Tumorsuppressorgen - Tumor suppressor gene

Der Zellzyklus . Viele Tumorsuppressoren regulieren den Zyklus an bestimmten Kontrollpunkten, um die Replikation beschädigter Zellen zu verhindern.

Ein Tumorsuppressorgen oder Anti-Onkogen ist ein Gen , das eine Zelle während der Zellteilung und Replikation reguliert . Wenn die Zelle unkontrolliert wächst, entsteht Krebs . Wenn ein Tumorsuppressorgen mutiert wird, führt dies zu einem Verlust oder einer Einschränkung seiner Funktion. In Kombination mit anderen genetischen Mutationen könnte dies dazu führen, dass die Zelle abnormal wächst. Der Funktionsverlust dieser Gene kann bei der Entstehung von Krebserkrankungen beim Menschen noch signifikanter sein als die Aktivierung von Onkogenen .

Tumorsuppressorgene (TSGs) können in die folgenden Kategorien eingeteilt werden: Caretaker-Gene , Gatekeeper-Gene und neuerdings Landschaftsgärtner-Gene. Caretaker-Gene sorgen durch DNA-Reparatur für die Stabilität des Genoms und ermöglichen anschließend, wenn mutiert, die Anhäufung von Mutationen. Währenddessen regulieren Gatekeeper-Gene das Zellwachstum direkt, indem sie entweder das Fortschreiten des Zellzyklus hemmen oder die Apoptose induzieren . Schließlich regulieren Landschaftsgestalter-Gene das Wachstum, indem sie zur umgebenden Umwelt beitragen, wenn sie mutiert eine Umgebung verursachen können, die unregulierte Proliferation fördert. Die Klassifikationsschemata entwickeln sich mit dem medizinischen Fortschritt in Bereichen wie Molekularbiologie , Genetik und Epigenetik weiter .

Geschichte

Die Entdeckung von Onkogenen und ihrer Fähigkeit, zelluläre Prozesse im Zusammenhang mit der Zellproliferation und -entwicklung zu deregulieren, tauchte zuerst in der Literatur auf, im Gegensatz zu der Idee von Tumorsuppressorgenen. Die Idee einer genetischen Mutation, die zu einem erhöhten Tumorwachstum führt, wich jedoch einer anderen möglichen genetischen Idee von Genen , die eine Rolle bei der Verringerung des Zellwachstums und der Entwicklung von Zellen spielen. Diese Idee wurde erst verfestigt, als im Jahr 1969 Experimente von Henry Harris mit somatischer Zellhybridisierung durchgeführt wurden.

In den Experimenten von Dr. Harris wurden Tumorzellen mit normalen Körperzellen fusioniert , um Hybridzellen herzustellen. Jede Zelle wies Chromosomen von beiden Elternteilen auf, und beim Wachstum hatte eine Mehrheit dieser Hybridzellen nicht die Fähigkeit, Tumore innerhalb von Tieren zu entwickeln. Die Unterdrückung der Tumorigenität in diesen Hybridzellen veranlasste die Forscher zu der Hypothese, dass Gene innerhalb der normalen somatischen Zelle hemmende Wirkungen haben, um das Tumorwachstum zu stoppen. Diese anfängliche Hypothese führte schließlich zur Entdeckung des ersten klassischen Tumorsuppressorgens durch Alfred Knudson , bekannt als das Rb-Gen, das für das Retinoblastom-Tumorsuppressorprotein kodiert .

Alfred Knudson , ein Kinderarzt und Krebsgenetiker, schlug vor, dass für die Entwicklung eines Retinoblastoms zwei allelische Mutationen erforderlich sind, um funktionelle Kopien beider Rb-Gene zu verlieren, was zur Tumorgenität führt . Knudson beobachtete, dass sich das Retinoblastom bei jüngeren Patienten häufig früh im Leben auf beiden Augen entwickelt, während sich das Retinoblastom in einigen selteneren Fällen später im Leben entwickelt und nur einseitig ist. Dieses einzigartige Entwicklungsmuster ermöglichte Knudson und mehreren anderen wissenschaftlichen Gruppen im Jahr 1971 die korrekte Hypothese, dass die frühe Entwicklung des Retinoblastoms durch die Vererbung einer Mutation mit Funktionsverlust auf ein RB- Keimbahngen gefolgt von einer späteren de novo-Mutation an seinem funktionellen Rb . verursacht wurde Gen- Allel . Es wurde angenommen, dass sich das eher sporadische Auftreten der einseitigen Entwicklung von Retinoblastomen viel später im Leben entwickelt, aufgrund von zwei de novo-Mutationen , die erforderlich waren, um die Tumorsuppressoreigenschaften vollständig zu verlieren. Dieser Befund bildete die Grundlage der Two-Hit-Hypothese. Um zu verifizieren, dass der Funktionsverlust von Tumorsuppressorgenen eine erhöhte Tumorigenität verursacht , wurden interstitielle Deletionsexperimente auf Chromosom 13q14 durchgeführt, um den Effekt der Deletion der Loci für das Rb-Gen zu beobachten. Diese Deletion verursachte Tumorwachstum in Retinoblastoma erhöht, was darauf hindeutet , dass die den Verlust oder die Inaktivierung eines Tumorsuppressor - Gens kann erhöhen Tumorigenität .

Zwei-Treffer-Hypothese

Anders als Onkogene folgen Tumorsuppressorgene im Allgemeinen der Two-Hit-Hypothese , die besagt, dass beide Allele, die für ein bestimmtes Protein kodieren, beeinflusst werden müssen, bevor eine Wirkung eintritt. Wenn nur ein Allel für das Gen beschädigt ist, kann das andere immer noch genug des richtigen Proteins produzieren, um die entsprechende Funktion zu erhalten. Mit anderen Worten, mutierte Tumorsuppressor-Allele sind normalerweise rezessiv , während mutierte Onkogen- Allele typischerweise dominant sind .

Modelle der Tumorsuppression
Illustration der Two-Hit-Hypothese

Vorgeschlagen von AG Knudson für Fälle von Retinoblastom. Er beobachtete, dass 40% der US-Fälle durch eine Mutation in der Keimbahn verursacht wurden. Betroffene Eltern könnten jedoch Kinder ohne die Krankheit bekommen, aber die nicht betroffenen Kinder wurden Eltern von Kindern mit Retinoblastom. Dies deutet darauf hin, dass man eine mutierte Keimbahn erben könnte, aber die Krankheit nicht zeigen könnte. Knudson beobachtete, dass das Alter des Auftretens des Retinoblastoms einer Kinetik zweiter Ordnung folgte , was impliziert, dass zwei unabhängige genetische Ereignisse notwendig waren. Er erkannte, dass dies mit einer rezessiven Mutation vereinbar war, die ein einzelnes Gen umfasste, aber eine biallelische Mutation erforderte. Bei erblichen Fällen handelt es sich um eine vererbte Mutation und eine einzelne Mutation im normalen Allel. Das nicht erbliche Retinoblastom umfasst zwei Mutationen, eine auf jedem Allel. Knudson stellte auch fest, dass erbliche Fälle häufig bilaterale Tumoren entwickelten und diese früher im Leben entwickeln würden, verglichen mit nicht erblichen Fällen, bei denen Individuen nur von einem einzigen Tumor betroffen waren.

Für Tumorsuppressoren gibt es Ausnahmen von der Two-Hit-Regel, wie zum Beispiel bestimmte Mutationen im p53-Genprodukt . p53-Mutationen können als dominant negativ wirken , was bedeutet, dass ein mutiertes p53-Protein die Funktion des natürlichen Proteins verhindern kann, das aus dem nicht mutierten Allel produziert wird. Andere Tumorsuppressorgene, die nicht der Two-Hit-Regel folgen, sind solche, die Haploinsuffizienz aufweisen , einschließlich PTCH bei Medulloblastomen und NF1 bei Neurofibromen . Ein weiteres Beispiel ist p27 , ein Zellzyklus-Inhibitor, der, wenn ein Allel mutiert ist, eine erhöhte Anfälligkeit für Karzinogene verursacht.

Funktionen

Die von den meisten Tumorsuppressorgenen kodierten Proteine hemmen die Zellproliferation oder das Überleben. Die Inaktivierung von Tumorsuppressorgenen führt daher durch Eliminierung negativer regulatorischer Proteine zur Tumorentwicklung . In den meisten Fällen hemmen Tumorsuppressorproteine ​​die gleichen Zellregulationswege, die durch die Produkte von Onkogenen stimuliert werden . Während Tumorsuppressorgene die gleiche Hauptfunktion haben, haben sie verschiedene Wirkmechanismen, die ihre transkribierten Produkte ausführen, darunter die folgenden:

  1. Intrazelluläre Proteine, die die Genexpression eines bestimmten Stadiums des Zellzyklus kontrollieren . Werden diese Gene nicht exprimiert, wird der Zellzyklus nicht fortgesetzt und die Zellteilung effektiv gehemmt . (z. B. pRB und p16 )
  2. Rezeptoren oder Signaltransducer für sezernierte Hormone oder Entwicklungssignale, die die Zellproliferation hemmen (zB transformierender Wachstumsfaktor (TGF)-β und adenomatöse Polyposis coli (APC)).
  3. Checkpoint-Kontrollproteine, die als Reaktion auf DNA-Schäden oder Chromosomendefekte einen Zellzyklusarrest auslösen (z. B. Brustkrebs-Typ-1-Suszeptibilitätsprotein (BRCA1), p16 und p14 ).
  4. Proteine, die Apoptose induzieren . Wenn Schäden nicht repariert werden können, leitet die Zelle den programmierten Zelltod ein, um die Bedrohung für den gesamten Organismus zu beseitigen. (zB p53 ).
  5. Zelladhäsion . Einige Proteine, die an der Zelladhäsion beteiligt sind, verhindern die Ausbreitung von Tumorzellen, blockieren den Verlust der Kontakthemmung und hemmen die Metastasierung . Diese Proteine ​​werden als Metastasensuppressoren bezeichnet . (zB CADM1 )
  6. Proteine, die an der Reparatur von DNA- Fehlern beteiligt sind . Caretaker-Gene kodieren Proteine, die Mutationen im Genom reparieren und verhindern, dass sich Zellen mit Mutationen replizieren. Darüber hinaus führt eine erhöhte Mutationsrate aufgrund einer verminderten DNA-Reparatur zu einer erhöhten Inaktivierung anderer Tumorsuppressoren und einer Aktivierung von Onkogenen. (zB p53 und DNA-Mismatch-Reparaturprotein 2 (MSH2)).
  7. Bestimmte Gene können auch als Tumorsuppressoren und Onkogene wirken. Als Proto-Onkogene mit Tumorsuppressorfunktion bezeichnet, wirken diese Gene als „Doppelagenten“, die die Transkription sowohl positiv als auch negativ regulieren . (zB NOTCH-Rezeptoren , TP53 und FAS ).

Epigenetische Einflüsse

Die Wissenschaftler Shahjehan A. Wajed et al. geben an, dass die Expression von Genen, einschließlich Tumorsuppressoren, durch biochemische Veränderungen, die als DNA-Methylierung bekannt sind, verändert werden kann . Methylierung ist ein Beispiel für epigenetische Modifikationen, die häufig die Expression in Säugetiergenen regulieren. Das Hinzufügen einer Methylgruppe entweder zu den Histon- Schwänzen oder direkt auf der DNA bewirkt, dass das Nukleosom eng zusammengepackt wird, was die Transkription aller Gene in dieser Region einschränkt. Dieser Prozess hat nicht nur die Fähigkeit, die Genexpression zu hemmen, sondern kann auch die Wahrscheinlichkeit von Mutationen erhöhen. Stephen Baylin beobachtete, dass, wenn Promotorregionen ein als Hypermethylierung bekanntes Phänomen erfahren, dies zu späteren Transkriptionsfehlern, Stummschaltung von Tumorsuppressorgenen, Proteinfehlfaltung und schließlich Krebswachstum führen könnte. Baylinet al. fanden Methylierungshemmer, die als Azacitidin und Decitabin bekannt sind . Diese Verbindungen können tatsächlich dazu beitragen, das Krebswachstum zu verhindern, indem sie die Reexpression zuvor stummgeschalteter Gene induzieren, den Zellzyklus der Tumorzelle anhalten und sie zur Apoptose zwingen.

Derzeit werden weitere klinische Studien zu Behandlungen der Hypermethylierung sowie alternativen Tumorsuppressionstherapien untersucht, die die Prävention von Gewebehyperplasie, Tumorentwicklung oder metastatischer Ausbreitung von Tumoren umfassen. Das Team um Wajed hat die Methylierung von neoplastischem Gewebe untersucht, um eines Tages frühe Behandlungsoptionen für Genmodifikationen zu identifizieren, die das Tumorsuppressorgen zum Schweigen bringen können. Zusätzlich zur DNA-Methylierung können andere epigenetische Modifikationen wie Histon-Deacetylierung oder Chromatin-bindende Proteine ​​die DNA-Polymerase daran hindern, gewünschte Sequenzen effektiv zu transkribieren, beispielsweise solche, die Tumorsuppressorgene enthalten.

Klinische Bedeutung

Gentherapie wird verwendet, um die Funktion eines mutierten oder deletierten Gentyps wiederherzustellen. Wenn Tumorsuppressorgene in einer Weise verändert werden, die zu einer geringeren oder keiner Expression führt , können mehrere schwerwiegende Probleme für den Wirt auftreten. Aus diesem Grund werden Tumorsuppressorgene häufig untersucht und für die Gentherapie verwendet. Die zwei Hauptansätze, die derzeit verwendet werden, um genetisches Material in Zellen einzuführen, sind virale und nicht-virale Transportmethoden.

Virale Methoden

Die virale Methode zur Übertragung von genetischem Material macht sich die Kraft von Viren zunutze . Durch die Verwendung von Viren, die gegenüber genetischen Materialveränderungen haltbar sind, haben sich virale Methoden der Gentherapie für Tumorsuppressorgene als erfolgreich erwiesen. Bei diesem Verfahren werden Vektoren von Viren verwendet. Die beiden am häufigsten verwendeten Vektoren sind adenovirale Vektoren und adenoassoziierte Vektoren. Die genetische Manipulation dieser Vektortypen in vitro ist einfach und die in vivo- Anwendung ist im Vergleich zu anderen Vektoren relativ sicher. Bevor die Vektoren in die Tumoren des Wirts inseriert werden , werden sie präpariert, indem die Teile ihres Genoms, die die Replikation kontrollieren , entweder mutiert oder deletiert werden. Dies macht sie sicherer beim Einsetzen . Dann wird das gewünschte genetische Material inseriert und mit dem Vektor ligiert . In dem Fall mit Tumorsuppressorgene, genetischem Material , das kodiert p53 erfolgreich verwendet wurde, die nach der Anwendung, die Reduktion in gezeigt Tumorwachstum oder Proliferation .

Nicht-virale Methoden

Die nicht-virale Methode zur Übertragung von genetischem Material wird seltener verwendet als die virale Methode. Die nicht-virale Methode ist jedoch eine kostengünstigere, sicherere und verfügbare Methode der Genübertragung, ganz zu schweigen davon, dass nicht-virale Methoden gezeigt haben, dass sie weniger Immunantworten des Wirts induzieren und keine Beschränkungen hinsichtlich Größe oder Länge des übertragbaren genetischen Materials aufweisen . Die nicht-virale Gentherapie verwendet entweder chemische oder physikalische Methoden, um genetisches Material in die gewünschten Zellen einzubringen . Die chemischen Verfahren werden hauptsächlich für die Einführung von Tumorsuppressorgenen verwendet und werden in zwei Kategorien unterteilt, nämlich nackte Plasmide oder mit Liposomen beschichtete Plasmide. Die Strategie des nackten Plasmids hat wegen ihrer einfach anzuwendenden Verfahren Interesse geweckt. Die direkte Injektion in die Muskeln ermöglicht die Aufnahme des Plasmids in die Zelle möglicher Tumore, wo das genetische Material des Plasmids in das genetische Material der Tumorzellen eingebaut werden kann und jegliche frühere Schädigung von Tumorsuppressorgenen rückgängig gemacht werden kann. Das Verfahren mit liposombeschichteten Plasmiden war in letzter Zeit ebenfalls von Interesse, da sie eine relativ geringe Immunantwort des Wirts erzeugen und beim zellulären Targeting effizient sind. Die positiv geladene Kapsel, in der das Erbgut verpackt ist, hilft bei der elektrostatischen Anziehung der negativ geladenen Membranen der Zellen sowie der negativ geladenen DNA der Tumorzellen. Auf diese Weise sind nicht-virale Verfahren der Gentherapie hochwirksam bei der Wiederherstellung der Tumorsuppressorgenfunktion bei Tumorzellen, die diese Funktion entweder teilweise oder vollständig verloren haben.

Einschränkungen

Die oben erwähnten viralen und nicht-viralen Gentherapien werden häufig verwendet, aber jede hat einige Einschränkungen, die berücksichtigt werden müssen. Die wichtigste Einschränkung dieser Verfahren ist die Wirksamkeit, bei der die adenoviralen und adeno-assoziierten Vektoren, nackten Plasmide oder mit Liposomen beschichteten Plasmide von den Tumorzellen des Wirts aufgenommen werden. Wenn die richtige Aufnahme durch die Tumorzellen des Wirts nicht erreicht wird, führt die erneute Insertion zu Problemen, wie zum Beispiel, dass das Immunsystem des Wirts diese Vektoren oder Plasmide erkennt und sie zerstört, was die Gesamtwirksamkeit der gentherapeutischen Behandlung weiter beeinträchtigt.

Beispiele

Gen Ursprüngliche Funktion Zwei-Hit? Assoziierte Karzinome
Rb DNA-Replikation, Zellteilung und Tod Jawohl Retinoblastom
p53 Apoptose Nein Die Hälfte aller bekannten Malignome
VHL Zellteilung, Tod und Differenzierung Jawohl Nierenkrebs
APC DNA-Schäden, Zellteilung, Migration, Adhäsion, Tod Jawohl Darmkrebs
BRCA2 Zellteilung und -tod sowie Reparatur von doppelsträngigen DNA-Brüchen Jawohl Brust-/Eierstockkrebs
NF1 Zelldifferenzierung, Teilung, Entwicklung, RAS-Signaltransduktion Nein Nerventumore, Neuroblastom
PTCH Igelsignalisierung Nein Medulloblastom, Basalzellkarzinom

  • Retinoblastomprotein (pRb) . pRb war das erste Tumorsuppressorprotein, das im menschlichen Retinoblastom entdeckt wurde ; neuere Beweise haben jedoch auch pRb als einen Tumor-Überlebensfaktor impliziert. Das RB1- Gen ist ein Gatekeeper-Gen, das die Zellproliferation blockiert, die Zellteilung und den Zelltod reguliert. Insbesondere verhindert pRb das Fortschreiten des Zellzyklus von der G1-Phase in die S-Phase, indem es an E2F bindet und die notwendige Gentranskription unterdrückt. Dies verhindert, dass die Zelle bei einer Beschädigung ihre DNA repliziert.
  • p53. TP53 , ein Verwaltergen , kodiert das Protein p53 , das den Spitznamen "der Wächter des Genoms" trägt. p53 hat viele verschiedene Funktionen in der Zelle, einschließlich DNA-Reparatur, Induktion der Apoptose, Transkription und Regulierung des Zellzyklus. Mutiertes p53 ist an vielen menschlichen Krebsarten beteiligt, von den 6,5 Millionen Krebsdiagnosen pro Jahr sind etwa 37% mit p53-Mutationen verbunden. Dies macht es zu einem beliebten Ziel für neue Krebstherapien. Ein homozygoter Verlust von p53 findet sich bei 65 % der Dickdarmkrebsarten, 30–50 % der Brustkrebsarten und 50 % der Lungenkrebsarten. Mutiertes p53 ist auch an der Pathophysiologie von Leukämien, Lymphomen, Sarkomen und neurogenen Tumoren beteiligt. Anomalien des p53-Gens können beim Li-Fraumeni-Syndrom (LFS) vererbt werden , das das Risiko für die Entwicklung verschiedener Krebsarten erhöht.
  • BCL2. BCL2 ist eine Familie von Proteinen, die entweder an der Induktion oder Hemmung der Apoptose beteiligt sind. Die Hauptfunktion besteht darin, die Zusammensetzung der Mitochondrienmembran aufrechtzuerhalten und die Freisetzung von Cytochrom C in das Cytosol zu verhindern. Wenn Cytochrom c aus den Mitochondrien freigesetzt wird, beginnt eine Signalkaskade, um die Apoptose zu beginnen.
  • SWI/SNF. SWI/SNF ist ein Chromatin- Remodeling-Komplex, der bei etwa 20 % der Tumoren verloren geht. Der Komplex besteht aus 10-15 Untereinheiten, die von 20 verschiedenen Genen kodiert werden. Mutationen in den einzelnen Komplexen können zu Fehlfaltungen führen, was die Fähigkeit des Komplexes, als Ganzes zusammenzuarbeiten, beeinträchtigt. SWI/SNF hat die Fähigkeit, Nukleosomen zu bewegen , wodurch DNA kondensiert wird, was die Transkription ermöglicht oder die Transkription bestimmter Gene blockiert. Die Mutation dieser Fähigkeit könnte dazu führen, dass Gene zum falschen Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet werden.

Da die Kosten für die DNA-Sequenzierung weiter sinken, können mehr Krebsarten sequenziert werden. Dies ermöglicht die Entdeckung neuer Tumorsuppressoren und kann Erkenntnisse darüber geben, wie verschiedene Krebsarten in Zukunft behandelt und geheilt werden können. Andere Beispiele für Tumorsuppressoren umfassen pVHL , APC , CD95 , ST5 , YPEL3 , ST7 und ST14 , p16 , BRCA2 .

Siehe auch

Verweise

Externe Links