Influence of retroelements on oncogenes and tumor suppressors in carcinogenesis: A review

Full Text

Введение

Мобильные генетические элементы (МГЭ) составляют значительную долю геномов всех эукариот и представляют собой повторяющиеся участки ДНК, способные к перемещениям в геноме под влиянием различных внешнесредовых факторов. В связи с этим МГЭ служат сенсорами стрессоров, к которым относятся химические соединения (тяжелые металлы, канцерогены, лекарственные препараты), физические воздействия (ионизирующее и неионизирующее излучение), эмпирические факторы (социальная изоляция, материнская забота, физические упражнения) [1]. Активация МГЭ может инициировать возникновение ряда злокачественных ново- образований (ЗНО) человека и способствовать их прогрессии. Это обусловлено ролью МГЭ в качестве драйверов геномной нестабильности при раке. В результате стимулируются рекомбинации, способствующие характерным для ЗНО хромосомным аномалиям, таким как транслокации, делеции, инверсии, амплификации, анеуплоидии [2]. Более того, специфическими особенностями МГЭ при канцерогенезе являются активация онкогенов [3–5] и инактивация генов- онкосупрессоров [6–10]. Данные изменения носят взаиморегуляторный характер, поскольку герминативная инактивация аллеля онкосупрессорного гена (ОСГ) при наследственном опухолевом синдроме (НОС) может служить пусковым механизмом повышенной экспрессии МГЭ [11–15], ведущей впоследствии к потере гетерозиготности в результате геномной нестабильности. В связи с этим можно пересмотреть двухударную гипотезу Кнудсона, поскольку первичными драйверами канцерогенеза как при НОС, так и при спорадических ЗНО являются активированные МГЭ, а инактивация второго аллеля онкосупрессора – вторичное явление, которое наряду с активациями онкогенов поддерживает клональную экспансию опухолевых клеток. В статье приводятся накопленные в научной литературе данные в поддержку предложенного механизма развития ЗНО. Новый взгляд на патогенез злокачественных опухолей перспективен для разработки эффективной таргетной терапии, так как специфические МГЭ в каждом типе ЗНО участвуют в обратимых эпигенетических изменениях генома [16].

МГЭ подразделяются на ретроэлементы (РЭ), транспозиция которых происходит путем «копирования и вставки» с образованием промежуточных РНК-продуктов, и ДНК-транспозоны (перемещаются по механизму «вырезания и вставки»). РЭ классифицируют на содержащие и не содержащие длинные концевые повторы (LTR – long terminal repeats) – LTR-РЭ и non-LTR-РЭ [17], к которым относятся автономные – LINE (long interspersed elements) и неавтономные – SINE (short interspersed elements) элементы. В геноме человека около 100 тыс. копий LINE1, однако только около 100 из них имеют полную длину [6 тыс. пар нуклеотидов (п.н.)] и способны к ретротранспозициям [18]. К элементам SINE относятся Alu, длина которых 300 п.н., занимающие 11% всего генома человека и представленные более чем 1 млн копий. Около 0,2% последовательностей ДНК состоят из комплексных РЭ, названных SVA (SINE-R, VNTR, Alu), средняя длина которых составляет 2000 п.н., а количество копий – 2700 [19]. К LTR-РЭ относятся эндогенные ретровирусы человека (HERV – Human Endogenous RetroVirus) [20], филогенетически близкие к гепаднавирусам и каулимовирусам и, вероятно, эволюционно произошедшие от экзогенных ретровирусов [21]. Значительная доля МГЭ в геноме человека представляет собой потенциальную угрозу целостности генома, поскольку неконтролируемые транспозиции могут привести к нарушению экспрессии генов. Кроме того, наличие большого количества копий РЭ может стать основой соматических рекомбинаций при их активации [2].

Несмотря на потенциальную опасность, эволюционное сохранение МГЭ в геномах эукариот может быть связано с их использованием для адаптивных нужд хозяев. Действительно, доказано регуляторное влияние LTR-РЭ на формирование глобальных систем в организме, таких как интерфероновый ответ [22], регуляция плюрипотентности в стволовых клетках [23–26], тканеспецифический паттерн экспрессии генов [27], р53-опосредованная регуляция [11]. В недавних исследованиях было обнаружено, что ERV влияют на видоспецифические транскриптомы. У самцов мышей после мейоза определенные ERV функционируют в качестве активных энхансеров – драйверов для генов половых клеток (в том числе характерного для мыши набора генов) и ключевых регуляторов сперматогенеза (таких как A-MYB). Те же особенности отмечены и у других млекопитающих, в том числе человека [20]. Это свидетельствует о ключевой роли МГЭ в системе генной регуляции на всех этапах онтогенеза и даже в контроле образования половых клеток. Однако при физиологическом старении организма происходит дисрегуляция РЭ [19], что может служить причиной увеличения частоты ЗНО с возрастом, поскольку для канцерогенеза также характерен дисбаланс в регуляции МГЭ [28]. Активация РЭ в неоплазме ведет к геномной нестабильности вследствие нарушения контроля экспрессии множества генов, включая инактивацию онкосупрессоров и повышение экспрессии онкогенов. При этом наиболее часто наблюдается изменение активности LINE1 [29] и HERV, выступающих в качестве драйверов эпигенетических перестроек, ведущих к опухолевой прогрессии [28, 30]. Для понимания механизмов участия МГЭ в канцерогенезе необходимо более подробно рассмотреть их влияние на протоонкогены, усиление активности которых и трансформация в онкогены играют важную роль в инициации и поддержании роста опухолей.

Активация онкогенов под действием РЭ

Активация РЭ под действием эпигенетических и других факторов способствует канцерогенезу за счет усиления экспрессии онкогенов. Это связано с тем, что РЭ формируют альтернативные промоторы. Данное явление, обнаруживаемое приблизительно в половине всех ЗНО (варьирует от 12 до 87% в зависимости от типа рака), названо термином «онкоэкзаптация». Так, при исследовании 7769 злокачественных опухолей в 3864 образцах выявлено 129 специ- фических событий активации латентных промоторов РЭ, которые активировали экспрессию 106 различных онкогенов [31]. Другим механизмом, инициирующим и поддерживающим развитие ЗНО под влиянием РЭ, является непосредственный синтез онкогенов самими транспозонами. Получены доказательства того, что белки, кодируемые относительно молодыми в эволюционном отношении РЭ, HERV-K (HML-2), обладают онкогенными свойствами. К ним относится онкоген Np9, который служит коактиватором бета-катенина, ERK, Akt и Notch, вызывая тем самым пролиферацию стволовых клеток при лейкозе у человека [32]. Этот факт позволяет предположить, что в процессе эволюции многие онкогены могли произойти от РЭ, филогенетически тесно связанных с вирусами [21, 33, 34]. В свою очередь экзогенные вирусы характеризуются кодированием белков [35] и микроРНК [36, 37], обладающих выраженными онкогенными свойствами и стимулирующих канцерогенез.

В ряде оригинальных публикаций представлены доказательства онкоэкзаптации промоторов РЭ в качестве альтернативных промоторов для онкогенов. Последовательности LTR по своей природе являются транскрипционными промоторами, энхансерами и донорными сайтами сплайсинга, что необходимо для автономной экспрессии ERV. Эти свойства лежат в основе их активного одомашнивания геномами хозяев в эволюции для управления онтогенетическим развитием. Например, LTR-РЭ перестроили регуляторную сеть эмбриональных стволовых клеток человека [38, 39], что говорит об их участии в контроле активно пролиферирующих тканей. Влияние РЭ на экспрессию онкогенов возможно при их расположении на 5’-конце генов и использовании в качестве альтернативных промоторов без нарушения открытой рамки считывания (ORF – open reading frame). Другой механизм связан с активацией находящихся в интронах протоонкогенов ТЕ с образованием химерных транскриптов, белковые продукты которых обладают онкогенной активностью, инициируя или усиливая опухолевый рост. Например, при диффузной В-крупноклеточной лимфоме была выявлена экспрессия химерного транскрипта LTR2-FABP7 с использованием промотора LTR-РЭ семейства LTR2 для протоонкогена FABP7 (fatty acid-binding protein). В норме белковый продукт FABP7 образуется в головном мозге, однако в клеточной линии лимфомы экспрессия химерного варианта LTR2-FABP7 вызывала усиленную пролиферацию. В отличие от нормальной экспрессии гена FABP7, химерный транскрипт LTR2-FABP7 пропускает нормальный стартовый кодон ATG и сплайсируется непосредственно во второй экзон [17]. В интроне 19 протоонкогена ALK (anaplasitc lymphoma kinase) содержится LTR-РЭ, а в интроне 18 – LINE. Оба РЭ участвуют в регуляции транскрипции ALK, при этом LTR служит в качестве промотора гена (LTR-ALK). Наблюдаемая при меланоме активация ALK может быть обусловлена гипометилированием данного РЭ [40]. ALK играет важную роль в патогенезе анапластической крупноклеточной лимфомы ALK-позитивных типов, в то время как для ALK-негативных типов данного ЗНО характерна эктопическая экспрессия протоонкогена ERBB4, вызванная активацией находящегося в его интроне LTR-РЭ [41]. Экспрессия химерного LINE1-MET обнаружена в первичном очаге колоректального рака. Выявлено 988 генов человека, содержащих LINE1, что позволяет этим РЭ влиять на транскрипцию генов с помощью обычных и антисмысловых промоторов. Гипометилирование последних обнаруживается во всех изученных ЗНО [18]. Это свидетельствует о грандиозных потенциалах РЭ в образовании химерных транскриптов при их активации, что является основой для клональной эволюции опухолей и прогрессии канцерогенеза в ходе развитии ЗНО.

Имеется ряд примеров онкоэкзаптации РЭ за счет использования их регуляторных областей в качестве альтернативных промоторов. При этом гипометилирование LINE1, характерное для ЗНО человека, приводит к активации нижележащих протоонкогенов, которые в норме метилированы. При метастазах колоректального рака было обнаружено гипометилирование LINE1, которое ведет к активации протоонкогенов MET, RAB3IP и CHRM3 [4]. Распространенной особенностью клеток лимфомы Ходжкина является дерепрессия подсемейства THE1 LTR-РЭ MaLR, которые служат драйверами экспрессии протоонкогена CSF1R (colony-stimulating factor 1 receptor), вовлеченного в патогенез данного ЗНО [3]. Регуляторные последовательности эндогенного ретровируса LOR1a оказались причиной активации другого онкогена – IRF5 (interferon regulatory factor 5) при лимфоме Ходжкина [5]. Помимо активации протоонкогенов за счет образования эктопических промоторов и формирования химерных онкогенов РЭ могут вызывать возникновение ретрогенов, обладающих онкогенной активностью. Примером является NANOGP8 в геноме человека, экспрессирующийся преимущественно в злокачественных клетках и образованный в эволюции путем ретротранспозиции родительского гена NANOG около 0,9–2,5 млн лет назад. Продукт гена NANOG синтезируется в основном в эмбриональных стволовых клетках при нормальном развитии человека [42]. Таким образом, анализ научной литературы позволил сделать вывод, что канцерогенез стимулируется РЭ за счет взаимодействия с онкогенами четырьмя различными механизмами (рис. 1):

1) образованием химерных транскриптов, обладающих усиленными онкогенными свойствами (при расположении РЭ в интронах);

2) активацией альтернативных промоторов онкогенов (при расположении РЭ на 5’-конце гена);

3) непосредственным образованием онкогенных белков при трансляции РЭ;

4) образованием с помощью ферментов РЭ (обратной транскриптазы, эндонуклеазы) ретрогенов, обладающих онкогенными свойствами.

Рис. 1. Схема влияния РЭ на активацию онкогенов в канцерогенезе.

В канцерогенезе важное значение имеет инактивация онкосупрессоров, контролирующих пролиферацию клеток и апоптоз. Ключевую роль играют также РЭ, которые находятся под негативным контролем онкосупрессоров, но обладают способностью к частым транспозициям в их гены, содержащие горячие точки инсерционного мутагенеза.

Взаимосвязь транспозонов с онкосупрессорами

Активация РЭ может служить драйверным событием при инициации образования опухоли при НОС и в спорадических ЗНО. При этом РЭ не только вызывают геномную нестабильность вследствие соматических рекомбинаций, но и способствуют прогрессированию рака за счет специфических инсерций в гены онкосупрессоров. Так, соматические инсерции LINE1 в ген АРС (Adenomatous Polyposis Coli), содержащий горячую точку для транспозиции данного РЭ в своем составе, инициируют развитие колоректального рака. Мутации APC обнаруживаются в 85% всех случаев колоректального рака, поэтому роль активации РЭ для данного ЗНО может быть ключевой [43]. Инсерции в данном случае служат драйверами канцерогенеза [44]. К тому же ранним событием при эндометриоидном раке яичника являются инсерции LINE1 в область PTEN (Phospatase and TENsin homolog), которые служат драйверными мутациями в 20% случаях этого ЗНО [45]. Таким образом, обнаружение активации LINE1-РЭ, которые служат источниками драйверных мутаций в спорадических ЗНО, может стать основой таргетной терапии, направленной на непосредственные механизмы возникновения опухолей на генетическом уровне. Наиболее перспективным методом воздействия может стать использование микроРНК, способных специфически взаимодействовать с вирусными последовательностями [37].

Герминативные мутации в области ОСГ являются основой развития НОС. Нужно отметить, что для ряда из них активные транспозиции РЭ в горячие точки мутагенеза онкосупрессорных клеток в половых клетках часто становятся причинами заболевания. Около 20–30% семейных случаев синдрома Гиппеля–Линдау обусловлены крупными делециями гена VHL (Von Hippel–Lindau), до 90% точек разрывов которых локализованы внутри Alu [7]. При туберозном склерозе описаны герминативные делеции гена TSC2 (Tuberous Sclerosis Complex 2), связанные с гомологичной рекомбинацией Alu-элементов, расположенных в интронах гена [6]. Обнаружено также, что вызывающий развитие нейрофиброматоза 1-го типа ОСГ NF1 содержит горячие точки инсерционного мутагенеза, обусловленные воздействием эндонуклеазы LINE1 [9]. При синдроме Линча инактивация гена MSH2, отвечающего за репарацию ошибочного спаривания, в 10–20% случаев происходит из-за гомологичных рекомбинаций между Alu [8]. Для семейной ретинобластомы описаны случаи герминативных мутаций в ОСГ RB1 вследствие инсерций LINE1 в интрон 14. В результате появился неканонический акцепторный сайт сплайсинга с образованием измененной матричной РНК (мРНК) и, соответственно, дефект- ного белка [46]. Горячая точка мутагенеза для инсерций Alu выявлена в экзоне 5 ОСГ PTEN при синдроме Коудена [10]. При синдроме Пейтца–Йегерса обнаруживаются герминативные мутации в гене STK11, обусловленные вариациями числа копий (CNV), вызванных Alu в горячих точках мутагенеза [47]. Наличием горячих точек мутагенеза в ОСГ (табл. 1) можно объяснить их инактивацию в канцерогенезе не только как первичное событие в половых клетках, вызывающее НОС, но и как вторичное событие, вызывающее инактивацию второго аллеля гена. Данное событие, согласно двухударной гипотезе Кнудсона, способствует развитию опухолей при НОС. Однако механизм развития множества неоплазм при НОС можно объяснить именно активацией РЭ, поскольку онкосупрессоры играют важную роль в подавлении активности транспозонов, что более подробно описано далее.

Можно предположить, что наличие специфических последовательностей, комплементарных РЭ и ведущих к возникновению горячих точек мутагенеза вследствие инсерций, обусловлено ролью РЭ в регуляции экспрессии генов при дифференцировке клеток во время развития организма [39, 48]. То есть транспозиции РЭ в области ОСГ являются побочным эффектом процесса управления дифференцировкой клеток при развитии целостного организма с формированием специфических тканей и органов. В то же время свидетельства об инсерциях РЭ в области этих генов в качестве драйверов спорадических ЗНО [43–45] и НОС [6–10] говорят о наличии взаимосвязи онкосупрессоров с регуляторной сетью, сформированной РЭ. Типичным примером являются результаты исследования эпигенетического контроля дифференцировки клеток почки посредством LINE1-элементов, которые служат драйверами контроля морфогенеза почек с вовлечением ОСГ WT1. Герминативные мутации в WT1 вызывают наследственную опухоль Вильмса. Экспрессия LINE1 в пролиферирующих клетках вызывает снижение уровней белка WT1, который является транскрипционным регулятором многих генов, вовлеченных в дифференцировку клеток почки, включая Bmp7, Pax2, Egfr, Sall1 [49]. Регуляторное влияние РЭ на ОСГ возможно также на посттранскрипционном уровне. Так, некодирующая РНК (нкРНК) транскрипта РЭ VL30-1, связываясь с РНК-связывающими доменами онкосупрессорного белка PSF, приводит к стимулированию экспрессии многих генов, находящихся под регуляторным контролем PSF [50]. Таким образом, взаимосвязь онкосупрессоров с РЭ может быть связана не только с транспозициями, но и с непосредственным регуляторным контролем РЭ активности ОСГ как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях.

Сохранение транспозиций МГЭ в регуляторные области [3–5] и интроны протоонкогенов [17, 18, 40, 41] в эволюции обусловлено их адаптивной ролью в управлении развитием организма. Сходным образом инсерции МГЭ в локусы ОСГ могли быть сохранены и вовлечены в регуляторные генные сети, находящиеся под управлением МГЭ. Примером является влияние LINE1 на WT1 [49]. Это свидетельствует о роли МГЭ в возникновении многоклеточных животных [51] в связи с ключевой ролью транспозонов в управлении дифференцировкой клеток в последовательных клеточных делениях за счет управления экспрессией онкогенов и ОСГ. Обусловленное регуляторными инсерциями сохранение гомологичных последовательностей в области интронов ОСГ может объяснить наличие в них горячих точек мутагенеза при развитии спорадического рака [43–45] и НОС [6–10]. Можно предположить, что многие онкосупрессоры, содержащие ДНК- и РНК-связывающие домены, в эволюции возникли путем одомашнивания генов РЭ «хозяевами». Подобное явление обнаружено для многих генов транскрипционных факторов, возникших от МГЭ [52, 53]. От РЭ произошли как интроны ОСГ [54], так и их отдельные последовательности [55, 56], сохранение которых в ряду поколений могло быть связано с адаптивной ролью при вовлечении в регуляторные сети с участием МГЭ. Этим можно объяснить наличие горячих точек мутагенеза в интронах ОСГ [6–10].

Помимо влияния РЭ на функционирование ОСГ сами онкосупрессоры участвуют в контроле транскрипции транспозонов. Так, белок RB связывается с транскрипционным фактором E2F, рекрутируя его в область промоторов LINE1-элементов, вызывая их подавление путем модификаций ДНК и гистонов. Соответственно, инактивация RB может вызывать повышение экспрессии и транспозиций LINE1 с последующей геномной нестабильностью, характерной для ЗНО [13]. То есть существует взаиморегуляция РЭ с онкосупрессорами, которые влияют на активность специфических РЭ. Это позволяет по-новому взглянуть на двухударную модель Кнудсона при НОС, согласно которой ЗНО развивается вследствие двух мутационных событий. Мутация одного аллеля ОСГ наследуется через половые клетки, а изменение второго аллеля происходит в соматических клетках. Вследствие этого происходит полная инактивация онкосупрессорной функции, что приводит к злокачественному росту [57]. Однако вероятность инактивации второго аллеля мала, и даже при ее возникновении данного события недостаточно для канцерогенеза, так как существует множество ОСГ, препятствующих злокачественной трансформации. Для развития ЗНО необходимо не менее 5–9 мутаций в разных ОСГ и онкогенах [58].

Взаимосвязь ОСГ с РЭ (табл. 2) наиболее подходит для объяснения механизма развития множества опухолей и ЗНО при НОС, поскольку возникает своеобразный «порочный круг», когда дефицит онкосупрессора вызывает усиление экспрессии РЭ. Активированные РЭ в свою очередь вызывают инактивацию других ОСГ, содержащих горячие точки инсерционного мутагенеза, а также стимуляцию множества онкогенов, с которыми они связаны. Наиболее часто в спорадических ЗНО наблюдаются мутации в ОСГ ТР53. В геноме человека ERV непосредственно вовлечены в транскрипционную сеть белка р53. Обнаружено 1509 LTR, содержащих почти идеальные сайты связывания с р53. Особенно обогащены такими областями специфичные для приматов LTR10 и MER61 [11]. Кроме того р53 подавляет LINE1 человека путем воздействия на 5’UTR данного РЭ и стимулирования образования репрессивных гистоновых меток [15]. Для большинства образцов карциномы почки характерна селективная экспрессия HERV-E, антигены которого обладают иммуногенностью, стимулируя цитотоксические Т-лимфоциты к уничтожению раковых клеток. Транскрипция HERV-E ограничена светлоклеточным подтипом карциномы почки, в которой инактивирован ОСГ VHL, с последующей стабилизацией индуцируемых гипоксией транскрипционных факторов HIF-1α и HIF-2α. Трансфекция нормального VHL подавляла экспрессию HERV-E [12]. В клетках с мутациями ОСГ ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) активируются ретротранспозиции LINE1, а в посмертной ткани головного мозга больных атаксией-телеангиэктазией наблюдается повышенное количество копий LINE1, что говорит о регуляторной роли белка ATM в управлении экспрессией LINE1 [59]. BRCA1 контролируют трансляцию белка ORF2 LINE1 посредством связывания с их мРНК. Поэтому дефицит BRCA1 может привести к патологической активации LINE1 [14]. BRCA1 связывается также с LTR ВИЧ, участвуя в его активации во время инфекции [60]. Онкосупрессор Smad-4 подавляет транскрипцию ВИЧ за счет воздействия на Smad-3 и C/EBPbeta (CCAAT box/enhancer binding protein beta), которые являются активаторами LTR [61]. Smad являются также активаторами экспрессии LINE1 при раке молочной железы [62]. Поскольку экзогенные ретровирусы эволюционно взаимосвязаны с LTR-РЭ [21], можно предположить влияние BRCA1 на ERV. Для понимания данных механизмов необходимо более подробно рассмотреть взаимосвязь РЭ с вирусами и вырабатываемыми ими онкогенами.

Онкогены вирусов и РЭ

В эволюции для транспозонов описаны волны вспышек событий горизонтального переноса [63, 64] даже между филогенетически отдаленными таксонами [65, 66]. Разработана международная база данных Horizontal Transposon Transfer DataBase (HTT-DB) [67], содержащая сведения о горизонтальном переносе МГЭ. Возможны взаимопревращения вирусов и транспозонов. Некоторые LTR-РЭ формируют вирусоподобные частицы, обладающие инфекционной активностью [68]. Полинтоны объединяют свойства транспозонов и вирусов. Филогенетические исследования показали их роль в возникновении аденовирусов и мегавирусов [34]. Экзогенные ретровирусы, вероятно, произошли от LTR-РЭ Ty3/Gypsy [33]. Ввиду тесной эволюционной и функциональной взаимосвязи вирусов с МГЭ исследование роли вирусов в образовании онкогенов может стать основой для понимания возникновения механизмов влияния транспозонов на канцерогенез, а также потенциальных свойств РЭ в кодировании онкогенных микроРНК или белков.

Вирусные инфекции способствуют возникновению 12–15% всех ЗНО человека, поскольку вызывают геномную нестабильность, хроническое воспаление и кодируют онкогены [35, 69]. Такие же свойства характерны для РЭ, которые служат драйверами геномной нестабильности в канцерогенезе [2, 28–30], вызывают хроническое воспаление за счет активации интерферонового ответа [22] и кодируют онкогены [32]. Папилломавирусы вырабатывают онкогены Е2, Е5, Е6, Е7; вирус Эпштейна–Барр – EBNA1, EBNA3s, LMP1, LMP2; герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши, – LANA, Kaposin, v-cyclin, vFLIP, vGPCR, K1, K15, vIL-6; вирус гепатита В – HBx; вирус гепатита С – Core, NS3/4, NS5; Т-лимфотропный вирус человека – Tax, HBZ; полиомавирусы – малый Т-антиген [35]. Вирусы экспрессируют также онкогенные нкРНК [36, 37] и взаимодействуют с микроРНК хозяев (в возникновении которых ключевую роль играют РЭ [70, 71]). Влияние микроРНК на экзогенные вирусы может быть связано с эволюционной взаимосвязью вирусов с МГЭ и их взаиморегуляцией. Например, miR-21 участвует в развитии онкогенных вирусных инфекций, а также отвечает за регуляцию внутриклеточных сигнальных путей при инфицировании вирусами [69]. Онкогенная miR-27a активируется при индуцированной вирусным гепатитом В гепатоцеллюлярной карциноме [72]. Дисрегуляция miR-155, участвующей в формировании иммунного ответа, способствует развитию индуцированной вирусом Эпштейна–Барр клеточной трансформации. Онкогенные вирусы MDV, ALV, REV, вызывающие более 90% ЗНО у птиц, активируют miR-155 при канцерогенезе. MDV кодирует микроРНК – mdv1-miR-M4, индуцирующую образование лимфомы [36]. Поскольку РЭ характеризуются взаиморегуляцией с ОСГ, филогенетическое родство транспозонов с вирусами позволяет предположить кодирование вирусами онкосупрессорных молекул. Действительно, герпесвирус Эпштейна–Барр, вызывающий ЗНО человека, кодирует 44 зрелых микроРНК, большинство из которых проявляют онкогенные свойства и способствуют прогрессированию рака. Однако EBV-miR-BART6-3p действует как онкосупрессор за счет взаимодействия с длинной нкРНК LOC553103 [37]. Сходные свойства обнаружены и у ассоциированного с саркомой Капоши онкогенного герпесвируса, который кодирует miR-K6-5p, гомологичную онкосупрессорной клеточной miR-15/16 [73]. Таким образом, можно сделать вывод, что взаимосвязь РЭ с онкогенами и онкосупрессорами формировалась на протяжении всей эволюции эукариот и связана с происхождением РЭ от экзогенных вирусов, которые также оказывают влияние на развитие ЗНО. Вирусы сами кодируют онкогенные белки и микроРНК, а также онкосупрессорные нкРНК. Данные молекулы перспективны для разработки методов терапии ЗНО, особенно связанных с активацией РЭ.

Онкогенные некодирующие РНК и РЭ

РЭ, подобно вирусам, играют роль в развитии ЗНО за счет тесной взаимосвязи с нкРНК, многие из которых обладают свойствами онкогенов или онкосупрессоров [74]. Исследование данных особенностей РЭ перспективно для разработки таргетной противоопухолевой терапии, направленной на драйверные мутации, вызванные РЭ. В этом отношении перспективно нахождение происходящих от транспозонов микроРНК, обладающих, подобно вирусным нкРНК [37, 73], онкосупрессорными свойствами. Более 75% генома человека транскрибируется с образованием большого количества нкРНК путем процессинга [75]. нкРНК подразделяются на малые (к ним относятся микроРНК, siРНК, piРНК) и длинные (размером более 200 нуклеотидов) [76]. Многие микроРНК человека происходят от РЭ как в эволюции, так и при непосредственном процессинге транскриптов РЭ [70, 71]. Создана база данных MDNT (miRNAs derived from TEs), в которой представлено 410 микроРНК человека, непосредственно возникших из МГЭ [77]. Вероятно, экспрессия подобных микроРНК при ЗНО снижается. В связи с этим при исследовании биоинформационного ресурса OncomiR, содержащего сведения об изменениях регуляции микроРНК при ЗНО [74], мы провели анализ данных нкРНК на предмет происхождения от МГЭ в базе данных MDTE (miRNAs derived from TEs) [77]. В результате была обнаружена дисрегуляция 94 микроРНК в различных неоплазмах. При этом уровни идентичных нкРНК могут снижаться при одних типах ЗНО и повышаться – при других. Пониженный уровень экспрессии в канцерогенезе определен для 54 микроРНК [74].

Анализ представленных в PubMed публикаций в отношении 94 микроРНК, уровень которых повышается при различных ЗНО [74], показал, что некоторые из них обладают онкогенными свойствами. Произошедшая от LINE1 miR-644a [77] подавляет экспрессию драйверов микроокружения (c-Myc, AR, BcL-x), резистентного к кастрации рака простаты [78]. От LINE1 возникла также miR-450b, уровень которой значительно повышается при колоректальном раке [79]. От LINE2a произошли онкогенная miR-31 (сверхэкспрессируется при плоскоклеточном раке пищевода [80]) и miR-31 (онкоген для рака поджелудочной железы и колоректального рака) [81]. Для miR-335, которая усиливает выработку MT1-MMP (membrane-type1 matrix METalloproteinase) в клетках фибросаркомы и глиобластомы [82], показано происхождение от SINE (MIR) [77]. Онкогенная miR-378a также возникла от SINE [83]. Наиболее перспективен поиск онкогенных микроРНК, экспрессия которых при ЗНО служит драйвером канцерогенеза. Подобные данные найдены в отношении тесно связанных с МГЭ длинных нкРНК [76]. Благодаря выраженной тканеспецифичности и обратимости вызываемых ими эпигенетических событий они являются перспективными объектами для таргетной терапии ЗНО. Согласно проекту ENCODE в геноме человека закодировано не менее 28 тыс. длинных нкРНК [75]. Помимо регуляции экспрессии генов они участвуют в иммунной регуляции [84]. Большинство длинных нкРНК имеет эволюционное происхождение от РЭ. На основании анализа базы данных GENCODE и секвенирования РНК было показано, что 41% всех нуклеотидов длинных нкРНК произошли от РЭ. Большинство (83%) всех известных зрелых длинных нкРНК содержит не менее одного фрагмента транспозонов [23]. Транскрипты LINE могут непосредственно служить длинными нкРНК, оказывая воздействие на экспрессию специфических генов и участков хроматина [85]. HERVH могут служить генами длинных нкРНК, необходимых для поддержания идентичности эмбриональных стволовых клеток [24]. РЭ формируют для генов длинных нкРНК регуляторные элементы, которые специфически активируются в онтогенезе [76]. Соответственно, дисрегуляция РЭ при развитии ЗНО отражается на экспрессии длинных нкРНК, играющих роль в канцерогенезе [86]. Так, РЭ VL30 у мыши транскрибируется в длинную нкРНК VL30-1, эпигенетически переключающую транскрипцию протоонкогенов и ОСГ [50]. Драйвером гепатоцеллюлярной карциномы является длинная нкРНК HULC (highly up-regulated in liver cancer), сходная с LTR-1A РЭ [87]. LTR1A2 регулирует длинную нкРНК SAMMSON, которая совместно с онкогеном MITF индуцирует развитие меланомы. Нокдаун SAMMSON резко снижает жизнеспособность клеток меланомы [88]. Для рака яичника характерны высокие уровни экспрессии длинной нкРНК HOST2, регулируемой промотором LTR2B РЭ ERV1. HOST2 служит драйвером канцерогенеза рака яичника и влияет на онкосупрессорную микроРНК let-7b [89]. Таким образом, исследование активности микроРНК и длинных нкРНК может стать основой для выявления механизмов влияния РЭ на развитие специфических типов опухолей и их клональной эволюции при развитии и прогрессировании. Полученные данные могли бы стать основой для разработки стратегии таргетного воздействия с использованием в качестве мишеней молекул нкРНК.

Помимо влияния на строго специфические ЗНО описаны регулируемые транспозонами длинные нкРНК, которые служат драйверами для широкого ряда неоплазм. Эти молекулы РНК перспективны для разработки противоопухолевых препаратов с широким спектром действия. Так, экспрессию онкогенной длинной нкРНК UCA1 в различных неоплазмах регулирует LTR7C эндогенного ретровируса ERV1. UCA1 является потенциальным биомаркером и терапевтической мишенью для различных ЗНО [90]. Длинная нкРНК AFAP1-AS1, контролируемая ERVL-MaLR, характеризуется повышенной экспрессией при раке пищевода [91] и легкого [92]. Сайленсинг AFAP1-AS1 с помощью siРНК подавляет пролиферацию и способность к миграции и образованию колоний раковых клеток, а также индуцирует их апоптоз [91]. Промотор LTR7 РЭ ERV1 регулирует онкогенную длинную нкРНК ROR, которая активирует промотор гена TESC, удаляя гистоновую метилтрансферазу G9A из данной области. Ингибирование ROR в разных ЗНО вызывает сайленсинг экспрессии TESC и восстановление метилирования гистона H3K9 в промоторе этого гена, что подавляет развитие и метастазирование ЗНО [93]. Характерной эпигенетической чертой ЗНО является гипометилирование РЭ как в тканях опухолей, так и в образцах крови больных [94], что говорит о глобальной регуляторной перестройке всего организма, а значит, и о потенциальной эффективности системной терапии, направленной на восстановление паттерна метилирования ДНК. Кроме того, активацию РЭ, которая ведет к геномной нестабильности, нужно учитывать при эпигенетической терапии новообразований. Так, для реактивации ОСГ в новообразованиях применяются ингибиторы ДНК-метилтрансферазы 5-азацитидин и 5-аза-2’-деоксицитидин. В эксперименте на клеточной линии HCT116 карциномы ободочной кишки и в клетках миелолейкоза было обнаружено, что эти препараты индуцируют экспрессию протоонкогена cMET вследствие активации находящегося в интроне данного гена LINE1-элемента [16]. То есть в разработке методов противоопухолевой терапии большое значение имеют как возможность таргетного воздействия на РЭ, являющиеся драйверами канцерогенеза, так и исследование особенностей реагирования РЭ на применяемые препараты в связи с высокой чувствительностью транспозонов на воздействие эпигенетических факторов.

Заключение

Анализ научной литературы позволил получить инновационные данные о патогенезе спорадических ЗНО и НОС. Ключевыми участниками в этих процессах являются РЭ, активация которых служит причиной не только геномной нестабильности, способствующей канцерогенезу, но и изменения активности онкогенов и онкосупрессоров. Было доказано, что онкосупрессорные белки обладают способностью подавлять экспрессию РЭ. Поэтому при НОС герминативные мутации в ОСГ вызывают активацию РЭ. Этот механизм может объяснить развитие множества опухолей у больных с НОС, поскольку активированные транспозоны вызывают соматические мутации в других ОСГ, для которых характерны горячие точки для инсерций. Возникает своеобразный порочный круг (рис. 2), способствующий накоплению в каждом клеточном делении мутаций, стимулирующих канцерогенез. Более того, активированные РЭ стимулируют выработку онкогенов несколькими путями: за счет индукции альтернативных промоторов, образования химерных транскриптов (обладающих большей онкогенной активностью), трансляции онкогенов из собственных транскриптов и образования онкогенных псевдогенов. Дополнительным механизмом, с помощью которого РЭ участвуют в канцерогенезе, является процессинг их транскриптов в длинные нкРНК и микроРНК, которые обладают функциями онкогенов. Изучение этих свойств РЭ наиболее перспективно в связи с возможностью таргетного воздействия на них для лечения как ЗНО, так и НОС.

Рис. 2. Схема взаимосвязи РЭ с онкосупрессорами и онкогенами в канцерогенезе и сравнение ее с двухударной моделью Кнудсона.

Раскрытие информации. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Disclosure. The author declares no conflict of interest.

Соблюдение этических норм. Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Compliance with ethical standards. This article does not describe any studies involving humans or animals as objects.

About the authors

Rustam N. Mustafin

Author for correspondence.
Email: ruji79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4091-382X
SPIN-code: 4810-2535
Scopus Author ID: 56603137500
ResearcherId: S-2194-2018

Cand. Sci. (Biol.)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The scheme of retroelements impact on the activation of oncogenes in carcinogenesis.

Download (223KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The scheme of the relationship between retroelements, tumor suppressors and oncogenes in carcinogenesis and the comparison between the scheme and Knudson's two-hit model.

Download (207KB)

Indexing metadata