Эпигенетика
Рак – всегда болезнь генов. Но, всегда ли гены повреждены? Поговорим об эпигенетике.
Рак - это та проблема, которая так или иначе волнует каждого из нас. Увеличение продолжительности жизни в совокупности с так называемым улучшением ее качества, неизменно приведет к увеличению случаев возникновения злокачественных заболеваний.
Наряду с сердечно-сосудистыми заболеваниями фактически каждая семья, так или иначе, сталкивается с этой проблемой. Но если в лечении сердечно-сосудистых заболеваний медицина более-менее научилась контролировать болезнь, то несмотря на происходящие в наше время революционные достижения в области понимания процессов возникновения и прогрессирования рака, результаты лечения злокачественных заболеваний далеко не всегда могут радовать врачей и их пациентов. Как любая чрезвычайно сложная проблема не может быть разрешена простыми способами, так и успех в лечении рака зависит от успешного решения многих взаимосвязанных задач.
Итак, начнем с самого начала. Каковы современные представления о причинах возникновения рака? Рак – это болезнь генов, которая вызвана накоплением мутаций в молекуле ДНК и эпигенетических изменений, приводящих к безудержному делению клеток, распространением их по организму и образованию опухолей. Необходимо сразу подчеркнуть, болезнь генов – это далеко не всегда болезнь, передающаяся с генами по наследству. Да, порядка 10% опухолей передается с измененными генами по наследству, но подавляющее большинство заболевших родилось с «нормальными» генами, которые в течение жизни видоизменились – мутировали, и привели к возникновению злокачественной опухоли. Возникновение тех или иных мутаций в генах организма происходит постоянно. Ученые расценивают их как инструмент эволюции, механизмом адаптации организмов к изменениям среды обитания. Но, помимо пользы для организма, в ряде случаев мутации могут нанести ему вред. Так, ионизирующее излучение, различные химические вещества, в том числе употребляемые с пищей или принимаемые в виде фармацевтических препаратов, способны повредить ДНК клетки с определенными для нее последствиями. Но радостно то, что с момента своего образования клетки имеют различные способы борьбы с повреждением ДНК, тем самым защищая наш организм от опасного повреждения генетического материала.
Ежедневно происходят десятки тысяч мелких и сотни крупных поломок в молекулах ДНК наших клеток, но благодаря уникальным механизмам, происходит репарация возникших повреждений. Благодаря различным системам репарации из 1000 возникших повреждений ДНК только 1 приводит к устойчивой мутации! Да, к сожалению, любые системы защиты не всегда срабатывают. Но мутация мутации рознь. Из 22 000 генов около 700 участвуют в различных процессах деления клетки, ее естественной или вызванной гибели, а также ее миграции. Т.е. данные гены выполняют большой объём работы в клетках, необходимый для ее нормальной жизни. Но именно мутации в этих генах способны приводить к возникновению злокачественной опухоли.
В настоящее время общепринято считать, что причиной возникновения рака является мутации онкогенов и генов-супрессоров. Но только ли повреждение генов способно повлиять на их нормальную работу? Эпигенетика — раздел современной генетики, которая занимается исследованием изменений активности генов с сохраненной структурой. За счет эпигенетических механизмов происходят различные варианты усиления или ослабления активности генов, т.е. их экспрессия, без изменений самого генотипа. Наиболее изученный механизм эпигенетической регуляции активности генов — процесс метилирования, суть которого заключается в добавлении метильной группы к цитозиновым основаниям, так называемых, CpG-островков в промоторах генов молекулы ДНК. Вследствие этого небольшого химического превращения изменяется активность генов несколькими способами.
В частности, метильные группы могут препятствовать контакту фактора транскрипции (белка, контролирующего процесс синтеза информационной РНК на матрице ДНК) с соответствующими участками ДНК. Помимо этого, метильные группы в связке с метилцитозин-связывающими белками, влияют на ремоделирования хроматина — вещества, из которого состоят хромосомы, хранилища всей наследственной информации. В развернутом виде длина ДНК составляет порядка 1.8 метра, но она настолько плотно скручена в шарик, что ее нельзя увидеть в обычный микроскоп. Форма шарика поддерживается с помощью белков – гистонов, которые выполняют две главные функции: участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.
Метилирование генов играет основную роль в клеточной дифференцировке — процессе, благодаря которому из эмбриональных клеток формируются специализированные клетки различных тканей, образуя органы и в целом формируя организм. Но, применительно к рассматриваемой теме, для нас важно то, что метилирование играет важную роль в регуляции экспрессии онкогенов и генов супрессоров. Именно данный факт позволяет считать эпигенетическое регулирование не менее важным, чем генетические мутации для трансформации клетки в злокачественную с последующим развитием опухоли.
При раке потеря экспрессии генов происходит примерно в 10 раз чаще из-за гиперметилирования, чем из-за мутаций. Например, при колоректальном раке в среднем бывает от 3 до 6 драйверных мутаций. В то же время, в одном проведенном исследовании опухолей толстой кишки, порядка 867 генов в опухолевых клетках потеряли экспрессию из-за их гиперметилирования, тогда как эти гены не были метилированы в неизмененной прилежащей слизистой оболочке кишки. В одном исследовании 2012 года было перечислено 147 генов с гиперметилированными промоторами, связанными с раком толстой кишки. По крайней мере, 10 из этих генов имели гиперметилированные промоторы почти в 100% случаев. В этом исследовании обнаружено 11 микроРНК, промоторы которых были гиперметилированы при раке толстой кишки с частотой от 50% до 100% случаев рака.
МикроРНК представляют собой небольшие молекулы РНК, которые соединяются с последовательностями информационных РНК для управления посттранскрипционной репрессией генов.
Исследования рака поджелудочной железы выявили динамику увеличения активности фермента метилтрансферазы (DNMT), который обеспечивает метилирование генов, как в здоровых клетках железы, так и в предраковых, и клетках рака. При этом увеличение активности ферментов напрямую коррелировало с более высокой стадией рака, его агрессивным течением и более низкой выживаемостью пациентов.
В то же время подавление данного фермента в клеточных линиях привело к подавлению жизнеспособности раковых клеток, остановке клеточного цикла и их естественной гибели.
Гены репарации ДНК так же часто репрессируются при раке из-за их гиперметилирования. Например, гиперметилирование гена MGMT встречается в 93% случаев рака мочевого пузыря, 88% рака желудка, 74% рака щитовидной железы, 40-90% рака прямой кишки и 50% опухолей мозга. Гиперметилирование гена LIG4 встречается в 82% случаев колоректального рака. Гиперметилирование NEIL1 происходит в 62% случаев рака головы и шеи, и в 42% случаев немелкоклеточного рака легких. Гиперметилирование ATM происходит в 47% немелкоклеточных опухолей легких. Также обнаружено, что гены PARP1 и FEN1, вследствие их гипометилирования, были сверхэкспрессированы при многих раковых заболеваниях. PARP1 и FEN1 являются важными генами в подверженном ошибкам пути репарации ДНК. PARP1 чрезмерно экспрессируется при лейкозах, при нейробластоме, опухолях яичек и яичников. FEN1 чрезмерно экспрессируется при большинстве раковых заболеваний груди, простаты, желудка, нейробластом, поджелудочной железы и легкого.
По-видимому, повышенная активность данных генов помогает злокачественным клеткам выживать под воздействием противоопухолевых препаратов. Генерализованное гипометилирование так же часто встречается на ранних стадиях рака толстой кишки и рака эндометрия, однако точные причины этого явления и его последствия остаются неизвестными. Гипометилирование CpG-островков в промоторах генов приводит к сверхэкспрессии этих генов. Как можно видеть, в опухолевой ткани существует неравномерное распределение метилирования генов: в одной и той же опухоли одновременно существуют клетки с разной экспрессией генов ввиду их гипо- и гиперметилирования, что создает проблемы в возможности лекарственного управления данным процессом.
Доказательства диагностической ценности биомаркеров метилирования ДНК настолько убедительны, что некоторые анализы стали использоваться в клинической практике и даже вошли в клинические руководства. Один из широко изученных биомаркеров метилирования ДНК с целью раннего обнаружения колоректального рака - это метилирование гена SEPT9 в плазме, который одобрен FDA. Многочисленные исследования установили диагностическую точность этого биомаркера с чувствительностью от 48% до 90% и специфичностью от 73% до 97%. Этот биомаркер продается под названием Epi proColon.
Метаанализ исследований в 2017 году установил, что этот тест статистически более достоверен у пациентов с поздней стадией (III – IV) колоректального рака, чем на ранней стадии (I – II). В целях дальнейшего повышения точности диагностики этого анализа группы исследователей пытались объединить его с дополнительными биомаркерами, такими как FIT и другими метилированными генами (SHOX2 и ALX4). Это позволило добиться общей чувствительности теста 97,2% при использовании комбинации плазменного теста SEPT9, FIT и сывороточного карциноэмбрионального антигена. Cologuard - первая многокомпонентная панель, одобренная FDA для скрининга колоректального рака, состоит из молекулярного анализа трех биомаркеров (семь сайтов мутации в гене KRAS, а также статус метилирования генов NDRG4 и BMP3). В большом исследовании, включающем почти 10 000 человек, обнаружено, что Cologuard имеет более высокую чувствительность для обнаружения колоректального рака, чем FIT (92,3% против 73,8%). И, наконец, наиболее часто используемый эпигенетический биомаркер в современной клинической диагностике рака толстой кишки – это анализ метилирования промотора гена MLH1.
В настоящее время в лечении используются несколько препаратов, уменьшающих гиперметилирование. В частности, азацитидин и децитабин одобрены для лечения гематологических заболеваний, а также данные препараты проходят клиническое испытание в лечении негематологических раков, в частности, у пациентов с раком поджелудочной железы и толстой кишки. Что касается механизма действия данных препаратов, то азацитидин, и децитабин имитируют цитозин и способны улавливать белки DNMT во время репликации ДНК. Это ведет к деградации захваченных DNMT с последующим гипометилированием опухолевых генов-супрессоров с возвращением их активности. В экспериментах на мышах азацитидин подавлял рост трансплатированных клеток рака поджелудочной железы, а при добавлении химиотерапевтического препарата гемцитабина уменьшалось количество устойчивых к гемцитабину клеток. Интересный и важный факт: в эксперименте азацитидин продемонстрировал активацию противоопухолевого иммунитета, вызывая экспрессию высокоиммуногенных антигенов в раковых клетках, что позволяет надеяться на эффективность иммунотерапии в данном случае.
Эта гипотеза также уточняется в рамках клинических исследований. В частности, в настоящее время проводится исследование эффективности и профиля безопасности комбинированного режима вадецитабина в комбинации с дурвалумабом, моноклональным анти-PD-L1 антителом, у 90 пациентов с солидными опухолями, включая пациентов с раком поджелудочной железы. В доклинических исследованиях по лечению рака толстой кишки эпигенетические модификаторы в сочетании с другими терапевтическими агентами продемонстрировали очень многообещающие синергетические эффекты. На самом деле, ингибиторы DNMT 5- азацитидин, децитабин и зебуларин действует синергетически с классическими цитотоксическими препаратами, такими как 5-фторурацил, иринотекан и оксалиплатин в клеточных линиях. Однако, в исследованиях на пациентах эффективность комбинаций была не высокой и проявлялась, главным образом, в стабилизации болезни. Хотя, в определенных обстоятельствах, в частности, при рефрактерных к лечению опухолях, это следует расценивать как удачу. Новые доклинические данные также предполагают, что эпигенетические модификаторы могут обладать синергическим действием в сочетании с таргетными препаратами, в частности, с ингибиторами EGFR, ингибиторами BRAF и ингибиторами протеасом.
Примечательно, что все клинические исследования по оценке эпигенетических препаратов были протестированы на пациентах с очень запущенными стадиями, при которых другие методы лечения уже не действуют. Запущенные опухоли более разнородны, и со временем накапливают не только больше эпигенетических изменений, но и также большое количество генетических мутаций и иных механизмов, повышающих их выживаемость. Возможно, использование эпигенетической терапии может быть более эффективным на ранних стадиях рака не только потому, что имеются эпигенетические изменения, как ранние события канцерогенеза, но также потому, что бремя геномных нарушений меньше. В этой ситуации, возможно, лечение необходимо проводить дольше, потому что перепрограммирование клеток требует времени. По крайней мере, гипотетически эпигенетическая терапия может перепрограммировать опухолевые клетки с возвращением их чувствительности к лучевой терапии, цитотоксической терапии или иммунотерапии.
Автор: Меркулов И.А., онколог, д.м.н.