PATOLOGIA
Homeobox gének: molekuláris kapcsolat a fejlődés és a rák között
Gének 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, adjunktus
IIDentist, gyakornok
IIIDoktori hallgató
IVPhD, docens Szájpatológiai Tanszék, Fogorvostudományi Kar, São Paulo-i Egyetem.
ABSTRACT
A homeobox gének olyan nukleáris fehérjéket kódoló szabályozó gének, amelyek transzkripciós faktorokként működnek, és számos állat normál embrionális fejlődése során a morfogenezis és a sejtdifferenciálódás aspektusait szabályozzák. A gerinces homeobox gének két alcsaládra oszthatók: klaszteres, vagy HOX génekre, és nem klaszteres, vagy divergens homeobox génekre. Az elmúlt évtizedek során számos homeobox gént, klaszteres és nem klaszteres gént azonosítottak normál szövetekben, rosszindulatú sejtekben, valamint különböző betegségekben és anyagcsere-változásokban. A homeobox gének részt vesznek a normális fogfejlődésben és a familiáris fogak agenezisében. A normális fejlődésben és a rákban sok a közös vonás, mivel mindkét folyamat a sejtproliferáció és a differenciálódás közötti váltásokkal jár. Az irodalomban egyre több bizonyítékot találunk arra, hogy a homeobox gének fontos szerepet játszanak az onkogenezisben. Számos rákos megbetegedés homeobox gének expresszióját vagy változását mutatja. Ezek közé tartoznak többek között a leukémiák, a vastagbél-, bőr-, prosztata-, emlő- és petefészekrákok. Ennek az áttekintésnek az a célja, hogy megismertesse az olvasókat a homeobox család néhány funkciójával a normál szövetekben és különösen a rákban.
Deszkriptorok: Gének, homeobox; Neoplazmák; Növekedés & Fejlődés.
ÖSSZEFOGLALÁS
A homeobox gének olyan szabályozó gének, amelyek olyan nukleáris fehérjéket kódolnak, amelyek transzkripciós faktorokként működnek, és a morfogenezis és a sejtdifferenciálódás különböző aspektusait szabályozzák a különböző állatok normális embrionális fejlődése során. A gerincesek homeobox génjei két családra oszthatók: a klaszteres, vagy HOX, és a nem klaszteres, vagy divergens génekre. Az elmúlt évtizedek során számos homeobox gént, klaszteres és nem klaszteres gént azonosítottak normális szövetekben, rosszindulatú sejtekben, valamint különböző betegségekben és metabolikus állapotokban. A homeobox gének részt vesznek például a normális fogfejlődésben és a familiárisan előforduló fogak agenezisében. A normális fejlődésben és a rákban sok közös vonás van, mivel mindkettő a sejtek proliferációjával és differenciálódásával jár együtt. Az irodalomban egyre több olyan cikk jelent meg, amely a homeobox-géneket az onkogenezissel hozza összefüggésbe. Számos ráktípusnál megfigyelhető a homeobox gének expressziója vagy megváltozása. Ezek közé tartozik többek között a leukémia, a vastagbél-, a bőr-, a prosztata-, az emlő- és a petefészekrák. Ez az áttekintés célja, hogy az olvasók megismerjék a homeobox család néhány funkcióját a normál szövetekben és különösen a rákban.
Deszkriptorok: Homeobox gének; daganatok; növekedés & fejlődés.
BEVEZETÉS
A homeobox gének olyan fejlődésszabályozó mestergének, amelyek az állatokban a morfogenezis és a sejtdifferenciálódás aspektusait szabályozó genetikai hierarchia csúcsán állnak24. Ezeket a géneket először a Drosophila gyümölcslégyben22 fedezték fel, és olyan génekként azonosították, amelyek mutációi a testrészek átalakulását, más néven homeotikus átalakulást okoznak. Ez a jelenség abban áll, hogy a test egyik része átalakul egy másikká, például a légynek kettő helyett négy szárnya van.
A homeobox géncsalád számos szövetben, köztük az orofaciális szövetekben33 alapvető fejlődési folyamatokat szabályozó szabályozó fehérjéket kódol. Egy közös 180 nukleotidból álló szekvenciát (homeobox) tartalmaznak, amely specifikus nukleáris fehérjéket (homeoproteineket) kódol, amelyek transzkripciós faktorokként működnek. A homeobox szekvencia egy 60 aminosavból álló domént, a homeodomént kódolja, amely a DNS-kötésért felelős8,11,32. Szerkezeti elemzések kimutatták, hogy a homeodomain egy helix-turn-helix motívumból áll, amely úgy kötődik a DNS-hez, hogy a felismerő hélixet a DNS nagy barázdájába, amino-terminális karját pedig a szomszédos kis barázdába helyezi13. E kötődés specifitása lehetővé teszi, hogy a homeoproteinek aktiválják vagy elnyomják a downstream célgének elemeinek expresszióját21. A homeobox néhány fehérje, például a Sonic hedgehog (SHH), a fibroblaszt növekedési faktor (FGF) és a csontmorfogenetikai fehérje (BMP) szignálfehérjék szabályozása alatt is áll. Kimutatták, hogy a homeoboxok minden Metazoában előfordulnak, a szivacsoktól a gerincesekig, valamint a növényekben és a gombákban is6.
Ennek az áttekintésnek az a célja, hogy megismertesse az olvasót a homeobox család néhány funkciójával a normál szövetekben és különösen a rák kialakulásában, amelyek a közeljövőben értékes klinikai érdeklődésre tarthatnak számot.
HOMEOBOX GÉNEK A FEJLŐDÉSBEN
A gerincesek homeobox géncsaládja két alcsaládra osztható: a) a klaszteres homeobox génekre, amelyeket HOX géneknek vagy I. osztályú géneknek nevezünk; és b) a nem klaszteres, vagy divergens homeobox génekre.
A HOX család alapvető szerepet játszik a gerinces embriósejtek morfogenezisében, regionális információt szolgáltatva a fő testtengely mentén11,24. Ez a család szerkezetileg és funkcionálisan homológ a Drosophila homeotikus komplexével (HOM-C). Egerekben (HOX-gének) és emberekben (HOX-gének) legalább 39 gén található, amelyek négy, körülbelül 100 kb hosszúságú genomiális klaszterbe, az úgynevezett HOX-lociba szerveződnek. Mindegyik klaszter más-más kromoszómán található (HOX-A, HOX-B, HOX-C és HOX-D, a 7p, 17p, 12p és 2p kromoszómákon), és 9-11 gént foglal magában, amelyek homológ szekvencia-szerveződésben helyezkednek el (1. ábra)7,8 . A HOX-génekről beszámoltak, hogy részt vesznek az angiogenezisben és a sebjavításban36 , a női reproduktív traktus funkcióiban35 , valamint a pulmonális hipertóniában és az emphysemában14. A HOX-gének mutációi még részt vehetnek az emberi fejlődési rendellenességekben, pl. a HOXA13 a kéz-láb-genitális szindrómát15 , a HOXB1 a Mowat-Wilson-szindrómát39 , a Duanes Retraction Syndrome (DRS) pedig a HOXD-klaszterhez kapcsolódik1. Ingram és munkatársai16 (2000) arról is beszámoltak, hogy a HOXA1, a HOXB1 és a nem közötti kölcsönhatás bizonyított az autizmus spektrumzavarokra való fogékonyságban.
A nem klaszterezett gének nagyszámú, a genomban szétszórt gént jelentenek, amelyek mindazonáltal homológiájuk és funkcionális hasonlóságaik alapján külön családokba rendezhetők. A családok közé tartoznak többek között a páros (PAX), ortodentikuláris (OTX), izomszegmens (MSX), distalless (DLX), caudális (CDX) és üres spiracles (EMX) homeobox gének24.
Az elmúlt évtizedek során számos homeobox gént, klaszterezett és nem klaszterezett, azonosítottak normális szövetekben, rosszindulatú sejtekben, valamint különböző betegségekben és metabolikus elváltozásokban7. A PAX gének a homeobox család, amelyek a legerősebb kapcsolatban állnak a humán betegségekkel. A PAX2-t emlőrákban34, vese hipoplasiában és vesebetegségekben26 , a PAX3-nak a rhabdomyosarcomákban2 és a melanomákban31 , a PAX5 pedig a B-sejtek identitását határozza meg28. Az MSX homeobox gének részt vesznek a normális fogfejlődésben és a familiáris fogak agenezisében9.
HOMEOBOX ÉS RÁK
A szájüregi rák az ötödik, illetve a hetedik leggyakoribb rákos megbetegedés a férfiak és a nők körében az általános populációban. Az érintett betegek mintegy fele a diagnózistól számított öt éven belül meghal38. A szájüregi rákok 96%-át a laphámrákok teszik ki. Az elmúlt évtizedben nagy előrelépés történt az onkogén átalakuláshoz vezető molekuláris változások megrajzolásában11. Számos tanulmány arra utal, hogy az alkohol- és dohányfogyasztás fontos szájüregi rákot okozó tényezők19,38. Genetikai hajlamot is feltételeztek, mivel az említett rizikófaktoroknak kitett népesség nagy részénél nem alakul ki szájüregi rák. Emellett a szájüregi rák sporadikus esetei fiatal felnőtteknél fordulnak elő, akik nem használnak semmilyen azonosítható karcinogént, és beszámoltak családi érintettségről is23. Napjainkban számos, kromoszómaelváltozások vagy mutációk által okozott genetikai eseményt javasoltak a szájüregi daganatok progressziójának alátámasztására38. A fejlődésszabályozó gének4,11 a karcinogenezisben szerepet játszó gének fontos csoportját alkotják. Ezeket a géneket soha nem hozták összefüggésbe a szájüregi rákokkal. Nemrégiben sikerült kimutatni, hogy négy különböző laphámsejtes karcinóma sejtvonal a kontrollsejtektől és a kontrollszövettől eltérően expresszálja a HOX géneket27.
A rák és a normális fejlődés sok közös vonást mutat, mivel mindkét folyamat a sejtek proliferációja és differenciálódása közötti váltásokkal jár4. A legújabb kutatások kimutatták, hogy a fejlődési gének helytelen szabályozása rákot eredményezhet. A fejlődés, a sejtciklus, az apoptózis és a rák között fennálló kölcsönhatásról azonban még sokat kell tanulni.
Számos rákos megbetegedésnél kimutatható a homeobox gének expressziója vagy megváltozása. Ezek közé tartozik többek között a leukémia, a vastagbél-, a bőr-, a prosztata-, az emlő- és a petefészekrák. Nemrégiben kimutatták, hogy a sejteket a rosszindulatú átalakulás ellen védő p53 gén expressziójának elvesztése emberi emlőrákban elsősorban a HOXA529 expressziójának hiányára vezethető vissza. Azonban még mindig nem ismertek azok a pontos mechanizmusok, amelyek révén a homeobox gének elváltozásai rákhoz vezetnek11.
A HOX-gén aktivációjának sejtvonal-specifikus mintázatainak kimutatása humán és egér leukémiás sejtvonalakban alátámasztja azt a hipotézist, hogy a HOX-gének expressziója szabályozhatja a normális vérképzőszervi differenciálódást21. A HOXA és HOXB lokuszokban található HOX gének megváltozott expressziója gyakran részt vesz a leukémogenezisben. A normál csontvelősejtek LTR/HOXB8 konstrukcióval történő fertőzése az IL-3 gén hatásával együtt képes volt egerekben myeloid leukémiát kiváltani24.
A NUP98 nukleoporin gén és a HOXA9 gén közötti genomiális fúziót mutattak ki három myeloid leukémiás betegnél, akiknél t(7;11)25 transzlokáció volt megfigyelhető. Az egyik fehérje transzkripciós aktivátor doménjéből és egy másik fehérje DNS-kötő doménjéből származó kiméra fúziós fehérjék nagy onkogén potenciált mutatnak. Más fúziók, mint a PBX1 az E2A-hoz és a HRX a nukleáris fehérjékhez, megváltoztatják a HOX-gének szekvencia-specifikus kötődését, más célpontra irányítják a homeoproteineket, és leukémogenezist indukálnak19. A HOXC lókusz elsősorban a limfómákban játszik szerepet. A HOXC4, C5 és C6 a non-Hodgkin limfómákban expresszált, típus- és helyfüggő expressziós mintázatot mutat mind a T-, mind a B-sejtes non-Hodgkin limfómákban3.
A HOX gének expressziójában jelentős különbségek mutathatók ki primer szolid tumorokban (vese-, vastagbél-, emlő-, prosztata- és kissejtes tüdőrák) a megfelelő normál felnőtt szervekhez képest7,20 . A HOX gének misexpressziója kimutatható az elsődleges eredetű daganathoz és a megfelelő normál szövethez kapcsolódó metasztatikus léziókban, ami alátámasztja a homeoproteinek rákfejlődésben való részvételének hipotézisét10.
A HSIX1 homeobox gén overexpressziója MCF7 sejtekben megszüntette a G2 sejtciklus ellenőrzőpontot röntgensugárzásra adott válaszként, ahogy azt a HOX esetében is megfigyelték11. Továbbá a HSIX1, a HOX11-hez hasonlóan, rendellenesen expresszálódik a rákban. A HSIX1 overexpressziója a primer és az áttétes emlőelváltozások 44%-ában és 90%-ában figyelhető meg, ami arra utal, hogy a HSIX1 szerepet játszhat az emlőrák progressziójában11. Az emlőmirigyekben a HOXC6 transzkriptumok, amelyek a pubertás és az érés során aktívak, a terhesség alatt – valószínűleg a szteroid hormon negatív szabályozása miatt – elnémultak, és az emlő adenokarcinómákban is inaktívak12.
Más daganatokban is beszámoltak a HOX gének expressziójáról. Például a vese adenokarcinómák következetesen expresszálják a HOXA9 gént, és csak ritkán expresszálják a HOXD10 vagy a HOXC930 gént. A HOXB6, HOXB8 és HOXC9 a vastagbélrák fejlődésének különböző szakaszaiban misexpresszálódik37. A HOXB7 a normál melanocitákban néma, de melanomákban aktívvá vált5. Egérbőrben a HOXA6, A7 és B7 papillómában azonosították, de normális bőrben nem6. A HOXC6, D1 és D8 humán neuroblastóma sejtekben expresszálódik8. Végül, osteosarcomákban a HOXC6 expresszióját a jelek szerint a TGF-b szupercsalád tagjai szabályozzák18.
KÖVETKEZTETÉSEK
A fejlődés és a rák között kapcsolat várható, mivel mindkét folyamat sejtproliferációval és sejtdifferenciálódással jár. A homeobox-géneket először a fejlődésben lévő organizmusokban írták le, és ma már felismerték, hogy számos ráktípusban expresszálódnak. A különböző normális szövetekben és a tumorszövetekben történő expressziós mintázat közötti különbséget tovább kell jellemezni annak érdekében, hogy minden a karcinogenezisben. Szintén további jellemzésre van szükség e gének expressziójának modulálására a daganatokban, beleértve a szájüregi rákot is.
MEGJEGYZÉSEK
A kutatást a FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo 97/13228-5 és 01/13644-6 számú támogatásai finanszírozták.
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. A PAX3 és PAX3 – FKHR által szabályozott célgének azonosítása az embriogenezisben és az alveoláris rhabdomyosarcomában. 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 és HOXC6 expressziója no-Hodgking limfómában: a HOXC5 gén preferenciális expressziója primer cutan anaplasztikus T-sejtes és oro-gastrointestinalis traktus mucosa-asszociált B-sejtes limfómákban. Blood 1997;90:4116-25.
4. Caldas C, Aparicio S. Sejtmemória és rák a trithorax és a Polycomb-csoport génjeinek története. Cancer Metastasis Rev 1999;18:313-29.
5. Care A, Silvani A, Meccia E, Mattia G, Stoppacciaro A, Parmiani G, et al. HOXB7 constitutively activates basic fibroblast growth factor in melanomas. Mol Cell Biol 1996;16:4842-51.
6. Chang PY, Kozono T, Chida K, Kuroki T, Huh N. Hox gének differenciális expressziója az egérbőr többlépcsős karcinogenezisében. Biochim Biophys Res Commun 1998; 248:749-52.
7. Cillo C, Cantile M, Faiella A, Boncinelli E. Homeobox gének normál és malignus sejtekben. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox gének és a rák. Exp Cell Res 1999;248:1-9.
9. Davideau JL, Demri P, Hotton D, Gu TT, MacDougall M, Sharpe P, et al. Az MSX-2, DLX-5 és DLX-7 gének expressziójának összehasonlító vizsgálata a korai emberi fogfejlődés során. 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. Homeobox gének: kapcsolat a fejlődés, a sejtciklus és a rák között. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Hox gének az egér normál és daganatos emlőmirigyében. 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 gének az emberi tüdőben: megváltozott expresszió primer pulmonális hipertónia és emphysema esetén. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Emberi HOX génmutációk. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. A HOXA1 és HOXB1 allélváltozatainak felfedezése: genetikai fogékonyság az autizmus spektrumzavarokra. Teratology 2000,62:393-405.
17. Katz MR, Irish JC, Devins GM, Rodin GM, Gullane PJ. Egy megfigyelő által értékelt torzulási skála megbízhatósága és érvényessége fej-nyaki rákos betegeknél. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. A Hox gének expressziójának sejttípus-specifikus modulációja a TGF-béta szupercsalád tagjai által: humán osteossarcoma és neuroblastoma sejtvonalak összehasonlítása. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. A t(1;19) leukémiás sejtekben a Pbx komplexek által megkötött legnagyobb affinitású DNS elem nem közvetíti az E2a-Pbx1 és az I. osztályú Hox fehérjék kooperatív DNS-kötését vagy kooperatív tranzakcióját bizonyíték az E2a-Pbx1 szelektív célzására a Pbx-felismerő elemek egy alcsoportjára. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. A HOX homeobox gének szerepe a normális és leukémiás vérképzésben. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Homeobox fehérjék mint szekvencia-specifikus transzkripciós faktorok. Cell 1988;55:537-40.
22. Lewis EB. A szegmentációt irányító génkomplex a Drosophilában. Nature 1978;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. A szájüreg laphámrákjának kockázati tényezői fiatalokban egy átfogó irodalmi áttekintés. Oral Oncol 2001;37:401-18.
24. Mark M, Rijli FM, Chambon P. Homeobox gének az embriogenezisben és a patogenezisben. Pediatr Res 1997;42:421-9.
25. Nakamura T, Largaespada DA, Lee MP, Johnson LA, Ohyashiki K, Toyama K, et al. A nukleoporin gén NUP98 és HOXA9 fúziója a t(7;11)(p15;p15) kromoszómatranszlokáció által humán myeloid leukémiában. Nat Genet 1996;12:154-8.
26. Nishimoto K, Iijima K, Shirakawa T, Kitagawa K, Satomura K, Nakamura H, et al. PAX2 génmutáció egy izolált vese hipoplasiás családban. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. A HOX gének expressziója szájüregi laphámsejtes karcinóma sejtvonalakban .
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. A Pax5 meghatározza a B-sejtek identitását a B-lymphopoiesis kezdetétől a végéig. 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 tumors. Nature 2000;405:974-8.
30. Redline RW, Neish A, Holmes LB, Collins T. Homeobox gének és veleszületett rendellenességek. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. A PAX3 kifejeződik humán melanomákban és hozzájárul a tumorsejtek túléléséhez. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeobox gének és a bőrfejlődés: áttekintés. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeobox gének és az orofaciális fejlődés. Connect Tissue Res 1995;32:17-25.
34. Silberstein GB, Dressler GR, Van Horn K. A PAX2 onkogén expressziója humán emlőrákban és szerepe a progeszteronfüggő emlőnövekedésben. Oncogene 2002; 21:1009-16.
35. Taylor HS. A HOX gének szerepe a női reproduktív traktus fejlődésében és működésében. Semin Reprod Med 2000;18:81-9.
36. Uyeno LA, Newman-Keagle JA, Cheung I, Hunt TK, Young DM, Boudreau N. Hox D3 expresszió normális és károsodott sebgyógyulásban. 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. Az emberi szájüregi rák molekuláris biológiája. 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. A “Mowat-Wilson” szindróma Hirschsprung-kórral és anélkül egy különálló, felismerhető multiple congenitalis anomáliák-mentális retardáció szindróma, amelyet a cinkujj homeobox 1B gén mutációi okoznak. Am J Med Genet 2002;108:177-81.