Prof. M. Chechlińska: Choroba nowotworowa wynikiem zaburzeń mechanizmów regulacyjnych

Mutacje genetyczne, czyli zmiany w sekwencji DNA mogą stać się przyczyną raka. Mutacje w genach supresorowych BRCA 1 i BRCA 2 powodują upośledzenie procesów naprawczych DNA, a co za tym idzie zwiększają ryzyko zachorowania na przykład na raka jajnika. Rozwój nowotworów zależy również od zaburzeń mechanizmów regulacyjnych m.in, na poziomie lncRNA – mówi prof. Magdalena Chechlińska z Centrum Onkologii w Warszawie.

Rozmowa Menedżera Zdrowia z prof. Magdaleną Chechlińską i dr Łukaszem Szafronem z Centrum Onkologii w Warszawie.

Czym jest lncRNA?
M.Ch. Są to tak zwane długie niekodujące RNA, czyli rodzina obejmująca tysiące cząsteczek kwasu rybonukleinowego, które nie kodują białek, o długości ponad 200 (stąd w nazwie „długie”) nukleotydów, czyli jednostek, z których składa się RNA. Przez wiele lat skupiano się jedynie na cząsteczkach RNA, które kodują białka, bądź uczestniczą w syntezie białek, a inne cząsteczki RNA oraz DNA niekodujące białek uznawano za „śmieci” (ang. junk), bez znaczenia biologicznego. Obecnie wiemy, że w niekodujących fragmentach DNA (stanowiących ok. 98% całego DNA) znajduje się bardzo ważna informacja kodująca cząsteczki regulacyjne, którymi m.in. są lncRNA oraz krótsze od nich mikroRNA.

Jakie znaczenie ma lncRNA?
Ł.Sz. Regulacyjne cząsteczki RNA występują zarówno u roślin, jak i u zwierząt. Warto dodać, że ze względu na konieczność przystosowania się do zmieniających się warunków środowiska i brak możliwości schowania się np. przed mrozem, mechanizmy regulacyjne u roślin są bardziej skomplikowane, co przekłada się na większe zróżnicowanie klas regulacyjnego RNA. Ewolucja sekwencji regulacyjnych klas RNA zachodzi znacznie szybciej niż ewolucja sekwencji genów kodujących białka. Jest to szczególnie widoczne, gdy porównuje się genomy organizmów, których ścieżki ewolucyjne rozeszły się stosunkowo niedawno, jak w przypadku człowieka i szympansa. Genomy człowieka i szympansa są identyczne w 99%, a o różnicach międzygatunkowych między ludźmi i naszymi najbliższymi krewniakami decydują przede wszystkim istotne zmiany ilościowe i jakościowe w obrębie regulacyjnych klas RNA, w tym mikroRNA i lncRNA. Najprawdopodobniej rozwój inteligencji i zdolności poznawczych u człowieka wynika właśnie z dużo bardziej precyzyjnej regulacji ekspresji genów, czyli regulacji ich włączania i wyłączania.

M.Ch. Różnice obserwujemy nie tylko między gatunkami czy osobnikami danego gatunku, ogromne zróżnicowanie występuje również w obrębie danego organizmu. O ile wszystkie komórki danego organizmu zawierają identyczną informację genetyczną, na różnych etapach rozwoju osobniczego i w różnych komórkach i tkankach ulega ona wybiórczej ekspresji, tzn. różne geny ulegają aktywacji. Istotny wpływ na to zróżnicowanie ekspresji ma tzw. regulacja epigenetyczna, czyli niezależna bezpośrednio od sekwencji DNA, a warunkowana czynnikami zewnętrznymi, takimi jak cząsteczki lncRNA. I tu obserwujemy ogromną zmienność pomiędzy komórkami i tkankami. Co to oznacza? Mechanizmy epigenetyczne w istotny sposób warunkują cechy komórek i tkanek. Możemy zatem charakteryzować komórki i tkanki pod kątem ich cech epigenetycznych, w tym badać ujawniane lncRNA. Cechy epigenetyczne mają istotne znaczenie w warunkach fizjologicznych i patologicznych, w tym w nowotworach. Nowotwory powstają bowiem na skutek kumulacji zaburzeń w komórkach, między innymi zaburzeń mechanizmów regulacyjnych, w tym na poziomie lncRNA.
Ł.Sz. Trzeba mieć świadomość, że choć w każdej komórce są obecne te same geny, to jednak tkanki i narządy organizmu różnią się znacząco pod względem budowy anatomicznej i funkcji, co wynika ze zróżnicowanej ekspresji genów, determinowanej m.in. przez regulacyjne cząsteczki RNA.

Czyli choroba nowotworowa jest wynikiem zaburzeń w mechanizmach regulacyjnych?
M.Ch. Tak. Fizjologia, a więc i patologia, to wypadkowa działania wielu różnych czynników, które najprawdopodobniej nigdy nie zostaną do końca poznane. To tak jak w sieci. Jeśli wypadnie jedno oczko, w konsekwencji zmiany następują w ich niezliczonej liczbie. M.in. dlatego tak trudno opracować skuteczne leki na raka, bo chorobę warunkuje duża liczba zmiennych. Nawet dla jednego typu nowotworu nie wystarczy jeden lek, tak duże jest zróżnicowanie komórek w obrębie danego nowotworu i w jego mikrośrodowisku, choć jak zostało powiedziane, wszystkie prawidłowe komórki danego organizmu dysponują takim samym zestawem genów.

Czy można w takim razie zidentyfikować samo źródło zaburzeń?
M.Ch. Czasem tak. Są to w głównej mierze najczęściej dotychczas badane mutacje genetyczne – zmiany w sekwencji DNA. Istotne są mutacje tzw. wiodące, które powodują powstanie cech umożliwiających przetrwanie i namnażanie komórek nowotworowych. Występuje również wiele zmian przypadkowych, towarzyszących, gdyż mutacje wiodące generują kolejne zmiany genetyczne.
Ł.Sz. Należy tu wspomnieć o tzw. supresorach transformacji nowotworowej, czyli genach, których produkty chronią komórki prawidłowe przed przekształceniem w komórki nowotworowe. Supresorem jest na przykład białko TP53, które hamuje rozwój nowotworów, koordynując namnażanie się komórek, ich programowaną śmierć (apoptozę) oraz mechanizmy naprawcze DNA. Od mutacji genów supresorowych w dużej mierze zależy, czy rozwinie się choroba nowotworowa. Dopóki supresory działają prawidłowo, to nawet jeśli wystąpią mutacje w onkogenach, czyli genach kodujących cząsteczki pobudzające rozwój nowotworów, takie mutacje zostaną zidentyfikowane i naprawione, co uchroni organizm przed rozwojem nowotworu. Warto dodać, że niektóre lncRNA mogą zwiększać ekspresję onkogenów przyspieszających rozwój nowotworów, np. onkogenów KRAS i BRAF, gdyż wychwytują cząsteczki mikroRNA hamujące ich ekspresję.
M.Ch. Mutacje w innych genach supresorowych, np. BRCA1 i BRCA2, również powodują upośledzenie procesów naprawczych DNA. Ryzyko zachorowania na określone nowotwory jest wyższe u osób, u których występują mutacje w tych genach, jednak można być nosicielem takiej mutacji, a nie zachorować na raka.

Czy w tym kierunku idą badania?
M.Ch. Tak, jednak w badaniach lncRNA jesteśmy na początku drogi. Na razie porównujemy komórki prawidłowe i nowotworowe. Obserwowane zmiany mogą mieć znaczenie dla rozwoju nowotworu albo mogą reprezentować wspomniane wcześniej zmiany towarzyszące, przypadkowe. W odniesieniu do raka jajnika, który jest istotnym przedmiotem badań, również naszych, zaczynamy identyfikować cząsteczki lncRNA, które silnie korelują z przeżyciem, odpowiedzią na leczenie, czy chemiowrażliwością. Co wiadomo? Wiadomo, że rzeczywiście po zablokowaniu ekspresji pewnych lncRNA w komórkach nowotworowych, zaczynają być one wrażliwe na chemioterapeutyki. Np. w raku jajnika, obniżenie ekspresji lncRNA o nazwie HOTAIR przywróciło wrażliwość komórek nowotworowych na pochodne platyny i zahamowało ich namnażanie. Analogiczny efekt uzyskano w komórkach raka piersi po obniżeniu ekspresji innego lncRNA o nazwie MALAT1.
Ł.Sz. Zaledwie 1 procent spośród zidentyfikowanych długich niekodujących RNA został dokładnie scharakteryzowany, a opisanym cząsteczkom przypisano rolę biologiczną. Te nieliczne lncRNA, które dokładniej przebadano, pełnią w komórkach wiele różnych funkcji, m.in. regulują strukturę i funkcje chromatyny, czyli formy jaką w jądrze tworzy DNA z udziałem specjalnych białek, modyfikują matrycowe RNA, wpływają na strukturę i aktywność białek oraz ich lokalizację w komórce, modyfikują aktywność innych klas regulacyjnego RNA (np. mikroRNA), wyciszają ekspresję genów.
M.Ch. Upraszczając, lncRNA uczestniczą w regulacji wielu kluczowych procesów fizjologii komórek. Wiążą RNA, DNA i białka, wychwytują mikroRNA, wpływają na stabilność i unieczynnienie białek; bezpośrednio i pośrednio regulują ekspresję genów oraz aktywność białek i innych cząsteczek, w ten sposób hamując lub stymulując powstanie i rozwój nowotworów.

Jakie są szanse na zastosowanie wiedzy o lncRNA w praktyce?
M.Ch. Na przykład wspomniana cząsteczka lncRNA o nazwie HOTAIR jest potencjalnym celem terapeutycznym, czyli gdybyśmy opracowali lek blokujący lub usuwający HOTAIR moglibyśmy przywrócić wrażliwość komórek nowotworowych na pochodne platyny. Jednak głównym problemem przy opracowywaniu leków jest swoistość ich działania, ograniczanie działań ubocznych. Chcielibyśmy, aby lek działał na komórki nowotworowe, a nie na prawidłowe. Dodatkową trudność niosą próby modyfikowania ekspresji lncRNA, gdyż ponad 60% cząsteczek lncRNA jest kodowanych w obrębie genów kodujących białka i istnieje duże ryzyko uzyskania zmian niepożądanych. Nasza obecna praca koncentruje się na badaniach ekspresji lncRNA i później badaniu znaczenia określonych lncRNA dla fizjologii komórek nowotworowych, np. wpływu na podziały komórek, zdolność do migracji, wrażliwość na chemioterapeutyki. W dalszej perspektywie nasze badania mogą zaowocować wytypowaniem nowych cząsteczek lncRNA, które będą podstawą opracowania nowych leków przeciwnowotworowych.
Ł.Sz. LncRNA może mieć również znaczenie diagnostyczne, we wczesnym wykrywaniu choroby nowotworowej, co znacząco polepszałoby rokowanie i zwiększałoby szansę na trwałe wyleczenie. Dla przykładu gen CRNDE, którego dwa pierwsze pełne transkrypty (produkty na poziomie mRNA) nasz zespół opublikował w bazie GenBank w 2008 r., do niedawna klasyfikowany był jako lncRNA niekodujący białka. Ostatnio dowiedliśmy jednak, iż jednym z produktów tego genu jest mikropeptyd CRNDEP, występujący w dużych ilościach w komórkach nowotworowych. Podwyższona ekspresja genu CRNDE w komórkach raka jajnika jest negatywnym czynnikiem prognostycznym u pacjentek leczonych taksanami z cisplatyną. Wysoką ekspresję CRNDE stwierdzono również w raku jelita grubego oraz w innych guzach litych i białaczkach. Udowodniono ponadto, że badanie poziomu ekspresji jednego z transkryptów CRNDE we krwi pozwala lepiej odróżnić pacjentów z rakiem jelita grubego od tych z łagodnymi zmianami nowotworowymi i od osób zdrowych, niż oznaczanie antygenu karcinoembrionalnego (CEA) – markera powszechnie stosowanego w diagnostyce raka jelita grubego. Z tego względu, wobec relatywnie prostych i niedrogich metod oznaczeń, transkrypt genu CRNDE w niedalekiej przyszłości może być powszechnie używany w praktyce klinicznej jako marker diagnostyczny i prognostyczny.
M.Ch. Znalezienie takiego markera miałoby szczególne znaczenie w raku jajnika, który zazwyczaj ujawnia się dopiero w wysokim stopniu zaawansowania, kiedy rokowanie jest złe. Wydaje się, że czułość cząsteczek lncRNA jako biomarkerów mogłaby być znacznie wyższa niż innych markerów. Równie istotne jest to, iż współczesne techniki badań molekularnych umożliwiają poszukiwanie nowych biomarkerów nieinwazyjnych (oznaczanych we krwi), do których można też zaliczyć długie niekodujące RNA. O lncRNA wiemy jeszcze bardzo niewiele, ale badanie tych cząsteczek otwiera nowe perspektywy spojrzenia na nowotwory i stwarza niedostępne wcześniej możliwości ich wykrywania i leczenia. Aktualnie nasz zespół ubiega się o grant w Narodowym Centrum Nauki na dalsze badania nad lncRNA w raku jajnika.