PATOLOGIE
Homeoboxové geny: molekulární spojení mezi vývojem a rakovinou
Geny homeobox:
Fabio Daumas NunesI; Fernanda Campos Souza de AlmeidaII; Renata TucciIII; Suzana Cantanhede Orsini Machado de SousaIV
IPhD, odborná asistentka
IIDentist, stážistka
IIIDoctorate Student
IVPhD, docentka Department of Oral Pathology, School of Dentistry, University of São Paulo.
ABSTRAKT
Homeoboxové geny jsou regulační geny kódující jaderné proteiny, které působí jako transkripční faktory a regulují aspekty morfogeneze a diferenciace buněk během normálního embryonálního vývoje několika živočichů. Homeoboxové geny obratlovců lze rozdělit na dvě podrodiny: shlukové neboli HOX geny a neshlukové neboli divergentní homeoboxové geny. Během posledních desetiletí bylo identifikováno několik homeoboxových genů, shlukovitých i neshlukovitých, v normálních tkáních, v maligních buňkách a u různých onemocnění a metabolických změn. Homeoboxové geny se podílejí na normálním vývoji zubů a na familiární agenezi zubů. Normální vývoj a rakovina mají mnoho společného, protože oba procesy zahrnují posuny mezi buněčnou proliferací a diferenciací. V literatuře se hromadí důkazy, že homeoboxové geny hrají důležitou roli v onkogenezi. Mnoho nádorových onemocnění vykazuje expresi homeoboxových genů nebo jejich změny. Patří mezi ně mimo jiné leukemie, rakovina tlustého střeva, kůže, prostaty, prsu a vaječníků. Cílem tohoto přehledu je seznámit čtenáře s některými funkcemi rodiny homeoboxů v normálních tkáních a zejména v nádorových onemocněních.
Deskriptory: Geny, homeoboxy; novotvary; růst & Vývoj.
SHRNUTÍ
Homeoboxové geny jsou regulační geny kódující jaderné proteiny, které působí jako transkripční faktory a regulují různé aspekty morfogeneze a diferenciace buněk během normálního embryonálního vývoje různých živočichů. Homeoboxové geny obratlovců lze rozdělit do dvou rodin: shlukové neboli HOX a neshlukové neboli divergentní. V posledních desetiletích bylo identifikováno několik homeoboxových genů, shlukových i neshlukových, v normálních tkáních, v maligních buňkách a u různých onemocnění a metabolických stavů. Homeoboxové geny se podílejí například na normálním vývoji zubů a na familiárně se vyskytující agenezi zubů. Normální vývoj a rakovina mají mnoho společného, protože v obou případech dochází k proliferaci a diferenciaci buněk. V literatuře se objevuje stále více prací o vztahu homeoboxových genů k onkogenezi. Mnoho typů rakoviny vykazuje expresi nebo změny v homeoboxových genech. Patří mezi ně mimo jiné leukémie, rakovina tlustého střeva, kůže, prostaty, prsu a vaječníků. Cílem tohoto přehledu je seznámit čtenáře s některými funkcemi rodiny homeoboxů v normálních tkáních a zejména v nádorových onemocněních.
Deskriptory: Homeoboxové geny; novotvary; vývoj růstu &.
ÚVOD
Homeoboxové geny jsou hlavní vývojové kontrolní geny, které působí na vrcholu genetické hierarchie regulující aspekty morfogeneze a diferenciace buněk u živočichů24. Tyto geny byly poprvé objeveny u ovocné mušky Drosophila22 a identifikovány jako geny, jejichž mutace způsobují přeměnu tělních segmentů, známou také jako homeotická přeměna. Tento jev spočívá v přeměně jedné části těla v jinou, např. moucha má čtyři křídla místo dvou.
Rodina homeoboxových genů kóduje regulační proteiny řídící základní vývojové procesy v několika tkáních, včetně orofaciálních tkání33. Obsahují společnou 180nukleotidovou sekvenci (homeobox) kódující specifické jaderné proteiny (homeoproteiny), které působí jako transkripční faktory. Homeoboxová sekvence kóduje 60aminokyselinovou doménu, homeodoménu, která je zodpovědná za vazbu na DNA8,11,32. Strukturní analýzy ukázaly, že homeodoména se skládá z motivu helix-turn-helix, který váže DNA zasunutím rozpoznávací šroubovice do hlavního žlábku DNA a jejího amino-terminálního ramene do sousedního vedlejšího žlábku13. Specifičnost této vazby umožňuje homeoproteinům aktivovat nebo potlačovat expresi baterií následných cílových genů21. Homeoboxy jsou také pod regulací některých proteinů, jako jsou signální proteiny Sonic hedgehog (SHH), fibroblastový růstový faktor (FGF) a kostní morfogenetický protein (BMP). Bylo prokázáno, že homeoboxy se vyskytují u všech Metazoa, od hub po obratlovce, a také u rostlin a hub6.
Cílem tohoto přehledu je seznámit čtenáře s některými funkcemi rodiny homeoboxů v normálních tkáních a zejména ve vývoji nádorových onemocnění, které by mohly mít v blízké budoucnosti cenný klinický význam.
HOMEOBOXOVÉ GÉNY VE VÝVOJI
Rodinu homeoboxových genů obratlovců lze rozdělit na dvě podrodiny: a) shlukové homeoboxové geny, známé jako HOX geny nebo geny třídy I, a b) neshlukové neboli divergentní homeoboxové geny.
Rodina HOX hraje zásadní roli v morfogenezi buněk embrya obratlovců a poskytuje regionální informace podél hlavní osy těla11,24 . Tato rodina je strukturně i funkčně homologní s homeotickým komplexem (HOM-C) u drozofily. U myší (HOX geny) a lidí (HOX geny) existuje nejméně 39 genů uspořádaných do čtyř genomických klastrů o délce přibližně 100 kb, které se nazývají HOX lokusy. Každý klastr se nachází na jiném chromozomu (HOX-A, HOX-B, HOX-C a HOX-D, respektive na 7p, 17p, 12p a 2p) a zahrnuje 9 až 11 genů uspořádaných v homologní sekvenční organizaci (obr. 1)7,8 . Bylo zjištěno, že geny HOX se podílejí na angiogenezi a opravě ran36 , na funkcích ženského reprodukčního ústrojí35 a na plicní hypertenzi a emfyzému14 . Mutace v genech HOX se ještě mohou podílet na lidských malformacích, např. HOXA13 vytváří syndrom ruka-noha-genitál15, HOXB1 vytváří Mowat-Wilsonův syndrom39 a Duanesův retrakční syndrom (DRS) souvisí s klastrem HOXD1. Také Ingram a spol.16 (2000) uvedli důkaz interakce mezi HOXA1, HOXB1 a pohlavím při náchylnosti k poruchám autistického spektra.
Neklastrové geny představují velké množství genů rozptýlených po celém genomu, které však lze na základě jejich homologií a funkčních podobností uspořádat do samostatných rodin. Mezi tyto rodiny patří mimo jiné homeoboxové geny pro párové (PAX), ortodentikulární (OTX), svalové segmenty (MSX), distální (DLX), ocasní (CDX) a prázdné spiraculy (EMX)24 .
Během posledních desetiletí bylo identifikováno několik homeoboxových genů, shlukových i neshlukových, v normální tkáni, v maligních buňkách a u různých onemocnění a metabolických změn7. Geny PAX jsou rodinou homeoboxů s nejsilnějším vztahem k lidským onemocněním. PAX2 se podílí na vzniku rakoviny prsu34, hypoplazii ledvin a onemocnění ledvin26; PAX3 hraje roli u rabdomyosarkomů2 a melanomů31; PAX5 určuje identitu B buněk28. Homeoboxové geny MSX se podílejí na normálním vývoji zubů a na familiární agenezi zubů9.
HOMEOBOX A RAKOVINA
Rakovina dutiny ústní je v obecné populaci pátým, resp. sedmým nejčastějším nádorovým onemocněním u mužů a žen. Přibližně polovina postižených pacientů zemře do pěti let od stanovení diagnózy38. Dlaždicobuněčné karcinomy tvoří 96 % všech nádorů dutiny ústní. V posledním desetiletí bylo dosaženo značného pokroku při vymezování molekulárních změn, které vedou k onkogenní transformaci11. Několik studií naznačuje, že užívání alkoholu a tabáku jsou důležitými faktory způsobujícími rakovinu ústní dutiny19,38. Předpokládá se genetická predispozice, protože u většiny populace vystavené uvedeným rizikovým faktorům rakovina dutiny ústní nevzniká. Také sporadické případy rakoviny dutiny ústní se vyskytují u mladých dospělých, neuživatelů žádného identifikovatelného karcinogenu, a objevují se zprávy o výskytu v rodinné anamnéze23. V současné době bylo navrženo mnoho genetických událostí způsobených chromozomálními změnami nebo mutacemi, které podtrhují progresi nádorů dutiny ústní38. Důležitou skupinou genů, které se podílejí na karcinogenezi, jsou vývojové regulační geny4,11 . Tyto geny nebyly nikdy spojovány s rakovinou dutiny ústní. Nedávno se podařilo prokázat, že čtyři různé buněčné linie dlaždicobuněčného karcinomu exprimují geny HOX odlišně od kontrolních buněk a tkáně27.
Rakovina a normální vývoj mají mnoho společného, protože oba procesy zahrnují posuny mezi buněčnou proliferací a diferenciací4. Nedávný výzkum ukázal, že nesprávná regulace vývojových genů může mít za následek vznik rakoviny. O vzájemném působení, které existuje mezi vývojem, buněčným cyklem, apoptózou a rakovinou, je však třeba se ještě hodně naučit.
Mnoho druhů rakoviny vykazuje expresi nebo změny v homeoboxových genech. Patří mezi ně mimo jiné leukémie, rakovina tlustého střeva, kůže, prostaty, prsu a vaječníků. Nedávno se ukázalo, že ztráta exprese genu p53, který chrání buňky před maligní transformací, u lidského karcinomu prsu může být způsobena především nedostatečnou expresí HOXA529. Přesné mechanismy, kterými změny homeoboxových genů vedou ke vzniku rakoviny, však stále nejsou známy11.
Prokázání vzorců aktivace genů HOX specifických pro jednotlivé buněčné linie u lidských a myších leukemických buněčných linií podporuje hypotézu, že exprese genů HOX může regulovat normální hematopoetickou diferenciaci21. Změněná exprese genů HOX nacházejících se v lokusech HOXA a HOXB se často podílí na leukemogenezi. Infekce buněk normální kostní dřeně konstruktem LTR/HOXB8 spolu s působením genu IL-3 dokázala u myší vyvolat myeloidní leukemii24.
U tří pacientů s myeloidní leukemií a translokací t(7;11)25 byla prokázána genomová fúze v rámci mezi nukleoporinovým genem NUP98 a genem HOXA9. Chimérické fúzní proteiny vzniklé z transkripční aktivační domény jednoho proteinu a DNA vazebné domény jiného proteinu vykazují vysoký onkogenní potenciál. Jiné fúze, jako PBX1 s E2A a HRX s jadernými proteiny, mění sekvenčně specifickou vazbu genů HOX, směrují homeoproteiny na jiný cíl a indukují leukemogenezi19. Lokus HOXC se uplatňuje především u lymfomů. HOXC4, C5 a C6 jsou ex presovány u nehodgkinských lymfomů a vykazují typ a místo exprese omezené na T- i B-buněčné nehodgkinské lymfomy3.
Významné rozdíly v expresi genů HOX jsou zjistitelné u primárních solidních nádorů (ledvin, tlustého střeva, prsu, prostaty a malobuněčného karcinomu plic) ve srovnání s odpovídajícími normálními orgány dospělého člověka7,20 . Misexprese genů HOX je zjistitelná v metastatických lézích souvisejících s primárním původním nádorem a odpovídající normální tkání, což podporuje hypotézu o podílu homeoproteinů na evoluci rakoviny10.
Nadměrná exprese homeoboxového genu HSIX1 v buňkách MCF7 zrušila kontrolní bod buněčného cyklu G2 v reakci na rentgenové ozáření, jak bylo pozorováno u HOX11. Kromě toho je HSIX1, stejně jako HOX11, aberantně exprimován u nádorových onemocnění. Nadměrná exprese HSIX1 je pozorována u 44 % primárních a 90 % metastatických lézí prsu, což naznačuje, že HSIX1 může hrát roli při progresi rakoviny prsu11. V mléčných žlázách se transkripty HOXC6, které jsou aktivní během puberty a zralosti, odmlčely během těhotenství, pravděpodobně v důsledku negativní regulace steroidním hormonem, a jsou neaktivní i v adenokarcinomech mléčné žlázy12.
U jiných nádorů byla rovněž zaznamenána exprese genů HOX. Například adenokarcinomy ledvin důsledně exprimují gen HOXA9 a jen zřídka exprimují gen HOXD10 nebo HOXC930. HOXB6, HOXB8 a HOXC9 jsou v různých fázích vývoje karcinomu tlustého střeva exprimovány v malé míře37. HOXB7 je v normálních melanocytech němý, ale v melanomech se stal aktivním5. V myší kůži byly HOXA6, A7 a B7 identifikovány v papilomu, ale ne v normální kůži6. HOXC6, D1 a D8 jsou exprimovány v lidských neuroblastomových buňkách8. A konečně u osteosarkomů se zdá, že exprese HOXC6 je regulována členy nadrodiny TGF-b18.
ZÁVĚRY
Očekává se souvislost mezi vývojem a rakovinou, protože oba procesy zahrnují buněčnou proliferaci a diferenciaci. Homeoboxové geny byly poprvé popsány u organismů ve vývoji a nyní je známo, že jsou exprimovány u mnoha typů rakoviny. Rozdíl mezi expresním vzorcem v odlišných normálních tkáních a v nádorových tkáních musí být dále charakterizován, aby všechny v karcinogenezi. Také další charakterizace isence modulace exprese těchto genů u novotvarů, včetně rakoviny dutiny ústní.
PODĚKOVÁNÍ
Výzkum je financován granty 97/13228-5 a 01/13644-6 od FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.
1. Appukuttan B, Sood R, Ott S, Makalowska I, Patel RJ, Wang X, et al. Isolation and characterization of the human homeobox gene HOX D1. Mol Biol Rep 2002;27:95-201.
2. Barber TD, Barber MC, Tomescu O, Barr FG, Ruben S, Friedman TB. Identifikace cílových genů regulovaných PAX3 a PAX3 – FKHR v embryogenezi a alveolárním rabdomyosarkomu. Genomics 2002;79:278-84.
3. Bijl JJ, van Oostveen JW, Walboomers JM, Horstman A, van den Brule AJ, Willemze R, et al. Exprese HOXC4, HOXC5 a HOXC6 u no-Hodgkingova lymfomu: preferenční exprese genu HOXC5 v primárních kožních anaplastických T-buněčných lymfomech a lymfomech B-buněk asociovaných se sliznicí oro-gastrointestinálního traktu. Blood 1997;90:4116-25.
4. Caldas C, Aparicio S. Cell Memory and cancer the history of the trithorax and Polycomb group genes. Cancer Metastasis Rev 1999;18:313-29.
5. Care A, Silvani A, Meccia E, Mattia G, Stoppacciaro A, Parmiani G, et al. HOXB7 konstitutivně aktivuje základní fibroblastový růstový faktor u melanomů. Mol Cell Biol 1996;16:4842-51.
6. Chang PY, Kozono T, Chida K, Kuroki T, Huh N. Differential expression of Hox genes in multistage carcinogenesis of mouse skin. Biochim Biophys Res Commun 1998; 248:749-52.
7. Cillo C, Cantile M, Faiella A, Boncinelli E. Homeobox geny v normálních a maligních buňkách. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox geny a rakovina. Exp Cell Res 1999;248:1-9.
9. Davideau JL, Demri P, Hotton D, Gu TT, MacDougall M, Sharpe P, et al. Comparative study of MSX-2, DLX-5, and DLX-7 gene expression during early human tooth development. Pediatr Res 1999;46:650-6.
10. De Vita G, Barba P, Odartchenko N, Givel JC, Freschi G, Bucciarelli G, et al.Expression of homeobox-containing genes in primary and metastatic colorectal cancer. Eur J Cancer 1993;29A:887-93.
11. Ford HL. Homeoboxové geny: spojení mezi vývojem, buněčným cyklem a rakovinou. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Hox genes in normal and neoplastic mouse mammary gland. Cancer Res 1994;54:5981-5.
13. Gehring WJ, Muller M, Affolter M, Percival-Smith A, Billeter M, Qian YQ, et al. The structure of the homeodomain and its functional implications. Trends Genet 1990;6:323-9.
14. Golpon HA, Geraci MW, Moore MD, Miller HL, Miller GJ, Tuder RM, et al. HOX geny v lidských plicích: změněná exprese u primární plicní hypertenze a emfyzému. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Mutace lidských genů HOX. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Objev alelických variant HOXA1 a HOXB1: genetická náchylnost k poruchám autistického spektra. Teratology 2000,62:393-405.
17. Katz MR, Irish JC, Devins GM, Rodin GM, Gullane PJ. Reliability and validity of an observer-rated disfigurement scale for head and neck cancer patients [Spolehlivost a platnost pozorovatelem hodnocené škály znetvoření u pacientů s rakovinou hlavy a krku]. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. Buněčně specifická modulace exprese Hox genů členy nadrodiny TGF-beta: srovnání lidských buněčných linií osteosarkomu a neuroblastomu. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. Element DNA s nejvyšší afinitou vázaný komplexy Pbx v leukemických buňkách t(1;19) nezprostředkovává kooperativní vazbu DNA nebo kooperativní transakci proteinů E2a-Pbx1 a Hox třídy I. Důkaz selektivního zacílení E2a-Pbx1 na podskupinu elementů rozpoznávajících Pbx. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. Úloha homeoboxových genů HOX v normální a leukemické krvetvorbě. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Homeobox proteiny jako sekvenčně specifické transkripční faktory. Cell 1988;55:537-40.
22. Lewis EB. Genový komplex řídící segmentaci u drozofily. Nature 1978;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. Risk factors for squamous cell carcinoma of the oral cavity in the young people a comprehensive literature review. Oral Oncol 2001;37:401-18.
24. Mark M, Rijli FM, Chambon P. Homeobox geny v embryogenezi a patogenezi. Pediatr Res 1997;42:421-9.
25. Nakamura T, Largaespada DA, Lee MP, Johnson LA, Ohyashiki K, Toyama K, et al. Fúze nukleoporinového genu NUP98 s HOXA9 chromozomovou translokací t(7;11)(p15;p15) u lidské myeloidní leukemie. Nat Genet 1996;12:154-8.
26. Nishimoto K, Iijima K, Shirakawa T, Kitagawa K, Satomura K, Nakamura H, et al. Mutace genu PAX2 v rodině s izolovanou hypoplazií ledvin. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. Exprese genů HOX v buněčných liniích dlaždicobuněčného karcinomu dutiny ústní .
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. Pax5 určuje identitu B-buněk od počátku do konce B-lymfopoézy. Int Rev Immunol 2001;20:65-82.
29. Raman V, Martensen SA, Reisman D, Evron E, Odenwald WF, Jaffee E, et al. Compromised HOXA5 function can limit p53 expression in human breast tumours. Nature 2000;405:974-8.
30. Redline RW, Neish A, Holmes LB, Collins T. Homeobox geny a vrozené malformace. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 je exprimován v lidských melanomech a přispívá k přežití nádorových buněk. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeoboxové geny a vývoj kůže: přehled. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeoboxové geny a vývoj orofaciální oblasti. Connect Tissue Res 1995;32:17-25.
34. Silberstein GB, Dressler GR, Van Horn K. Expression of the PAX2 oncogene in human breast cancer and its role in progesterone-dependent mammary growth. Oncogene 2002; 21:1009-16.
35. Taylor HS. Úloha genů HOX ve vývoji a funkci ženského reprodukčního traktu. Semin Reprod Med 2000;18:81-9.
36. Uyeno LA, Newman-Keagle JA, Cheung I, Hunt TK, Young DM, Boudreau N. Hox D3 expression in normal and impaired wound healing. J Surg Res 2001;100:46-56.
37. Vider BZ, Zimber A, Hirsch D, Estlein D, Chastre E, Prevot S, et al. Human colorectal carcinogenesis is associated with deregulation of homeobox gene expression. Biochem Biophys Res Commun 1997;232:742-8.
38. Wong DT, Todd R, Tsuji T, Donoff RB. Molekulární biologie rakoviny dutiny ústní u člověka. Crit Rev Oral Biol Med 1996;7:319-28.
39. Zweier C, Albrecht B, Mitulla B, Behrens R, Beese M, Gillessen-Kaesbach G, et al. „Mowat-Wilson“ syndrom s Hirschsprungovou chorobou a bez ní je odlišný, rozpoznatelný syndrom mnohočetných vrozených anomálií a mentální retardace způsobený mutacemi v genu pro homeobox zinkových prstů 1B. Am J Med Genet 2002;108:177-81.