Геномная нестабильность как важный диагностический признак наследственной и соматической патологии человека, ассоциированной с нарушениями клеточного ответа на повреждения ДНК

Несмотря на редкие случаи выявления тех или иных синдромов хромосомной нестабильности, вызывающие их мутации в гетерозиготном состоянии могут встречаться с достаточно высокой частотой: например, 1:90 для анемии Фанкони и 1:110 для синдрома Блума в популяции евреев Ашкенази [Peleg et al., 2002; Kook, 2005]; 1:177 для синдрома Ниймеген в славянских популяциях [Varon et al., 2000]. СХН, как правило, сопровождаются развитием различных форм рака (от высокой частоты злокачественных заболеваний крови при анемии Фанкони и синдроме Ниймеген до 100 %-го риска рака кожи при пигментной ксеродерме). Однако даже гетерозиготное носительство этих мутаций повышает предрасположенность к раку молочной железы и других органов [Waddell et al., 2006; Berwick et al., 2007; di Masi, Antoccia, 2008], что позволяет отнести потенциальных гетерозиготных носителей соответствующих мутаций к группе онкологического риска.

Как следует из обзора опубликованных данных, СХН в значительной степени обусловлены нарушениями восстановительной функции ДНК. Именно поэтому пациенты с предполагаемым диагнозом СХН представляют группу риска по таким показателям, как уязвимость генома для ДНК-повреждающих факторов среды и высокий онкологический риск. Раннее выявление СХН позволяет решить ряд важных задач, связанных с клиническим и витальным прогнозом для пациента, генетическим прогнозом для его семьи, выбором способов возможной пренатальной диагностики, тактики лечения и профилактики. Естественно, что наиболее точная диагностика - обнаружение соответствующих мутаций, однако уже сейчас насчитывается около 150 генов репарации [Wood et al., 2001; 2005], среди которых десятки ассоциированы с СХН. Поэтому молекулярно-генетическая идентификация представляет собой этап окончательной верификации диагноза, а проблема ранней диагностики этих заболеваний, как правило, решается с помощью цитогенетического выявления хромосомной нестабильности как основополагающего фенотипического признака данной наследственной патологии. Уже упоминалось о существовании сайт-специфических перестроек. В частности, инверсии и транслокации в 7-й и 14-й хромосомах служат основанием для постановки диагноза синдромов Ниймеген и Луи-Бар [Политыко и др., 2008 а], а повышенная чувствительность хромосом к агентам, вызывающим сшивки ДНК, является диагностическим признаком анемии Фанкони [Политыко и др., 2008 б]. Эти цитогенетические исследования включены в программу диагностики СХН, разработанную и внедренную в ГУ РНПЦ «Мать и дитя» Республики Беларусь [Политыко и др., 2006]. Однако идентификация цитогенетических маркеров представляет трудоемкую процедуру, требующую определенного времени и обязательного культивирования клеток, что вызывает необходимость разработки дополнительных менее затратных и более оперативных способов исследования целостности ДНК и ее способности к восстановлению.

Развитие новых подходов к диагностике геномной нестабильности как при наследственной, так и соматической патологии возможно на основе новейших исследований в области молекулярной биологии. В связи с этим рассмотрим новые данные, указывающие на активацию сигнальной сети клеток в ответ на повреждения ДНК и роль этого процесса в дестабилизации генома при канцерогенезе.

Сигнальные пути, активируемые разрывами или другими повреждениями ДНК, образованы каскадом взаимодействий различных сигнальных молекул, среди которых важное место занимают ДНК-зависимые протеинкиназы. Как известно, ATM-киназа является сигнальной молекулой, запускающей клеточный ответ на дву-нитевые разрывы ДНК [Cann, Hicks, 2007], тогда как ATR-киназа (ataxia telangiectasia and Rad3-related protein) активируется преимущественно в ответ на однонитевые разрывы, представляющие основное промежуточное звено в процессе опознания и репарации повреждений ДНК [Shiotani, Zou, 2009]. Chk2 (checkpoint kinase 2) является субстратом ATM и подвергается фосфорилированию вскоре после воздействия ДНК-повреждающего фактора [Shiotani, Zou, 2009]. Chk2 регулирует клеточный цикл и, опосредованно, активность опухолевого супрессора р53 [Buscemi et al., 2006]. Важную роль в этом каскаде играет гистон Н2АХ, осуществляющий «мобилизацию» репарационных ферментов к поврежденным сайтам ДНК [Pauli et al., 2000; Podhorecka et al., 2011]. Эти сигнальные пути привлекают к себе пристальное внимание, прежде всего, как барьер, препятствующий развитию геномной нестабильности и рака [Kitagawa, Kastan, 2005; Giunta et al., 2010].

Потенциальные механизмы активации сигнальных путей, индуцированных повреждениями ДНК, описаны М. Ljungman (2005). Основная идея автора заключается в том, что в то время как ферменты репарационных систем взаимодействуют непосредственно с повреждениями ДНК, активация сигнальных путей происходит в результате эффектов повреждений на процессы репликации, транскрипции или состояние хроматина. К числу наиболее значимых протеинов сигнальных путей отнесены ATM, ATR и DNA-PK-киназы; NBS1, FA комплекс, FANCD2, BRCA1 и р53, играющие роль не только в процессах репарации, но и апоптоза, ареста клеточного цикла и регуляции других клеточных функций. В качестве примера рассмотрим схему АТМ-зависимого сигнального пути, представленную в работе М. S. Y. Huen и J. Chen (2008) (рис. 2.6).

Модель сигнального пути в ответ на повреждения ДНК

Рис. 2.6. Модель сигнального пути в ответ на повреждения ДНК (адаптировано из [Huen, Chen, 2008]). Н2АХ подвергается фосфорилированию в ответ на повреждение ДНК. Связывание MDC1 служит молекулярной платформой для сборки NBS1, ATM и RNF8. RNF8 действует согласованно с UBC13, при этом убиквитин (Ub) присоединяется к молекулам Н2АХ и Н2А, что в свою очередь требуется для релокализации (перераспределения) компонентов репарационного комплекса RAP8O-Ccdc98-BRCA1

Напомним, что нибрин, являясь компонентом комплекса hMREll/RAD50/NBSl, способствует репарации двунитевых разрывов ДНК [Demuth et al., 2004], а также взаимодействует с FANCD2 и стимулирует активацию ATM/ATR-киназ [Ljungman, 2005]. Продукт гена BRCA1 также вовлечен в репарацию двунитевых разрывов посредством гомологичной рекомбинации или воссоединения негомологичных концов ДНК [Jasin, 2002; Durant, Nickoloff, 2005]. Кроме того, он взаимодействует с гистоном у-Н2АХ и координирует работу других компонентов сигнальной сети клеточного ответа на повреждения ДНК [Jang, Lee, 2004]. Протеин 53ВР1 связывается с р53 и участвует в сигнальной трансдукции [Wang et al., 2002]. Активированный опухолевый супрессор р53 способствует аресту клеточного цикла на стадии G, и играет ключевую роль в апоптозе [Agarwal et al., 1995; Fridman, Lowe, 2003], при этом необходимым пусковым элементом приостановки клеточного деления также является гистон Н2АХ [Fragkos et al., 2009].

Впечатляющие данные о роли протеинов, контролирующих клеточный ответ на повреждения ДНК, при раннем раке мочевого пузыря, молочной железы, толстой кишки и легких опубликованы в журнале «Nature» в 2005 г. [Bartkova et al., 2005]. Коллектив ученых из Дании, Норвегии и Чешской Республики выявил, что на начальных этапах опухолеобразования (еще до геномной нестабильности и злокачественной конверсии клеток) происходит активация ATR/ATM-регулируемой сети, обеспечивающей трансдукцию сигнала от поврежденной ДНК к репарационной машине, что задерживает или даже предотвращает рак. Мутации, нарушающие ATM-Chk2-p53 сигналинг, могут запускать клеточную пролиферацию, способствовать выживанию клеток с нестабильным геномом, что приводит к прогрессии рака.

На примере рака мочевого пузыря с помощью иммуногистохимического анализа нормального уроэпителия, раннего поражения (стадия Та), раннего инвазивного рака (стадия Т1) и более продвинутых стадий первичной карциномы (Т2-Т4) установлено, что ATM и С11к2-киназы экспрессируются во всех анализируемых образцах. В отличие от этого, фосфорилированные протеины pT-Chk2, pS-ATM, pS-p53, также как фосфорилированный гистон Н2АХ, определяются только в опухолевой ткани, но начиная с самых ранних стадий развития рака (Та-Т1) [Bartkova et al., 2005]. Поэтому активированные компоненты ATM-Chk2-p53 пути могут служить ранними маркерами опухолеобразования. В цитируемой работе продемонстрировано, что ATM-Chk2-p53 путь клеточного ответа на ДНК повреждения защищает клетки от малигнизации и препятствует прогрессии опухоли. Предвестниками злокачественного преобразования клеток и прогрессии рака служат маркеры активированного ответа на ДНК повреждения. Эти же данные косвенно свидетельствуют, что на ранних стадиях канцерогенеза накапливаются первичные повреждения ДНК, которые могут рассматриваться в качестве предшественников геномной/хромосомной нестабильности.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >