Нечувствительность к ингибирующим рост сигналам

Гены-супрессоры опухолей кодируют белки, которые ингибируют клеточную пролиферацию, регулируя клеточный цикл. В отличие от онкогенов, чтобы развилась опухоль, должны быть потеряны обе копии гена (потеря гетерозиготности). В случаях семейной предрасположенности к развитию опухолей, пораженные индивидуумы наследуют одну дефектную (нефункционирующую) копию супрессорного гена, а вторую теряют в результате соматической мутации. В спорадических случаях обе копии гена теряются в результате соматических мутаций.

Ген RB и клеточный цикл

Много известно о гене RB, поскольку он был открыт первым. Продуктом гена является связывающий ДНК белок, который экспрессируется во всех исследуемых клетках, где существует в активном гипофосфорилированном и в неактивном гиперфосфорилированном состояниях. Важность RB заключается в том, что он способствует прохождению G₁, интервалу между митозом (M) и репликацией ДНК (S). У эмбрионов клеточные деления происходят очень быстро, репликация ДНК начинается сразу после окончания митоза. По мере дальнейшего развития, в клеточный цикл включаются два интервала: пресинтетический (G₁) между митозом и репликацией ДНК (S) и постсинтетический (G₂) между репликацией ДНК (S) и митозом (M) (рис. 6-19). Хотя каждая фаза клеточного цикла тщательно контролируется, переход из G₁ в S считают исключительно важной контрольной точкой клеточного цикла. После прохождения контрольной точки в G₁, клетка может на некоторое время приостановить клеточный цикл, однако обязательно должна завершить его, вступив в митоз. В фазу G₁ клетка может выйти из клеточного цикла либо временно (состояние покоя), либо постоянно (старение). В G₁, поэтому, на клетку могут действовать различные сигналы, которые определяют должна ли клетка войти в клеточный цикл, либо покинуть клеточный цикл и вступить на путь дифференцировки, либо погибнуть. RB является ключевым участником этих путей. Для того, чтобы понять, почему RB является столь важным, мы должны рассмотреть механизмы, контролирующие фазу G₁.

Начало репликации ДНК требует активизации комплекса циклин E/CDK2, экспрессия же циклина E зависит от семейства транскрипционных факторов E2F. В самом начале фазы G₁ белок RB находится в гипофосфорилированной активной форме, которая связывает и ингибирует белки семейства транскрипционных факторов E2F, тем самым препятствуя транскрипции циклина E. Гипофосфорилированный RB блокирует E2F-опосредованную транскрипцию, по крайней мере, двумя путями (рис. 6-21). Во-первых, он изолирует E2F, препятствуя его взаимодействию с другими активаторами транскрипции. Во-вторых, RB активирует белки, ремоделирующие хроматин, такие как гистоновые деацетилазы и гистоновые метилтрансферазы, которые связываются с промоторами E2F-активируемых генов, таких как ген циклина E. Эти ферменты модифицируют хроматин в области промоторов, в результате чего ДНК становится нечувствительной к действию транскрипционных факторов. При действии митогенных сигналов ситуация меняется. Действие факторов роста вызывает экспрессию циклина D и активацию комплексов циклин D-CDK4/6. Эти комплексы фосфорилируют RB, в результате чего он инактивируется и высвобождает E2F, который активирует целевые гены, такие как ген циклина E. Экспрессия циклина E стимулирует репликацию ДНК и прохождение клеточного цикла. Клетки, вступившие в S фазу, проходят оставшиеся фазы без дополнительной стимуляции ростовыми факторами. Во время последующей M фазы, фосфатные группы с RB удаляются клеточными фосфатазами, что регенерирует гипофосфорилированную форму RB.

E2F не является единственной мишенью для RB. Универсальный RB белок, как было показано, связывается с многими другими транскрипционными факторами, регулирующими клеточную дифференцировку. Например, RB стимулирует транскрипционные факторы, специфичные для миоцитов, адипоцитов, меланоцитов и макрофагов. Таким образом, сигнальный путь RB объединяет контроль прохождения клеточного цикла в G₁ с клеточной дифференцировкой. Это может объяснить, почему дифференцировка связана с выходом из клеточного цикла. В дополнение к этим двум функциям, RB также запускает процесс старения, что будет сказано ниже.

При условии, что RB является центральным звеном контроля клеточного цикла, можно задаться вопросом, почему RB не мутирован в каждой опухоли. Мутации других генов, которые контролируют фосфорилирование RB, могут приводить к тому же эффекту, что и потеря RB. Такие гены мутированы во многих опухолях, которые имеют нормальные RB гены. Например, активация CDK4 в результате мутации или избыточная экспрессия циклина D, стимулируют клеточную пролиферацию, облегчая фосфорилирование и инактивацию RB. Действительно, циклин D экспрессируется в избытке во многих опухолях вследствие амплификации или транслокации его гена. Мутационная инактивация CDKIs также способствует клеточной пролиферации вследствие нерегулируемой активации циклинов и CDKs. Как было сказано выше, ген CDKN2A очень часто подвергается мутационной инактивации или делеции в опухолях человека.

Возникает парадигма, что центральным звеном в злокачественной трансформации является потеря нормального контроля клеточного цикла, и, по крайней мере, один из четырех ключевых регуляторов клеточного цикла (CDKN2A, циклин D, CDK4, RB) мутирован в большинстве злокачественных опухолей человека. Далее, трансформирующие белки некоторых онкогенных ДНК-содержащих вирусов человека и животных, действуют, по крайней мере частично, путем нейтрализации ингибирующей рост активности RB. Большой T антиген обезьяньего вируса 40 (ОВ-40; simian virus 40, SV40) и полиомавируса, EIA протеин аденовируса, E7 протеин вируса папилломы человека (ВПЧ; human papillomavirus, HPV) – все они связываются с гипофосфорилированной формой RB. RB белок, неспособный связываться с E2F транскрипционными факторами, становится функционально неактивным, и клетка делается нечувствительной к антиростовым сигналам, действие которых осуществляется через сигнальный путь RB белка.

КРАТКАЯ СВОДКА

Ген RB и клеточный цикл

RB оказывает антипролиферативный эффект, контролируя переход из фазы G₁ в фазу S клеточного цикла. В своей активной форме RB находится в гипофосфорилированном состоянии и связывает транскрипционный фактор E2F. Это взаимодействие блокирует транскрипцию генов, таких как циклин E, которые необходимы для репликации ДНК. Это ведет к задержке клеток в фазе G₁.

Действие факторов роста ведет к экспрессии циклина D, активации комплексов циклин D-CDK4/6, инактивации RB путем фосфорилирования и высвобождению E2F.

Потеря контроля клеточного цикла – фундаментальное звено злокачественной трансформации. Почти во всех злокачественных опухолях контрольная точка фазы G₁ отключена в результате мутации либо генов RB, либо генов, влияющих на функцию RB белка, таких как циклин D, CDK4 и CDKIs.

Многие онкогенные ДНКовые вирусы (например, HPV) кодируют белки (например, E7), которые связываются с RB, делая его нефункциональным.