Terapia różnicująca i mechanizmy, które kończą proliferację komórek nowotworowych bez szkody dla komórek prawidłowych

, Author

Amplifikacja MYC zmniejsza przeżywalność w wielu ludzkich nowotworach złośliwych

Jednym z kluczowych TF regulujących proliferację komórek ssaków jest wirusowa onkoproteina mielocytomatozy (MYC), której funkcja jest zachowana w całej hierarchii ewolucyjnej27,28,29,30,31. Fizjologicznie, proliferacja regulowana przez MYC jest hamowana przez programy różnicowania linii, które antagonizują MYC, aby zakończyć proliferację20. Analizowaliśmy zmiany MYC za pomocą dwóch podejść. Po pierwsze, przeanalizowaliśmy zmiany liczby kopii (CN) w locus MYC, korzystając z danych TCGA i ICGC dostępnych za pośrednictwem platformy cBioPortal i stwierdziliśmy częste amplifikacje i rearanżacje MYC (ryc. 1a). Następnie uzyskaliśmy dostęp do danych TCGA pan-cancer (PANCAN) zawierających 11,000 pacjentów z 33 najbardziej rozpowszechnionych nowotworów i przeanalizowaliśmy je za pomocą Xena Browser. MYC był silnie amplifikowany we wszystkich tych nowotworach8,10. W obu zestawach danych zmiany MYC CN zostały określone przy użyciu metody GISTIC score, gdzie wartości -2,-1,0,1,2, reprezentowały homozygotyczną delecję, heterozygotyczną delecję, diploidalną, amplifikację niskiego poziomu lub amplifikację wysokiego poziomu32. Następnie przeprowadziliśmy analizę przeżycia przy użyciu punktacji GISTIC przewidującej niski poziom delecji/dzikiego typu MYC vs. wzmocnienie/amplifikacja przy użyciu zbioru danych PANCAN. Amplifikacja MYC korelowała ze zmniejszonym przeżyciem całkowitym (p < 9,784 × 10-11, n = 2628) w porównaniu z przypadkami z MYC CN WT/niskiego poziomu delecji (n = 1352) (ryc. 1b). Następnie przeanalizowaliśmy korelację pomiędzy punktacją GISTIC w locus MYC a ekspresją mRNA MYC i przeżyciem pacjentów. Stwierdzono silną korelację (spearman r = 0,3339, p < 0,0001, n = 9697) między MYC GISTIC score a ekspresją MYC mRNA (ryc. 1c). Wysoki (n = 1762) vs. niski (n = 1776) poziom MYC mRNA był związany z obniżonym (p < 5,609 × 10-8) przeżyciem całkowitym (ryc. 1d). Tak więc MYC jest istotnym onkogenem w wielu ludzkich nowotworach złośliwych, a identyfikacja mechanizmów antagonizujących MYC w nowotworach może mieć zastosowanie terapeutyczne. Funkcja MYC jest konserwowana w całej hierarchii ewolucyjnej27,28,29,30,31. Prosty cykl życiowy pierwotniaków wymaga MYC do generowania komórek potomnych, które przypominają swoje komórki macierzyste przy każdym podziale komórkowym27,29. Ewolucja od organizmów jednokomórkowych do organizmów wielokomórkowych doprowadziła do intensywnego wykorzystania energii do otwarcia chromatyny i odsłonięcia nagiego DNA umożliwiającego TF liniowe wiązanie i aktywację setek genów różnicowania terminalnego, które kierują losem komórek i specjalizacją do różnych warstw komórek. Proces ten nie wymaga aktywnie proliferuj±cych komórek. Stąd, proliferacja pośredniczona przez MYC jest silnie antagonizowana na tym etapie33,34 (Ryc. 1e). Ta forma silnego antagonizmu MYC jest również niezbędna do istnienia wielokomórkowości29,35. Przekonująco, zakażenie organizmów wielokomórkowych pasożytami pierwotniaków nasila transformację zakażonych komórek w komórki proliferacyjne poprzez złożone mechanizmy, które aktywują białko MYC i tłumią TF różnicowania27,29,36.

Fig. 1: MYC alterations across multiple human malignancies.

a Dane TCGA i IGCG zostały przeanalizowane przez cBioPortal w celu określenia aberracji w locus MYC przy użyciu wstępnie przypisanej punktacji GISTIC w wielu nowotworach pochodzących z różnych typów tkanek. b Przeanalizowaliśmy zestawy danych TCGA PANCAN dostępne przez TCGA hub w Xena Browser. Analiza przeżycia przypadków z przyrostem liczby kopii (CN) i amplifikacją w loci MYC w porównaniu z tymi z delecją CN WT/minor delecją MYC wykazała znaczącą ogólną przeżywalność (p-value < 9,784E-11, test LogRank, n = 1352 WT/minor del, 2628 przyrost CN i amplifikacja). Dane dotyczące przeżycia analizowane w Xena Browser (https://xenabrowser.net/) c Anliza MYC GISTIC Score vs. ekspresja MYC mRNA przy użyciu danych PANCAN RNA-seq dostępnych w TCGA hub w Xena Browser. Stwierdzono silną korelację ze spearmanem r = 0,3339, p < 0,0001, n = 9697. d Analiza przeżycia pacjentów z podwyższoną ekspresją MYC mRNA w porównaniu z pacjentami z obniżoną ekspresją MYC mRNA. Poziomy ekspresji są znormalizowane w stosunku do poziomów ekspresji w prawidłowych tkankach. Zwiększone MYC mRNA wiązało się z gorszym przeżyciem (n = 1762) w porównaniu z obniżonym MYC mRNA (n = 1776, p = 5,06 × 10-18 e Schematyczne przedstawienie różnicowania metazoanów i tego, jak różnicowanie zostaje zahamowane w komórkach złośliwych. Kontinuum różnicowania jest zapoczątkowane przez zaangażowanie komórek macierzystych w linię, po którym następuje wykładnicza proliferacja prekursorów/progenitorów tkankowych, w której pośredniczą dwie kopie genu MYC. Aby utrzymać homeostazę, proliferacja indukowana przez MYC jest dominująco antagonizowana przez szlaki różnicowania terminalnego. f Ludzkie nowotwory złośliwe mają zaburzone różnicowanie, które nie antagonizuje genu MYC, pozwalając na wykładniczą proliferację prekursorów tkankowych

W przeciwieństwie do komórek prawidłowych, komórki złośliwe ulegają proliferacji bez różnicowania terminalnego (Ryc. 1e, f). Ten nieprawidłowy proces jest silnie uzależniony od stabilizacji MYC i jego ko-białek, które modulują wzrost i podział komórek17,20,37,38,39. Zmiany genetyczne i epigenetyczne zapewniają, że w komórkach nowotworowych dochodzi do trwałej proliferacji progenitorów zaangażowanych liniowo bez ostatecznego różnicowania (ryc. 1e)7. Po pierwsze, uporczywa proliferacja jest osiągana przez konsekwentne zwiększanie regulacji i przyrost chromosomów genetycznego locus kodującego gen MYC we wszystkich ludzkich nowotworach złośliwych (ryc. 1a). Amplifikacja MYC przewiduje słabe przeżycie całkowite (LogRank p-value = 9,784 × 10-11, n = 3980) (ryc. 1a, b). W badaniach wykorzystujących genetycznie modyfikowane modele myszy (GEMM) lub modele ksenograftów nowotworowych, antagonizowanie MYC podtrzymuje regresję nowotworu w wielu guzach39,40,41. Na przykład Shachaf i wsp. opracowali model transgenicznej myszy warunkowo wyrażającej MYC w hepatocytach przy użyciu ekspresji kontrolowanej tetracykliną39. Inaktywacja Myc spowodowała regresję mysiego HCC, zwiększając różnicowanie hepatocytów i komórek wątrobowo-żółciowych, utratę markera HCC α-fetoproteiny oraz zahamowanie proliferacji39. W modelu ksenograftowym PDAC, Zhang i wsp. celowali w dimeryzację MYC-MAX za pomocą małej cząsteczki (10058-F4), która zakłóca aktywność transkrypcyjną MYC40. Dodanie 10058-F4 do gemcytabiny doprowadziło do drastycznego zahamowania procesu nowotworzenia w porównaniu z leczeniem pojedynczym40. Wykorzystując mysi model raka płuc napędzany przez Kras, Soucek i wsp. celowali w MYC, stosując dominująco ujemną mutację domeny dimeryzacji MYC, która zaburza wiązanie MYC z kanonicznym elementem odpowiedzi Myc E-box „CACGTG”, hamując w ten sposób aktywność transaktywacyjną MYC41. Zahamowanie transaktywacji MYC zwiększyło przeżywalność myszy poprzez zatrzymanie wzrostu raka płuc41.

Z perspektywy translacyjnej istnieją różne wyzwania związane z próbą bezpośredniego farmakologicznego ukierunkowania MYC42. Najważniejszym wyzwaniem jest to, że proliferacja jest cechą normalnych progenitorów i taka terapia mogłaby mieć słaby indeks terapeutyczny20. Dodatkowo, guzy nowotworowe mają heterogenne podłoże genetyczne, które przyczynia się do stałej aktywności MYC. Dlatego, aby zrozumieć mechanizmy, które antagonizują nadmierne działania MYC, konieczne jest zdefiniowanie ewolucyjnie konserwowanych fizjologicznych metod, za pomocą których normalne progenitory antagonizują MYC, aby wyłączyć intensywną proliferację i jak można je przywrócić w raku.

Zakończenie proliferacji poprzez zaangażowanie apoptozy jest toksyczne dla normalnych dzielących się komórek

Aby zachować spójność i integralność między różnymi typami komórek, organizmy wielokomórkowe rozwinęły system kontroli i równowagi znany jako apoptoza43,44. Główne TF apoptozy p53 (TP53) i jego kofaktor p16 lub p14ARF (CDKN2A) odgrywają kluczową rolę zatrzymując proliferujące komórki, aby umożliwić naprawę uszkodzeń, lub inicjując uporządkowane samobójstwo, jeśli takie uszkodzenia nie mogą być naprawione45,46. Podczas embriogenezy ekspresja p53 ulega zmniejszeniu, być może dlatego, że embrionalne komórki macierzyste ulegają samoodnowieniu bez wykładniczej proliferacji47,48,49. Badania funkcjonalne nad zróżnicowaną ekspresją p53 przy użyciu testów reporterowych wykazały wyższą ekspresję na późniejszych etapach rozwoju i obniżoną ekspresję w komórkach ostatecznie zróżnicowanych48. Podczas podziału komórki, szlaki p53 silnie antagonizują szlaki MYC w celu zatrzymania proliferacji, pozwalając uszkodzonym komórkom na naprawę; komórki nienaprawialne ulegają samozniszczeniu poprzez nieodwracalną apoptozę w celu ochrony integralności całego organizmu43. Ponieważ myszy pozbawione p53 (KO) mają normalny rozwój i nie są powiększone50, ilustruje to, że szlaki apoptozy nie są dominującymi mechanizmami używanymi przez lineage-progenitory do zakończenia wykładniczej proliferacji. Tak więc, myszy wykazujące podwójny KO Trp53 i Phosphatase and tensin homolog (Pten) rozwijają guzy glejaka poprzez brak antagonizacji MYC, ale ten fenotyp jest obserwowany tylko w przypadku podwójnego KO Trp53 i Pten45,46. W PDAC najczęstszą mutacją genu jest KRAS (~92%). GEMM-y, u których zmutowany KRAS (myszy KC) ulega ekspresji w komórkach trzustki, rozwijają PDAC w 30 do 40% przypadków w wieku ~8-12 miesięcy51. Dodanie zmutowanego Trp53 do powyższego GEMM (myszy KPC) zwiększa penetrację PDAC i zmniejsza przeżywalność do ~5 miesięcy, podczas gdy myszy KC z delecją Ink4a przeżywają ~2-3 miesiące52,53. Myszy z samym zmutowanym Trp53 bez zmutowanego Kras nie rozwijają PDAC53. Natomiast w mysich modelach raka jajnika wykazano, że inaktywacja Trp53 skutkuje inwazyjnymi guzami, ale rozwój nowotworu jest przyspieszony u myszy z jednoczesną inaktywacją Brca1 i Trp5354.

TP53 i CDKN2A są często inaktywowane dwu-równolegle w ludzkich nowotworach złośliwych (ryc. 2a). Taka inaktywacja ma istotny wpływ na leczenie7. Aby przerwać proliferację nowotworu złośliwego, konwencjonalne chemioterapeutyki dążą do podwyższenia poziomu p53/p16 poprzez indukowanie stresu cytotoksycznego, który naśladuje fizjologiczne aktywatory tego szlaku55. Ponieważ komórki złośliwe i prawidłowe współistnieją w tym samym środowisku, takie leczenie ma niekorzystny indeks terapeutyczny, ponieważ geny te są zmutowane/ fizycznie niedostępne w komórkach złośliwych, ale nienaruszone w komórkach prawidłowych. Zbadano wiele metod ponownego zaangażowania apoptozy w terapii nowotworów, ale trudno było rozwiązać ten podstawowy problem indeksu terapeutycznego56. Postępy w technikach genomicznych wskazują, że gdy geny TP53/CDKN2A są typu dzikiego, tak jak w raku jądra, leczenie chemioterapią cytotoksyczną (np. cisplatyną) powoduje całkowite odpowiedzi, które zwiększają przeżycie całkowite i wolne od choroby57 (ryc. 2a, b). Nowotwory o wysokim stopniu inaktywacji TP53/CDKN2A nie wykazują takich odpowiedzi, co prowadzi do oporności na wiele metod leczenia opartych na apoptozie (szeroka chemio- i radiooporność) (ryc. 2a, b, e, f)7. Nawet różne typy nowotworów pochodzące z tego samego narządu lepiej odpowiadają na terapię, jeśli geny apoptozy są nienaruszone. Na przykład mutacje TP53 i CDKN2A występują odpowiednio w ~70 i 90% PDAC58 (ryc. 2a). Całkowity wskaźnik 5-letniego przeżycia w PDAC wynosi ~9%, nawet jeśli uwzględni się pacjentów leczonych chemioterapią, terapiami skojarzonymi i/lub chirurgią59,60. Natomiast guzy neuroendokrynne trzustki (PNET) na ogół nie są nosicielami mutacji TP53, wykazują jedynie minimalne delecje CDKN2A61 , a ich 5-letnie przeżycie wynosi >50%, gdy są leczone terapią indukującą apoptozę62. Podobnie, glejak wielopostaciowy (GBM) wykazuje różnorodne cechy kliniczne, histopatologiczne i molekularne, a mutacje TP53 występują w ~30% przypadków pierwotnych i ~65% wtórnych GBM63,64. Komórki glejaka z WT TP53 są wrażliwe na stres cytotoksyczny wywołany przez klinicznie dostępne chemioterapeutyki w porównaniu z komórkami z transkrypcyjnie wyciszonym zmutowanym TP5365,66,67. Dodatkowo, w mysim modelu PDAC indukowanym Trp53 (KPC), genetyczna inaktywacja jednego allelu Myc uwrażliwia na odpowiedź terapeutyczną gemcytabiny40. W związku z tym przeanalizowaliśmy dane genomowe, porównując pierwszą dziesiątkę nowotworów złośliwych o podwyższonej częstości zmian TP53/CDKN2A (TP53/CDKN2A-high) z pierwszą dziesiątką nowotworów złośliwych o niskiej częstości zmian TP53/CDKN2A (TP53/CDKN2A-low) (ryc. 2b, c). Stwierdziliśmy, że 7/10 nowotworów TP53/CDKN2A-high miało spadek przeżycia wolnego od choroby i przeżycia całkowitego, gdy te geny były zmutowane (ryc. 2b; tabela S1) (wartości p < 0,05). Konsekwentnie, nawet w przypadkach TP53/CDKN2A-low, odnotowano spadek przeżycia wolnego od choroby i przeżycia całkowitego, gdy te geny były zmienione (p-values < 0,05) (ryc. 2c; Tabela S1). Tak więc częstość zmian w genach apoptozy jest niższa w uleczalnych nowotworach złośliwych (rak jądra / dziecięca ALL) w porównaniu z nowotworami o wysokiej oporności na leczenie / opornymi na leczenie (PDAC / HCC) (ryc. 2g). Podczas fizjologicznego dojrzewania, WT TP53 indukuje nieodwracalną apoptozę niezdrowych komórek, aby zachować integralność całego organizmu (ryc. 2h). Natomiast ewolucja onkogenna mutuje mediatory apoptozy prowadząc do oporności na indukcję apoptozy (Ryc. 2h).

Ryc. 2: Indukcja apoptozy w nowotworach złośliwych z mutacją p53/p16 pozostaje toksyczna dla komórek prawidłowych przy jednoczesnym powiązaniu z oporną chorobą.

a Dane zostały pobrane z TCGA i ICGC i przeanalizowane w cBioPortal pod kątem mutacji w genach TP53 i CDKN2A. b Top 10 nowotworów złośliwych z wysokimi mutacjami TP53/CDKN2A (TP53/CDKN2A high). *Przypadki, w których te zmiany były związane z gorszym przeżyciem wolnym od choroby lub przeżyciem całkowitym z p-value < 0,05 (Tabela S1). c Dolna dziesiątka przypadków z najmniejszą częstością zmian w TP53/CDKN2A (TP53/CDKN2A low). *d Disease-free survival of testicular cancer, cases with minor alterations (gains, and heterozygous loss of one allele in TP53 and CDKN2A) vs. cases with wild type TP53 and CDKN2A. e Przeżycie wolne od choroby w przypadkach raka trzustki z mutacją TP53 i CDKN2A było istotnie niższe w porównaniu z przypadkami z TP53 i CDKN2A typu dzikiego (p-value = 0,211, test LogRank).0078, test LogRank). f Przeżycie wolne od choroby w przypadku raka wątroby było również istotnie niższe w przypadkach zmutowanego TP53 i CDKN2A w porównaniu z przypadkami z dzikim TP53 i CDKN2A (p-value = 0,0068, test LogRank). g Analiza ilościowa mutacji TP53 i CDKN2A wykazała mniejszą częstość mutacji tych genów w nowotworach u ludzi uleczalnych w porównaniu z wysoce opornymi na leczenie. h Podczas fizjologicznego dojrzewania komórki niezdrowe z WT p53/p16 ulegają nieodwracalnej apoptozie. Zmiany w tych białkach podtrzymują ewolucję onkogenną prowadzącą do nieprawidłowej proliferacji bez apoptozy

Genetyczne i epigenetyczne zmiany genów różnicowania w nowotworach

Najbardziej agresywne ludzkie nowotwory złośliwe są słabo zróżnicowane13. Podczas gdy różnicowanie przyczynia się do niskiej przeżywalności w wielu ludzkich nowotworach złośliwych, mechanizmy, które leżą u podstaw hamowania różnicowania w komórkach złośliwych są w większości niejasne, ale pojawia się nowa wiedza na ten temat5,6,7. Zidentyfikowaliśmy kluczowe główne TF linii dla rozwoju jajnika, trzustki i wątroby, wykorzystując opublikowane badania konwersji linii lub badania z transgenicznymi modelami mysimi6,68,69,70,71,72,73,74 (Tabela 1). Różnicowanie komórkowe i programy przywiązywania się do linii są dyktowane przez tę garstkę głównych TF i ich kofaktorów. Podczas gdy wiele kofaktorów odgrywa ważną rolę, najważniejszymi z nich są koaktywatory transkrypcji i corepressory, które wykorzystują ATP do przebudowy chromatyny w celu włączenia lub wyłączenia genów docelowych33,34,75. W związku z tym, przeanalizowaliśmy zmiany genetyczne w TF-ach liniowych, ich koaktywatorach i korepresorach w OVC, PDAC i HCC (Tabela 1).

Ponieważ komórki złośliwe nie mogą całkowicie zahamować różnicowania, ponieważ jest ono kontinuum, wzdłuż którego istnieją wszystkie komórki, główne TF-y, które określają przywiązanie do różnych linii, prawie nigdy nie są całkowicie inaktywowane przez mutacje, ale często są haploinsuwalne (Ryc. 3a; Tabela 1). Ta redukcja dawki jest wystarczająca do zatrzymania postępu wzdłuż kontinuum różnicowania w jego najbardziej proliferacyjnych punktach5,6,7. Na przykład utrata FOXL1 była częsta w OVC (ryc. 3a), a częstotliwość utraty FOXL1 była najwyższa w słabo zróżnicowanych OVC (ryc. 3b). Ten wzorzec był podobny dla GATA4 w PDAC i HCC, mimo że te nowotwory złośliwe miały niewielką liczbę pacjentów, którzy przeżyli poza stadium I i II (ryc. 3b, c). Zidentyfikowaliśmy kluczowych partnerów interakcji, którzy są koaktywatorami i represorami różnych TF specyficznych dla linii rozwojowych (Tabela 1) poprzez analizę literatury i danych zdeponowanych w bazie UniProt (http://www.uniprot.org/). Aby wzmocnić zahamowanie różnicowania, koaktywatory były często inaktywowane i usuwane (tab. 1; ryc. 4a), co sprzyjało represji genów będących celem kluczowych TF. Nowe dowody sugerują, że takie zmiany upośledzają szlaki pośredniczące w różnicowaniu końcowym6,7,76. Wczesne odkrycia funkcji tych enzymów koaktywatorów wykazały, że ich rola w fizjologii polegała na wykorzystaniu ATP do mobilizacji oddziaływań histonów z DNA w taki sposób, że nagi DNA był odsłonięty, co pozwalało TF na wiązanie się i aktywację genów docelowych33,34,75,77. Proces ten jest zachowany w ewolucji od drożdży78, jednego z najprostszych metazoa, do homo-sapiens77. Inaktywacja tych genów w nowotworach może być próbą upośledzenia zdolności koaktywatorów do eksponowania DNA dla głównych TF, które aktywują geny downstream. Główną wskazówką dla tej hipotezy jest to, że główne TF linii są selektywne w użyciu specyficznych koaktywatorów do pośredniczenia w aktywacji genów linii (Tabela 1). Inną wskazówką jest to, że komórki złośliwe mają tendencję do utraty jednego allelu TF określających linię, co może być wystarczające, aby umożliwić zaangażowanie linii, ale niewystarczające do ostatecznego różnicowania6,7 (ryc. 3a; tabela 1). Na przykład, progenitory wątroby wymagają współpracy pomiędzy GATA4 i FOXA1 w celu rekrutacji koaktywatorów (np. ARID1A) i pośredniczenia w aktywacji genów różnicowania hepatocytów. W HCC heterozygotyczna utrata GATA4 jest częsta (68%, n = 366, ryc. 3a; tab. 1), a mutacje inaktywujące ARID1A są powszechne (44%, n = 366, ryc. 4a; tab. 1)6. Różnicowanie wątroby jest upośledzone, a proliferacja zwiększona w wątrobach z warunkową haploinsuencją Gata4 lub Arid1a6,76,79. Ponadto, ponowne wprowadzenie GATA4 w HCC z niedoborem GATA4, lub ARID1A w HCC z mutacją ARID1A, ale z nienaruszonym GATA4, aktywuje setki genów różnicowania nabłonka hepatocytów6. Do głównych TF linii trzustkowej należą GATA4 i GATA680,81. W PDAC obserwuje się utratę liczby kopii jednego allela tych czynników, a także mutacje utraty funkcji w koaktywatorach (tab. 1; ryc. 3a, 4a). Jednakże PDAC charakteryzowały się również wysoką częstością amplifikacji lub wzmocnienia GATA4 i GATA6, co sugeruje, że w niektórych przypadkach te TF mogą dawać przewagę wzrostową komórkom raka trzustki. W OVC często dochodzi do utraty jednego allelu głównego jajnikowego TF FOXL182,83 (80%, ryc. 3a; tab. 1 n = 316), podczas gdy koaktywatory, takie jak ARID3A i ARID3B, są często inaktywowane (tab. 1; ryc. 4a). Tak więc w rdzeniu transformacji złośliwej utrudnienie różnicowania rutynowo zwiększa proliferację złośliwą i jest osiągane poprzez haploinsufficiency głównych TF i inaktywację koaktywatorów, z których korzystają. To zrozumienie może prowadzić do terapii mających na celu ponowne zaangażowanie różnicowania w przód, jako alternatywy dla apoptozy, jako środka kończącego proliferację złośliwą.

Fig. 3: Zmiany genetyczne w głównych czynnikach transkrypcyjnych określających linie rozwojowe w ludzkich nowotworach złośliwych.

a Analiza danych TCGA zdeponowanych w cBioPortal w celu określenia zmian głównych czynników transkrypcyjnych różnych linii rozwojowych (Tabela 1). Kluczowe czynniki transkrypcyjne określające linie rozwojowe były w większości haploinsuficjalne (heterozygotyczna delecja/hetloss) w komórkach złośliwych lub zawierały częste amplifikacje i gains. Żaden z czynników transkrypcyjnych nie miał biallelicznych mutacji inaktywujących typu frameshift. Tak więc zahamowanie różnicowania zachodzi poprzez genetyczną haploinsuffiency kluczowych czynników transkrypcyjnych specyficznych dla danej linii6. b Analiza delecji FOXL1 w różnych stopniach zróżnicowania (stopnie patologiczne) raka jajnika. c Analiza delecji GATA4 w różnych stopniach zróżnicowania raka trzustki (PDAC). d Analiza delecji GATA w różnych stopniach zróżnicowania raka wątroby (HCC)

Ryc. 4: Częste mutacje inaktywujące koaktywatorów oraz amplifikacja i przyrost liczby kopii w loci genów rdzeni transkrypcyjnych.

DaneTCGA zostały przeanalizowane w cBioPortal w celu określenia częstych mutacji genetycznych w enzymach transkrypcyjnych corepressorów i koaktywatorów (Tabela 1). a Mutacje inaktywujące, mutacje bi-alleliczne i mutacje typu frameshift oraz delecje enzymów koaktywatorów transkrypcji w rakach jajnika, trzustki i wątroby (Tabela 1). b Przyrost liczby kopii (CN) i amplifikacje korepresorów były często obserwowane w różnych nowotworach, w tym w raku jajnika (OVC), raku trzustki (PDAC) i raku wątroby (HCC) (Tabela 1). c Analiza przyrostu CN HES1 w różnych stopniach zróżnicowania (stopniach patologicznych) OVC. d Analysis of CN gains of BAZ1B across varying degrees of differentiation grades PDAC. e Analiza CN gains KDM1B across varying degrees of differentiation grades HCC

Corepressor enzymes: emerging targets for differentiation-restoring oncotherapy

An enhanceosome is composed of multiprotein complexes cooperating to activate genes of a given lineage84,85, e.g., enhanceosomy wątrobowe aktywują geny hepatocytów6, natomiast enhanceosomy trzustkowe i jajnikowe aktywują odpowiednio geny trzustkowe86 i jajnikowe87. Genetyczne zaburzenie tej współpracy może spowodować przesunięcie zawartości tych węzłów białkowych z koaktywatorów na korepresory, które zamiast tego represjonują geny linii76,88,89. Taka represja jest dodatkowo umożliwiona przez nieodłączny zamknięty status chromatyny genów końcowego różnicowania, kontrastujący z nieodłącznie otwartą chromatyną genów proliferacji i wczesnego różnicowania6,7,90.

Aby proliferacja wykładnicza zachodziła w oderwaniu od różnicowania w przód, wysoki stopień aktywności rdzeniowej jest niezbędny do epigenetycznego wyciszania genów różnicowania liniowego. W związku z tym, nieprawidłowa aktywność rdzenników jest często obserwowana w komórkach złośliwych, gdzie setki genów różnicowania terminalnego mają nagromadzenie aktywnych rdzenników6,89. W przeciwieństwie do koaktywatorów, które często ulegają inaktywacji w wyniku mutacji/delecji genetycznych6, w komórkach złośliwych ekspresory są często albo typu dzikiego, albo amplifikowane (tab. 1; ryc. 4b). Enzym metylotransferaza DNA 1 (DNMT1) jest represorem dla głównego TF, a także metylotransferazą podtrzymującą, która odtwarza metylację CpG na nowo syntetyzowanej nici DNA, gdy komórki przechodzą przez cykle podziału91,92,93. W danych TCGA PANCAN wysoki poziom DNMT1 wiąże się z gorszym przeżyciem (p < 0,00001, n = 5145), w porównaniu z przypadkami o niskim poziomie DNMT1 (n = 5199) (ryc. 5a). Sugeruje to ważną rolę tego enzymu w licznych ludzkich nowotworach. Dlatego w ostatniej dekadzie rozwinęły się liczne badania mające na celu opracowanie interwencji terapeutycznych skierowanych na DNMT1 w terapii nowotworów94,95,96,97,98,99,100,101,102. Podobnie, Ubiquitin-like, containing PHD and RING finger domains, 1, (UHRF1), ściśle współpracuje z DNMT1 w regulacji metylacji DNA103,104. Przeanalizowaliśmy poziomy ekspresji UHRF1 w zbiorze danych PANCAN i stwierdziliśmy, że wysokie poziomy ekspresji UHRF1 (p < 0,0001, n = 5150) silnie przewidywały słabe wskaźniki przeżycia w porównaniu z niskimi poziomami (n = 5189) (ryc. 5b), ilustrując znaczenie tych genów metylacji w ludzkich nowotworach.

Fig. 5: Upregulation Corepressor and model for inhibiting corepressors to re-engage forward-differentiation.

a Podwyższenie mRNA przez Corepressor DNMT1 przewiduje słabe przeżycie w wielu ludzkich nowotworach złośliwych w danych TCGA PANCAN. b Podwyższenie mRNA przez Corepressor UHRF1 (który współpracuje z DNMT1 w działaniach represji epigenetycznej) przewiduje słabe przeżycie w wielu ludzkich nowotworach złośliwych w danych TCGA PANCAN. c Modelowy przykład w PDAC zmian w koaktywatorach i korepresorach oraz kandydackie małe cząsteczki, które mogą być wykorzystane jako terapia korepresorowa. d Modelowe podsumowanie schematu dla niezależnej od p-53 terapii przywracającej różnicowanie. Komórki niezłośliwe (komórki prawidłowe) mają nienaruszone czynniki transkrypcyjne determinujące linię losu komórkowego, które dynamicznie rekrutują koaktywatory i enzymatyczne korepresory do włączania lub wyłączania genów różnicowania. Redukcja dawki genów poprzez heterozygotyczną delecję głównego czynnika transkrypcyjnego i mutacje inaktywujące w jego koaktywatorach upośledza epigenetycznie komponent aktywacji genów różnicowania6. Aberrantne amplifikacje w transkrypcyjnych enzymach corepressorowych ułatwiają zamknięty status chromatyny i epigenetycznie wyciszają setki genów różnicowania6, 7 (Tabela 1). Ten sposób mutacji ma znaczenie kliniczne i może być rozwijany w celu tłumienia proliferacji nawet w nowotworach złośliwych z mutacją TP53102, 105

Deplecja DNMT1 bez cytotoksyczności przynosi korzyści terapeutyczne nawet w zespole mielodysplastycznym (MDS) i ostrej białaczce szpikowej (AML) zawierających defekty układu p53102,105, a wiele badań klinicznych jest w toku, aby ocenić DNMT1-deplecja szerzej w terapii nowotworów (chociaż decytabina i 5-azacytydyna używane do deplecji DNMT1 mają ograniczenia farmakologiczne, które mogą osłabić ich zdolność do deplecji-DNMT1 z guzów litych) (Tabela 2). W ostrej białaczce promielocytowej (APL) całkowite remisje uzyskuje się dzięki połączeniu arszeniku z kwasem retinowym w celu zahamowania corepressorów rekrutujących się na białaczkowym białku fuzyjnym PML-RARA106,107. Ponieważ korepresory nie są zmutowane i mają aberrantną aktywność w raku, są one wystarczającym i logicznym celem molekularnym, który może angażować geny terminalnego różnicowania dla wyjść z cyklu komórkowego p537,89,99,100,102,105,108,109,110,111 (Tabela 2; Rys. 5c, d).

Tabela 2 Kluczowa przedkliniczna i kliniczna ocena terapii rdzeniowej w nowotworach

Różne inne rdzeniowce były również badane jako potencjalne cele molekularne dla epigenetycznej terapii nowotworów. Na przykład, enzymy deacetylazy histonowej (HDAC) są kluczowymi regulatorami zwerbowanymi do węzłów TF wielu ludzkich nowotworów złośliwych i są znanymi epigenetycznymi supresorami ekspresji genów5,6,88,89. W wielu badaniach przedklinicznych enzymy HDAC były badane jako potencjalne czynniki indukujące różnicowanie się komórek94,95. Jednym z problemów związanych z ukierunkowaniem na HDAC jest jednak ich plejotropowa funkcja komórkowa – nawet aktywność ukierunkowana na cel może powodować niezamierzone efekty uboczne. Innymi typowymi regulatorami różnicowania w wielu ludzkich nowotworach złośliwych są enzymy demetylazy lizyny, takie jak KDM1A (ryc. 4b). W różnych badaniach wykazano indukcję różnicowania poprzez farmakologiczne ukierunkowanie KDM1A, a związane z tym próby kliniczne są obecnie w toku112,113,114,115,116. Carugo i wsp., wykorzystując badania przesiewowe in vivo o dużej przepustowości, wykazali ostatnio związek między represorem WDR5 a trwałą proliferacją PDAC117 pośredniczoną przez MYC. Zakłócenie działania WDR5 poprzez próby inhibicji prowadziło do zatrzymania progresji guza i wydłużenia przeżycia w mysich modelach PDX PDAC117. W tym systematycznym przeglądzie udokumentowaliśmy dodatkowe czynniki redukujące, rekrutowane do głównych węzłów TF w wielu ludzkich nowotworach złośliwych, które wymagają dodatkowej walidacji genetycznej i farmakologicznej jako kandydackie cele molekularne zwiększające różnicowanie. Należą do nich HES1, BAZ1A/B, BAZ2A, EED, SUZ12 i UHRF1 (ryc. 4b, 5b; tab. 1). Ponadto stwierdzono, że podwyższenie poziomu tych ekspresorów wiąże się z zaawansowanymi klinicznie stadiami patologicznymi, co sugeruje bezpośredni wpływ na supresję różnicowania. Dla przykładu, HES1 okazał się najczęstszym regulatorem w OVC (ryc. 4b), a w III i IV stopniu zaawansowania OVC obserwowano większy przyrost HES1 w porównaniu z I i II stopniem zaawansowania (ryc. 4c). Tak więc terapia hamująca HES1 może mieć istotne znaczenie w terapii różnicowania OVC. Taki sam wzorzec obserwowano również dla BAZ1B w PDAC i KDM1B w HCC (ryc. 4b, d, e). Obserwacje te sugerują, że w tych nowotworach ukierunkowanie na te kluczowe enzymy w celu indukcji różnicowania może dostarczyć dodatkowych strategii terapeutycznych, które omijają defekty systemu p53.

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.