PATOLOGIA
Gene homeobox: o legătură moleculară între dezvoltare și cancer
Genele homeobox: o legătură moleculară între dezvoltare și cancer
Genele 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, profesor asistent
IIDentist, stagiar
IIIDoctorand
IVPhD, profesor asociat Departamentul de Patologie Orală, Școala de Stomatologie, Universitatea din São Paulo.
ABSTRACT
Genele homeobox sunt gene reglatoare care codifică proteine nucleare care acționează ca factori de transcripție, reglând aspecte ale morfogenezei și diferențierii celulare în timpul dezvoltării embrionare normale a mai multor animale. Genele homeobox ale vertebratelor pot fi împărțite în două subfamilii: genele homeobox grupate, sau genele HOX, și genele homeobox neaglomerate, sau genele homeobox divergente. În ultimele decenii, au fost identificate mai multe gene homeobox, clustered și nonclustered, în țesuturile normale, în celulele maligne și în diferite boli și alterări metabolice. Genele homeobox sunt implicate în dezvoltarea normală a dinților și în agenezia familială a dinților. Dezvoltarea normală și cancerul au multe în comun, deoarece ambele procese implică schimbări între proliferarea și diferențierea celulară. În literatura de specialitate se acumulează dovezi că genele homeobox joacă un rol important în oncogeneză. Multe cancere prezintă expresia sau alterarea genelor homeobox. Printre acestea se numără leucemiile, cancerele de colon, de piele, de prostată, de sân și ovarian, printre altele. Această trecere în revistă își propune să prezinte cititorilor unele dintre funcțiile familiei homeobox în țesuturile normale și, în special, în cancer.
Descriptori:
: Gene, homeobox; Neoplasme; Creștere & Dezvoltare.
REZUMAT
Genele homeobox sunt gene reglatoare care codifică proteine nucleare care acționează ca factori de transcripție, reglând diferite aspecte ale morfogenezei și diferențierii celulare în timpul dezvoltării embrionare normale a diferitelor animale. Genele homeobox ale vertebratelor pot fi subdivizate în două familii: cele grupate, sau HOX, și cele care nu sunt grupate, sau divergente. În ultimele decenii, au fost identificate mai multe gene homeobox, grupate și nu grupate, în țesuturile normale, în celulele maligne și în diferite boli și condiții metabolice. Genele homeobox sunt implicate, de exemplu, în dezvoltarea normală a dinților și în agenezia familială a dinților. Dezvoltarea normală și cancerul au multe în comun, deoarece ambele implică proliferarea și diferențierea celulară. În literatura de specialitate a apărut un număr din ce în ce mai mare de lucrări care relaționează genele homeobox cu oncogeneza. Multe tipuri de cancer prezintă expresia sau alterarea genelor homeobox. Printre acestea se numără leucemiile, cancerul de colon, de piele, de prostată, de sân și ovarian, printre altele. Această trecere în revistă își propune să conducă cititorii la cunoașterea unora dintre funcțiile familiei homeobox în țesuturile normale și în special în cancer.
Descriptori: Gene homeobox; Neoplasme; Creștere & dezvoltare.
INTRODUCERE
Genele homeobox sunt gene magistrale de control al dezvoltării care acționează la vârful ierarhiilor genetice care reglează aspecte ale morfogenezei și diferențierii celulare la animale24. Aceste gene au fost descoperite pentru prima dată la musca de fructe Drosophila22 și au fost identificate ca gene ale căror mutații determină transformarea segmentului corporal, cunoscută și sub numele de transformare homeotică. Acest fenomen constă în transformarea unei părți a corpului în alta, de exemplu, o muscă cu patru aripi în loc de două.
Familia de gene homeobox codifică proteine reglatoare care controlează procesele de dezvoltare de bază în mai multe țesuturi, inclusiv în țesuturile orofaciale33. Acestea conțin o secvență comună de 180 de nucleotide (homeobox) care codifică proteine nucleare specifice (homeoproteine) care acționează ca factori de transcripție. Secvența homeobox codifică un domeniu de 60 de aminoacizi, homeodomainul, responsabil pentru legarea ADN-ului8,11,32. Analizele structurale au arătat că homeodomainul constă într-un motiv helix-turn-helix care se leagă de ADN prin inserarea helixului de recunoaștere în șanțul major al ADN-ului și a brațului său amino-terminal în șanțul minor adiacent13. Specificitatea acestei legături permite homeoproteinelor să activeze sau să reprime expresia bateriilor de gene țintă din aval21. Homeobox sunt, de asemenea, reglementate de unele proteine, cum ar fi proteinele de semnalizare Sonic hedgehog (SHH), factorul de creștere a fibroblastelor (FGF) și proteina morfogenetică osoasă (BMP). S-a demonstrat că homeoboxul este prezent în toate metazoarele, de la bureți la vertebrate și, de asemenea, la plante și ciuperci6.
Această trecere în revistă își propune să prezinte cititorilor unele dintre funcțiile familiei homeobox în țesuturile normale și, în special, în dezvoltarea cancerului, care ar putea fi de un interes clinic valoros în viitorul apropiat.
GENELE HOMEOBOX ÎN DEZVOLTARE
Familia de gene homeobox la vertebrate poate fi împărțită în două subfamilii: a) genele homeobox grupate, cunoscute sub numele de gene HOX sau clasa I; și b) genele homeobox neaglomerate, sau genele homeobox divergente.
Familia HOX joacă un rol fundamental în morfogeneza celulelor embrionare ale vertebratelor, furnizând informații regionale de-a lungul axei principale a corpului11,24. Această familie este omologă din punct de vedere structural și funcțional cu complexul homeotic (HOM-C) de la Drosophila. Există cel puțin 39 de gene la șoareci (gene HOX) și la oameni (gene HOX) organizate în patru grupuri genomice cu o lungime de aproximativ 100 kb numite loci HOX. Fiecare cluster este localizat într-un cromozom diferit (HOX-A, HOX-B, HOX-C și HOX-D, respectiv la 7p, 17p, 12p și 2p) și cuprinde 9 până la 11 gene dispuse într-o organizare de secvențe omoloage (figura 1)7,8. S-a raportat că genele HOX sunt implicate în angiogeneză și în repararea rănilor36, în funcțiile tractului reproducător feminin35 și în hipertensiunea pulmonară și emfizemul14. Mutațiile în genele HOX pot participa încă la malformații umane, de exemplu, HOXA13 generează sindromul mână-picior-genital15, HOXB1 generează sindromul Mowat-Wilson39, iar sindromul de retracție Duanes (DRS) este legat de grupul HOXD1. De asemenea, Ingram et al.16 (2000) au raportat dovezi ale unei interacțiuni între HOXA1, HOXB1 și sex în ceea ce privește susceptibilitatea la tulburările din spectrul autist.
Genele neaglomerate sunt un număr mare de gene împrăștiate în tot genomul care, cu toate acestea, pot fi organizate în familii distincte pe baza omologiilor și asemănărilor funcționale. Unele dintre aceste familii includ, printre altele, genele homeobox perechi (PAX), ortodenticule (OTX), segmente musculare (MSX), distalless (DLX), caudale (CDX) și spiracole goale (EMX)24.
În ultimele decenii, au fost identificate mai multe gene homeobox, grupate și neaglomerate, în țesuturile normale, în celulele maligne și în diferite boli și alterări metabolice7. Genele PAX sunt familia homeobox cu cele mai puternice legături cu bolile umane. PAX2 a fost implicată în cancerul de sân34, hipoplazia renală și bolile renale26; PAX3 are un rol în rabdomiosarcoame2 și melanoame31; PAX5 determină identitatea celulelor B28. Genele homeobox MSX sunt implicate în dezvoltarea normală a dinților și în agenezia familială a dinților9.
HOMEOBOX ȘI CANCERUL
Cancerul oral este, respectiv, al cincilea și al șaptelea cel mai frecvent cancer pentru bărbați și femei în populația generală. Aproximativ jumătate dintre pacienții afectați vor muri în termen de cinci ani de la diagnosticare38. Carcinoamele cu celule scuamoase reprezintă 96% din toate cancerele orale. În ultimul deceniu, s-au făcut multe progrese în ceea ce privește delimitarea modificărilor moleculare care duc la transformarea oncogenă11. Mai multe studii indică faptul că consumul de alcool și de tutun sunt factori importanți care cauzează cancerul oral19,38. A fost sugerată o predispoziție genetică, deoarece majoritatea populației expuse la factorii de risc menționați nu dezvoltă cancer oral. De asemenea, cazurile sporadice de cancer oral apar la adulți tineri, neutilizatori ai niciunui carcinogen identificabil, și au fost raportate cazuri de implicare a antecedentelor familiale23. În prezent, numeroase evenimente genetice cauzate de modificări sau mutații cromozomiale au fost propuse pentru a sublinia evoluția tumorilor orale38. Genele reglatoare ale dezvoltării4,11 sunt un grup important de gene implicate în carcinogeneză. Aceste gene nu au fost niciodată asociate cu cancerul oral. Recent, am reușit să demonstrăm că patru linii celulare distincte de carcinom cu celule scuamoase exprimă genele HOX în mod diferit față de celulele și țesuturile de control27.
Cancerul și dezvoltarea normală au multe în comun, deoarece ambele procese implică schimbări între proliferarea și diferențierea celulară4. Cercetările recente au demonstrat că reglarea necorespunzătoare a genelor de dezvoltare poate duce la apariția cancerului. Cu toate acestea, mai sunt multe de învățat despre interacțiunea care există între dezvoltare, ciclul celular, apoptoză și cancer.
Multe cancere prezintă expresie sau alterare în genele homeobox. Acestea includ, printre altele, leucemia, cancerul de colon, de piele, de prostată, de sân și de ovar. Recent s-a demonstrat că pierderea de expresie în cancerul mamar uman a genei p53, o genă care protejează celulele împotriva transformării maligne, se poate datora în primul rând lipsei de expresie a genei HOXA529. Cu toate acestea, mecanismele precise prin care alterările genelor homeobox duc la apariția cancerului sunt încă necunoscute11.
Demonstrarea modelelor specifice liniei celulare de activare a genei HOX în liniile celulare leucemice umane și murine susține ipoteza că expresia genei HOX poate regla diferențierea hematopoietică normală21. Expresia alterată a genelor HOX localizate în loci HOXA și HOXB este adesea implicată în leucemogeneză. Infectarea celulelor medulare normale cu o construcție LTR/HOXB8, împreună cu acțiunea genei IL-3, a fost capabilă să inducă leucemie mieloidă la șoareci24.
O fuziune genomică în cadru între gena nucleoporinei NUP98 și gena HOXA9 a fost demonstrată la trei pacienți cu leucemie mieloidă și translocație t(7;11)25. Proteinele de fuziune chimerice rezultate din domeniul activator de transcripție al unei proteine și domeniul de legare a ADN-ului al alteia prezintă un potențial oncogen ridicat. Alte fuziuni, cum ar fi PBX1 cu E2A și HRX cu proteine nucleare, alterează legarea specifică secvenței a genelor HOX, direcționează homeoproteinele către o țintă diferită și induc leucemogeneza19. Locusul HOXC este implicat în principal în limfoame. HOXC4, C5 și C6 sunt ex presate în limfoamele non-Hodgkin, prezentând un tipar de expresie limitat la tip și la localizare atât în limfoamele non-Hodgkin cu celule T, cât și în cele cu celule B3.
Diferențe majore în expresia genelor HOX sunt detectabile în tumorile solide primare (rinichi, colon, sân, prostată și cancer pulmonar cu celule mici) în comparație cu organele adulte normale corespunzătoare7,20. Misexpresia genelor HOX este detectabilă în leziunile metastatice legate de tumora primară de origine și de țesutul normal corespunzător, susținând ipoteza unei implicări a homeoproteinelor în evoluția cancerului10.
Supraexprimarea genei homeobox HSIX1 în celulele MCF7 a abrogat punctul de control al ciclului celular G2 ca răspuns la iradierea cu raze X, așa cum a fost observat în cazul HOX11. Mai mult, HSIX1, ca și HOX11, este exprimată în mod aberant în cancer. Supraexpresia HSIX1 este observată în 44% din leziunile mamare primare și 90% din leziunile mamare metastatice, ceea ce sugerează că HSIX1 poate juca un rol în progresia cancerului mamar11. În glandele mamare, transcripțiile HOXC6, care sunt active în timpul pubertății și maturității, au devenit silențioase în timpul sarcinii, probabil din cauza reglării negative a hormonilor steroidieni, și sunt, de asemenea, inactive în adenocarcinoamele mamare12.
În alte neoplazii, a fost raportată, de asemenea, expresia genelor HOX. De exemplu, adenocarcinoamele renale exprimă în mod constant gena HOXA9 și doar rareori exprimă fie HOXD10, fie HOXC930. HOXB6, HOXB8 și HOXC9 sunt inexprimate în diferite stadii de evoluție a cancerului de colon37. HOXB7 este silențioasă în melanocitele normale, dar a devenit activă în melanoame5. La pielea de șoarece, HOXA6, A7 și B7 au fost identificate în papilom, dar nu și în pielea normală6. HOXC6, D1 și D8 sunt exprimate în celulele de neuroblastom uman8. În cele din urmă, în osteosarcoame, expresia HOXC6 pare să fie reglată de membri ai superfamiliei TGF-b18.
CONCLUZII
Este de așteptat să existe o legătură între dezvoltare și cancer, deoarece ambele procese implică proliferarea și diferențierea celulară. Genele homeobox au fost descrise pentru prima dată la organismele aflate în dezvoltare și acum se recunoaște că sunt exprimate în multe tipuri de cancere. Diferența dintre modelul de expresie în țesuturile normale distincte și în țesuturile tumorale trebuie să fie caracterizată în continuare pentru a toate în carcinogeneză. De asemenea, o caracterizare mai aprofundată esteences de modulare a expresiei acestor gene în neoplasme, inclusiv în cancerul oral.
RECUNOȘTINȚE
Cercetarea este finanțată de Granturile 97/13228-5 și 01/13644-6 de la 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. 2. Izolarea și caracterizarea genei homeobox umane HOX D1. Mol Biol Rep 2002;27:95-201.
2. Barber TD, Barber MC, Tomescu O, Barr FG, Ruben S, Friedman TB. Identificarea genelor țintă reglementate de PAX3 și PAX3 – FKHR în embriogeneză și rabdomiosarcom alveolar. Genomics 2002;79:278-84.
3. Bijl JJ, van Oostveen JW, Walboomers JM, Horstman A, van den Brule AJ, Willemze R, et al. Expresia HOXC4, HOXC5 și HOXC6 în limfomul no-Hodgking: expresia preferențială a genei HOXC5 în limfoamele primare cutanate anaplastice cu celule T și în limfoamele cu celule B asociate mucoasei tractului oro-gastrointestinal. Sânge 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, Silvani A, Meccia E, Mattia G, Stoppacciaro A, Parmiani G, et al. HOXB7 activează constitutiv factorul de creștere a fibroblastelor de bază în melanoame. Mol Cell Biol 1996;16:4842-51.
6. Chang PY, Kozono T, Chida K, Kuroki T, Huh N. Expresia diferențială a genelor Hox în carcinogeneza în mai multe etape a pielii de șoarece. Biochim Biophys Res Commun 1998; 248:749-52.
7. Cillo C, Cantile M, Faiella A, Boncinelli E. Genele Homeobox în celulele normale și maligne. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, 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. Studiu comparativ al expresiei genelor MSX-2, DLX-5, și DLX-7 în timpul dezvoltării timpurii a dinților umani. Pediatr Res 1999;46:650-6.
10. De Vita G, Barba P, Odartchenko N, Givel JC, Freschi G, Bucciarelli G, et al.Expresia genelor care conțin homeobox în cancerul colorectal primar și metastatic. Eur J Cancer 1993;29A:887-93.
11. Ford HL. Genele homeobox: o legătură între dezvoltare, ciclul celular și cancer. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Genele Hox în glanda mamară normală și neoplazică de șoarece. 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. Genele HOX în plămânul uman: expresie modificată în hipertensiunea pulmonară primară și emfizemul. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Mutații ale genelor HOX umane. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Descoperirea variantelor alelice ale HOXA1 și HOXB1: susceptibilitate genetică la tulburările din spectrul autist. Teratologie 2000,62:393-405.
17. Katz MR, Irish JC, Devins GM, Rodin GM, Gullane PJ. Fiabilitatea și validitatea unei scale de desfigurare evaluată de observator pentru pacienții cu cancer la cap și gât. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. Modularea specifică tipului celular a expresiei genelor Hox de către membrii superfamiliei TGF-beta: o comparație între liniile celulare de osteosarcom uman și neuroblastom. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. Elementul de ADN cu cea mai mare afinitate legat de complexele Pbx în celulele leucemice t(1;19) nu reușește să medieze legarea cooperativă a ADN-ului sau tranzacția cooperativă de către E2a-Pbx1 și proteinele Hox de clasă I, dovadă a direcționării selective a E2a-Pbx1 către un subset de elemente de recunoaștere a Pbx. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. Rolul genelor homeobox HOX în hematopoieza normală și leucemică. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Proteinele homeobox ca factori de transcripție specifici secvenței. Cell 1988;55:537-40.
22. Lewis EB. Un complex de gene care controlează segmentarea la Drosophila. Nature 1978;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. Factori de risc pentru carcinomul cu celule scuamoase al cavității bucale la tineri o analiză cuprinzătoare a literaturii. 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. Fuziunea genei nucleoporinei NUP98 cu HOXA9 prin translocația cromozomială t(7;11)(p15;p15) în leucemia mieloidă umană. Nat Genet 1996;12:154-8.
26. Nishimoto K, Iijima K, Shirakawa T, Kitagawa K, Satomura K, Nakamura H, et al. Mutația genei PAX2 într-o familie cu hipoplazie renală izolată. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. Expresia genelor HOX în liniile celulare de carcinom cu celule scuamoase orale .
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. Pax5 determină identitatea celulelor B de la începutul până la sfârșitul limfopoiezei B. Int Rev Immunol 2001;20:65-82.
29. Raman V, Martensen SA, Reisman D, Evron E, Odenwald WF, Jaffee E, et al. Compromisul funcției HOXA5 poate limita expresia p53 în tumorile mamare umane. Nature 2000;405:974-8.
30. Redline RW, Neish A, Holmes LB, Collins T. Genele homeobox și malformațiile congenitale. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 este exprimat în melanoamele umane și contribuie la supraviețuirea celulelor tumorale. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Genele homeobox și dezvoltarea pielii: o revizuire. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Genele homeobox și dezvoltarea orofacială. Connect Tissue Res 1995;32:17-25.
34. Silberstein GB, Dressler GR, Van Horn K. Expresia oncogenei PAX2 în cancerul mamar uman și rolul său în creșterea mamară dependentă de progesteron. Oncogene 2002; 21:1009-16.
35. Taylor HS. Rolul genelor HOX în dezvoltarea și funcția tractului reproducător feminin. Semin Reprod Med 2000; 18:81-9.
36. Uyeno LA, Newman-Keagle JA, Cheung I, Hunt TK, Young DM, Boudreau N. Expresia Hox D3 în vindecarea normală și afectată a rănilor. 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, Tsuji T, Donoff RB. Biologia moleculară a cancerului oral uman. 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. Sindromul „Mowat-Wilson” cu și fără boala Hirschsprung este un sindrom distinct și recognoscibil de anomalii congenitale multiple-retard mental cauzat de mutații în gena homeobox 1B cu deget de zinc. Am J Med Genet 2002;108:177-81.