Wiele już wiadomo na temat nowotworzenia. Naukowcy nie zatrzymują się jednak w swoim poszukiwaniu nowych informacji na ich temat – bo każde zrealizowane badanie jednocześnie stawia kilka nowych pytań. Wiele prac badawczych skupia się także na wynalezieniu i wyprodukowaniu nowych leków. W ciągu ostatnich lat onkologia poczyniła niesamowite postępy, ratując ludzi, którzy jeszcze niedawno było skazani na śmierć, na przykład powstanie immunoonkologii i jej niesamowitych osiągnięć. Od pewnego czasu swoją cegiełkę do rozwoju tej dziedziny medycyny dokłada także epigenetyka. Przyjrzyjmy się bliżej temu zjawisku.

Epigenetyka to część genetyki zajmująca się badaniem ekspresji genów (patrz przypis 1), które jednak nie zachodzą poprzez zmiany w DNA. Zapis w DNA nie ulega zmienie. Ekspresja genu może zostać pobudzona lub wstrzymana pośrednio przez czynniki środowiskowe np. narażenie na pewne substancje chemiczne czy promieniowanie słoneczne. Ma to także ogromne znaczenie dla naszego rozwoju, gdyż nie z każdego genu musi być produkowane białko w konkretnej komórce. Nie ma sensu, żeby geny odpowiedziane na przykład za produkcję pomp jodkowych (patrz przypis 2) w tarczycy (patrz przypis 3) działały gdzie indziej, skoro jedynie tarczyca potrzebuje pierwiastka (patrz przypis 4) jakim jest jod do produkcji swoich hormonów (patrz przypis 5)[1].

Wyjaśnić należy jednak kilka sformułowań używanych często w epigenetyce. W nowotworach dość często będziemy spotykać się z określeniem hipometylacja lub hipermetylacja jakiegoś genu. Metylacja jest procesem chemicznym polegającym na dołączeniu do cytozyn, czyli jednego ze składników budulcowych DNA, reszt metylowych. Czym jest i co robi reszta metylowa? To grupa chemiczna (patrz przypis 6) która po przyłączeniu do DNA powoduje, że enzymy (patrz przypis 7) przeprowadzające proces transkrypcji (patrz przypis 8), nie są w stanie tego zrobić. Można to porównać do przeszkody na autostradzie. Jeśli na ruchliwej drodze ustawimy barykadę (zmetylowane DNA) to samochody nie będą w stanie przejechać (enzymy przeprowadzające transkrypcję).

Jeszcze dwa ważne pojęcia: hipermetylacja i hipometylacja. Jeśli poziom metylacji genu jest wysoki, mówimy o hipermetylacji, a gdy niski – o hipometylacji. W epigenetyce nowotworów dość często spotkamy się także z określeniem „promotor”. Jest to niewielki odcinek genu, region genu, w którym rozpoczyna się proces transkrypcji. Regiony promotorowe to specjalnie zbudowane sekwencje DNA, do których może się przyłączyć cała „maszyneria” molekularna procesu. W promotorze występuje czasami sekwencja nazywana fachowo „wyspami CpG”. Są to odcinki DNA zawierające cytozyny i guaniny (patrz przypis 9), które z uwagi na dużą obecność cytozyn, mogą ulegać metylacji i tym samym wstrzymywać transkrypcję genu.

Ważne jest także zaznaczenie obecności histonów i ich możliwych modyfikacji – to kolejny istotny element epigenetycznej maszynerii. Są to białka, na których znajdują się nawinięte nici DNA. W dalszej kolejności osiem białek histonowych z nawiniętym na siebie DNA organizuje się do nukleosomów. W kolejnych etapach (patrz rycina 1) powstają większe skupiska nukleosomów, tworzące solenoid i ostatecznie poprzez tworzenie spiral oraz superhelis proces ten prowadzi do powstania chromosomu (patrz przypis 10). Histony podlegają różnych modyfikacjom. Szczególnie ważna jest acetylacja, polegająca na dołączeniu grupy acetylowej do białka. Przez to histony (a właściwie nawinięte na nie DNA) stają się łatwiej dostępne dla enzymów przeprowadzających transkrypcję. Odwrotnie, gdy histony ulegają deacetylacji: geny stają się wtedy mniej dostępne dla enzymów i procesy ekspresji genów zwalniają lub zupełnie przestają zachodzić.

Rysunek 1 http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/chromosomy

Epigenetyka ma jednak ciekawą i wspaniałą właściwość: procesy epigenetyczne są w większości odwracalne! W przeciwieństwie do klasycznych mutacji, modyfikacje epigenetyczne można odwrócić. Zjawiska epigenetyczne są do siebie komplementarne. Jeśli istnieje możliwość acetylacji, to istnieje także możliwość deacetylacji dokładnie tego samego białka. Podobnie w przypadku metylacji. Jest to bardzo ważny proces z punktu naszego dostosowania się do warunków środowiska. Geny mogą ulegać ekspresji, jeśli ich produkt (czyli białko) jest w tym momencie potrzebne lub być „wstrzymywane”, jeśli brak jest takiej potrzeby. Odwracalność procesów epigenetycznych jest wykorzystywana w leczeniu niektórych nowotworów (o czym dokładniej poniżej). Obecnie toczy się także wiele prób klinicznych na temat wprowadzenia tego typu leczenia w różnych rodzajach nowotworów.

Wiemy już trochę o samej epigenetyce, możemy zatem przyjrzeć się bliżej nowotworom. Jakie zmiany są najczęstsze w nowotworach? Bardzo często dochodzi do hipometylacji wielu genów związanych z proliferacją komórek. Oznacza to, że może dojść do niekontrolowanego wzrastania liczby komorek, co jest jedną z podstawowych cech nowotworu. Hipermetylacja będzie z kolei dotyczyć genów supresorowych (patrz przypis 11). Spowoduje to zmniejszenie ilości lub brak specjalnych białek, które utrzymują „ w ryzach” podziały komórek, co może spowodować ich znaczący zwrost. Hipermetylowane są także geny kodujące miRNA (patrz przypis 12). Cząsteczki miRNA odpowiadają za zatrzymanie ekspresji genu na poziomie RNA. Taka molekuła przyłącza się do odpowiedniego końca RNA i poprzez skomplikowane procesy molekularne doprowadza do jej zniszczenia. Zaburzenia tego procesu także może prowadzić do niekontrolowanych podziałów komórkowych. Dochodzi także do modyfikacji histonów, na których znajduje się DNA, co także może skutkować zahamowaniem ekspresji genów supresorowych [2].

Najwięcej badań nad epigenetyką nowotworów przeprowadzono zapewne w hematologii. Hematologia zajmuje się diagnostyką i leczeniem chorób krwi i układu chłonnego w tym m.in. chłoniaków (patrz przypis 13) i białaczek (patrz przypis 14). Epigenetyka ma szczególne znaczenie nie tylko w patogenezie, a także leczeniu kilku schorzeń hematologicznych, a mianowicie zespołu mielodysplastycznego (w skrócie MDS, czyli z ang. myelodysplastic syndrome), ostrej białaczki szpikowej (w skrócie AML, czyli z ang. acute myeloid leukemia) czy chłoniaka T-komórkowego. MDS to tak naprawdę grupa chorób obejmująca wiele różnych schorzeń zaburzających pracę szpiku kostnego (patrz przypis 15), które mogą charakteryzować się tendencją do krwawień, infekcji czy ogólnego osłabienia. W MDS zidentyfikowano przynajmniej kilka nadmiernie zmetylowanych genów, które jak się wydaje, maja duże znaczenie w etiopatologii tej choroby, m.in. gen p15, który jest genem supresorowym nowotworów. Hipermetylacja tego genu wydaję się też mieć znaczenie prognostyczne, gdyż u tych pacjentów częściej może rozwinąć się, cechująca się gorszym rokowaniem co do przeżycia, ostra białaczka szpikowa (AML) Obecne są także hipometylowane geny [3].

Zespół mielodysplastyczny jest sztandarowym przykładem tego, jak postęp wiedzy epigenetycznej przekłada się na leczenie. Standardowym postępowaniem w leczeniu MDS jest wykorzystanie azacytydyny i decytabiny. Leki te wywołują efekt hipometylujący, który powoduje odblokowanie ekspresji genów supresorowych [4]. Poprawiają one wskaźniki leczenia, takie jak odpowiedź hematologiczna (patrz przypis 16), jak również znacząco wydłużają czas progresji do AML.

W przypadku AML także dochodzi do hipo- i hipermetylacji różnych genów np. SOCS, który także jest genem supresorowym nowotworów, czyli ponownie może dojść do wzrostu liczny niekontrolowanych podziałów komórkowych. Ponownie mają one znaczenie prognostyczne: gorsze rokowanie następuje w przypadku hipermetylacji genu p15, a lepsze przy metylacji genu receptora (patrz przypis 17) dla estrogenów (patrz przypis 18). Także i tutaj używanie azacytydyny przynosi znaczne korzyści terapeutyczne [3].

Kolejnym przykładem skutecznego leczenia epigenetycznego jest chłoniak T-komórkowy. W tym wypadku używa się leków z grupy inhibitorów deacetylazy histonowej (w skrócie HDAC, z ang. histone deacetylase) o nazwach worinostat i romidepsyna[2]. Trwają także prace nad lekami epigenetycznymi w leczeniu szpiczaka plazmocytowego (dawniej zwanego szpiczakiem mnogim)[5].

Po omówieniu nowotworów krwi warto kilka zdań poświęcić na omówienie zmian epigenetycznych w guzach litych. Są to takie nowotwory, które występują pod postacią guza, lub wielu guzów (jeśli tworzą przerzuty). Wiele badań prowadzi się na dość problematycznym ze względu na częstość występowania raku piersi. Żeby potwierdzić diagnozę nowotworu, konieczne jest wykonanie badania histologicznego fragmentu zmienionej piersi. W badaniu tym pod mikroskopem określa się rodzaj histologiczny raka, czyli mikroskopowy wygląd tkanek. Dwa najczęściej występujące rodzaje to rak przewodowy piersi oraz rak zrazikowy piersi. Oprócz określenia typu histologicznego określa się także typ molekularny nowotworu. Na początku należy wskazać 5 głównych grup „molekularnych” tego nowotworu, gdyż poziom zmian epigenetycznych różni się pomiędzy poszczególnymi. Wyróżniamy je na podstawie markerów oznaczanych w badaniach genetycznych i patomorfologicznych (patrz przypis 18) takich jak m.in obecność receptorów estrogenowych czy HER2który jest receptorem ludzkiego czynnika wzrostu naskórka (z ang. human epidermal growth factor receptor 2). Wyróżniamy typy: luminalny A, luminalny B (HER2-ujemny), luminalny B (HER2-dodatni), HER2-dodatni (nieluminalny) oraz przewodowy trójujemny. Typy te mają duże znaczenie terapeutyczne (po więcej informacji odsyłam do linku [6]). Jest to dość stary podział, który wraz z coraz większą ilością danych genetycznych i genomowych będzie tracił na znaczeniu. Zmiany epigenetyczne najczęściej są znajdowane w podtypie trójujemnym oraz HER2 dodatnim. Tak jak w przypadku nowotworów krwi, także w przypadku nowotworu piersi metylacja pewnych genów ma znaczenie rokownicze np. metylacja genu ESR1 (koduje receptor dla estrogenów, z ang. Estrogen Receptor 1) jest dobrym markerem dłuższego przeżycia pacjentów leczonych tamoksyfenem (lek nakierowany na receptory estrogenowe). Metylacja genu ARHI(z ang. aplysia ras homology member I), który jest kolejnym genem supresorowym jest z kolei markerem dłuższego przeżycia pacjentek, które nie są leczone tamoksyfenem [5]. Obecnie toczy się wiele prób klinicznych mających za zadanie włączenie leków oddziałujących na epigenom (patrz przypis 19) komórek raka piersi, m.in. z wykorzystaniem znanego już nam worinostatu.

Czy „leczenie” zmian epigenetycznych może skutkować również innymi efektami prócz wcześniej opisanych? Okazuje się, że tak! Na przykład głęboka hipometylacja powoduje uwolnienie ekspresji retrowirusów, które znajdują się w naszym DNA od pokoleń (stanowią aż 8,5 % naszego DNA). Takie uśpione od stuleci wirusy powodują znaczną odpowiedź immunologiczną naszego organizmu, dzięki czemu możliwe jest skierowanie części tej odpowiedzi na antygeny nowotworowe np. na drodze zwiększenia produkcji interferonu. Interferon jest substancją produkowaną przez niektóre komórki, zwłaszcza immunologiczne, i powoduje m.in. indukcję genów odpowiedzialnych za prezentowanie antygenów (w tym nowotworowych) komórkom układu odpornościowego [4].

Mam nadzieję, że ten artykuł pokazał, że epigenetyka jest bardzo ważną dziedziną wiedzy, zajmującą się m.in. podstawami nowotworzenia. Rozwój badań i nowych leków w innych nowotworach takich jak guzy mózgu[7] rodzą duże nadzieje na opracowanie nowych skutecznych metod terapii.

Przypisy:

1. Ekspresja genu jest procesem, który prowadzi do powstania funkcjonalnego białka.
2. Pompa jodkowa jest specjalnym białkiem transportującym jod.
3. Tarczyca jest narządem endokrynnym człowieka, odpowiedzialnym za wydzielanie hormonów takich jak tyroksyna czy FT3.
4. Pierwiastek jest substancją chemiczną składającą się z tych samych atomów.
5. Hormon to substancja chemiczna wydzielana przez niektóre ludzkie narządy. Może wywoływać różne efekty np. podwyższać poziom cukru we krwi.
6. Grupa chemiczna jest związkiem chemicznym który buduje większe związki.
7. Białko odpowiadające za przeprowadzenie reakcji chemicznych w organizmach żywych.
8. Transkrypcja to proces przepisywania DNA na RNA.
9. Guanina jest jednym z nukleotydów budujących DNA.
10. Chromosom jest formą uporządkowania DNA, która pojawia się podczas podziałów komórkowych.
11. Gen supresorowy koduje białko, które zabezpiecza komórki przez nadmiernymi podziałami.
12. Mikro RNA to rodzaj niekodującego RNA biorącego udział w regulacji epigenetycznej genów
13. Chłoniak jest nowotworem układu chłonnego. Jest to guz lokalizujący się w różnych narządach.
14. Białaczka to nowotwór układu krwionośnego, nie mający tzw. stałego guza. Komórki nowotworowe krążą we krwi.
15. Szpik kostny znajduję się w środku kości płaskich i długich. Powstają w nim elementy krwi.
16. Są to kryteria sugerujące poprawianie się stanu pacjenta. Dla poszczególnych jednostek występują różne kryteria odpowiedzi hematologicznej.
17. Receptor jest białkiem, które jest w stanie odbierać różne sygnały np. chemiczne czy elektryczne.
18. Estrogeny są podstawowymi hormonami żeńskimi
19. Epigenom to całość zmian epigenetycznych organizmu

Bibliografia:

[1] NIH. What is epigenetics? 2020. https://ghr.nlm.nih.gov/primer/howgeneswork/epigenome (accessed February 18, 2020).

[2] Mummaneni P, Shord SS. Epigenetics and oncology. Pharmacotherapy 2014;34:495–505. doi:10.1002/phar.1408.

[3] Giannopoulos K. Epigenetyka w hematoonkologii. Onkol w Prakt Klin 2010;6:333–42.

[4] Jones PA, Ohtani H, Chakravarthy A, De Carvalho DD. Epigenetic therapy in immune-oncology. Nat Rev Cancer 2019;19:151–61. doi:10.1038/s41568-019-0109-9.

[5] Nebbioso A, Tambaro FP, Dell’Aversana C, Altucci L. Cancer epigenetics: Moving forward. PLoS Genet 2018;14:1–25. doi:10.1371/journal.pgen.1007362.

[6] Jassem J, Krzakowski M, Bobek-Billewicz B et al. Breast cancer. Oncol Clin Pract 2018; 14. DOI: 10.5603/OCP.2018.0027.

[7] Maleszewska M, Wojtas B, Kamińska B. Deregulation of epigenetic mechanisms in cancer. Postepy Biochem 2018;64:148–56. doi:10.18388/pb.2018_125.