Епигенетика на ракот ― проучување на епигенетските изменувања на ДНК на ракородните клетки кои не вклучуваат промена во нуклеотидната секвенца, туку наместо тоа вклучуваат промена во начинот на изразување на генетскиот код. Епигенетските механизми се неопходни за одржување на нормални секвенци на ткивно специфичното генско изразување и се клучни за нормален развој. Тие можат да бидат исто толку важни, ако не и поважни од генетските мутации во преобразбата на клетката во рак. Нарушувањето на епигенетските постапки кај ракот може да доведе до губење на изразувањето на гените што се јавува околу 10 пати почесто со замолчување на транскрипцијата (предизвикано од епигенетска промоторна хиперметилација на цитозинско-гванинските острови) отколку со мутации. Како што Фогелштајн и колегите истакнале, кај рак на дебелото црево обично има околу 3 до 6 погонски мутации и 33 до 66 превезени мутации. Сепак, кај туморите на дебелото црево во споредба со соседната слузница на дебелото црево со нормално појавување, има околу 600 до 800 силно метилирани цитозинско-гванински острови острови во промоторите на гените во туморите додека овие цитозинско-гванински острови не се метилирани во соседната слузница. Манипулацијата со епигенетските промени дава големо ветување за спречување, откривање и терапија на ракот. Кај различни видови рак, може да бидат нарушени различни епигенетски механизми, како што е замолчувањето на гените за сузбивање на туморот и активирањето на онкогените со изменети модели на метилација на Нарушувањето на епигенетските постапки кај ракот може да доведе до губење на изразувањето на гените што се јавува околу 10 пати почесто со замолчување на транскрипцијата (предизвикано од епигенетска промоторна хиперметилација на цитозинско-гванинските острови) отколку со мутации.цитозинско-гванинскиот острови, изменувања на хистони и вонрегулација на белковините кои врзуваат ДНК. Постојат неколку лекови кои имаат епигенетско влијание, кои сега се користени кај голем број од овие болести. десно|мини| Модели на епигенетика во нормални и ракородни клетки. десно|мини| Епигенетски промени во напредокот на туморот.
Механизми
Метилација на ДНК
десно|мини| Фрагмент од молекула на ДНК која е метилирана на два цитозини. Во соматските клетки, обрасците на метилација на ДНК претежно се пренесувани на ќерките клетки со висока верност. Вообичаено, оваа метилација се јавува само кај цитозините кои се наоѓаат на 5' до гванозин во цитозинско-гванинските динуклеотиди од еукариотите од повисок ред. Сепак, епигенетската метилација на ДНК се разликува помеѓу нормалните клетки и клетките на туморот кај луѓето. „Нормалниот“ профил на метилација на цитозинско-гванинското место често е превртуван во клетките кои стануваат тумори. Во нормалните клетки, цитозинско-гванинските острови кои претходат на генските промотори се претежно неметилирани и имаат тежнеење да бидат транскрипциски активни, додека другите поединечни цитозинско-гванински динуклеотиди низ геномот имаат тежнеење да бидат метилирани. Меѓутоа, во клетките на ракот, цитозинско-гванинските острови кои претходат на промоторите на туморско сузбивачките гени често се хиперметилирани, додека цитозинско-гванинската метилација на онкогенските промоторни региони и паразитските секвенци на повторување често се намалувани.
Хиперметилацијата на промоторските региони на туморско сузбивачки гени може да резултира со замолчување на тие гени. Овој вид епигенетска мутација им овозможува на клетките да растат и неконтролирано да се размножуваат, што доведува до туморигенеза. Додавањето метилни групи на цитозините предизвикува ДНК цврсто да се намотува околу хистонските белковини, што резултира со ДНК што не може да претрпи транскрипција (транскрипционално замолчена ДНК). Гените кои вообичаено се откривани дека се транскрипциски замолчени поради хиперметилација на промоторот се: инхибитор на киназа зависен од циклин p16, инхибитор на клеточниот циклус; MGMT, ген за поправка на ДНК; генот APC, регулатор на клеточниот циклус; MLH1, ген за поправка на ДНК; и BRCA1, друг ген за поправка на ДНК. Навистина, клетките на ракот можат да станат зависни од транскрипциското замолчување, поради хиперметилацијата на промоторот, на некои клучни туморско сузбивачки гени, постапка позната како епигенетска зависност.
Хипометилацијата на цитозинско-гванинските динуклеотиди во други делови од геномот доведува до хромозомска нестабилност поради механизми како што се губење на втиснување и повторно активирање на транспозоните. Губењето на втиснување на факторот на раст сличен на инсулин на генот го зголемува ризикот од рак на дебелото црево и е поврзан со Беквит-Видемановиот синдром што значително го зголемува ризикот од рак кај новороденчињата. Во здравите клетки, цитозинско-гванинските динуклеотиди со помала густина се наоѓаат во кодирање и некодирачки меѓугенски региони. Изразувањето на некои повторувачки секвенци и мејозната рекомбинација на центромер се потиснати преку метилација.
Целиот геном на ракородна клетка содржи значително помалку метилцитозин од геномот на здравата клетка. Всушност, геномите на клетките на ракот имаат 20-50% помала метилација кај поединечни цитозинско-гванински динуклеотиди низ геномот. Цитозинско-гванинските острови кои се наоѓаат во промоторните региони обично се заштитени од метилација на ДНК. Во клетките на ракот, цитозинско-гванинските острови се хипометилирани. Регионите што ги опкружуваат цитозинско-гванинските острови наречени брегови на цитозинско-гванинските острови се местата каде што најмногу се случува метилацијата на ДНК во контекст на цитозинско-гванинскиот динуклеотид. Клетките на ракот се деференцијално метилирани на бреговите на цитозинско-гванинскиот остров. Во клетките на ракот, хиперметилацијата во бреговите на цитозинско-гванинскиот остров се движи во цитозинско-гванинските острови, или хипометилацијата на цитозинско-гванинските острови се преместува во бреговите на цитозинско-гванинскиот остров, елиминирајќи ги острите епигенетски граници помеѓу овие генетски елементи. Во клетките на ракот, „општата хипометилација“ поради нарушување на метилтрансферазите на ДНК може да промовира митотична рекомбинација и преуредување на хромозомите, што на крајот резултира со анеуплоидија кога хромозомите не успеваат правилно да се одвојат за време на митозата.
Метилацијата на цитозинско-гванинскиот остров е важна за регулирање на генското изразување, но сепак метилацијата на цитозин може директно да доведе до дестабилизирачки генетски мутации и преракородна клеточна состојба. Метилираните цитозини ја прават поповолна хидролиза на аминската група и спонтано претворање во тимин. Тие можат да предизвикаат аберантно регрутирање на хроматинските белковини. Цитозинските метилации ја менуваат количината на примање на ултравиолетова светлина на нуклеотидната база, создавајќи пиримидински димери. Кога мутацијата резултира со губење на хетерозиготноста на местата на туморско сузбивачките гени, овие гени може да станат неактивни. Мутациите со единечен базен пар за време на репликацијата, исто така, може да имаат штетни ефекти.
Хистонско изменување Еукариотската ДНК има сложена структура. Претежно е обвиткана околу посебни белковини наречени хистони за да образува структура наречена нуклеозом. Нуклеозомот се состои од 2 групи од 4 хистони: H2A, H2B, H3 и H4. Дополнително, хистонот H1 придонесува за пакување на ДНК надвор од нуклеозомот. Одредени ензими кои го изменуваат хистонот можат да додаваат или отстранат функционални групи на хистоните, а овие изменувања влијаат на нивото на транскрипција на гените обвиткани околу тие хистони и на нивото на репликација на ДНК. Профилите за хистонско изменување на здрави и ракородни клетки имаат тежнеење да се разликуваат.
Во споредба со здравите клетки, ракородните клетки покажуваат намалени моноацетилирани и триметилирани облици на хистон H4 (намален H4ac и H4me3). Дополнително, моделите на глувци покажале дека намалувањето на асиметричната диметилација на хистон H4R3 (H4R3me2a) на промоторот p19ARF е во корелација со понапредните случаи на туморигенеза и метастази. Кај моделите на глувци, губењето на ацетилацијата и триметилацијата на хистон H4 се зголемува како што продолжува растот на туморот. Губењето на хистон H4 Лизин 16 ацетилација (H4K16ac), што е знак на стареење на теломерите, конкретно ја губи својата ацетилација. Некои научници се надеваат дека оваа конкретна загуба на хистонска ацетилација може да се бори со инхибитор на хистонска деацетилаза специфичен за SIRT1, HDAC специфичен за H4K16.
Други хистонски знаци поврзани со туморигенезата вклучуваат зголемена деацетилација (намалена ацетилација) на хистоните H3 и H4, намалена триметилација на хистон H3 Лизин 4 (H3K4me3) и зголемена монометилација на хистон H3 Лизин 9 (H3K9me1) и триметилација3K27me1 на хистон H3). Овие хистонски изменувања можат да ги замолчат туморско сузбивачки гени и покрај падот на метилацијата на цитозинско-гванинскиот остров на генот (настан кој вообичаено ги активира гените).
Некои истражувања се насочиле на блокирање на дејството на BRD4 на ацетилирани хистони, што било покажано дека го зголемува изразувањето на белковината Myc, вмешана во неколку видови рак. Постапката на развој на лекот за поврзување со BRD4 е значаен за заедничкиот, отворен пристап што го презема групата.
Туморско сузбивачкиот ген p53 ја регулира поправката на ДНК и може да предизвика апоптоза во нерегулираните клетки. Е. Сото-Рејес и Ф. Ресиљас-Тарга ја разјасниле важноста на белковината CTCF во регулирањето на изразувањето на p53. CTCF, или CCCTC врзувачки фактор, е белковина од цинков прст кој го изолира промоторот p53 од собирање на репресивни хистонски траги. Во одредени видови ракородни клетки, белковината CTCF не се врзува нормално, а промоторот p53 собира репресивни хистонски траги, предизвикувајќи намалување на изразувањето на p53.
Може да бидат појавени и мутации во самата епигенетска машинерија, потенцијално одговорни за промената на епигенетските профили на ракородните клетки. Хистонските варијанти на семејството H2A се високо зачувани кај цицачите, играјќи критична улога во регулирањето на многу јадрени постапки со менување на хроматинската структура. Една од клучните варијанти на H2A, H2A X, означува оштетување на ДНК, олеснувајќи го регрутирањето на белковини за поправка на ДНК за да се врати геномскиот интегритет. Друга варијанта, H2A.Z, игра важна улога и во активирањето на генот и во репресијата. Високо ниво на изразување на H2A.Z е откриено кај многу видови рак и е значително поврзано со клеточната пролиферација и геномската нестабилност. Хистонската варијанта macroH2A1 е важна во патогенезата на многу видови рак, на пример кај хепатоцелуларен рак. Други механизми вклучуваат намалување на H4K16ac може да биде предизвикано или од намалување на активноста на хистонските ацетилтрансферази или од зголемување на деацетилацијата со SIRT1. Слично на тоа, исклучувачка мутација на поместување на рамката во HDAC2, хистонска деацетилаза која делува на многу лизини со хистонска опашка, е поврзана со ракови кои покажуваат изменети модели на хистонска ацетилација. Овие наоди укажуваат на ветувачки механизам за менување на епигенетските профили преку ензимска инхибиција или подобрување. Новото поле кое се појавува и ги опфаќа токсиколошките епигенетски промени како резултат на изложеноста на различни соединенија (лекови, храна и животна средина) е токсикоепигенетиката. На ова поле, постои зголемен интерес за картирање на промените во изменувањата на хистоните и нивните можни последици.