Regulacja transkrypcji w raku
Ogólnie rzecz biorąc, w progresji do raka setki genów są wyciszane lub aktywowane. Chociaż wyciszanie niektórych genów w nowotworach następuje przez mutację, duża część wyciszania genów rakotwórczych jest wynikiem zmienionej metylacji DNA (patrz metylacja DNA w raku ). Metylacja DNA powodująca wyciszenie w raku zwykle występuje w wielu miejscach CpG na wyspach CpG , które są obecne w promotorach genów kodujących białka.
Zmieniona ekspresja mikroRNA również wycisza lub aktywuje wiele genów w progresji do raka (patrz mikroRNA w raku ). Zmieniona ekspresja mikroRNA zachodzi poprzez hiper/hipo-metylację miejsc CpG na wyspach CpG w promotorach kontrolujących transkrypcję mikroRNA .
Wyciszanie genów naprawy DNA poprzez metylację wysp CpG w ich promotorach wydaje się być szczególnie ważne w progresji do raka (patrz metylacja genów naprawy DNA w raku ).
Wyspy CpG w promotorach
U ludzi około 70% promotorów zlokalizowanych w pobliżu miejsca startu transkrypcji genu (proksymalne promotory) zawiera wyspę CpG . Wyspy CpG mają na ogół długość od 200 do 2000 par zasad, zawartość par zasad C:G > 50% i regiony DNA , w których po nukleotydzie cytozyny następuje nukleotyd guaniny , co często występuje w liniowej sekwencji zasad wzdłuż kierunek 5′ → 3′ .
Geny mogą również mieć odległe promotory (promotory dystalne), które często zawierają również wyspy CpG. Przykładem jest promotor genu naprawy DNA ERCC1 , gdzie promotor zawierający wyspę CpG znajduje się około 5400 nukleotydów powyżej regionu kodującego genu ERCC1 . Wyspy CpG często występują również w promotorach funkcjonalnych niekodujących RNA, takich jak mikroRNA .
Wyciszanie transkrypcji z powodu metylacji wysp CpG
U ludzi metylacja DNA zachodzi w pozycji 5 'pierścienia pirymidynowego reszt cytozynowych w miejscach CpG , tworząc 5-metylocytozyny . Obecność wielu metylowanych miejsc CpG w wyspach CpG promotorów powoduje stabilną inhibicję (wyciszenie) genów. Wyciszanie transkrypcji genu może być inicjowane przez inne mechanizmy, ale często następuje po nim metylacja miejsc CpG w wyspie CpG promotora, co powoduje stabilne wyciszenie genu.
Wyciszanie/aktywacja transkrypcji w nowotworach
W nowotworach utrata ekspresji genów występuje około 10 razy częściej w wyniku wyciszenia transkrypcji (spowodowanego hipermetylacją promotora wysp CpG) niż w wyniku mutacji. Jak Vogelstein i in. podkreślić, w raku jelita grubego jest zwykle około 3 do 6 kierowcy i 33 do 66 mutacji autostopowicza lub pasażera. W przeciwieństwie do tego, w guzach okrężnicy w porównaniu z sąsiadującą normalnie wyglądającą błoną śluzową okrężnicy, istnieje około 600 do 800 silnie zmetylowanych wysp CpG w promotorach genów w guzach, podczas gdy te wyspy CpG nie są metylowane w sąsiedniej błonie śluzowej.
Korzystając z analizy wzbogacania zestawu genów , 569 z 938 zestawów genów było hipermetylowanych, a 369 było hipometylowanych w nowotworach. Hipometylacja wysp CpG w promotorach skutkuje zwiększoną transkrypcją dotkniętych genów lub zestawów genów.
W jednym badaniu wymieniono 147 specyficznych genów z hipermetylowanymi promotorami związanymi z rakiem okrężnicy i 27 z promotorami hipometylowanymi, wraz z częstotliwością, z jaką te hiper/hipo-metylacje stwierdzono w raku okrężnicy. Co najmniej 10 z tych genów miało hipermetylowane promotory w prawie 100% przypadków raka okrężnicy. Wskazali również 11 mikroRNA , których promotory były hipermetylowane w raku okrężnicy z częstością od 50% do 100% przypadków raka. MikroRNA (miRNA) to małe endogenne RNA, które łączą się w pary z sekwencjami informacyjnych RNA , aby kierować represją potranskrypcyjną . Średnio każdy mikroRNA tłumi lub hamuje ekspresję transkrypcyjną kilkuset docelowych genów. Zatem mikroRNA z hipermetylowanymi promotorami mogą umożliwiać zwiększoną transkrypcję setek do tysięcy genów w raku.
Hamowanie i aktywacja transkrypcji przez jądrowe mikroRNA
Od ponad 20 lat wiadomo, że mikroRNA działają w cytoplazmie, degradując ekspresję transkrypcyjną określonych docelowych informacyjnych RNA (patrz historia mikroRNA ). Jednak ostatnio Gagnon i in. wykazali, że aż 75% mikroRNA może być transportowanych z powrotem do jądra komórkowego. Wykazano, że niektóre jądrowe mikroRNA pośredniczą w aktywacji genów transkrypcyjnych lub hamowaniu genów transkrypcyjnych.
Geny naprawy DNA z promotorami hiper/hipo-metylowanymi w nowotworach
Geny naprawy DNA są często tłumione w nowotworach z powodu hipermetylacji wysp CpG w ich promotorach. W rakach płaskonabłonkowych głowy i szyi co najmniej 15 genów naprawy DNA ma często hipermetylowane promotory; te geny to XRCC1, MLH3, PMS1, RAD51B, XRCC3, RAD54B, BRCA1, SHFM1, GEN1, FANCE, FAAP20, SPRTN, SETMAR, HUS1 i PER1 . Około siedemnastu rodzajów raka często ma niedobór jednego lub więcej genów naprawy DNA z powodu hipermetylacji ich promotorów. Jak podsumowano w jednym artykule przeglądowym, hipermetylacja promotora genu naprawy DNA MGMT występuje w 93% raków pęcherza moczowego, 88% raków żołądka, 74% raków tarczycy, 40%-90% raków jelita grubego i 50% raków mózgu. [ potrzebne źródło ] Hipermetylacja promotora LIG4 występuje w 82% przypadków raka jelita grubego. Ten artykuł przeglądowy wskazuje również, że hipermetylacja promotora NEIL1 występuje w 62% raków głowy i szyi oraz w 42% niedrobnokomórkowych raków płuc ; hipermetylacja promotora ATM występuje w 47% przypadków niedrobnokomórkowego raka płuca ; hipermetylacja promotora MLH1 występuje w 48% raków płaskonabłonkowych; a hipermetylacja promotora FANCB występuje w 46% przypadków raka głowy i szyi . [ potrzebne źródło ]
Z drugiej strony promotory dwóch genów, PARP1 i FEN1 , były hipometylowane i geny te ulegały nadekspresji w wielu nowotworach. PARP1 i FEN1 są niezbędnymi genami w podatnym na błędy i mutagennym szlaku naprawy DNA, w którym pośredniczy mikrohomologia łączenia końców . Jeśli ten szlak ulega nadmiernej ekspresji, nadmierne mutacje, które powoduje, mogą prowadzić do raka. PARP1 ulega nadekspresji w białaczkach aktywowanych kinazą tyrozynową, w nerwiaku niedojrzałym, w jądrach i innych nowotworach zarodkowych oraz w mięsaku Ewinga, FEN1 ulega nadekspresji w większości raków piersi, prostaty, żołądka, nerwiaka niedojrzałego, trzustki i płuc.
Uszkodzenie DNA wydaje się być główną przyczyną raka. Jeśli dokładna naprawa DNA jest niewystarczająca, uszkodzenia DNA mają tendencję do kumulowania się. Takie nadmierne uszkodzenia DNA mogą zwiększać mutacji podczas replikacji DNA z powodu podatnej na błędy syntezy translezji . Nadmierne uszkodzenia DNA mogą również zwiększać epigenetyczne z powodu błędów podczas naprawy DNA. Takie mutacje i zmiany epigenetyczne mogą powodować raka (patrz nowotwory złośliwe ). Zatem hiper/hipo-metylacja wysp CpG w promotorach genów naprawy DNA jest prawdopodobnie kluczowa dla progresji do raka.