Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Weiler I.J. and Greenough W.T., 1999. Synaptic synthesis of the Fragile X protein: Possible involvement in synapse maturation and elimination. Am. J. Med. Genet. 83: 248-252.

Weksberg R., Smith A.C., Squire J., and Sadowski P., 2003. Beckwith-Wiedemann syndrome demonstrates a role for epigenetic control of normal development. Hum. Mol. Genet. 12: R61-R68

Weksberg R., Nishikawa J., Caluseriu O., Fei Y.L., Shuman C., Wei C., Steele L., Cameron J., Smith A., Ambus I., et al., 2001. Tumor development in the Beckwith-Wiedemann syndrome is associated with a variety of constitutional molecular 1 lpl5 alterations including imprinting defects of KCNQIOTI. Hum. Mol. Genet. 10: 2989-3000.

Weksberg R., Teshima I., Williams B.R., Greenberg C.R., Pueschel S.M., Chemos J.E., Fowlow S.B., Hoyme E., Anderson I.J., Whiteman D.A., et al., 1993. Molecular characterization of cytogenetic alterations associated with the Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS) phenotype refines the localization and suggests the gene for BWS is imprinted. Hum. Mol. Genet. 2: 549-556.

Wijmenga C., Hewitt J.E., Sandkuijl L.A., Clark L.N., Wnght T.J., Dauwerse H.G., Gruter A.M., Hofker M.H., Moerer P., Williamson R., et al., 1992. Chromosome 4q DNA rearrangements associated with facioscapulohumeral muscular dystrophy. Nat. Genet. 2: 26-30.

Willemsen R., Hoogeveen-Westerveld M., Reis S., Holstege J., Severij-nen L.A., Nieuwenhuizen I.M.. Schrier M., Van Unen L., Tassone E., Hoogeveen A.T., et al., 2003. The FMR1 CGG repeat mouse displays ubiquitin-positive intranuclear neuronal inclusions; implications for the cerebellar tremor/ataxia syndrome. Hum. Mol. Genet. 12: 949-959.

Wolff G.L., Kodell R.L., Moore S.R., and Cooney C.A., 1998. Maternal epigenetics and methyl supplements affect agouti gene expression in A?? mice. Faseb J. 12: 949-957.

Xu G.L., Bestor T.H., Bourc’his D., Hsieh C.L., Tommerup N, Bugge M.. Hulten M.. QuX., Russo J.J.. and Viegas-Pequignot E., 1999. Chromosome instability and immunodeficiency syndrome caused by mutations in a DNA methyltransferase gene. Nature 402: 187-191.

Yntema H.G., Poppelaars F.A., Derksen E., Oudakker A.R., van Roos-malen T, Jacobs A., Obbema H., Brunner H.G., Hamel B.C., and van Bokhoven H., 2002. Expanding phenotype of XNP mutations: Mild to moderate mental retardation. Am. J. Med. Genet. 110: 243-247.

Young J.I.. Hong E.P., Castle J., Crespo-Barreto J.. Bowman A.B., Rose M.F., Kang D., Richman R., Johnson J.M., Berget S., and Zoghbi H.Y., 2005. Inaugural article: Regulation of RNA splicing by the methylation-dependent transcriptional repressor methyl-CpG binding protein 2. Proc. Natl. Acad. Sci. 102: 17551-17558.

Zeev B.B., Yaron Y, Schanen N.C., Wolf H., Brandt N., Ginot N., Shomrat R., and Orr-Urtreger A., 2002. Rett syndrome: Clinical manifestations in males with MECP2 mutations. J. Child Neurol. 17: 20-24.

Глава 24. Эпигенетические детерминанты при раковых заболеваниях

Stephen В. Baylin¹ и Peter A. Jones²

1Cancer Biology Program, The Sidney Kimmel Cancer Center; Johns Hopkins Medical Institutions, Baltimore, Maryland 21231

2Department of Urology Biochemistry and Molecular Biology, USC/Norris Comprehensive Cancer Center, Keck School of Medicine, University of Southern California, Los Angeles, California 90089-9181

Общее резюме

Рак вызывается наследуемым нарушением регуляции генов, которые определяют, когда клетки делятся, погибают и перемещаются из одной части тела в другую. В процессае канцерогенеза гены могут становиться активированными таким образом, что усиливают пролиферацию клеток или предотвращают клеточную гибель, или, наоборот, гены могут инактивироваться так, что они не могут более сдерживать эти процессы. Первый класс генов называется «онкогены», а второй — гены-суппрессоры опухолей («tumor suppressor genes»). Между этими двумя классами генов существует взаимодействие, которое и приводит к образованию раковой опухоли.

Гены могут инактивироваться как минимум тремя способами, включающими в себя (1) возможную мутацию гена, делающую его неспособным выполнять свою функцию, (2) полную утрату гена, что, таким образом приводит к неспособности его нормально работать и (3) ген. который не мутировал и не был утрачен, может быть наследственно выключен вследствие эпигенетических изменений. Такой эпигенетический сайленсинг может включать в себя модификации гистонов, связывание белков-репрессоров и неправильное метилирование остатков цитозина (С) в СрС-мотивах, которые находятся внутри контрольных участков, управляющих экспрессией генов.

В данной главе делается акцент на на этом третьем пути. Основные молекулярные механизмы, отвечающие за поддержание «молчащего» состояния, довольно хорошо понятны, что и представлено в этой книге. Далее, мы также знаем, что эпигенетический сайленсинг имеет важное значение для профилактики, диагностики и терапии раковых заболеваний. В нашем распоряжении сейчас имеются лекарства, одобренные американской FDA, которые могут ревертировать эпигенетические изменения и восстановить генную активность в раковых клетках. Поскольку изменения в метилировании ДНК можно анализировать с высокой степенью чувствительности, многие стратегии в ранней диагностике раковых заболеваний базируются на выявлении изменений в метилировании ДНК. Поэтому возможности эпигенетики в исследованиях, диагностике, профилактике и лечении рака у человека, являются совершенно исключительными.

1. Биологическая основа раковых заболеваний

В конечном счете, рак является заболеванием экспрессии генов, при котором нарушается нормальная работа сложных сетей, управляющих гомеостазом у многоклеточных организмов, что позволяет клеткам расти вне связи с нуждами организма как целого. Большие успехи были достигнуты в описании той подгруппы клеточных контрольных путей, которые нарушаются при раке у человека (табл. 24.1). Тот факт, что почти при всех раковых заболеваниях, наследуемым нарушениям подвержено это ограниченное число клеточных контрольных путей, и является ключевой идеей, которая продвинула данную область исследований (Hanahan and Weinberg, 2000). Основное внимание до последних нескольких лет было сосредоточено на генетических основах раковых заболеваний, в частности, на мутационной активации онкогенов или инактивации генов-супрессоров опухолей. Однако увеличивающийся массив данных, появившихся с середины 1990-х годов, показывает, что наследуемые изменения, регулируемые эпигенетическими модификациями, также могут играть критическую роль в эволюции раковых заболеваний всех типов у человека (рис. 24.1) (Jones and Laird, 1999; Jones and Baylin, 2002; Herman and Baylin, 2003). Эти данные, в частности паттерны метилирования ДНК и хроматина, которые при раке фундаментально изменяются, привели к новым возможностям в понимании, диагностике, лечении и профилактике раковых заболеваний.

Генетические и эпигенетические аномалии могут вызывать наследуемые нарушения путей обеспечения гомеостаза при помощи двух различных механизмов. Может иметь место либо активация онкогенов, в основном, через активацию точечных мутаций, либо могут быть инактивированы гены-супрессоры опухолей (Jones and Laird, 1999; Hanahan and Weinberg, 2000; Jones and Baylin, 2002; Herman and Baylin, 2003). Например, при раковых заболеваниях человека часто обнаруживаются мутации в сигнальном гене (онкогене), таком как RAS, которые усиливают активность генного продукта в стимуляции роста. Эти мутации часто являются доминантными и стимулируют возникновение онкологических заболеваний. С другой стороны, генетические мутации и эпигенетический сайленсинг генов-супрессоров опухолей, часто являются рецессивными, требующими разрушительных событий в обеих аллельных копиях гена для полной экспрессии трансформированного фенотипа. Идея о том, что в малигнизированной клеточной линии должны быть выведены из строя обе копии гена-супрессора опухолей была предложена Кнудсоном (Knudson, 2001) и широко принята. Сейчас понятно, что три класса «ударов» могут действовать в различных комбинациях, вызывая полную потерю активности генов-супрессоров опухолей Прямые мутации в кодирующей последовательности, потеря частей или целых копий генов, или эпигенетический сайленсинг могут взаимодействовать друг с другом, что может приводить ключевые контрольные гены в нерабочее состояние (рис. 24.2).

Рис. 24.1. Эпигенетические изменения, связанные с метилированием ДНК, могут приводить к раковым заболеваниям при помощи различных механизмов

^{Утрата метилирования по цитозину в ДНК (гипо) приводит к нестабильности генома. Локальное гиперметилирование в промоторе гена (гипер) вызывает наследуемый сайленсинг и, следовательно, инактивацию генов-супрессоров опухоли. Кроме того, метилированные сайты CpG представляют собой горячие точки для мутаций типа транзиций С>Т, вызванных спонтанным гидролитическим дезаминированием. Метилирование сайтов CpG также повышает связывание некоторых химических канцерогенов с ДНК и повышает частоту мутаций, индуцированных УФ-излучением}

2. Значение хроматина для раковых заболеваний

Несмотря на важнейшие достижения в понимании ключевых молекулярных повреждений путей клеточного контроля, способствующих возникновению раковых заболеваний, остается истиной то, что микроскопическое исследование цитологом-патологом структуры ядра по-прежнему является золотым стандартом в диагностике раковых заболеваний. Человеческий глаз может точно разглядеть изменения в архитектонике ядра, которая, в основном, отражает состояние конфигурации хроматина, и определенно диагносцировать раковый фенотип в одиночной клетке. В качестве признаков патологи в первую очередь используют величину ядра, его очертания, конденсированную ядерную мембрану, отчетливые ядрышки, плотный «гиперхроматиновый» хроматин и высокие значения ядерно-плазменного отношения. Эти структурные характеристики, которые видны под микроскопом (рис. 24.3), по-видимому, коррелируют с глубокими изменениями функций хроматина и получающимися в результате этого изменениями состояний экспрессии генов и (или) стабильности хромосом. Установление связи между изменениями, наблюдаемыми на микроскопическом уровне, с молекулярными метками, обсуждаемыми повсюду в этой книге, остается одной из главных проблем в онкологических исследованиях. В этой главе мы рассматриваем эпигенетические метки, типичным примером которых являются изменения в метилировании цитозина ДНК, метилирование в динуклеотидах CpG и модификации гистонов, которые в раковых клетках распределены аномально. Их все чаще связывают с наследуемыми событиями, которые затрагивают стабильность и функционирование генома, и, таким образом, вносят весьма существенный вклад в злокачественный фенотип.

Известны несколько примеров роли хроматин модифицирующей активности при раковых заболеваниях у человека (Wolffe, 2001). Например, и острая миелоидная лейкемия (AML), и острая промиелоцитная лейкемия (PML) вызываются хромосомными транслокациями. которые изменяют использование диацетилаз гистонов (HDACs). При PML ген PML объединяется с рецептором ретиноидной кислоты (RAR). Этот рецептор рекрутирует активность HDAC и метилирование ДНК и вызывает состояние транскрипционного сайленсинга, что было показано с помощью экспериментальных промоторных конструктов. Эти данные предполагают, что такое «нацеливание» изменения хроматина может потенциально приводить к сайленсингу гена-супрессора опухоли, который участвует в блокировке клеточной дифференциации (Di Croce et al., 2002). При AML, ДНК-связывающий домен транскрипционного фактора AML-1 объединен с белком, который называется ЕТО и который взаимодействует с HDAC. Репрессия клеточной дифференцировки неправильно нацеленной HDAC способствует абберантной репрессии гена и, в конечном счете, лейкемии (Amann et al., 2001). Это всего два примера прямого включения модификаций хроматина в онкогенный фенотип. Однако становится ясно, что модификации хроматина могут прямо и косвенно изменять паттерны метилирования цитозина — эпигенетического изменения ДНК, которое может либо инициировать, либо «запереть» сайленсинг ключевых генов, что ведет к наследуемым нарушениям важнейших клеточных путей.