Роль протеасом в регуляции онкогенеза Цимоха А.С. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК 2013 Онкогенез ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОНКОГЕННАЯ ТЕОРИЯ СТАДИИ ОНКОГЕНЕЗА Определение Онкогенез (канцерогенез) – сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли. Процесс превращения нормальной клетки в опухолевую обусловлен накоплением мутаций, вызванных повреждениями в геноме. Возникновение этих повреждений происходит как в результате эндогенных причин, таких как ошибки репликации, химическая нестабильность оснований ДНК и их модификация под действием свободных радикалов, так и под влиянием внешних причинных факторов химической и физической природы. Канцерогенные факторы Химические (вещества ароматической природы, некоторые металлы и пластмассы); Физические (солнечная радиация и ионизирующее излучение, длительное механическое/термическое раздражение тканей); Биологические (вирусы); Наследственная предрасположенность Онкогенная теория Основные постулаты: онкогены - гены, определяющие опухолевые свойства клеток; протоонкогены - немутированные онкогены задействованы в процессах пролиферации, дифференцировки и программированной гибели клеток; гены-супрессоры – гены, оказывающие тормозящее влияние на процессы клеточного деления и выхода из дифференцировки; генетические повреждения (мутации) в онкогенах или инактивирующие мутации в генах-супрессорах приводят к неконтролируемому делению клетки; сочетанные нарушения в нескольких онкогенах в процессе злокачественной трансформации. Стадии онкогенеза 1. Трансформация - процесс превращения нормальной клетки в раковую 2. Активация - размножение трансформированной клетки, образование клона раковых клеток и опухоли 3. Прогрессия - эволюция свойств опухоли 4. Исход опухолевого процесса Превращение нормальной клетки в раковую Стадии формирования опухоли 1. Гиперплазия ткани 2. Доброкачественная опухоль 3. Дисплазия 4. Рак in situ 5. Инвазивный рак Субстрат опухолевой трансформации клеток Повреждения генетического аппарата клетки (соматические мутации, хромосомные аберрации, рекомбинации), вызывающие превращение протоонкогенов в онкогены резко повышающие уровень экспрессии онкогенов резко понижающие уровень экспрессии геновсупрессоров Убиквитин-протеасомная система (УПС) УПС 26S ПРОТЕАСОМА 20S ПРОТЕАСОМА УПС Убиквитин-протеасомная система (УПС) осуществляет убиквитинирование и деградацию множества белков, играющих ключевую роль в регуляции жизнедеятельности клетки. УПС состоит из каскада убиквитинирующих ферментов Е1-Е2-Е3-Е4 и протеолитического ядра – 26S протеасомы. Участие УПС в клеточных процессах транскрипция; репарация ДНК; клеточный цикл; дифференцировка; развитие; иммунный ответ; апоптоз; онкогенез; Wolf, Hilt, 2004 УПС УПС осуществляет 2-х этапное убиквитинирование белков, определяя его функции: сигнал внутриклеточного транспорта белка, передача сигнала деградация ЭТАПЫ: 1. Присоедениение 1-го убиквитина к остатку лизина 2. Полиубиквитинирование Е1-Е2-Е3-Е4 ~ 1000 различных Е3 ферментов обеспечивают высокую субстратную специфичность Схема работы УПС 26S протеасома Структура 26S протеасомы 19S регуляторный комплекс 20S протеасома 19S регуляторный комплекс 20S протеасома DUBs В последнее время к членам УПС относят семейство деубиквитинирующих белков – деубиквитиназ (DUBs). Функции: 1. Предотвращение от деградации протеасомами 2. Снятие сигнала 3. «Круговорот» убиквитина Роль УПС в онкогенезе НАРУШЕНИЯ В РАБОТЕ УПС КОМПОНЕНТЫ УПС - МИШЕНИ В ОНКОТЕРАПИИ УПС регулирует онкогены и онкосупрессоры В силу критической роли УПС в регуляции клеточных процессов, нарушения в УПС приводят в том числе и к злокачественным трансформациям. Часто наблюдается повышенная экспрессия белков УПС при злокачественных перерождениях. UPS Mutations Associated With Malignancies Malignancy Mutation/Defect Breast and ovarian cancers BRCA1; loss of tumor suppressor function Lung cancer, clear cell carcinoma, VHL-disease cancers VHL mutation; loss of tumor suppressor function Various malignancies MDM2 overexpression; loss of p53 tumor suppressor function Prostate cancer USP2a overexpression; increased cMYC oncogene expression; SPOP mutation Leukemia, cholangiocarcinomas, GI and endometrial FBW7 mutation; loss of tumor suppressor function; potential cancers oncogene Colorectal, breast, and prostate cancers SKP2 overexpression; loss of tumor suppressor function of p27 Cervical cancer HPV-mediated degradation of p53 Abbreviations: HPV, human papilloma virus; UPS, ubiquitin proteasomesystem; VHL, von Hippel–Lindau. ! Роль MDM2 (E3) в регуляции p53 p53 – онко-супрессор, транскрипционный фактор, который играет ключевую роль в ответе клетки на ДНК повреждения или активацию онкогенов. По этому пути устраняются потенциально онкогенные клетки за счет остановки клеточного цикла и апоптоза. Уровень экспрессии белка р53 в клетке жестко регулируется УПС. В регуляции задействованы несколько Е3 лигаз (COP1, Pirh2, ARF-BP1, MDM2 и MDM4). Роль FBW7 в регуляции cyclin E, MYC, JUN, Notch, p100 Cyclin E, MYC, JUN, Notch играют ключевую роль в делении клеток, роста и дифференцировки. р100 – ингибитор NF-kB, транскрипционного фактора, контролирующего экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла FBW7 функционирует как онко-супрессор для cyclin E, MYC, JUN, Notch и как онкоген для р100. FBW7 контролирует за уровнями рассматриваемых белков Роль SKP2 в регуляции р27 р 2 7 – онко-супрессор, ингибитор циклинзависимых киназ, которые регулируют прохождения через клеточный цикл за счет фосфорилирования специфических субстратов. SKP2 регулирует уровень р27 в клеткеза счет деградации протеасомами. Роль вирусного онкогена Е6 Вирус папилломы человека (HPV) кодирует онкогенный белок E6, который связывается с E6-AP (E3). Е6-АР в комплексе с Е6 связываются с р53, что приводит к его ускоренной деградации и предотвращает апоптоз. Роль УПС в предотвращении онкогенеза Рассмотренные нарушения в работе УПС позволяют рассматривать ее в качестве мишени для новых методов лечения рака. Развитие и клинические испытания ингибиторов протеасом за последние 10-20 лет достигли заметного прогресса. Современные фармакологические исследования развиваются в направлении других компонент УПС. UPS$Inhibitors$Currently$in$Clinical$Development$ Name$ Developer$ MLN4924'' Millennium'Pharmaceuticals' R7112'' Roche'' Bortezomib'' Millennium'Pharmaceuticals' Carfilzomib'' Onyx'Pharmaceuticals'' CEP818770'' Cephalon'' MLN9708'' Millennium'Pharmaceuticals' Salinosporamide'A'(NPI80052)' Nereus'Pharmaceuticals' ONX80912'' Onyx'Pharmaceuticals'' ' Inhibitory$Target$ NEDD88activating'enzyme'(E1)' p538MDM2'binding'pocket' 20S'core'subunit'FDA'' 20S'core'subunit'' 20S'core'subunit'' 20S'core'subunit'' 20S'core'subunit'' 20S'core'subunit'' Clinical$Development$Status$ Phase'I/phase'II' Phase'I' approved' Phase'IIb' Phase'I' Phase'I' Phase'I' Phase'I' Ингибиторы компонент УПС Ингибиторы Е1 Ингибиторы Е3 Ингибиторы протеасом Ингибиторы DUBs Протеасомы и онкогенез Уровень экспрессии онкогенов и онко-супрессоров регулируется посредством протеасомной деградации, и любые связанные с раком модификации функций протеасом могут оказывать влияние на протеолиз. Протоонкогены c-Fos, c-Jun и белок-супрессор опухолей p53 деградируются протеасомами по убиквитин-зависимому и независимому пути, поэтому мутации в сайтах связывания с убиквитином или протеасомой могут повлиять на стабильность белков и стимулировать канцерогенез. Ингибиторы протеасом могут задерживать развитие опухоли. Перспективы П е р в а я п о п ы т к а использовать подавление УПС в лечении рака была предпринята при ингибировании протеасом бортезомибом. В будущем будет продолжен поиск более специфичных ингибиторов протеасом, наравне с ингибиторами участников Е1-Е2-Е3-Е4 ферментного каскада.