DNA repair system defects - role in oncogenesis and cancer therapy

Full Text

Очевидно, что поддержание стабильности генетического аппарата - одно из важнейших условий для нормальной жизнедеятельности всех организмов [21]. Тем удивительнее кажется тот факт, что клетка, подвергаясь воздействию многочисленных экзогенных и эндогенных генотоксических факторов, в подавляющем большинстве случаев сохраняет целостность генома и жизнеспособность. Было подсчитано, что в каждой из ~1013 клеток организма человека в течение дня происходят десятки тысяч повреждений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) [31]. В то время как часть повреждений ДНК является преимущественно результатом естественного метаболизма клеток или репликации [23, 31], они также могут быть вызваны экзогенными факторами, такими как ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, природные и искусственные мутагены, ионы тяжёлых металлов и химиопрепараты [19]. Очевидно, что нарушения репарации повреждений ДНК могут инициировать возникновение мутаций, становиться причиной нестабильности генома [19, 23]. Это в свою очередь может явиться одним из факторов, обусловливающих дефекты развития, стать причиной возникновения злокачественных и нейродегенеративных заболеваний, иммунодефицитных состояний, бесплодия, а также обусловить повышенную чувствительность к действию экзогенных факторов (например, ультрафиолетового и ионизирующего излучения) [21, 50]. Поскольку именно нестабильность генома - одна из фундаментальных особенностей злокачественных новообразований [52], становится очевидным, что подобные генетические поломки могут обладать и канцерогенным потенциалом [18]. Система репарации ДНК - поддержание генетической стабильности и противоопухолевый барьер Для сохранения целостности генома в ходе эволюции в клетках сформировался комплекс механизмов, который устраняет многочисленные повреждения ДНК и тем самым предотвращает накопление и передачу изменённого генетического материала в дочерние клетки [16]. Данный комплекс в англоязычной литературе получил название DDR (от англ. DNA Damage Response - ответ на повреждение ДНК) [43]. Данная система производит постоянное мониторирование целостности генома и по мере необходимости активирует комплексы факторов репарации [33]. Показано, что приобретённые и наследственные дефекты в системе репарации повреждений ДНК могут обусловливать предрасположенность к злокачественным новообразованиям, инициируя как сохранение мутаций в геноме, так и последующее выживание мутантных (то есть потенциально опухолевых) клеток вследствие ослабления программы апоптоза [42]. Пролиферация генетически изменённых клеток с дефектами в системе DDR будет способствовать неуклонному увеличению частоты мутаций и усиливать их генетическую нестабильность [20, 21]. Клинические синдромы, обусловленные дефектами репарации повреждений ДНК В настоящее время выявлено достаточное количество синдромов генетической нестабильности, обусловленных дефектами репарации ДНК и сопровождающихся гиперчувствительностью к воздействию генотоксических факторов, а также повышенной частотой развития злокачественных новообразований [6]. Высокая частота хромосомных аберраций у данной группы пациентов позволила сгруппировать их и рассматривать как «синдром повышенной ломкости хромосом». К примеру, у больных атаксией-телеангиэктазией, помимо нарушения координации движений и дилатации микрососудов кожи и склер, присутствуют иммунодефицит, повышенная частота развития злокачественных новообразований (лимфом), а также гиперчувствительность к воздействию ионизирующего излучения [37]. В основе последних трёх клинических признаков лежит мутация гена АТМ (Ataxia-Telangiectasia Mutated), обусловливающая неспособность протеинкиназы АТМ участвовать в репарации повреждений ДНК путём фосфорилирования белков хроматина - гистонов, остановки клеточного цикла в G1-, S- или G2-фазе (вследствие активации так называемых чек-пойнтов) и привлечения факторов репарации к участкам повреждений ДНК, в частности двунитевым разрывам, индуцируемым ионизирующим излучением [26]. Герминальные гомозиготные мутации генов MRE11 и NBS1, кодирующих одноимённые белки, которые входят в состав нуклеазного комплекса MRN, состоящего из Mre11, Rad50 и Nbs1, также сопровождаются предрасположенностью к злокачественным новообразованиям (особенно лимфомам), комбинированным иммунодефицитным состояниям, повышенной чувствительностью к ионизирующему излучению и высокой нестабильностью генома [19]. В частности, синдром хромосомной нестабильности, в основе которого лежат мутации гена NBS1, именуется ниймегенским синдромом (Nijmegen Breakage Syndrome - от названия голландского города Ниймеген, где синдром был впервые описан в университетской клинике в 1981 г.) и характеризуется микроцефалией, комбинированным первичным иммунодефицитом, повышенной чувствительностью к радиоактивному излучению и высоким риском развития злокачественных новообразований лимфоидной ткани [55]. В основе заболевания лежит мутации гена NBS1, который кодирует синтез белка нибрина, входящего в состав белкового комплекса MRN, участвующего в восстановлении разрывов двунитевой ДНК, которые индуцированы ионизирующим излучением или нормальными процессами - мейотическими реакциями и митотической VDG реаранжировкой в зрелых лимфоцитах. На основе восстановленной впоследствии ДНК происходит синтез разнообразных специфических антител, Т-клеточных рецепторов. Нарушение данных процессов обеспечивает основную клиническую составляющую данного синдрома: повышенную частоту развития злокачественных новообразований, высокую чувствительность к ионизирующему излучению и первичный комбинированный иммунодефицит. Процессы, напоминающие рекомбинацию генов иммуноглобулинов у пациентов с ниймегенским синдромом, также происходят при созревании нейронов головного мозга, что, вероятно, и вызывает микроцефалию и отставание в умственном развитии [8, 55]. К наследственным заболеваниям, обусловленным дефектами процессов репарации повреждений ДНК и хромосомной нестабильностью, относится синдром Блума, основные клинические признаки которого - повышенная фоточувствительность кожи, проявляющаяся даже после минимального воздействия солнечного света, нарушения иммунного статуса, частые инфекции дыхательных путей и органов желудочно-кишечного тракта, а также высокий риск развития злокачественных новообразований кроветворной системы. В основе большинства вышеперечисленных признаков и высокой частоты хромосомных аберраций лежит недостаточность фермента ДНК лигазы I, приводящая к повышенному уровню обмена сестринских хроматид [12, 54]. Также известен синдром Вернера - аутосомно-рецессивное состояние с нарушением синтеза белка WRN. У пациентов с данным дефектом отмечают признаки преждевременного старения, связанные с повышенной нестабильностью генома, и высокую частоту злокачественных новообразований [38]. Герминальные гетерозиготные мутации генов BRCA1 и BRCA2 обычно сопровождаются нарушениями механизмов гомологичной рекомбинации ДНК, что обусловливает повышенную частоту рака молочной железы и яичников, а также рака желудка, предстательной железы и меланомы [21]. Врождённые гетерозиготные мутации генов MSH2, MLH1, MSH6 и PMS2, которые кодируют одноимённые белки, участвующие в эксцизионной репарации непарных оснований, входящие в систему MMR (mismatch repair), также обусловливают повышенный риск развития злокачественных новообразований. В данном случае речь идёт о синдроме Линча, характеризующемся высоким риском развития опухолей толстой кишки (наследственная форма неполипозного колоректального рака) [34]. Поскольку система MMR участвует в основном в исправлении ошибок, возникающих в процессе репликации, становится вполне объяснимой повышенная частота развития злокачественных новообразований кишечника у людей с дефектами системы MMR. Клетки с высоким пролиферативным потенциалом (эпителий кишечника) будут быстрее аккумулировать набор генетических поломок по сравнению с медленно делящимися клетками. Гомозиготные мутации вышеуказанных генов приводят к полной инактивации системы MMR, что сопровождается быстрым накоплением ошибок репликации, и, следовательно, риску новообразований ещё во внутриутробном возрасте (нейрофиброматоз, лимфомы, лейкозы и пр.) [49]. Герминальные гетерозиготные мутации некоторых компонентов системы вырезания повреждённых нуклеотидов, именуемой NER (от англ. Nucleotide Excision Repair), приводят к развитию пигментной ксеродермы, характеризующейся повышенной чувствительностью к ультрафиолетовому облучению и развитием множественных опухолей открытых участков кожи [9]. В настоящее время выявлены мутации нескольких генов, наблюдаемых у больных пигментной ксеродермой, - XPA, XPB, XPC, XPD, XPF и XPG, обусловливающие, таким образом, несколько типов данного заболевания (А-G). Вышеперечисленные клинические синдромы и заболевания наглядным образом иллюстрируют важную роль системы репарации ДНК в поддержании целостности генома, а также тесную зависимость между ошибками/дефектами в системе репарации повреждений ДНК и высоким риском развития злокачественных заболеваний. Система репарации повреждений ДНК и терапия злокачественных новообразований Несмотря на многообразие химиопрепаратов, существующих на сегодняшний день в арсенале практического врача-онколога, одним из основных механизмов их действия (а в ряде случаев - единственным) является индукция повреждений ДНК с последующей гибелью клеток вследствие невозможности их репарации. К примеру, воздействие ионизирующего излучения приводит к образованию одно- и двунитевых разрывов ДНК, которые «исправляются» по механизмам пострепликативной репарации (негомологичная и гомологичная рекомбинация). Аналогичным действием обладают ингибиторы топоизомераз I и II типов. Топоизомеразы - ферменты, катализирующие изменение топологии ДНК путём временного разрыва одной (топоизомеразы I типа) или обеих (топоизомеразы II типа) нитей ДНК, переноса через брешь другой нити ДНК и последующей репарации данной бреши ДНК [3]. К ингибиторам топоизомеразы I типа относят камптотецин и его синтетические аналоги иринотекан и топотекан, блокирующие репликацию ДНК посредством блокады соответствующего фермента, в норме «ослабляющего напряжение» в перекрученной спирали ДНК, образующейся в результате действия фермента хеликазы, расплетающей спираль ДНК в процессе клеточного деления. Результатом действия ингибиторов топоизомеразы I типа становится перекручивание молекулы ДНК, что влечёт за собой повреждение спирали ДНК и последующее образование разрывов [3]. Это замедляет или делает невозможным деление опухолевых клеток при наличии соответствующих дефектов репарации повреждений ДНК. Камптотецины считают одними из наиболее перспективных современных противоопухолевых средств, их успешно используют при лечении рака яичника, первичной опухоли и метастазов при колоректальном раке и др. Примером ингибитора топоизомеразы II типа служит этопозид, противоопухолевая активность которого также обусловлена рядом других механизмов: индукцией образования свободных радикалов, дополнительно вызывающих повреждение ДНК, подавлением включения тимидина в ДНК, блокадой клеточного цикла в фазах S-G2 клеточного цикла и др. [41]. В настоящее время этопозид и его аналоги применяют как при монотерапии, так и в комбинации с другими цитостатиками при лечении многих злокачественных новообразований (немелкоклеточного рака лёгкого, рака желудка, яичников, молочной железы, острого миелобластного лейкоза и пр.). Способность ингибировать активность топоизомеразы II типа была также выявлена у противоопухолевых препаратов, относящихся к группе антрациклинов (препараты доксорубицина, идарубицина и эпирубицина, а также их полусинтетических аналогов - даунорубицина и карминомицина). Тем не менее, основной противоопухолевый эффект препаратов данной группы обусловлен их способностью интеркалировать ДНК (то есть встраиваться между двумя нитями молекулы ДНК за счёт реакции с пуриновым и пиримидиновым основаниями). Образование одно- и двунитевых разрывов ДНК в клетках, подвергшихся воздействию препаратов данной группы, обусловлено их способностью генерировать образование свободных радикалов, усиливающих повреждение ДНК. Спектр использования препаратов данной группы в практической онкологии достаточно широк и включает рак молочной железы, желудка, пищевода, поджелудочной железы, щитовидной железы, злокачественные новообразования лимфоидной системы, некоторые разновидности сарком и др. Механизм действия алкилирующих агентов также обусловлен повреждающим действием на структуру ДНК - образованием прочных ковалентных связей с цепочкой ДНК, что способствует ошибкам считывания информации и, как следствие, подавлению синтеза соответствующих данному коду белков. Примерами лекарственных веществ из данной группы служат циклофосфан, эмбихин, препараты нитрозомочевины. Препараты платины (цисплатин и пр.) по механизму действия напоминают алкилирующие агенты, взаимодействуют с ДНК и нарушают её структуру и функции. Таким образом, терапевтический эффект вышеперечисленных химиопрепаратов и радиотерапии, а также частота побочных эффектов от их применения будут обусловлены различиями в способности опухолевых и нормальных клеток репарировать соответствующие типы повреждений ДНК. Важно отметить, что относительная селективность действия химио- и радиотерапии может быть обусловлена именно несостоятельностью процессов репарации индуцированных повреждений ДНК в опухолевых клетках (следует также учитывать более высокий пролиферативный индекс в опухолевых клетках по сравнению с нормальными клетками). Это в свою очередь позволяет говорить о том, что мутации в геноме опухолевых клеток, затрагивающие систему контроля генетической стабильности, могут быть перспективными мишенями для усиления эффективности проводимой химио- и радиотерапии. Описанная ниже концепция «синтетической летальности» подтверждает правомочность данного положения вещей и создаёт предпосылки для изучения ингибиторов репарации повреждений ДНК в качестве агентов для повышения чувствительности злокачественных новообразований к химио- и радиотерапии. Кроме того, учитывая тот факт, что часть опухолевых клеток уже имеет определённые нарушения в системе репарации повреждений ДНК, подавление «спасательных» (то есть резервных) путей репарации с помощью соответствующих ингибиторов позволяет их рассматривать в качестве перспективных средств монотерапии злокачественных новообразований [16]. Ингибиторы PIKK-киназ АТМ и АТR - ключевые киназы, запускающие активацию DDR в ответ на повреждения ДНК [1, 51]. По этой причине ATM и ATR, а также активируемые данными PIKK-киназами сигнальные пути были выбраны в качестве мишени для потенцирования противораковой терапии. Первым ингибитором киназ ATM и ATR, повышающим химио- и радиочувствительность клеток, оказался кофеин [48]. Он обладал губительным действием на клетки с мутациями гена р53 [44]. Вскоре был обнаружен KU-55933, который ингибировал избирательно ATM, вызывал сенсибилизацию клеток к ионизирующему излучению наравне с ингибиторами топоизомеразы II. Сочетание этого препарата с рапамицином (ингибитором mTOR) продемонстрировало более сильный антипролиферативный эффект, чем у каждого препарата в отдельности [28]. Для киназы ATR был получен ингибитор γ-схизандрин (схизандрин Б), ингибирующий ATR-зависимые пути и предотвращающий активацию BRCA1- и СHK1-зависимых путей репарации повреждений ДНК (см. ниже) [40]. Ингибиторы киназ CHK1 и СHK2 CHK1 и СHK2 служат связующим звеном между киназами АТМ и ATR и белковыми комплексами, непосредственно принимающими участие в процессах репарации ДНК. Эти киназы координируют процессы, происходящие по мере продвижения по клеточному циклу, играя роль своеобразного «переключателя» между репарацией и апоптозом. Ингибиторы CHK1 способны вызывать апоптоз в клетках с мутацией в гене tр53 в ответ на воздействие цитотоксических препаратов и излучения. Лидамицин (находится на 2-й стадии клинических исследований) способен индуцировать двунитевые разрывы, действует избирательно на р53-/- клетки из-за недостаточности в них CHK1-опосредованных G2/M чек-пойнтов [10]. Ингибиторы метилтрансфераз Эпигенетические модификации занимают особое место в регуляции ключевых клеточных процессов, включая репарацию ДНК. Двумя наиболее важными факторами с данной точки зрения являются посттранскрипционные модификации гистонов и метилирование ДНК. Оба механизма задействованы в канцерогенезе и прогрессировании опухолей [24]. Чрезмерная экспрессия ДНК-метилтрансфераз была обнаружена в опухолях различного гистологического происхождения [11, 30, 35]. На сегодняшний день известно несколько классов ингибиторов метилтрансфераз, успешно применяемых в лечении ряда заболеваний крови, таких как миелодиспластический синдром. Механизм действия большинства препаратов (5-Aza, zebularine и т.д.) обусловлен встраиванием в ДНК с последующим ковалентным связыванием метилтрансфераз [47]. Сформированные сшивки фермента с ДНК, находящиеся в непосредственной близости от двунитевых разрывов ДНК, существенным образом затрудняют последующую репарацию таких повреждений, что способствует сенсибилизации клеток к ионизирующему излучению [24]. По этой причине комбинации стандартной химиотерапии с ингибиторами метилтрансфераз являются привлекательной стратегией преодоления химиорезистентности [7]. Ингибиторы гистон-деацетилаз (HDACIs) Ингибиторы гистон-деацетилаз (HDACIs) - противоопухолевые препараты иного класса, реализующие свои эффекты на эпигенетическом уровне. В настоящее время известно 18 типов гистондеацетилаз млекопитающих. Действие гистон-деацетилаз не ограничено посттранскрипционными модификациями гистонов и ремоделированием хроматина, а также распространяется на процессы дифференцировки клеток, эмбриогенеза, клеточного метаболизма и иммунного ответа [17]. Было установлено, что филогенетически гистоны не являются первичным субстратом гистондеацетилаз, в качестве их субстратов выступает более 50 белков, среди которых шапероны, белки репарации, апоптоза и различные сигнальные молекулы [10]. Существуют две основные гипотезы сенсибилизации опухолевых клеток к ионизирующему излучению при комбинации с HDACIs [53]. Во-первых, хотя HDACIs сами не вызывают двунитевые разрывы ДНК, механизм их действия обусловлен гиперацетилированием гистонов, что приводит к изменению структуры хроматина и, таким образом, повышению уязвимости хроматина к повреждающим агентам. Во-вторых, HDACIs подавляют экспрессию белков репарации (Ku86, BRCA1 и Rad51) [2, 58]. За последние 10 лет проведено более 490 клинических испытаний препаратов данного класса, результатом которых стало внедрение в практическую онкологию таких препаратов, как zolinza (вориностат) и istodax (ромидепсин), для лечения пациентов с T-клеточной лимфомой кожи [16]. Таргетные препараты, оказывающие влияние на процессы репарации ДНК Наибольший интерес в этом отношении представляет группа ингибиторов рецептора эпидермального фактора роста (EGFR - от англ. Epidermal Growth Factor Receptors), которые показали хорошие результаты при немелкоклеточном раке лёгкого и глиобластомах, где гиперэкспрессия данного белка коррелировала с резистентностью к проводимой радиотерапии. Механизм сенсибилизации к ионизирующему излучению с помощью ингибиторов EGFR оказался многогранен [32]. Во-первых, он тормозил активацию и связывание EGFR c ДНК-зависимой протеинкиназой (DNA-PK), что предотвращало гиперактивацию этого ключевого фермента, участвующего в репарации двунитевых разрывов ДНК путём негомологичного соединения концов (NHEJ) [29]. Во-вторых, ингибировал транспорт BRCA1 из цитоплазмы к участкам повреждения, а также выключал последующую активацию ERK1/2, что существенным образом снижало эффективность процесса гомологичной рекомбинации [27]. Препараты данного класса - иресса (гефитиниб) и тарцева (эрлотиниб) - успешно применяют в комбинированном лечении и монотерапии при немелкоклеточном раке лёгкого [13]. Исследования последних лет показывают, что ингибиторы протеосомной деградации белков также способны влиять на процессы репарации, в частности на процессы гомологичной рекомбинации. Murakawa и соавт. в своём исследовании продемонстрировали, что протеосомные ингибиторы существенным образом снижают эффективность гомологичной рекомбинации [39]. Возможно, это связано с истощением пула убиквитин-лигаз, служащих как метками для протеосомной деградации белка, так и инициаторами начала гомологичной рекомбинации [25]. В 2005 г. двумя группами исследователей было выявлено, что клеточные линии с мутациями генов BRCA-1 и BRCA-2 имеют высокую чувствительность к ингибиторам поли(АДФ-рибоза)-полимеразы (PARP), что послужило основанием для клинических исследований по эффективности использования данных препаратов в качестве монотерапии при злокачественных новообразованиях с дефектами в системе репарации ДНК [4, 15]. Повышенная чувствительность данной группы злокачественных новообразований к ингибиторам PARP не случайна и имеет объяснимый механизм. Было установлено, что ингибирование активности PARP в клетках приводит к нарушению репарации и накоплению однонитевых разрывов ДНК, которые в S-фазу посредством процесса репликации трансформируются в двунитевые разрывы ДНК [46]. Репарация таких повреждений происходит преимущественно по пути гомологичной рекомбинации. Однако опухолевые клетки, имеющие наследственные дефекты в системе гомологичной рекомбинации ДНК, а именно нефункциональные белки BRCA-1 и/или BRCA-2, не способны осуществлять репарацию таких повреждений, что приводит к гибели опухолевых клеток [57]. Данный механизм основан на концепции «синтетической летальности», согласно которой наличие мутации в одном из двух «летальных» генов никак не отражается на жизнедеятельности клеток, однако мутации в обоих «летальных» генах приводят к их гибели [22]. Химиопрепараты, разработанные с учётом данной концепции, должны вызывать гибель исключительно опухолевых клеток с мутациями в таких «летальных генах». Группа злокачественных новообразований, потенциально восприимчивых к ингибиторам PARP, не ограничивается мутациями BRCA-1 и BRCA-2. К данной группе следует отнести клетки, имеющие мутации в гене PTEN [36], а также PALB-2-дефицитные клетки [5]. Существует мнение, что все опухоли, имеющие дефекты в системе репарации ДНК по пути гомологичной рекомбинации, будут чувствительны к ингибиторам PARP [56]. Дальнейшие исследования показали, что BRCA1-опосредованные дефекты в системе гомологичной рекомбинации встречаются гораздо чаще (в частности, их обнаруживают у больных раком молочной железы без отягощённого семейного анамнеза), что существенным образом расширяет группу пациентов, чувствительных к проведению химиотерапии, индуцирующей образование разрывов ДНК в опухолевых клетках. Выявление неспособности опухолевых клеток к гомологичной рекомбинации in vitro после воздействия различных видов ДНК-повреждающих агентов было предложено в качестве одного из критериев индивидуального выбора химиопрепаратов с максимальной терапевтической эффективностью [44]. Таким образом, нарушения в механизмах системы репарации играют важную роль в канцерогенезе, но в то же время могут обусловливать высокую чувствительность больных с вышеупомянутыми генетическими дефектами к проводимой химио- и радиотерапии, индуцирующей, как известно, различные типы повреждений ДНК. Именно этот факт открывает перспективы для поиска и использования новых противоопухолевых препаратов, нацеленных на повышение химио- и радиочувствительности злокачественных новообразований посредством их воздействия на систему репарации повреждений ДНК.

About the authors

S V Boychuk

Kazan State Medical University, Kazan, Russia

Email: boichuksergei@mail.ru

B R Ramazanov

Kazan State Medical University, Kazan, Russia

References

Supplementary files