PATOLOGIA
Homeobox-genen: een moleculaire link tussen ontwikkeling en kanker
Genen 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, Assistent Professor
IIDentist, Stagiair
IIIDoctoraal Student
IVPhD, Associate Professor Departement van Orale Pathologie, School of Dentistry, Universiteit van São Paulo.
ABSTRACT
Homeoboxgenen zijn regulerende genen die coderen voor nucleaire eiwitten die fungeren als transcriptiefactoren en aspecten van morfogenese en celdifferentiatie reguleren tijdens de normale embryonale ontwikkeling van verschillende dieren. Homeoboxgenen van gewervelde dieren kunnen worden onderverdeeld in twee subfamilies: geclusterde, of HOX genen, en niet-geclusterde, of divergente, homeoboxgenen. Gedurende de laatste decennia werden verschillende homeoboxgenen, geclusterde en niet-geclusterde, geïdentificeerd in normaal weefsel, in kwaadaardige cellen, en in verschillende ziekten en metabolische veranderingen. Homeobox-genen zijn betrokken bij de normale ontwikkeling van tanden en bij familiaire gebitsargenese. Normale ontwikkeling en kanker hebben veel gemeen, aangezien beide processen gepaard gaan met verschuivingen tussen celproliferatie en -differentiatie. In de literatuur worden steeds meer aanwijzingen gevonden dat homeobox-genen een belangrijke rol spelen bij oncogenese. Veel kankers vertonen expressie van of veranderingen in homeobox-genen. Daartoe behoren onder meer leukemieën, colon-, huid-, prostaat-, borst- en ovariumkanker. Dit overzicht is bedoeld om de lezer kennis te laten maken met enkele functies van de homeobox-familie in normale weefsels en vooral in kanker.
Descriptoren: Genen, homeobox; Neoplasma’s; Groei & Ontwikkeling.
SAMENVATTING
Homeoboxgenen zijn regulerende genen die coderen voor nucleaire eiwitten die fungeren als transcriptiefactoren en diverse aspecten van morfogenese en celdifferentiatie reguleren tijdens de normale embryonale ontwikkeling van diverse dieren. Homeobox-genen van gewervelde dieren kunnen in twee families worden onderverdeeld: de geclusterde, of HOX, en de niet-geclusterde, of divergente. Gedurende de laatste decennia zijn verscheidene homeoboxgenen, geclusterd en niet-geclusterd, geïdentificeerd in normale weefsels, in kwaadaardige cellen en in verschillende ziekten en metabole condities. Homeobox-genen zijn bijvoorbeeld betrokken bij de normale ontwikkeling van tanden en bij in de familie voorkomende tandabgenese. Normale ontwikkeling en kanker hebben veel gemeen, aangezien in beide gevallen sprake is van celproliferatie en -differentiatie. In de literatuur verschijnen steeds meer artikelen waarin homeobox-genen in verband worden gebracht met oncogenese. Vele soorten kanker vertonen expressie of verandering in homeobox-genen. Het gaat onder meer om leukemie, darm-, huid-, prostaat-, borst- en eierstokkanker. Dit overzicht beoogt de lezer vertrouwd te maken met een aantal functies van de homeoboxfamilie in normale weefsels en vooral in kanker.
Beschrijvingen: Homeobox genen; Neoplasma; Groei & ontwikkeling.
INLEIDING
Homeoboxgenen zijn meester-ontwikkelingssturingsgenen die aan de top van genetische hiërarchieën staan en aspecten van morfogenese en celdifferentiatie bij dieren regelen24. Deze genen werden voor het eerst ontdekt bij de fruitvlieg Drosophila22 en geïdentificeerd als genen waarvan mutaties transformatie van lichaamssegmenten veroorzaken, ook wel homeotische transformatie genoemd. Dit verschijnsel bestaat uit de verandering van een deel van het lichaam in een ander, b.v. een vlieg met vier vleugels in plaats van twee.
De homeoboxfamilie van genen codeert voor regulerende proteïnen die elementaire ontwikkelingsprocessen in diverse weefsels, waaronder orofaciale weefsels, regelen33. Zij bevatten een gemeenschappelijke sequentie van 180 nucleotiden (homeobox) die codeert voor specifieke nucleaire proteïnen (homeoproteïnen) die als transcriptiefactoren fungeren. De homeobox-sequentie codeert voor een domein van 60 aminozuren, het homeodomein, dat verantwoordelijk is voor de DNA-binding8,11,32. Structurele analyses hebben aangetoond dat het homeodomein bestaat uit een helix-turn-helix motief dat zich aan het DNA bindt door de herkenningshelix in de hoofdgroef van het DNA te brengen en de amino-terminale arm in de aangrenzende kleine groef13. De specificiteit van deze binding stelt homeoproteïnen in staat de expressie van batterijen van stroomafwaartse doelgenen te activeren of te onderdrukken21. Homeobox worden ook gereguleerd door sommige eiwitten, zoals de signaal-eiwitten Sonic hedgehog (SHH), fibroblast growth factor (FGF) en bone morphogenetic protein (BMP). De homeobox bleek voor te komen in alle Metazoa, gaande van sponzen tot gewervelde dieren en ook planten en schimmels6.
Dit overzicht heeft tot doel de lezers kennis te laten maken met enkele functies van de homeobox-familie in normale weefsels en vooral in de ontwikkeling van kanker, die in de nabije toekomst van waardevol klinisch belang kunnen zijn.
HOMEOBOX GENEN IN ONTWIKKELING
De familie van gewervelde homeobox genen kan in twee subfamilies worden verdeeld: a) de geclusterde homeobox genen, bekend als HOX genen of klasse I; en b) de niet-geclusterde, of divergente homeobox genen.
De HOX-familie speelt een fundamentele rol in de morfogenese van de cellen van het gewervelde embryo, door regionale informatie te verschaffen langs de hoofdas van het lichaam11,24. Deze familie is structureel en functioneel homoloog met het homeotisch complex (HOM-C) van Drosophila. Er zijn ten minste 39 genen in muizen (HOX-genen) en mensen (HOX-genen) georganiseerd in vier genomische clusters van ongeveer 100 kb lengte, HOX-loci genaamd. Elk cluster bevindt zich op een verschillend chromosoom (HOX-A, HOX-B, HOX-C en HOX-D, respectievelijk op 7p, 17p, 12p en 2p) en omvat 9 tot 11 genen die in een homologe sequentie-organisatie zijn gerangschikt (figuur 1)7,8. HOX-genen zijn naar verluidt betrokken bij angiogenese en wondherstel36, bij functies van het vrouwelijke voortplantingskanaal35 en bij pulmonale hypertensie en emfyseem14. Mutaties in HOX-genen kunnen nog een rol spelen bij menselijke misvormingen; zo genereert HOXA13 het hand-voet-genitale syndroom15, HOXB1 het Mowat-Wilson-syndroom39, en Duanes Retraction Syndrome (DRS) houdt verband met de HOXD-cluster1. Ook Ingram et al.16 (2000) hebben aanwijzingen gerapporteerd voor een interactie tussen HOXA1, HOXB1 en geslacht bij de vatbaarheid voor autismespectrumstoornissen.
De niet-geclusterde genen zijn een groot aantal genen die over het hele genoom verspreid liggen en niettemin op basis van hun homologie en functionele overeenkomsten in verschillende families kunnen worden ingedeeld. Tot deze families behoren onder meer de homeoboxgenen PAX (paired), OTX (orthodenticle), MSX (muscle segment), DLX (distalless), CDX (caudal), en EMX (empty spiracles)24.
Gedurende de laatste decennia werden verschillende homeoboxgenen, geclusterd en niet-geclusterd, geïdentificeerd in normaal weefsel, in kwaadaardige cellen, en bij verschillende ziekten en metabolische veranderingen7. PAX-genen zijn de homeoboxfamilie met de sterkste verbanden met ziekten bij de mens. PAX2 is betrokken bij borstkanker34, nierhypoplasie en nierziekten26; PAX3 speelt een rol bij rhabdomyosarcomas2 en melanomen31; PAX5 bepaalt de identiteit van B-cellen28. MSX homeobox-genen zijn betrokken bij de normale ontwikkeling van tanden en bij familiaire gebitsargenese9.
HOMEOBOX EN KANKER
Mondkanker is respectievelijk de vijfde en de zevende meest voorkomende kanker bij mannen en vrouwen in de algemene bevolking. Ongeveer de helft van de getroffen patiënten overlijdt binnen vijf jaar na de diagnose38. Plaveiselcelcarcinomen maken 96% uit van alle mondkankers. In het laatste decennium is veel vooruitgang geboekt bij de afbakening van de moleculaire veranderingen die tot oncogene transformatie leiden11. Verschillende studies wijzen erop dat alcohol- en tabaksgebruik belangrijke factoren zijn die mondkanker veroorzaken19,38. Een genetische predispositie is gesuggereerd, aangezien de meerderheid van de bevolking die aan de genoemde risicofactoren wordt blootgesteld geen mondkanker ontwikkelt. Ook komen sporadische gevallen van mondkanker voor bij jonge volwassenen, die geen identificeerbare carcinogenen gebruiken, en er zijn meldingen van betrokkenheid van de familieanamnese23. Vandaag de dag zijn er veel genetische gebeurtenissen, veroorzaakt door chromosomale veranderingen of mutaties, voorgesteld om de progressie van orale tumoren te onderstrepen38. De ontwikkelingsregulerende genen4,11 zijn een belangrijke groep genen die betrokken zijn bij carcinogenese. Deze genen werden nooit in verband gebracht met mondkanker. Onlangs hebben wij kunnen aantonen dat vier verschillende plaveiselcelcarcinoomcellijnen de HOX-genen anders tot expressie brengen dan de controlecellen en -weefsels27.
Kanker en normale ontwikkeling hebben veel gemeen, aangezien beide processen gepaard gaan met verschuivingen tussen celproliferatie en -differentiatie4. Recent onderzoek heeft aangetoond dat onjuiste regulering van ontwikkelingsgenen tot kanker kan leiden. Er valt echter nog veel te leren over de wisselwerking tussen ontwikkeling, celcyclus, apoptose en kanker.
Veel kankers vertonen expressie of verandering in homeobox-genen. Daartoe behoren onder meer leukemie, darm-, huid-, prostaat-, borst- en eierstokkanker. Onlangs werd aangetoond dat het verlies van expressie in humane borstkanker van p53, een gen dat cellen beschermt tegen kwaadaardige transformatie, hoofdzakelijk te wijten kan zijn aan een gebrek aan expressie van HOXA529. De precieze mechanismen waardoor homeobox-genveranderingen tot kanker leiden, zijn echter nog onbekend11.
Het aantonen van cellijn-specifieke patronen van HOX genactivering in menselijke en muriene leukemische cellijnen ondersteunt de hypothese dat HOX genexpressie de normale hematopoietische differentiatie kan reguleren21. Veranderde expressie van HOX genen gelegen in HOXA en HOXB loci is vaak betrokken bij leukemogenese. De infectie van normale mergcellen met een LTR/HOXB8 construct, samen met de werking van het IL-3 gen, was in staat om myeloïde leukemie bij muizen te induceren24.
Een genomische fusie in frame tussen het nucleoporinegen NUP98 en het HOXA9-gen werd aangetoond bij drie patiënten met myeloïde leukemie en translocatie t(7;11)25. Chimerische fusie-eiwitten die het resultaat zijn van het transcriptieactivatordomein van een eiwit en het DNA-bindingsdomein van een ander eiwit vertonen een hoog oncogeen potentieel. Andere fusies, zoals PBX1 met E2A en HRX met nucleaire eiwitten, veranderen de sequentiespecifieke binding van HOX-genen, leiden homeoproteïnen naar een ander doel en induceren leukemogenese19. De locus HOXC is vooral betrokken bij lymfomen. HOXC4, C5 en C6 zijn ex pressief in non-Hodgkin lymfomen en vertonen een type- en plaatsgebonden expressiepatroon in zowel T- als B-cel non-Hodgkin lymfomen3.
Grote verschillen in expressie van HOX-genen zijn aantoonbaar in primaire solide tumoren (nier-, colon-, borst-, prostaat- en kleincellige longkanker) in vergelijking met de overeenkomstige normale volwassen organen7,20. Misexpressie van HOX genen is detecteerbaar in metastatische laesies gerelateerd aan de primaire tumor van oorsprong en het corresponderende normale weefsel, wat de hypothese ondersteunt van een betrokkenheid van homeoproteïnen in de evolutie van kanker10.
Overexpressie van het homeobox gen HSIX1 in MCF7 cellen onderbrak het G2 celcyclus checkpoint in reactie op X-stralen bestraling, zoals het werd waargenomen met HOX11. Bovendien komt HSIX1, net als HOX11, abnormaal tot expressie in kanker. Overexpressie van HSIX1 wordt waargenomen in 44% van de primaire en 90% van de metastatische borstlaesies, wat suggereert dat HSIX1 een rol kan spelen in de progressie van borstkanker11. In de borstklieren worden HOXC6 transcripten, die actief zijn tijdens de puberteit en de maturiteit, stil tijdens de zwangerschap, waarschijnlijk door de negatieve regulatie van steroïdhormoon, en zijn ook inactief in mammaire adenocarcinomen12.
In andere neoplasma’s werd ook expressie van HOX genen gerapporteerd. Zo brengen nieradenocarcinomen consequent het HOXA9-gen tot expressie en slechts zelden HOXD10 of HOXC930. HOXB6, HOXB8 en HOXC9 komen in verschillende stadia van de ontwikkeling van darmkanker tot misexpressie37. HOXB7 is stil in normale melanocyten, maar wordt actief in melanomen5. In muizenhuid werden HOXA6, A7 en B7 geïdentificeerd in papilloma, maar niet in normale huid6. HOXC6, D1 en D8 komen tot expressie in menselijke neuroblastoomcellen8. Tenslotte lijkt de expressie van HOXC6 in osteosarcomen gereguleerd te worden door leden van de TGF-b superfamilie18.
CONCLUSIES
Een verband tussen ontwikkeling en kanker wordt verwacht omdat beide processen celproliferatie en celdifferentiatie impliceren. Homeobox-genen werden voor het eerst beschreven in organismen in de ontwikkeling en komen nu tot expressie in vele soorten kanker. Het verschil tussen het expressiepatroon in verschillende normale weefsels en in tumorweefsels moet verder worden gekarakteriseerd om alle in carcinogenese. Ook is verdere karakterisering isences van moduleren van deze genen expressie in neoplasma’s, met inbegrip van mondkanker.
ACKNOWLEDGEMENTS
Het onderzoek wordt gefinancierd door de subsidies 97/13228-5 en 01/13644-6 van de 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. Identification of target genes regulated by PAX3 and PAX3 – FKHR in embryogenesis and alveolar 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 and HOXC6 expression in no-Hodgking’s lymphoma: preferential expression of the HOXC5 gene in primary cutaneous anaplastic T-cell and oro-gastrointestinal tract mucosa-associated B-cell lymphomas. 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 activeert constitutief basic fibroblast growth factor in melanoma’s. Mol Cell Biol 1996;16:4842-51.
6. Chang PY, Kozono T, Chida K, Kuroki T, Huh N. Differentiële expressie van Hox genen in multistage carcinogenese van muizenhuid. Biochim Biophys Res Commun 1998; 248:749-52.
7. Cillo C, Cantile M, Faiella A, Boncinelli E. Homeobox genen in normale en maligne cellen. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox genen en kanker. Exp Cell Res 1999;248:1-9.
9. Davideau JL, Demri P, Hotton D, Gu TT, MacDougall M, Sharpe P, et al. Vergelijkende studie van MSX-2, DLX-5, en DLX-7 genexpressie tijdens de vroege ontwikkeling van menselijke tanden. Pediatr Res 1999;46:650-6.
10. De Vita G, Barba P, Odartchenko N, Givel JC, Freschi G, Bucciarelli G, et al.Expressie van homeobox-bevattende genen in primaire en metastatische colorectale kanker. Eur J Cancer 1993;29A:887-93.
11. Ford HL. Homeobox genes: a link between development, cell cycle, and cancer. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Hox genen 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 genen in human lung: altered expression in primary pulmonary hypertension and emphysema. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Menselijke HOX-genmutaties. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Ontdekking van allelische varianten van HOXA1 en HOXB1: genetische vatbaarheid voor autismespectrumstoornissen. 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. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. Cell-type specific modulation of Hox gene expression by members of the TGF-beta superfamily: a comparison between human osteossarcoma and neuroblastoma cell lines. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. The highest affinity DNA element boundes by Pbx complexes in t(1;19) leukemic cells fails to mediate cooperative DNA-binding or cooperative transaction by E2a-Pbx1 and class I Hox proteins evidence for selective targetting of E2a-Pbx1 to a subset of Pbx-recognition elements. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. The role of HOX homeobox genes in normal and leukemic hematopoiesis. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Homeobox proteins as sequence-specific transcription factors. Cell 1988;55:537-40.
22. Lewis EB. A gene complex controlling segmentation in Drosophila. Nature 1978;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. Risk factors for squamous cell carcinoma of the oral cavity in young people a comprehensive literature review. Oral Oncol 2001;37:401-18.
24. Mark M, Rijli FM, Chambon P. Homeobox genen in embryogenese en pathogenese. Pediatr Res 1997;42:421-9.
25. Nakamura T, Largaespada DA, Lee MP, Johnson LA, Ohyashiki K, Toyama K, et al. Fusion of the nucleoporin gene NUP98 to HOXA9 by the chromosome translocation t(7;11)(p15;p15) in human myeloid leukemia. Nat Genet 1996;12:154-8.
26. Nishimoto K, Iijima K, Shirakawa T, Kitagawa K, Satomura K, Nakamura H, et al. PAX2-genmutatie in een familie met geïsoleerde nierhypoplasie. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. Expression of the HOX genes in oral squamous cell carcinoma cell lines.
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. Pax5 bepaalt de identiteit van B-cellen van het begin tot het einde van de B-lymfopoëse. 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 genen en aangeboren misvormingen. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 is expressed in human melanomas and contributes to tumor cell survival. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeobox genen en huidontwikkeling: een overzicht. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeobox genen en orofaciale ontwikkeling. 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. The role of HOX genes in the development and function of the female reproductive tract. 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. Moleculaire biologie van mondkanker bij de mens. 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” syndroom met en zonder de ziekte van Hirschsprung is een duidelijk herkenbaar meervoudig aangeboren afwijkingen-mentale retardatie syndroom veroorzaakt door mutaties in het zinkvinger homeobox 1B gen. Am J Med Genet 2002;108:177-81.