PATOLOGIA
Homeobox-gener: en molekylär länk mellan utveckling och cancer
Gener 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, biträdande professor
IIDentist, praktikant
IIIDoktorand
IVPhD, biträdande professor Institutionen för oral patologi, Tandläkarhögskolan, São Paulos universitet.
ABSTRACT
Homeobox-gener är reglerande gener som kodar för nukleära proteiner som fungerar som transkriptionsfaktorer och reglerar aspekter av morfogenes och celldifferentiering under normal embryonal utveckling hos flera djur. Homeoboxgener hos ryggradsdjur kan delas in i två underfamiljer: klustrade, eller HOX-gener, och icke klustrade, eller divergerande, homeoboxgener. Under de senaste årtiondena har flera homeoboxgener, klustrade och icke-klustrade, identifierats i normal vävnad, i maligna celler och vid olika sjukdomar och metaboliska förändringar. Homeoboxgener är involverade i den normala tandutvecklingen och i familjär tandagenesi. Normal utveckling och cancer har mycket gemensamt, eftersom båda processerna innebär skiftningar mellan cellproliferation och differentiering. I litteraturen ackumuleras bevis för att homeoboxgener spelar en viktig roll i onkogenes. Många cancerformer uppvisar uttryck av eller förändringar i homeoboxgener. Det rör sig bland annat om leukemier, tjocktarms-, hud-, prostata-, bröst- och äggstockscancer. Denna översikt syftar till att introducera läsarna till några av homeobox-familjens funktioner i normala vävnader och särskilt i cancer.
Deskriptorer: Gener, homeobox; Neoplasmer; Tillväxt & Utveckling.
SAMMANFATTNING
Homeobox-gener är reglerande gener som kodar för nukleära proteiner som fungerar som transkriptionsfaktorer och reglerar olika aspekter av morfogenes och celldifferentiering under normal embryonal utveckling hos olika djur. Homeobox-gener från ryggradsdjur kan delas in i två familjer: de klustrade, eller HOX, och de icke-klustrade, eller divergenta. Under de senaste årtiondena har flera homeoboxgener, klustrade och icke-klustrade, identifierats i normala vävnader, i maligna celler och i olika sjukdomar och metaboliska tillstånd. Homeobox-gener är till exempel inblandade i normal tandutveckling och i familjär tandagenesi. Normal utveckling och cancer har mycket gemensamt, eftersom båda involverar cellproliferation och differentiering. Litteraturen har visat ett ökande antal artiklar som relaterar homeoboxgener till onkogenes. Många typer av cancer uppvisar uttryck eller förändringar i homeoboxgener. De omfattar bland annat leukemi, tjocktarms-, hud-, prostata-, bröst- och äggstockscancer. Denna översikt syftar till att ge läsaren kunskap om några av homeobox-familjens funktioner i normala vävnader och särskilt i cancer.
Deskriptorer: Homeobox-gener; tumörer; tillväxt & utveckling.
INLEDNING
Homeobox-gener är mästargener för utvecklingskontroll som agerar i toppen av genetiska hierarkier som reglerar aspekter av morfogenes och celldifferentiering hos djur24. Dessa gener upptäcktes först i fruktflugan Drosophila22 och identifierades som gener vars mutationer orsakar omvandling av kroppssegment, även känd som homeotisk omvandling. Detta fenomen innebär att en kroppsdel omvandlas till en annan, t.ex. att en fluga får fyra vingar i stället för två.
Homeobox-familjen av gener kodar för reglerande proteiner som kontrollerar grundläggande utvecklingsprocesser i flera vävnader, inklusive orofaciala vävnader33. De innehåller en gemensam 180-nukleotidsekvens (homeobox) som kodar för specifika kärnproteiner (homeoproteiner) som fungerar som transkriptionsfaktorer. Homeobox-sekvensen kodar för en domän med 60 aminosyror, homeodomänen, som ansvarar för DNA-bindning8,11,32. Strukturella analyser har visat att homeodomänen består av ett helix-turn-helix-motiv som binder till DNA genom att sätta in igenkänningshelixen i DNA:s stora spår och dess aminoterminala arm i det intilliggande lilla spåret13. Specificiteten i denna bindning gör det möjligt för homeoproteiner att aktivera eller undertrycka uttrycket av batterier av målgener nedströms21. Homeoboxer regleras också av vissa proteiner, t.ex. signalproteinerna Sonic hedgehog (SHH), fibroblast growth factor (FGF) och bone morphogenetic protein (BMP). Homeoboxen har visat sig förekomma i alla Metazoa, från svampar till ryggradsdjur och även växter och svampar6.
Syftet med denna översikt är att introducera läsarna till några av homeobox-familjens funktioner i normala vävnader och särskilt i cancerutveckling, som kan vara av värdefullt kliniskt intresse inom en nära framtid.
HOMEOBOXGENER I UTVECKLINGEN Familjen av homeoboxgener från ryggradsdjur kan delas in i två underfamiljer: a) de klustrade homeoboxgenerna, kända som HOX-gener eller klass I, och b) de icke klustrade, eller divergerande homeoboxgenerna.
HOX-familjen spelar en grundläggande roll i morfogenesen hos embryocellerna hos ryggradsdjur och ger regional information längs huvudkroppens axel11,24. Denna familj är strukturellt och funktionellt homolog till det homeotiska komplexet (HOM-C) från Drosophila. Det finns minst 39 gener hos möss (HOX-gener) och människor (HOX-gener) som är organiserade i fyra genomiska kluster med en längd på cirka 100 kb som kallas HOX-loci. Varje kluster ligger på en annan kromosom (HOX-A, HOX-B, HOX-C och HOX-D, på 7p, 17p, 12p respektive 2p) och består av 9 till 11 gener arrangerade i en homolog sekvensorganisation (figur 1)7,8. HOX-gener har rapporterats vara involverade i angiogenes och sårreparation36, i funktioner i det kvinnliga reproduktionsorganet35 och i lunghypertension och emfysem14. Mutationer i HOX-gener kan ändå delta i mänskliga missbildningar, t.ex. HOXA13 ger upphov till hand-fot-genitalt syndrom15, HOXB1 ger upphov till Mowat-Wilsons syndrom39 och Duanes Retraction Syndrome (DRS) är kopplat till HOXD-klustret1. Ingram et al.16 (2000) rapporterade också bevis för en interaktion mellan HOXA1, HOXB1 och kön när det gäller känslighet för autismspektrumstörningar.
De icke klustrade generna är ett stort antal gener utspridda över hela genomet som ändå kan organiseras i distinkta familjer baserat på deras homologier och funktionella likheter. Några av familjerna är bland annat parade (PAX), orthodenticle (OTX), muskelsegment (MSX), distalless (DLX), caudal (CDX) och empty spiracles (EMX) homeobox-gener24.
Under de senaste decennierna har flera homeoboxgener, klustrade och icke-klustrade, identifierats i normal vävnad, i maligna celler och i olika sjukdomar och metaboliska förändringar7. PAX-gener är den homeobox-familj som har de starkaste kopplingarna till mänskliga sjukdomar. PAX2 har varit inblandad i bröstcancer34, njurhypoplasi och njursjukdom26, PAX3 har en roll i rhabdomyosarkomer2 och melanom31 och PAX5 bestämmer B-cellernas identitet28. MSX-homeoboxgener är involverade i den normala tandutvecklingen och i familjär tandagenesi9.
HOMEOBOX OCH CANCER
Muncancer är den femte respektive sjunde vanligaste cancerformen för män och kvinnor i den allmänna befolkningen. Ungefär hälften av de drabbade patienterna dör inom fem år efter diagnosen38. Skivepitelcancer utgör 96 procent av all cancer i munnen. Under det senaste decenniet har stora framsteg gjorts när det gäller att beskriva de molekylära förändringar som leder till onkogen omvandling11. Flera studier tyder på att alkohol- och tobaksbruk är viktiga faktorer som orsakar muncancer19,38. En genetisk predisposition har föreslagits, eftersom majoriteten av befolkningen som utsätts för de nämnda riskfaktorerna inte utvecklar muncancer. Dessutom förekommer sporadiska fall av muncancer hos unga vuxna som inte använder någon identifierbar cancerframkallande substans, och det har rapporterats om familjeanknytning23. I dag har många genetiska händelser som orsakas av kromosomala förändringar eller mutationer föreslagits för att understryka utvecklingen av tumörer i munnen38. De utvecklingsreglerande generna4,11 är en viktig grupp gener som är involverade i karcinogenes. Dessa gener har aldrig förknippats med oral cancer. Nyligen kunde vi visa att fyra olika cellinjer för skivepitelcancer uttrycker HOX-gener på olika sätt jämfört med kontrollceller och vävnad27.
Cancer och normal utveckling har mycket gemensamt, eftersom båda processerna innebär skiftningar mellan cellproliferation och differentiering4. Ny forskning har visat att felaktig reglering av utvecklingsgener kan leda till cancer. Det finns dock mycket att lära om det samspel som finns mellan utveckling, cellcykel, apoptos och cancer.
Många cancerformer uppvisar uttryck eller förändringar i homeoboxgener. De omfattar bland annat leukemi, tjocktarms-, hud-, prostata-, bröst- och äggstockscancer. Nyligen visades att uttrycksförlust i mänsklig bröstcancer av p53, en gen som skyddar cellerna mot malign omvandling, i första hand kan bero på bristande uttryck av HOXA529. De exakta mekanismer genom vilka förändringar i homeobox-generna leder till cancer är dock fortfarande okända11.
Påvisandet av cellinjespecifika mönster för aktivering av HOX-gener i mänskliga och murina leukemiska cellinjer stöder hypotesen att HOX-genuttryck kan reglera normal hematopoietisk differentiering21. Förändrat uttryck av HOX-gener belägna i HOXA- och HOXB-loci är ofta inblandade i leukemogenes. Infektion av normala märgceller med en LTR/HOXB8-konstruktion, tillsammans med verkan av IL-3-genen, kunde framkalla myeloisk leukemi hos möss24.
En genomisk fusion in frame mellan nukleoporingenen NUP98 och HOXA9-genen visades hos tre patienter med myeloisk leukemi och translokation t(7;11)25. Kimeriska fusionsproteiner som är resultatet av ett proteins transkriptionsaktivatordomän och ett annat proteins DNA-bindningsdomän uppvisar en hög onkogen potential. Andra fusioner, som PBX1 till E2A och HRX till nukleära proteiner, förändrar den sekvensspecifika bindningen av HOX-gener, styr homeoproteiner till ett annat mål och inducerar leukemogenes19. Lokus HOXC är främst inblandat i lymfom. HOXC4, C5 och C6 är ex pressade i non-Hodgkin-lymfom och uppvisar ett typ- och platsbegränsat uttrycksmönster i både T- och B-celliga non-Hodgkin-lymfom3.
Stora skillnader i HOX-genuttryck kan påvisas i primära solida tumörer (njur-, kolon-, bröst-, prostata- och småcellig lungcancer) jämfört med motsvarande normala vuxna organ7,20 . Masexpression av HOX-gener kan påvisas i metastatiska lesioner som är relaterade till den primära ursprungstumören och motsvarande normal vävnad, vilket stödjer hypotesen om en inblandning av homeoproteiner i cancerutvecklingen10.
Överdrivning av homeoboxgenen HSIX1 i MCF7-celler upphävde G2-cellcykelcheckpointen som svar på röntgenbestrålning, vilket observerades med HOX11. Dessutom uttrycks HSIX1, liksom HOX11, avvikande i cancer. Överuttryck av HSIX1 observeras i 44 % av de primära och 90 % av de metastatiska bröstlesionerna, vilket tyder på att HSIX1 kan spela en roll i utvecklingen av bröstcancer11. I bröstkörtlar är HOXC6-transkriptioner, som är aktiva under puberteten och mognaden, tysta under graviditeten, troligen på grund av den negativa regleringen av steroidhormon, och de är också inaktiva i adenokarcinom i bröstkörteln12.
I andra neoplasmer har man också rapporterat om uttryck av HOX-gener. Till exempel uttrycker njuradenokarcinom konsekvent genen HOXA9 och endast sällan antingen HOXD10 eller HOXC930. HOXB6, HOXB8 och HOXC9 är missexpressade i olika stadier av utvecklingen av tjocktarmscancer37. HOXB7 är tyst i normala melanocyter, men blev aktiv i melanom5. I mushuden identifierades HOXA6, A7 och B7 i papillom, men inte i normal hud6. HOXC6, D1 och D8 uttrycks i humana neuroblastomceller8. Slutligen verkar HOXC6-uttrycket i osteosarkomer regleras av medlemmar av TGF-b-superfamiljen18.
SLUTSATSER
En koppling mellan utveckling och cancer är förväntad eftersom båda processerna inbegriper cellproliferation och celldifferentiering. Homeoboxgener beskrevs först i organismer under utveckling och erkänns nu som uttryckta i många typer av cancer. Skillnaden mellan uttrycksmönstret i distinkta normala vävnader och i tumörvävnader måste karakteriseras ytterligare för att alla i cancerogenesen. Det är också viktigt att ytterligare karakterisera konsekvenserna av att modulera uttrycket av dessa gener i neoplasmer, inklusive cancer i munnen.
UPPLYSNINGAR
Forskningen är finansierad av bidrag 97/13228-5 och 01/13644-6 från 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 och karakterisering av den mänskliga homeoboxgenen HOX D1. Mol Biol Rep 2002;27:95-201.
2. Barber TD, Barber MC, Tomescu O, Barr FG, Ruben S, Friedman TB. Identifiering av målgener som regleras av PAX3 och PAX3 – FKHR i embryogenes och alveolärt rhabdomyosarkom. 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- och HOXC6-uttryck i no-Hodgking-lymfom: preferentiellt uttryck av HOXC5-genen i primära kutana anaplastiska T-celliga och oro-gastrointestinala mukosaassocierade B-celliga lymfom. Blod 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 aktiverar konstitutivt den grundläggande fibroblasttillväxtfaktorn i melanom. 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-gener i normala och maligna celler. J Cell Physiol 2001;188:161-9.
8. Cillo C, Faiella A, Cantile M, Boncinelli E. Homeobox-gener och cancer. Exp Cell Res 1999;248:1-9.
9. Davideau JL, Demri P, Hotton D, Gu TT, MacDougall M, Sharpe P, et al. Jämförande studie av MSX-2, DLX-5 och DLX-7 genuttryck under tidig mänsklig tandutveckling. 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 genees in primary and metastatic colorectal cancer. Eur J Cancer 1993;29A:887-93.
11. Ford HL. Homeobox-gener: en länk mellan utveckling, cellcykel och cancer. Cell Biol Int1998;22:397-400.
12. Friedmann Y, Daniel CA, Strickland P, Daniel CW, Strickland P. Hox-gener i normala och neoplastiska bröstkörtlar hos musen. Cancer Res 1994;54:5981-5.
13. Gehring WJ, Muller M, Affolter M, Percival-Smith A, Billeter M, Qian YQ, et al. Homeodomänens struktur och dess funktionella konsekvenser. Trends Genet 1990;6:323-9.
14. Golpon HA, Geraci MW, Moore MD, Miller HL, Miller GJ, Tuder RM, et al. HOX-gener i mänsklig lunga: förändrat uttryck vid primär pulmonell hypertension och emfysem. Am J Pathol 2001;158:955-66.
15. Goodman FR, Scambler PJ. Humana HOX-genmutationer. Clin Genet 2001;59:1-11.
16. Ingram JL, Stodgell CJ, Hyman SL, Figlewicz DA, Weitkamp LR, Rodier PM. Upptäckt av alleliska varianter av HOXA1 och HOXB1: genetisk känslighet för autismspektrumstörningar. Teratology 2000,62:393-405.
17. Katz MR, Irish JC, Devins GM, Rodin GM, Gullane PJ. Tillförlitlighet och validitet av en skala för observerad vanställdhet för huvud- och halscancerpatienter. Head Neck 2000; 22:132-41.
18. Kloen P, Visker MH, Olijve W, van Zoelen EJ, Boersma CJ. Celltypspecifik modulering av Hox-genuttryck av medlemmar av TGF-beta superfamiljen: en jämförelse mellan humana osteossarkom- och neuroblastomcellinjer. Biochem Biophys Res Commun 1997;233:365-9.
19. Knoepfler PS, Kamps MP. Det DNA-element med högsta affinitet som binds av Pbx-komplex i t(1;19)-leukemiska celler förmedlar inte kooperativ DNA-bindning eller kooperativ transaktion av E2a-Pbx1 och Hox-proteiner av klass I. Bevis för att E2a-Pbx1 är selektivt inriktad på en undergrupp av Pbx-erkännande element. Oncogene 1997;14:2521-31.
20. Lawrence HJ, Sauwageau G. HOX homeobox-genernas roll i normal och leukemisk hematopoesi. Stem Cells 1996;14:281-91.
21. Levine M, Hoey T. Homeoboxproteiner som sekvensspecifika transkriptionsfaktorer. Cell 1988;55:537-40.
22. Lewis EB. Ett genkomplex som kontrollerar segmentering i Drosophila. Nature 1978;276:565-70.
23. Llewellyn CD, Johnson NW, Warnakulasuriya KA. Riskfaktorer för skivepitelcancer i munhålan hos unga människor a comprehensive literature review. Oral Oncol 2001;37:401-18.
24. Mark M, Rijli FM, Chambon P. Homeobox-gener i embryogenes och patogenes. Pediatr Res 1997;42:421-9.
25. Nakamura T, Largaespada DA, Lee MP, Johnson LA, Ohyashiki K, Toyama K, et al. Fusion av nukleoporingenen NUP98 med HOXA9 genom kromosomtranslokationen t(7;11)(p15;p15) i mänsklig myeloisk leukemi. 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 familj med isolerad njurhypoplasi. J Am Soc Nephrol 2001; 12:1769-72.
27. Nunes FD; Tucci R, Matizonkas LF, Pinto Júnior DS. Uttryck av HOX-gener i cellinjer för skivepitelcancer i munnen .
28. Nutt SL, Eberhard D, Horcher M. Pax5 bestämmer B-cellernas identitet från början till slutet av B-lymphopoiesis. Int Rev Immunol 2001;20:65-82.
29. Raman V, Martensen SA, Reisman D, Evron E, Odenwald WF, Jaffee E, et al. Kompromised 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-gener och medfödda missbildningar. Lab Invest 1992;66:773-82.
31. Scholl FA, Kamarashev J, Murmann OV, Geertsen R, Dummer R, Schafer BW. PAX3 uttrycks i mänskliga melanom och bidrar till tumörcellernas överlevnad. Cancer Res 2001;61:823-6.
32. Scott GA, Goldsmith LA. Homeobox-gener och hudens utveckling: en översikt. J Invest Dermatol 1993;101:3-8.
33. Sharpe PT. Homeobox-gener och orofacial utveckling. 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. HOX-genernas roll i utvecklingen och funktionen av det kvinnliga reproduktionsorganet. 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. Molekylärbiologi för oral cancer hos människor. 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 och utan Hirschsprungs sjukdom är ett distinkt, igenkännbart syndrom med multipla medfödda avvikelser och mental retardation som orsakas av mutationer i genen zinkfingerhomeobox 1B. Am J Med Genet 2002;108:177-81.