PATOLOGIA
Homeobox-gener: en molekylær forbindelse mellem udvikling og kræft
Gene homeobox: uma relação molecular entre o desenvolvimento e o câncer
Fabio Daumas NunesI; Fernanda Campos Souza de AlmeidaII; Renata TucciIII; Suzana Cantanhede Orsini Machado de SousaIV
IPhD, Assistant Professor
IIDentist, Trainee
IIIDoctorate Student
IVPhD, Associate Professor Department of Oral Pathology, School of Dentistry, University of São Paulo.
ABSTRACT
Homeobox-gener er reguleringsgener, der koder for nukleare proteiner, der fungerer som transkriptionsfaktorer og regulerer aspekter af morfogenese og celledifferentiering under den normale embryonale udvikling hos flere dyr. Homeobox-generne hos hvirveldyr kan opdeles i to underfamilier: klynge- eller HOX-gener og ikke-klynge- eller divergerende homeobox-gener. I løbet af de sidste årtier er der blevet identificeret adskillige homøboksgener, både clusterede og ikke-clusterede, i normalt væv, i ondartede celler og i forskellige sygdomme og metaboliske forandringer. Homeobox-generne er involveret i den normale udvikling af tænder og i familiær tandforringelse. Normal udvikling og kræft har meget til fælles, da begge processer indebærer skift mellem celleproliferation og -differentiering. I litteraturen er der stadig flere beviser for, at homeoboksgener spiller en vigtig rolle i onkogenese. Mange kræftformer udviser udtryk for eller ændringer i homeobox-generne. Det drejer sig bl.a. om leukæmi, tyktarmskræft, hudkræft, prostatakræft, brystkræft og æggestokkræft. Denne gennemgang har til formål at introducere læserne til nogle af homeobox-familiens funktioner i normale væv og især i kræft.
Deskriptorer: Gener, homeobox; Neoplasmer; Vækst & Udvikling.
RESUMÉ
Homeobox-gener er regulerende gener, der koder for nukleare proteiner, der fungerer som transkriptionsfaktorer og regulerer forskellige aspekter af morfogenese og celledifferentiering under den normale embryonale udvikling hos forskellige dyr. Homeobox-gener fra hvirveldyr kan opdeles i to familier: de klyngeformede, eller HOX, og de ikke-klyngeformede, eller divergerende. I løbet af de sidste årtier er der blevet identificeret adskillige homøoboksgener, både i klynger og ikke-klynger, i normale væv, i ondartede celler og i forskellige sygdomme og metaboliske tilstande. Homeobox-generne er f.eks. involveret i normal tandudvikling og i familiært forekommende tandagenese. Normal udvikling og kræft har meget til fælles, da de begge involverer celleforøgelse og differentiering. Litteraturen har vist et stigende antal artikler, der relaterer homeobox-generne til onkogenese. Mange kræfttyper udviser udtryk eller ændringer i homeobox-generne. De omfatter bl.a. leukæmi, tyktarmskræft, hudkræft, prostatakræft, brystkræft og kræft i æggestokkene. Formålet med denne gennemgang er at få læserne til at lære om nogle af homeobox-familiens funktioner i normale væv og især i kræft.
Deskriptorer: Homeobox-gener; Neoplasmer; Vækst & udvikling.
INDLEDNING
Homeobox-gener er overordnede udviklingskontrolgener, der fungerer i toppen af genetiske hierarkier, som regulerer aspekter af morfogenese og celledifferentiering hos dyr24. Disse gener blev først opdaget i frugtfluen Drosophila22 og identificeret som gener, hvis mutationer forårsager transformation af kropssegmenter, også kendt som homeotisk transformation. Dette fænomen består i, at en del af kroppen forvandles til en anden, f.eks. at en flue får fire vinger i stedet for to.
Homeobox-familien af gener koder for regulerende proteiner, der kontrollerer grundlæggende udviklingsprocesser i flere væv, herunder orofaciale væv33. De indeholder en fælles 180-nucleotidsekvens (homeobox), der koder for specifikke kerneproteiner (homeoproteiner), der fungerer som transkriptionsfaktorer. Homeobox-sekvensen koder for et domæne på 60 aminosyrer, homeodomænet, som er ansvarligt for DNA-binding8,11,32. Strukturelle analyser har vist, at homeodomænet består af et helix-turn-helix-motiv, der binder DNA’et ved at indsætte genkendelseshelixen i DNA’ets store rille og dens amino-terminale arm i den tilstødende lille rille13. Specificiteten af denne binding gør det muligt for homeoproteiner at aktivere eller undertrykke ekspressionen af batterier af nedstrøms målgener21. Homeoboks er også under regulering af nogle proteiner, f.eks. signalproteinerne Sonic hedgehog (SHH), fibroblastvækstfaktor (FGF) og bone morphogenetic protein (BMP). Det blev påvist, at homeobokse forekommer i alle Metazoa, lige fra svampe til hvirveldyr og også i planter og svampe6.
Denne gennemgang har til formål at introducere læserne til nogle af homeobox-familiens funktioner i normale væv og især i kræftudvikling, som kunne være af værdifuld klinisk interesse i den nærmeste fremtid.
HOMEOBOX-GENE I UDVIKLING
Familien af homeobox-gener fra hvirveldyr kan opdeles i to underfamilier: a) de klyngeformede homeobox-gener, kendt som HOX-gener eller klasse I, og b) de ikke-klyngeformede eller divergerende homeobox-gener.
HOX-familien spiller en grundlæggende rolle i morfogenese af hvirveldyrs embryoceller, idet den giver regional information langs hovedkropsaksen11,24. Denne familie er strukturelt og funktionelt homologe med homeotisk kompleks (HOM-C) fra Drosophila. Der findes mindst 39 gener hos mus (HOX-gener) og mennesker (HOX-gener) organiseret i fire genomiske klynger af ca. 100 kb længde kaldet HOX-loci. Hver klynge er placeret på et andet kromosom (HOX-A, HOX-B, HOX-C og HOX-D på henholdsvis 7p, 17p, 12p og 2p) og omfatter 9 til 11 gener arrangeret i en homolog sekvensorganisation (figur 1)7,8. HOX-generne er blevet rapporteret som involveret i angiogenese og sårreparation36, i funktioner i det kvindelige reproduktive system35 og i pulmonal hypertension og emfysem14. Mutationer i HOX-generne kan også være involveret i menneskelige misdannelser, f.eks. kan HOXA13 generere hånd-fod-genital syndromet15, HOXB1 generere Mowat-Wilson syndromet39 , og Duanes Retraction Syndrome (DRS) er forbundet med HOXD-klyngen1. Ingram et al.16 (2000) rapporterede også beviser for et samspil mellem HOXA1, HOXB1 og køn med hensyn til modtagelighed for autismespektrumforstyrrelser.
De ikke-klyngeformede gener er et stort antal gener spredt ud over hele genomet, som ikke desto mindre kan organiseres i forskellige familier på grundlag af deres homologier og funktionelle ligheder. Nogle af familierne omfatter bl.a. parrede (PAX), orthodentikel (OTX), muskelsegment (MSX), distalless (DLX), caudal (CDX) og empty spiracles (EMX) homeobox-gener24.
I løbet af de sidste årtier er der blevet identificeret adskillige homøoboksgener, clusterede og ikke-clusterede, i normalt væv, i maligne celler og i forskellige sygdomme og metaboliske forandringer7. PAX-generne er den homeobox-familie, der har de stærkeste forbindelser med sygdomme hos mennesker. PAX2 er blevet inddraget i brystkræft34, nyrehypoplasi og nyresygdomme26; PAX3 spiller en rolle i rhabdomyosarkomer2 og melanomer31; PAX5 bestemmer B-cellernes identitet28. MSX-homeoboksgener er involveret i den normale udvikling af tænder og i familiær tandagenese9.
HOMEOBOX OG KANCER
Mundkræft er henholdsvis den femte og syvende mest almindelige kræftform for mænd og kvinder i den almindelige befolkning. Omkring halvdelen af de patienter, der rammes, dør inden for fem år efter diagnosen38. Pladecellekarcinomer tegner sig for 96 % af alle orale kræftformer. I løbet af det sidste årti er der gjort store fremskridt med hensyn til at indkredse de molekylære ændringer, der fører til onkogen transformation11. Flere undersøgelser tyder på, at alkohol- og tobaksbrug er vigtige faktorer, der forårsager oral cancer19,38. Der er blevet foreslået en genetisk disposition, da størstedelen af den befolkning, der er udsat for de nævnte risikofaktorer, ikke udvikler oral cancer. Der forekommer også sporadiske tilfælde af mundkræft hos unge voksne, som ikke bruger nogen identificerbare kræftfremkaldende stoffer, og der er rapporteret om familiemæssig involvering23. I dag er der blevet foreslået mange genetiske hændelser forårsaget af kromosomale ændringer eller mutationer, som understreger udviklingen af tumorer i munden38. De udviklingsregulerende gener4,11 er en vigtig gruppe af gener, der er involveret i carcinogenese. Disse gener har aldrig været forbundet med oral cancer. For nylig kunne vi vise, at fire forskellige pladecellekarcinomcellelinjer udtrykker HOX-generne anderledes end kontrolceller og -væv27.
Kræft og normal udvikling har meget til fælles, da begge processer indebærer skift mellem celleproliferation og differentiering4. Nyere forskning har vist, at ukorrekt regulering af udviklingsgener kan resultere i kræft. Der er dog stadig meget at lære om det samspil, der eksisterer mellem udvikling, cellecyklus, apoptose og kræft.
Mange kræftformer udviser udtryk eller ændring i homeobox-generne. De omfatter bl.a. leukæmi, tyktarmskræft, hudkræft, prostatakræft, brystkræft og kræft i æggestokkene. For nylig blev det vist, at tab af ekspression i human brystkræft af p53, et gen, der beskytter cellerne mod malign transformation, primært kan skyldes manglende ekspression af HOXA529. De præcise mekanismer, hvormed ændringer i homeobox-genet fører til kræft, er imidlertid stadig ukendte11.
Påvisningen af celleliniespecifikke mønstre af HOX-genaktivering i humane og murine leukæmiske cellelinjer understøtter hypotesen om, at HOX-genudtryk kan regulere normal hæmatopoietisk differentiering21. Ændret ekspression af HOX-gener, der er placeret i HOXA- og HOXB-loci, er ofte involveret i leukemogenese. Infektion af normale marvceller med et LTR/HOXB8-konstrukt kunne sammen med virkningen af IL-3-genet fremkalde myeloid leukæmi hos mus24.
En genomisk fusion in frame mellem nucleoporin-genet NUP98 og HOXA9-genet blev påvist hos tre patienter med myeloid leukæmi og translokation t(7;11)25. Chimeriske fusionsproteiner, der er et resultat af transkriptionsaktivatordomæne fra et protein og DNA-bindingsdomæne fra et andet, har et højt onkogent potentiale. Andre fusioner, som PBX1 til E2A og HRX til nukleare proteiner, ændrer den sekvensspecifikke binding af HOX-generne, leder homeoproteinerne til et andet mål og inducerer leukemogenese19. Locus HOXC er hovedsagelig involveret i lymfomer. HOXC4, C5 og C6 er eksprimeret i non-Hodgkin-lymfomer og udviser et type- og stedbegrænset ekspressionsmønster i både T- og B-celle non-Hodgkin-lymfomer3.
Der kan påvises store forskelle i HOX-genekspressionen i primære solide tumorer (nyre-, tyktarms-, bryst-, prostata- og småcellet lungekræft) sammenlignet med de tilsvarende normale voksne organer7,20. Der kan påvises misekspression af HOX-generne i metastaserende læsioner, der er relateret til den primære oprindelsestumor og det tilsvarende normale væv, hvilket understøtter hypotesen om en involvering af homeoproteiner i kræftudvikling10.
Overekspression af homeobox-genet HSIX1 i MCF7-celler ophævede G2-cellecykluskontrolpunktet som reaktion på røntgenbestråling, som det blev observeret med HOX11. Desuden udtrykkes HSIX1, ligesom HOX11, unormalt i kræft. Overekspression af HSIX1 er observeret i 44 % af de primære og 90 % af de metastaserende brystlæsioner, hvilket tyder på, at HSIX1 kan spille en rolle i udviklingen af brystkræft11. I brystkirtler er HOXC6-transkriptioner, som er aktive i puberteten og i modenhedsperioden, blevet tavse under graviditeten, sandsynligvis på grund af den negative regulering af steroidhormonet, og de er også inaktive i adenokarcinomer i brystkirtler12.
I andre neoplasmer er der også rapporteret om ekspression af HOX-gener. For eksempel udtrykker nyre adenokarcinomer konsekvent HOXA9-genet og kun sjældent enten HOXD10 eller HOXC930. HOXB6, HOXB8 og HOXC9 er miseksprimeret på forskellige stadier af udviklingen af tyktarmskræft37. HOXB7 er tavs i normale melanocytter, men blev aktiv i melanomer5. I musehud blev HOXA6, A7 og B7 identificeret i papillomer, men ikke i normal hud6. HOXC6, D1 og D8 er udtrykt i humane neuroblastomceller8. Endelig synes HOXC6-ekspressionen i osteosarkomer at blive reguleret af medlemmer af TGF-b-superfamilien18.
KONKLUSIONER
Der forventes en forbindelse mellem udvikling og kræft, da begge processer involverer celleproliferation og celledifferentiering. Homeobox-gener blev først beskrevet i organismer under udvikling og er nu anerkendt for at blive udtrykt i mange typer kræft. Forskellen mellem udtryksmønsteret i forskellige normale væv og i tumorvæv skal karakteriseres yderligere for at alle i carcinogenese. Der er også behov for yderligere karakterisering af mulighederne for at modulere disse geners udtryk i neoplasmer, herunder cancer i munden.
ANERKENDELSER
Forskningen er finansieret af bevillinger 97/13228-5 og 01/13644-6 fra 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. Isolering og karakterisering af det menneskelige homeobox-gen HOX D1. Mol Biol Rep 2002;27:95-201.
2. Barber TD, Barber MC, Tomescu O, Barr FG, Ruben S, Friedman TB. Identifikation af målgener, der reguleres af PAX3 og PAX3 – FKHR i embryogenese og alveolært rhabdomyosarcoma. Genomics 2002;79:278-84.
3. Bijl JJ, van Oostveen JW, Walboomers JM, Horstman A, van den Brule AJ, Willemze R, et al. HOXC4-, HOXC5- og HOXC6-ekspression i no-Hodgking-lymfomer: præferentiel ekspression af HOXC5-genet i primære kutane anaplastiske T-celler og oro-gastrointestinale mucosa-associerede B-celle-lymfomer. Blood 1997;90:4116-25.
4. Caldas C, Aparicio S. Cell Memory and cancer the history of the trithorax and Polycomb group genees. Cancer Metastasis Rev 1999;18:313-29.
5. Care A, Silvani A, Meccia E, Mattia G, Stoppacciaro A, Parmiani G, et al. HOXB7 aktiverer konstitutivt basisk fibroblastvækstfaktor i melanomer. 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-generne i normale og maligne celler. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox-generne og kræft. Exp Cell Res 1999;248:1-9.
9. Davideau JL, Demri P, Hotton D, Gu TT, MacDougall M, Sharpe P, et al. Sammenlignende undersøgelse af MSX-2, DLX-5 og DLX-7 genekspression under tidlig menneskelig tandudvikling. Pediatr Res 1999;46:650-6.
10. De Vita G, Barba P, Odartchenko N, Givel JC, Freschi G, Bucciarelli G, et al.Ekspression af homeobox-holdige gener i primær og metastatisk colorectal cancer. Eur J Cancer 1993;29A:887-93.
11. Ford HL. Homeobox-gener: en forbindelse mellem udvikling, cellecyklus og kræft. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Hox-gener i normal og neoplastisk brystkirtel hos mus. Cancer Res 1994;54:5981-5.
13. Gehring WJ, Muller M, Affolter M, Percival-Smith A, Billeter M, Qian YQ, et al. Strukturen af homeodomænet og dets funktionelle implikationer. Trends Genet 1990;6:323-9.
14. Golpon HA, Geraci MW, Moore MD, Miller HL, Miller GJ, Tuder RM, et al. HOX-gener i menneskets lunge: ændret ekspression i primær pulmonal hypertension og emfysem. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Humane HOX-genmutationer. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Opdagelse af alleliske varianter af HOXA1 og HOXB1: genetisk modtagelighed for autismespektrumforstyrrelser. Teratology 2000,62:393-405.
17. Katz MR, Irish JC, Devins GM, Rodin GM, Gullane PJ. Pålidelighed og validitet af en skala for observer-rated disfigurement scale for hoved- og halskræftpatienter. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. Celletypespecifik modulation af Hox-genekspression af medlemmer af TGF-beta-superfamilien: en sammenligning mellem humane osteossarkom- og neuroblastomcellelinjer. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. Det DNA-element med den højeste affinitet, der er bundet af Pbx-komplekser i t(1;19)-leukæmiske celler, formidler ikke kooperativ DNA-binding eller kooperativ transaktion af E2a-Pbx1 og klasse I Hox-proteiner beviser for selektiv målretning af E2a-Pbx1 til en undergruppe af Pbx-genkendelseselementer. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. HOX-homeobox-genernes rolle i normal og leukæmisk hæmatopoiese. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Homeobox-proteiner som sekvensspecifikke transkriptionsfaktorer. Cell 1988;55;55:537-40.
22. Lewis EB. Et genkompleks, der kontrollerer segmentering i Drosophila. Nature 1978;276;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. Risikofaktorer for pladecellekarcinom i mundhulen hos unge mennesker en omfattende litteraturgennemgang. Oral Oncol 2001;37;37:401-18.
24. Mark M, Rijli FM, Chambon P. Homeobox-gener i embryogenese og patogenese. Pediatr Res 1997;42:421-9.
25. Nakamura T, Largaespada DA, Lee MP, Johnson LA, Ohyashiki K, Toyama K, et al. Fusion af nucleoporin-genet NUP98 til HOXA9 ved kromosomtranslokationen t(7;11)(p15;p15) i menneskelig myeloid leukæmi. Nat Genet 1996;12:154-8.
26. Nishimoto K, Iijima K, Shirakawa T, Kitagawa K, Satomura K, Nakamura H, et al. PAX2-genmutation i en familie med isoleret nyrehypoplasi. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. Ekspression af HOX-generne i cellelinjer for oral pladecellekarcinom .
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. Pax5 bestemmer identiteten af B-celler fra begyndelsen til slutningen af B-lymphopoiesis. Int Rev Immunol 2001;20:65-82.
29. Raman V, Martensen SA, Reisman D, Evron E, Odenwald WF, Jaffee E, et al. Kompromitteret HOXA5-funktion kan begrænse p53-ekspression i humane brysttumorer. Nature 2000;405:974-8.
30. Redline RW, Neish A, Holmes LB, Collins T. Homeobox-generne og medfødte misdannelser. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 udtrykkes i humane melanomer og bidrager til tumorcellers overlevelse. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeobox-gener og hududvikling: en gennemgang. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeobox-gener og orofacial udvikling. Connect Tissue Res 1995;32:17-25.
34. Silberstein GB, Dressler GR, Van Horn K. Ekspression af PAX2-onkogenet i human brystkræft og dets rolle i progesteronafhængig brystvækst. Oncogene 2002; 21:1009-16.
35. Taylor HS. HOX-genernes rolle i udviklingen og funktionen af det kvindelige reproduktive system. Semin Reprod Med 2000;18:81-9.
36. Uyeno LA, Newman-Keagle JA, Cheung I, Hunt TK, Young DM, Boudreau N. Hox D3-ekspression i normal og forstyrret sårheling. 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. Molekylærbiologi for oral cancer hos mennesker. 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”-syndromet med og uden Hirschsprung-sygdom er et særskilt, genkendeligt syndrom med multiple medfødte anomalier og mental retardering forårsaget af mutationer i zinkfingerhoméoboks 1B-genet. Am J Med Genet 2002;108:177-81.