Epigenetics: reversibla taggar | natur

Epigenetics: reversibla taggar | natur

Anonim

ämnen

  • Läkemedelsutveckling
  • Epigenetisk analys
  • Leukemi

Enzymer som modifierar genuttryck utan att ändra DNA-sekvensen betraktas nu som centrala för utvecklingen av leukemi - och kan leda till nya läkemedel.

Konversationer om cancer fokuserar ofta på genetik, med skylten på genmutationer som leder till frodig celltillväxt eller stoppar tumörceller från att dö.

Timothy Ley har funnit att "epigenetiska" förändringar som förändrar DNA-uttryck erbjuder en möjlig strategi för att hantera leukemi. Bild: JERRY NAUNHEIM JR.

Men nyligen upptäckta leukemi har förskjutit fokus från genetik till epigenetik - små kemiska förändringar i DNA eller dess tillhörande proteiner som förändrar nivån på genuttryck. Forskare har funnit att källorna till många leukemier kan spåras tillbaka till mutationer i enzymerna som lägger till eller tar bort dessa kemiska taggar.

"För ett par år sedan, om jag hade sagt det till någon, skulle de ha skrattat mig ut ur rummet, " säger Timothy Ley, genetiker vid Washington University i St Louis, Missouri. "Det fanns bara ingen tydlig uppfattning om att epigenetisk modifiering skulle vara så kritiskt viktig för sjukdomens patogenes."

Epigenetiska taggar reglerar genuttryck genom att fungera som gatekeepers, blockera eller tillåta åtkomst till genens 'on' switch. Dessa kemiska etiketter (såsom metyl- eller acetylgrupper) läggs direkt till DNA eller på histoner, de stora spole-liknande proteinerna runt vilka DNA är tätt lindat. DNA-metylering maskerar vissa regioner i genomet, medan modifieringar av histoner kan lossna eller dra åt DNA-rullen, vilket ändrar vilka gener som utsätts.

Epigenetiska förändringar kan antingen ärva eller ackumuleras under hela livet. Men viktigast för cancerforskning är de reversibla. Forskare kan tänka på enzymer som lägger till eller tar bort de kemiska taggarna och återställer genens normala roll - en förmåga som gör dessa enzymer till attraktiva mål för leukemi-läkemedel (se 'Målpraxis', sidan S8).

”Det är lätt att skapa hämmare av enzymer. Alla ser detta som en potentiell möjlighet. ”

"Det är lätt att göra hämmare av enzymer, " säger Scott Armstrong, barnläkare på barn vid Memorial Sloan-Kettering Cancer Center i New York. "Alla ser detta som en potentiell möjlighet."

Bland de mer lovande kandidaterna är hämmare av DOT1L, ett enzym som lägger till metylgrupper till histoner och molekyler som kan blockera mutanta former av IDH1 och IDH2. Dessa mutationer leder till ökad metylering av DNA. Cirka tio läkemedel som är riktade mot epigenetiska mekanismer är för närvarande under utveckling, men Armstrong förutspår att antalet snart kan komma att rivaliseras med tyrosinkinasinhibitorer, den överlägset mest framgångsrika klassen läkemedeläkemedel.

Epigenetics kommer sannolikt också att ha en roll i cancer utöver leukemi. "Vi får reda på att alla andra cancer är precis som det, men jag skulle hävda att leukemi har varit ett av de bevisande skälen, " säger Ross Levine, en onkolog vid Memorial Sloan-Kettering Cancer Center.

Detta beror delvis på att det är lättare att ta ett prov för att studera leukemier - genom att ta blod eller ta prov på benmärg - än för solida tumörer.

Leukemiforskare har sett antydningar om epigenetikens roll i sjukdomen i årtionden, med udda metyleringsmönster som observerats hos personer med leukemi sedan 1960-talet. Mindre tydliga var detaljerna: vilka epigenetiska vägar stördes och genom vilka enzymer? "Det här var frågan om 64 000 dollar", säger Ley.

Många mutationer

Eftersom kostnaden för sekvensering har fallit brant de senaste fem åren har pusselbitarna börjat falla på plats. Sekvenseringsteknologi gör det möjligt för forskare att skanna exomer - de proteinkodande delarna av genomer - eller till och med hela genomer och avslöja "det fullständiga panopiet av mutationer som finns i dessa patienter", säger Ley. Uppgifterna gör det klart att enzymer som är involverade i epigenetik är främsta aktörer i leukemi.

Till exempel, i en studie publicerad i maj 2013, sekvenserade Ley och hans kollegor hela genomen på 50 vuxna med akut myelooid leukemi (AML) och antalet ytterligare 150. Mer än tre fjärdedelar av dessa individer visade sig ha en skadlig mutation i ett epigenetiskt enzym 1 . Det är en betydande korrelation, även utan att veta hur vanliga mutationerna är hos människor utan AML, säger Ley.

En av dessa enzymer, DNMT3A, adderar metylgrupper till DNA och befanns vara muterade hos 51 av de 200 patienterna. Det hade redan fångat Leys uppmärksamhet. I en studie från 2010 sekvenserade hans team det hos 281 individer med AML och fann att 62 av dem - 22% - hade skadliga mutationer i den 2 . Dessa individer visade sig ha en mycket kortare överlevnad än AML-patienter utan DNMT3A-mutation.

Det är fortfarande oklart hur dessa DNMT3A-mutationer bidrar till leukemi. På egen hand verkar de inte förändra metylering eller genuttrycksmönster. De tenderar emellertid att förekomma tillsammans med mutationer i två andra gener, NPM1 och FLT3 , och celler med mutationer i alla tre generna har mindre metylering än kontrollerna gör. Denna kombinationseffekt "är en viktig ledtråd som vi behöver studera i detalj", säger Ley.

Leys nya studie fann också en stark koppling till leukemi och två enzymer, IDH1 och IDH2, som är väsentliga för Krebs-cykeln genom vilka celler producerar den energi de behöver för att överleva. Mutationer i dessa enzymer ökar DNA-metylering, vilket utlöser förändringar av genuttryck som i slutändan leder till cancer. I själva verket fann Ley och hans team mutationer i IDH1 / 2 i 39 av de 200 AML-genomen som de studerade.

En IDH1- cancerförbindelse kom först tillbaka 2008, då flera forskargrupper fann mutationer i IDH1 , tillsammans med förhöjd metylering, i hjärntumörer i glioblastom och astrocytom. Året efter fann Ley en IDH1- mutation i genomet hos en individ med AML 3 .

De första IDH1- upptäckterna "gjorde inget meningsfullt" eftersom IDH1 inte var känt för närvarande för att vara involverad i epigenetik, säger Maria Figueroa, en patolog vid University of Michigan i Ann Arbor, som hjälpte till att avslöja den rollen. "Hur skulle Krebs-cykeln påverka epigenomet?"

Svaret skulle dyka upp först efter att Figueroa samarbetade med andra i fältet.

Letar du efter mönster

Levines grupp vid Memorial Sloan-Kettering Cancer Center studerade TET2 , en leukemi-kopplad gen som tar bort metylmärken från DNA. Han märkte att personer med leukemi aldrig tycktes ha mutationer i IDH1 och TET2 på samma gång. Den uppenbara förklaringen, säger han, är att båda mutationerna påverkar samma väg, så att en cell bara någonsin behöver en av dem för att bli cancerös (se 'En on-off switch för gener').

Genom att använda sina färdigheter inom genetik, epigenetik och biokemi arbetade Levines grupp och Figueroa tillsammans för att visa att mutanta former av IDH1- och IDH2-enzymerna hindrar TET2 från att ta bort metylgrupper från DNA 4 . Mutationerna i IDH1- och IDH2- generna som kodar för enzymerna orsakar en förändring av deras funktion snarare än att helt enkelt hindra dem från att uttryckas. Detta gör dem till bra läkemedelsmål, säger Figueroa.

Mutationer i IDH1 och IDH2 verkar också vara involverade i epigenetiska modifieringar av histoner. Histonmodifieringar är en annan rik källa för läkemedelsmål för leukemi. Epizyme, ett farmaceutiskt företag baserat i Cambridge, Massachusetts, har utvecklat en liten molekylinhibitor av DOT1L, som lägger till metylgrupper till histoner.

DOT1L-anslutningen till leukemi kan spåras tillbaka till 2005, då forskare fann att mutationer i detta enzym är förknippade med en fusionsgen som är en av de äldsta kända riskfaktorerna för leukemi 5 . Fusionsgenen bildas när kromosom 11 byter en stor del av genetiskt material med någon av ett antal andra kromosomer, eftersom en del av MLL- genen, belägen på kromosom 11, förenas med en av mer än 60 möjliga partnergener.

Eftersom denna fusion är tillräckligt stor för att vara synlig under ett mikroskop har forskare varit medvetna om dess engagemang i AML och akut lymfoblastisk leukemi sedan 1990-talet. Det som emellertid var mindre tydligt var hur exakt det leder till störningen.

2011 visade Armstrong och hans team att många MLL- fusioner aktiverar gener via DOT1Ls histonmodifierande aktivitet 6 . Histoner binder DNA genom hela genomet, så att tänka på ett enzym som modifierar dem kan förväntas ha breda effekter på genuttryck. Överraskande, men att ta bort DOT1L- genen från möss verkar till stor del påverka de gener som MLL- fusionen modifierar, fann Armstrong. Och Epizymes DOT1L-hämmare dödar endast de celler som har MLL- fusionsgenen. Denna typ av specificitet, säger Armstrong, är "central för idén att epigenetik sannolikt kommer att vara en terapi".

Det kan också göra det möjligt att skräddarsy epigenetiska behandlingar för individer baserat på deras specifika uppsättning mutationer. För detta ändamål försöker forskare att fastställa mutationer och metyleringsmönster som avgränsar människor i undergrupper av sjukdomar. Under 2010 såg till exempel Figueroa och hennes kollegor på hur metylmärken sprids över genomerna hos 344 personer med leukemi 7 . De identifierade 16 distinkta metyleringsmönster och kopplade många av dem till kända leukemimutationer. Individer med MLL- mutationer, fann de, har färre metylgrupper i en undergrupp av gener än personer i de andra undergrupperna. Personer med IDH- mutationer har däremot överdriven metylering.

Teknikerna som forskarna använder för att identifiera metyleringsmönster - screening av hela genomet på en diagnostisk mikroarray - är troligen för komplicerade för kliniker. Men Figueroas team utvecklar enklare metoder för att upptäcka metyleringsstatus, vilket kan hjälpa kliniker att förutse prognos och besluta om behandlingsalternativ. "Det här är saker vi kan göra idag, utan att vänta på nya terapier, " säger hon.

Det ultimata målet är ett designerläkemedel för varje undergrupp av metyleringsmönster. Under tiden "finns det fortfarande en enorm mängd arbete att göra", säger Armstrong. "Vi börjar bara förstå vem spelarna är, vad spelarna gör och hur de arbetar tillsammans."

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.