38% | |
| Głowa i szyja | MLH1 | 33% | 25% | |
| Niedrobnokomórkowego raka płuca | bankomat | 69% | 59% | |
| Niedrobnokomórkowego raka płuca | MLH1 | 69% | 72% | |
| Żołądek | MGMT | 88% | 78% | |
| Żołądek | MLH1 | 73% | 20% | |
| Przełyk | MLH1 | 77%-100% | 23%-79% |
Podczas gdy uszkodzenia DNA mogą powodować mutacje w wyniku podatnej na błędy syntezy translezji , uszkodzenia DNA mogą również powodować zmiany epigenetyczne podczas wadliwych procesów naprawy DNA. Uszkodzenia DNA, które kumulują się w wyniku hipermetylacji promotorów genów naprawy DNA, mogą być źródłem zwiększonych zmian epigenetycznych występujących w wielu genach w nowotworach.
We wczesnych badaniach, patrząc na ograniczony zestaw promotorów transkrypcyjnych, Fernandez i in. zbadali profile metylacji DNA 855 guzów pierwotnych. Porównując każdy typ guza z odpowiadającą mu normalną tkanką, 729 wysp CpG (55% z 1322 ocenionych miejsc wysp CpG) wykazało zróżnicowaną metylację DNA. Spośród tych miejsc 496 było hipermetylowanych (represjonowanych), a 233 było hipometylowanych (aktywowanych). Zatem w nowotworach występuje wysoki poziom zmian metylacji promotora. Niektóre z tych zmian mogą przyczyniać się do progresji raka.
Metylacja DNA mikroRNA w raku
U ssaków mikroRNA (miRNA) regulują aktywność transkrypcyjną około 60% genów kodujących białka. Poszczególne miRNA mogą celować i tłumić transkrypcję średnio około 200 informacyjnych RNA genów kodujących białka. Promotory około jednej trzeciej ze 167 miRNA ocenionych przez Vrba i in. w normalnych tkankach piersi były różnie hiper/hipometylowane w raku piersi. Nowsze badanie wykazało, że 167 miRNA ocenionych przez Vrba i in. było tylko 10% miRNA znalezionych w tkankach piersi. To późniejsze badanie wykazało, że 58% miRNA w tkance piersi miało zróżnicowane regiony metylowane w swoich promotorach w raku piersi, w tym 278 miRNA hipermetylowanych i 802 miRNA hipometylowanych.
Jeden miRNA, który ulega około 100-krotnej nadekspresji w raku piersi, to miR-182. MiR-182 celuje w matrycowy RNA BRCA1 i może być główną przyczyną zmniejszonej ekspresji białka BRCA1 w wielu rakach piersi (patrz także BRCA1 ).
mikroRNA, które kontrolują geny metylotransferazy DNA w raku
Niektóre miRNA celują w matrycowe RNA dla genów metylotransferazy DNA DNMT1 , DNMT3A i DNMT3B , których produkty genowe są potrzebne do inicjowania i stabilizacji metylacji promotora. Jak podsumowano w trzech przeglądach, miRNA miR-29a, miR-29b i miR-29c celują w DNMT3A i DNMT3B; miR-148a i miR-148b celują w DNMT3B; oraz miR-152 i miR-301 celują w DNMT1. Ponadto miR-34b celuje w DNMT1, a sam promotor miR-34b jest hipermetylowany i ma niedostateczną ekspresję w większości raków prostaty. Gdy ekspresja tych mikroRNA ulega zmianie, mogą one być również źródłem hiper/hipometylacji promotorów genów kodujących białka w nowotworach.
Ruben Agrelo,* Wen-Hsing Cheng,† Fernando Setien,* Santiago Ropero,* Jesus Espada,* Mario F. Fraga,* Michel Herranz,* Maria F. Paz,* Montserrat Sanchez-Cespedes,* Maria Jesus Artiga,* David Guerrero, ‡ Antoni Castells, § Cayetano von Kobbe,* Vilhelm A. Bohr, † i Manel Esteller*¶Epigenetyczna inaktywacja genu przedwczesnego starzenia się zespołu Wernera w raku człowieka.Proc Natl Acad Sci US A. 2006; 103(23): 8822–8827.