PATOLOGIA
Homeobox genes: a molecular link between development and cancer
Geny 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
Geny homeobox są genami regulatorowymi kodującymi białka jądrowe, które działają jako czynniki transkrypcyjne, regulując aspekty morfogenezy i różnicowania komórek podczas normalnego rozwoju embrionalnego wielu zwierząt. Geny homeobox kręgowców można podzielić na dwie podrodziny: geny skupione, czyli geny HOX, oraz geny niezgrupowane, czyli geny rozbieżne (divergent homeobox). W ostatnich dziesięcioleciach zidentyfikowano kilka genów homeobox, zarówno skupionych, jak i niezgrupowanych, w tkankach prawidłowych, w komórkach złośliwych oraz w różnych chorobach i zmianach metabolicznych. Geny homeobox s± zaangażowane w prawidłowy rozwój zębów oraz w rodzinn± agenezję zębów. Prawidłowy rozwój i nowotworzenie mają wiele wspólnego, ponieważ w obu procesach dochodzi do przesunięć pomiędzy proliferacją i różnicowaniem komórek. W literaturze pojawiają się coraz liczniejsze dowody na to, że geny homeobox odgrywają istotną rolę w onkogenezie. Wiele nowotworów wykazuje ekspresję lub zmiany w genach homeobox. Należą do nich m.in. białaczki, rak jelita grubego, skóry, prostaty, piersi i jajnika. Celem tego przeglądu jest zapoznanie czytelników z niektórymi funkcjami rodziny homeoboksów w prawidłowych tkankach, a zwłaszcza w nowotworach.
Deskryptory: Genes, homeobox; Neoplasms; Growth & Development.
STRESZCZENIE
Geny homeobox są genami regulatorowymi kodującymi białka jądrowe, które działają jako czynniki transkrypcyjne, regulujące różne aspekty morfogenezy i różnicowania komórek podczas normalnego rozwoju embrionalnego różnych zwierząt. Geny homeobox kręgowców można podzielić na dwie rodziny: geny skupione (HOX) i geny niezgrupowane (divergent). W ciągu ostatnich dziesięcioleci zidentyfikowano wiele genów homeobox, skupionych i niezgrupowanych, w prawidłowych tkankach, w komórkach złośliwych oraz w różnych chorobach i stanach metabolicznych. Geny homeobox są zaangażowane, na przykład, w prawidłowy rozwój zębów i w rodzinnie występującą agenezję zębów. Normalny rozwój i nowotwory mają wiele wspólnego, ponieważ w obu przypadkach dochodzi do proliferacji i różnicowania się komórek. W literaturze pojawia się coraz więcej prac odnoszących geny homeobox do onkogenezy. Wiele typów nowotworów wykazuje ekspresję lub zmiany w genach homeobox. Należą do nich między innymi białaczki, rak jelita grubego, skóry, prostaty, piersi i jajników. Przegląd ten ma na celu przybliżenie czytelnikom niektórych funkcji rodziny homeoboksów w tkankach prawidłowych, a zwłaszcza w nowotworach.
Deskryptory: Homeobox geny; Neoplasms; Wzrost & rozwoju.
INTRODUCTION
Homeobox genes are master developmental control genes that act at top of genetic hierarchies regulating aspects of morphogenesis and cell differentiation in animals24. Geny te zostały po raz pierwszy odkryte u muszki owocowej Drosophila22 i zidentyfikowane jako geny, których mutacje powodują transformację segmentów ciała, znaną również jako transformacja homeotyczna. Zjawisko to polega na przekształcaniu się jednej części ciała w inną, np. mucha z czterema skrzydłami zamiast dwóch.
Rodzina genów Homeobox koduje białka regulatorowe kontrolujące podstawowe procesy rozwojowe w wielu tkankach, w tym w tkankach orofacjalnych33. Zawierają one wspólną 180-nukleotydową sekwencję (homeobox) kodującą specyficzne białka jądrowe (homeoproteiny), które działają jako czynniki transkrypcyjne. Sekwencja homeobox koduje 60-aminoacydową domenę, homeodomenę, odpowiedzialną za wiązanie DNA8,11,32. Analizy strukturalne wykazały, że homeodomena składa się z motywu helisa-turn-helix, który wiąże się z DNA poprzez umieszczenie helisy rozpoznawczej w głównym rowku DNA, a jej aminokońcowego ramienia w sąsiednim małym rowku13. Specyficzność tego wiązania umożliwia homeoproteinom aktywację lub represję ekspresji baterii genów docelowych downstream21. Homeobox podlega również regulacji niektórych białek, takich jak białka sygnałowe Sonic hedgehog (SHH), czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) i białko morfogenetyczne kości (BMP). Wykazano, że homeoboksy występują u wszystkich Metazoa, od gąbek po kręgowce, a także u roślin i grzybów6.
Celem niniejszego przeglądu jest zapoznanie czytelników z niektórymi funkcjami rodziny homeobox w prawidłowych tkankach, a zwłaszcza w rozwoju nowotworów, co może mieć w niedalekiej przyszłości cenne znaczenie kliniczne.
GENY HOMEOBOX W ROZWOJU
Rodzinę genów homeobox kręgowców można podzielić na dwie podrodziny: a) skupione geny homeobox, znane jako geny HOX lub klasa I; oraz b) niezgrupowane lub rozbieżne geny homeobox.
Rodzina HOX odgrywa fundamentalną rolę w morfogenezie komórek zarodka kręgowców, dostarczając informacji regionalnych wzdłuż głównej osi ciała11,24. Rodzina ta jest strukturalnie i funkcjonalnie homologiczna do kompleksu homeotycznego (HOM-C) z Drosophila. U myszy (geny HOX) i ludzi (geny HOX) występuje co najmniej 39 genów zorganizowanych w cztery klastry genomowe o długości około 100 kb, zwane loci HOX. Każdy klaster jest zlokalizowany w innym chromosomie (HOX-A, HOX-B, HOX-C i HOX-D, odpowiednio na 7p, 17p, 12p i 2p) i składa się z 9 do 11 genów ułożonych w homologicznej organizacji sekwencji (Rysunek 1)7,8. Geny HOX są zaangażowane w angiogenezę i naprawę ran36, w funkcje żeńskiego układu rozrodczego35 oraz w nadciśnienie płucne i rozedmę płuc14. Mutacje w genach HOX mogą jednak uczestniczyć w ludzkich wadach rozwojowych, np. HOXA13 generuje zespół ręka-stopa-genital15, HOXB1 generuje zespół Mowat-Wilson39, a zespół Duanes Retraction (DRS) wiąże się z klastrem HOXD1. Również Ingram i wsp.16 (2000) przedstawili dowody na interakcję pomiędzy HOXA1, HOXB1 i płcią w podatności na zaburzenia ze spektrum autyzmu.
Geny niezgrupowane to duża liczba genów rozproszonych w całym genomie, które mimo to można zorganizować w odrębne rodziny na podstawie ich homologii i podobieństw funkcjonalnych. Niektóre z tych rodzin obejmują m.in. geny homeoboksów sparowanych (PAX), ortodontycznych (OTX), segmentów mięśniowych (MSX), dystalnych (DLX), ogonowych (CDX) i pustych spiral (EMX)24.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci zidentyfikowano kilka genów homeobox, skupionych i niezgrupowanych, w tkankach prawidłowych, w komórkach złośliwych oraz w różnych chorobach i zmianach metabolicznych7. Geny PAX są rodziną genów homeobox o najsilniejszych powiązaniach z chorobami człowieka. PAX2 jest zaangażowany w raka piersi34, hipoplazję nerek i choroby nerek26; PAX3 odgrywa rolę w mięsakach rhabdomyosarcomas2 i czerniakach31; PAX5 określa tożsamość komórek B28. Geny homeobox MSX biorą udział w prawidłowym rozwoju zębów oraz w rodzinnej agenezji zębów9.
HOMEOBOX I RAK
Rak jamy ustnej jest, odpowiednio, piątym i siódmym najczęściej występującym nowotworem u mężczyzn i kobiet w populacji ogólnej. Około połowa dotkniętych nim pacjentów umiera w ciągu pięciu lat od rozpoznania38. Rak kolczystokomórkowy stanowi 96% wszystkich nowotworów jamy ustnej. W ciągu ostatniej dekady dokonano znacznego postępu w określaniu zmian molekularnych, które prowadzą do transformacji onkogennej11. Wiele badań wskazuje, że alkohol i palenie tytoniu są ważnymi czynnikami wywołującymi raka jamy ustnej19,38. Sugeruje się istnienie predyspozycji genetycznej, ponieważ u większości populacji narażonej na wymienione czynniki ryzyka nie dochodzi do rozwoju raka jamy ustnej. Ponadto, sporadyczne przypadki raka jamy ustnej występują u młodych dorosłych, nieużywających żadnego rozpoznawalnego czynnika rakotwórczego, a także istnieją doniesienia o rodzinnym występowaniu tego nowotworu23. Obecnie proponuje się, aby u podłoża progresji nowotworów jamy ustnej leżało wiele zdarzeń genetycznych spowodowanych zmianami chromosomalnymi lub mutacjami38. Geny regulujące rozwój4,11 stanowią ważną grupę genów zaangażowanych w kancerogenezę. Geny te nigdy nie były związane z rakiem jamy ustnej. Ostatnio udało nam się wykazać, że cztery odrębne linie komórkowe raka płaskonabłonkowego wykazują ekspresję genów HOX odmienną od komórek kontrolnych i tkanek27.
Rak i prawidłowy rozwój mają ze sobą wiele wspólnego, ponieważ oba procesy obejmują zmiany pomiędzy proliferacją i różnicowaniem komórek4. Ostatnie badania wykazały, że nieprawidłowa regulacja genów rozwojowych może prowadzić do powstania nowotworu. Jednak wiele jeszcze trzeba się nauczyć o wzajemnym oddziaływaniu między rozwojem, cyklem komórkowym, apoptozą i nowotworami.
Wiele nowotworów wykazuje ekspresję lub zmiany w genach homeobox. Należą do nich między innymi białaczka, rak jelita grubego, skóry, prostaty, piersi i jajnika. Ostatnio wykazano, że utrata ekspresji w ludzkim raku piersi p53, genu chroniącego komórki przed złośliwą transformacją, może być spowodowana przede wszystkim brakiem ekspresji HOXA529. Jednak dokładne mechanizmy, dzięki którym mutacje genów homeobox prowadzą do rozwoju nowotworów, są nadal nieznane11.
Wykazanie specyficznych dla linii komórkowej wzorów aktywacji genów HOX w ludzkich i mysich białaczkowych liniach komórkowych wspiera hipotezę, że ekspresja genów HOX może regulować normalne różnicowanie hematopoetyczne21. Zmieniona ekspresja genów HOX zlokalizowanych w loci HOXA i HOXB jest często zaangażowana w leukemogenezę. Zakażenie normalnych komórek szpiku konstruktem LTR/HOXB8, wraz z działaniem genu IL-3, było w stanie wywołać białaczkę szpikową u myszy24.
Genomowa fuzja in frame pomiędzy genem nukleoporyny NUP98 a genem HOXA9 została wykazana u trzech pacjentów z białaczką szpikową i translokacją t(7;11)25. Chimeryczne białka fuzyjne powstałe z domeny aktywatora transkrypcji jednego białka i domeny wiążącej DNA drugiego wykazują wysoki potencjał onkogenny. Inne fuzje, jak PBX1 do E2A i HRX do białek jądrowych, zmieniają sekwencyjnie specyficzne wiązanie genów HOX, kierują homeoproteiny do innego celu i indukują leukemogenezę19. Locus HOXC jest głównie zaangażowany w chłoniaki. HOXC4, C5 i C6 są egzogenne w chłoniakach nieziarniczych, wykazując wzorzec ekspresji ograniczony do typu i lokalizacji zarówno w chłoniakach nieziarniczych T-, jak i B-komórkowych3.
Nadekspresja genu homeobox HSIX1 w komórkach MCF7 abrogated the G2 cell cycle checkpoint in response to X-ray irradiation, as it was observed with HOX11. Ponadto HSIX1, podobnie jak HOX11, ulega nadmiernej ekspresji w nowotworach. Nadekspresję HSIX1 obserwuje się w 44% pierwotnych i 90% przerzutowych zmian w piersi, co sugeruje, że HSIX1 może odgrywać rolę w progresji raka piersi11. W gruczołach sutkowych transkrypty HOXC6, które są aktywne w okresie dojrzewania i dojrzałości, stały się nieme podczas ciąży, prawdopodobnie z powodu negatywnej regulacji hormonów steroidowych, i są również nieaktywne w gruczolakorakach sutka12.
W innych nowotworach również odnotowano ekspresję genów HOX. Na przykład, gruczolakoraki nerek wykazują stałą ekspresję genu HOXA9, a tylko rzadko HOXD10 lub HOXC930. HOXB6, HOXB8 i HOXC9 ulegają ekspresji na różnych etapach ewolucji raka jelita grubego37. HOXB7 jest niemy w normalnych melanocytach, ale staje się aktywny w czerniakach5. W skórze myszy, HOXA6, A7 i B7 zostały zidentyfikowane w brodawczakach, ale nie w normalnej skórze6. HOXC6, D1 i D8 ulegają ekspresji w ludzkich komórkach neuroblastoma8. Wreszcie, w osteosarcomas, ekspresja HOXC6 wydaje się być regulowana przez członków nadrodziny TGF-b18.
WNIOSKI
Oczekuje się związku między rozwojem a nowotworami, ponieważ oba procesy obejmują proliferację i różnicowanie komórek. Geny homeobox zostały po raz pierwszy opisane u organizmów w trakcie rozwoju, a obecnie uznaje się, że ulegają ekspresji w wielu typach nowotworów. Różnica pomiędzy wzorcem ekspresji w różnych tkankach prawidłowych i w tkankach nowotworowych musi być dokładniej scharakteryzowana w celu określenia ich udziału w kancerogenezie. Ponadto, dalszą charakterystykę można uzyskać poprzez modulację ekspresji tych genów w nowotworach, w tym w raku jamy ustnej.
ACKNOWLEDGEMENTS
Badania są finansowane przez Granty 97/13228-5 i 01/13644-6 z 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 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. 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 genes in normal and malignant cells. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox genes and cancer. 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. 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 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 genes in human lung: altered expression in primary pulmonary hypertension and emphysema. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Human HOX gene mutations. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Discovery of allelic variants of HOXA1 and HOXB1: genetic susceptibility to autism spectrum disorders. 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 bound 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 genes in embryogenesis and pathogenesis. 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 gene mutation in a family with isolated renal hypoplasia. 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 determines the identity of B cells from the beginning to the end of B-lymphopoiesois. 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 genes and congenital malformations. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 jest wyrażany w ludzkich czerniakach i przyczynia się do przeżycia komórek nowotworowych. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeobox genes and skin development: a review. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeobox genes and orofacial development. 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. Molecular biology of human oral cancer. 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” syndrome with and without Hirschsprung disease is a distinct, recognizable multiple congenital anomalies-mental retardation syndrome caused by mutations in the zinc finger homeobox 1B gene. Am J Med Genet 2002;108:177-81.