Была продемонстрирована способность ремоделлеров SWI/SNF вызывать «скольжение» гистоновых октамеров по одной и той же ДНК. Гистоновые октамеры могут освобождаться от ДНК, связанной SWI/SNF, что позволяет им взаимодействовать с другими молекулами ДНК в транслокации. Перестройка положения нуклеосом в промоторе может привести либо к активации, либо к репрессии экспрессии гена, поскольку различные промоторы имеют разные нуклеосомные структуры [29].

Первые исследования показали, что ремоделирование SWI/SNF индуцирует последовательную разборку нуклеосом. Сначала быстро смещается димер H2A/H2B, а затем с задержкой удаляется весь гистоновый октамер. Примечательно, что SWI/SNF-опосредованная разборка нуклеосом не требует дополнительных компонентов, таких как шапероны или гистоновые акцепторы. Как наблюдения одиночных молекул, так и измерения массы указывают на то, что важнейшим этапом этого процесса является транслокация нуклеосомы к соседнему аналогу. При рекрутировании транскрипционным активатором Gal4-VP16 комплекс SWI/SNF преимущественно мобилизует проксимальную нуклеосому и дестабилизирует соседнюю с ней нуклеосому [30].

Таким образом, простая модель ремоделирования заключается в том, что комплекс SWI/SNF использует энергию гидролиза АTF для перемещения ДНК вокруг нуклеосомы после связывания ремоделлера с нуклеосомой на начальном этапе (рис. 2). Это связывание происходит с наномолярным сродством [31]. Субъединица АTFазы связывается с нуклеосомной ДНК в положении примерно в двух оборотах от диады. Она нарушает взаимодействие гистонов с ДНК, создавая временную петлю ДНК за счет энергии гидролиза АTF. Впоследствии петля ДНК распространяется (скользит) вокруг нуклеосомы, перемещая ДНК относительно нуклеосомы. Таким образом, соседние нуклеосомы могут быть выброшены из-за скольжения в результате цикла ремоделирования [1,32].



Рисунок 2. Механизм ремоделирования нуклеосом, зависящий от SWI/SNF. После первоначального присоединения к нуклеосоме комплекс SWI/SNF использует энергию гидролиза АTF для смещения ДНК вокруг нуклеосомы. Нуклеосомная ДНК задействуется субъединицей АTFазы примерно в двух оборотах от диады. За счет энергии гидролиза АTF создается преходящая петля ДНК, нарушающая взаимодействие между гистонами и ДНК. Эта петля перемещает ДНК относительно нуклеосомы, когда она скользит вокруг нее. В результате этого скольжения соседние нуклеосомы могут быть изгнаны, завершая цикл ремоделирования.

Недавние исследования позволили предположить, что взаимодействие между факторами транскрипции и определенными ремоделлерами нуклеосом является критическим для связывания факторов транскрипции с соответствующими мотивами. Ремоделеры SWI/SNF способствуют связыванию транскрипционных факторов путем избирательного набора или удовлетворения определенных требований к хроматину, а не установления глобальной динамики нуклеосом, что приводит к независимым от факторов возможностям связывания [33]. Например, было обнаружено, что BRG1 необходим для связывания плюрипотентного транскрипционного фактора Oct4, что подтверждает идею о том, что SWI/SNF играет роль в связывании транскрипционного фактора наряду с его способностью высвобождаться от нуклеосом in vitro [34]. В другом исследовании подчеркивается критическая роль связанной с актином субъединицы BAP55 в обеспечении доступности энхансеров и транскрипционном ответе на сигнальный путь Notch у дрозофилы, который необходим для принятия многих решений о судьбе клеток в ходе развития, контролируя различные программы экспрессии генов через транскрипционный фактор CSL, что подтверждает, что эти механизмы ремоделирования оказывают специфическое влияние на связывание транскрипционных факторов и экспрессию генов ниже по течению [33,35].

Во время эмбриогенеза млекопитающих вспомогательный компонент SWI/SNF-подобного BAF, известный как актин-подобный 6A (ACTL6A), также называемый BAF53A, необходим для поддержания стволовых или клеток предшественников [36,37]. Также сообщалось, что ACTL6A регулирует репарацию повреждений ДНК, вызванных цисплатином, в раковых клетках через SWI/SNF-опосредованное ремоделирование, что необходимо для эффективной репарации ДНК [38]. Поскольку нуклеосомы препятствуют репарации ДНК, как показано в исследованиях in vitro, SWI/SNF может влиять на другие белки репарации, включая белки Fanconi anaemia (FA), структурно-специфические эндонуклеазы гомологичной рекомбинации (HR) и заполняющие пробелы транслезионные ДНК-синтазы (TLS), чтобы помочь в заживлении повреждений ДНК, вызванных цисплатином [39].

Комплекс SWI/SNF также необходим для начала репликации дрожжей, известного как автономные репликационные последовательности (ARS). Эти области ARS включают в себя элемент последовательности усилителя репликации, который специфически связывается транскрипционным фактором ABF1 [40]. Анализ стабильности митотической мини-хромосомы ARS121 показывает, что деактивация SWI/SNF значительно ухудшает эффективное функционирование ARS121. Эта зависимость от SWI/SNF специфична для минимального ARS121, что отличает его от более широкого ARS121, поскольку он функционирует независимо от фактора усилителя репликации ABF1 [41]. В другом исследовании было высказано предположение о включении PBAF в repriming репликации ниже по течению от вилки репликации, остановленной повреждением ДНК. Сообщалось, что потеря субъединицы PBRM1 приводила к снижению убиквитинирования ядерного антигена пролиферирующих клеток (PCNA) и E3-лигазы (Rad18) после УФ-облучения. Это было связано с небольшим снижением прогрессии вилки, что указывает на роль PBAF в репрессии репликации ниже по течению от вилки репликации, остановленной в местах повреждения ДНК [42].

Таким образом, ремоделлеры хроматина SWI/SNF связаны с различными клеточными функциями, включая экспрессию генов, репликацию ДНК, репарацию повреждений ДНК, стабильность генома и подавление опухолей, о чем подробно говорится в следующих разделах.

Процесс ремоделирования можно разделить на три этапа. Во-первых, ремоделлеры должны быть рекрутированы в определенные геномные регионы специфическим для последовательности образом в точное время. Как только нуклеосома-мишень идентифицирована, ремоделлеры начинают свою деятельность по ремоделированию, которая может включать скольжение нуклеосом и требует определенной ориентации движения. Наконец, после того как структура нуклеосомы нарушена, ремоделлеры распознают завершение процесса и прекращают дальнейшую активность [43].

В дрожжах и клетках млекопитающих взаимодействие между голоферментом Pol II и SWI/SNF позволяет предположить, что ремоделлеры могут рекрутироваться специфическими для последовательности активаторами через активационный домен, а не промоторными последовательностями, TBP или RNA Pol II [44].

Энхансеры служат платформами для связывания транскрипционных факторов (TFs), направляя транскрипционный механизм к определенным промоторам для ускорения транскрипции генов [45]. Эффективность контроля транскрипции в зависимости от типа клеток определяется типом, частотой и расположением мотивов связывания TFs в энхансере [46]. Хроматин препятствует связыванию многих TFs с регуляторными сайтами по всему геному, играя регулирующую роль в селективной экспрессии генов [47]. Таким образом, для функционирования энхансеров необходимо смещение гистоновых октамеров, чтобы создать свободную от нуклеосом ДНК, пригодную для связывания TF и активации соответствующих эпигенетических регуляторных механизмов. Преодоление нуклеосомного барьера необходимо для активации энхансеров и ограничения их активности определенными типами клеток [45]. Например, TF AP-1 связываются с блокированными нуклеосомами энхансерами и рекрутируют комплекс BAF для перемещения нуклеосом, создавая разрешительную структуру хроматина [48] (рис. 3).



Рисунок 3. Взаимодействие TF-BAF для регуляции транскрипции. Одна из моделей транскрипционной регуляции, опосредованной BAF, предполагает взаимодействие субъединиц BAF с пионерными транскрипционными факторами в энхансерных последовательностях. Это взаимодействие приводит к тому, что BAF связывается с нуклеосомами в промоторах, вызывает ремоделирование хроматина, рекрутирует не-пионерские транскрипционные факторы и собирает общий транскрипционный комплекс в промоторной области.

Транскрипционные факторы NANOG, SOX2 и OCT4 представляют собой хорошо известную парадигму взаимодействия TFs и кофакторов у млекопитающих, которая приводит к нарушению или перестройке нуклеосом [49]. Будучи главным регулятором и пионерским фактором, OCT4 связывается с нуклеосомной ДНК, способствуя раскрытию хроматина [50]. OCT4 также взаимодействует с компонентами эпигенетической регуляции, в частности с субъединицами SWI/SNF - SMARCC1, SMARCA4 и ARID1A [51]. Доступность хроматина в сайтах, связанных с OCT4, также зависит от BRG1, который OCT4 рекрутирует для облегчения связывания не-пионерских транскрипционных факторов и экспрессии генов, связанных с плюрипотентностью [52]. Недавние исследования на mESCs подчеркивают роль РНК-полимеразы II (RNAPII), BAF и последовательно-специфических TFs, показывая, что приостановка промотора RNAPII стабилизирует занятость BAF и усиливает выселение нуклеосом, а связывание факторов транскрипции плюрипотентности обеспечивает локус-специфическое ремоделирование с помощью BAF [53]. Сотрудничество между BAF и гистоновой ацетилтрансферазой P300 также отмечено на генах, связанных с плюрипотентностью. Бромодомен BRD4 взаимодействует с P300 для повышения его каталитической активности, рекрутируя BRG1 для изменения структуры хроматина генов плюрипотентности в ESCs [54,55], а OCT4 активно сотрудничает с BRD4 для определения не-дифференцированного состояния [56]. Исследования флуоресцентной микроскопии в живых клетках показывают, что динамические концентраторы активации, опосредованные бромодоменами, позволяют доменам PBAF реорганизовывать нуклеосомы [57].

Интересно, что недавнее исследование, проведенное в ESCs мыши, выявило роль закладок BAF-субъединиц SMARCE1 и SMARCB1 [58]. Эти субъединицы закладывают гены клеточного типа и гены перехода митоз-G1, обеспечивая их быструю реактивацию после митоза и способствуя памяти клеточной судьбы. Эти данные свидетельствуют о сложном взаимодействии пионерских факторов, таких как OCT4, и субъединиц BAF в регуляции поддержания плюрипотентности. Помимо плюрипотентности, подобные взаимодействия между пионерскими факторами и субъединицами BAF в регуляции специфичности клеточного типа наблюдались и в других системах, например, роль ASCL1 в нейрональной дифференцировке [59]. Такие взаимодействия TF-BAF также имеют решающее значение в процессе опухолевого генеза, когда раковые клетки используют опосредованные TFs программы развития, специфичные для конкретной линии, для развития и прогрессии рака [60]. Например, Brg1 необходим для поддержания онкогенной транскрипционной программы в лейкозных клетках, в частности, путем нацеливания на ген Myc. Эта регуляция включает кластер специфических для линии энхансеров в 1,7 Мб ниже по течению от Myc, связывающих компоненты SWI/SNF и Brd4. Brg1 поддерживает связывание транскрипционных факторов в этих дистальных энхансерах, способствуя дальним взаимодействиям хроматина с промотором Myc, обеспечивая транскрипционную активацию Myc в лейкозных клетках [61]. Среди TFs, связывающихся с субъединицами SWI/SNF в лейкозных клетках, - пионерский фактор PU.1, который в первую очередь связывается со своими мишенями независимо от SWI/SNF и впоследствии рекрутирует SWI/SNF для повышения доступности хроматина для других критических регуляторных факторов AML, таких как RUNX1, LMO2 и MEIS1 [62] (рисунок 3).

Эти данные, наряду с другими исследованиями, показывают, что SWI/SNF-зависимые дистальные энхансеры имеют решающее значение для регуляции экспрессии генов, связанных с процессами развития и опухолевым генезом [63].

Комплекс SWI/SNF участвует в нескольких биологических процессах, включая развитие, клеточную пролиферацию и дифференцировку, посредством регуляции экспрессии генов, некоторые из которых подробно описаны ниже.

Предыдущие исследования показали, что переключения между субъединицами SWI/SNF играют важную роль в определении судьбы нейрональных клеток. Дифференцировка ESCs в нейрональные предшественники (NP) сопровождается переключением esBAF на npBAF-специфичные субъединицы: BRG1, ARID1A и SMARCC1/BAF155 на BRM, ARID1B и SMARCC2/BAF170, соответственно (рис. 4) [64-66]. Вследствие этого клетки-предшественники нейронов переходят к нейронной судьбе в головном мозге, что приводит к перекомпоновке соответствующих комплексов npBAF в комплексы neural BAF (nBAF). Переход комплексов npBAF-nBAF связан с тремя основными заменами субъединиц: PHF10 (BAF45A) заменяется на DPF1 (BAF45B) или DPF3 (BAF45C), ACTL6A (BAF53A) на ACTL6B (BAF53B) и SS18 на CREST [67,68]. Приобретение субъединицы ACTL6B (BAF53B) в nBAF необходимо для регуляции выхода из клеточного цикла в созревающих нейронах [69]. Более того, комплекс nBAF также включает гомодимер SMARCC1, а не гетеродимер SMARCC1: SMARCC2 в комплексе npBAF, а субъединица SMARCD3 (BAF60C) была увеличена в несколько раз в нейронах по сравнению с клетками ES [67,70-72]. Недавние исследования показали, что ARID1A играет решающую роль в пролиферации и дифференцировке нейрональных стволовых/прогениторных клеток ( NSPCs) во время развития коры головного мозга у мышей. Селективная делеция ARID1A уменьшает толщину коры в зрелом мозге, нарушает пролиферацию радиальных глиальных клеток, способствует гибели клеток во время позднего нейрогенеза и снижает регуляцию специфических генов, ответственных за пролиферацию и дифференцировку [73]. Чтобы подчеркнуть критическую роль комплекса BAF в нейрогенезе, было сообщено, что BAF170 глобально подавляет гены-мишени Pax6, которые регулируют промежуточные и поздние предшественники, имеющие решающее значение для генерации нейронов верхнего слоя. Во время раннего нейрогенеза BAF170 конкурирует с субъединицей BAF155 в комплексе mSWI/SNF, модулируя структуру эухроматина и подавляя гены-мишени Pax6 путем рекрутирования комплекса REST-корепрессоров к их промоторам. Кроме того, исследования показали, что комплекс BAF вовлечен не только в работу центральной нервной системы, но и в генерацию нейронов в обонятельной системе. BAF155 и BAF170 были идентифицированы как важнейшие регуляторы спецификации, самообновления и созревания нейронов в развивающемся обонятельном эпителии (ОЭ). Кроме того, выявлен новый механизм, в котором взаимодействие между BAF155-содержащими BAF-комплексами и транскрипционным фактором Pax6 регулирует нейрогенез в ОЭ [68,74].



Figure 4. The involvement of SWI/SNF complexes in neurogenesis and brain tumours. The transition of embryonic stem cells BAF (esBAF) to neuronal progenitors BAF (npBAF) occurs with specific subunit switches, namely BRG1, ARID1A and SMARCC1/BAF155 by BRM, ARID1B and SMARCC2/BAF170, respectively. Consequently, the npBAF complexes reassemble into neural BAF (nBAF) complexes. Three significant subunit switches have been linked to the npBAF–nBAF complex transition: DPF1 (BAF45B) or DPF3 (BAF45C) replaces PHF10 (BAF45A), ACTL6A (BAF53A) replaces ACTL6B (BAF53B) and CREST replaces SS18. Additionally, the SMARCC1 homodimer is incorporated in the nBAF complexes rather than the SMARCC1: SMARCC2 heterodimer in the npBAF complexes, while the SMARCD3 (BAF60B) subunit is absent from both the npBAF and nBAF complexes. Inactivating germline mutations in various SWI/SNF subunits, namely SMARCB1, SMARCE1 and BRG1, have been found frequently in various brain tumours. AT/RT, atypical teratoid/rhabdoid tumour; CCM, clear cell meningioma.

Процесс кроветворения включает в себя ряд последовательных этапов, в результате которых образуются различные дифференцированные типы клеток. Развитие недифференцированных гемопоэтических клеток-предшественников в зрелые лимфоидные, миелоидные и эритроидные линии требует транскрипционной регуляции и эпигенетического надзора за генами, специфичными для данной линии [75,76]. Исследования показали, что ARID1A необходим для нормальной дифференцировки миелоидной и лимфоидной линий и поддержания типичного количества и функции гемопоэтических стволовых клеток. Транскрипционные изменения, вызванные потерей ARID1A, повлияли на важнейшие гены, участвующие в развитии кроветворения, включая CEBPA, CD34, CSF1, IL6RA и GATA2 [77]. Недавние исследования также показали, что делеция ARID2 автономно влияет на формирование HSC, снижая способность к восстановлению лимфоидной линии при трансплантации костного мозга. Этот эффект был опосредован нарушением дифференцировки HSC через воспалительные пути. Однако отсутствие ARID2 не влияет на стабильный гематопоэз, за исключением эритропоэза [78]. Хотя предыдущие исследования показали, что комплексы SWI/SNF необходимы для активации генов воспаления в макрофагах, роль специфических субъединиц, связанных с различными комплексами SWI/SNF, не была выяснена. Для лучшего понимания потенциально разнообразных ролей вариантов комплексов SWI/SNF в стимул-зависимой транскрипции необходимо геномное профилирование зарождающейся транскрипции и доступности хроматина после делеции субъединиц SWI/SNF [79].

Для регуляции гемопоэтической дифференцировки фактор транскрипции острого миелоидного лейкоза 1 (AML1 или RUNX1) создает мультибелковые комплексы с BRG1 и SMARCB1, которые связываются с промоторами генов-мишеней RUNX1, таких как GMCSF, IL3, MCSF-R, MIP и P21 во время миелоидной дифференцировки [80]. Кроме того, недавно было показано, что субъединица PHF10 (BAF45A) имеет решающее значение для поддержания взрослых гемопоэтических стволовых клеток и развития миелоидной линии. У мышей делеция PHF10 приводит к эмбриональной гибели. И наоборот, делеция PHF10 у взрослых особей резко снижает количество долгоживущих репопулирующих гемопоэтических стволовых клеток и детерминированных миелоидных предшественников без изменения скорости их пролиферации [81].

Кроме того, ARID1A организует связывание OCT4 и β-катенина в мезодермальных клетках предшественниках таким образом, который, в частности, регулирует эффективную дифференцировку сердечной мезодермы. При делеции ARID1A OCT4 и β-катенин реже связывались с промоторами ключевых генов для спецификации мезодермальной линии, включая MESP1 и EOMES, и соответствующие гены, специфичные для данной линии, были понижены [82]. На начальных этапах развития сердца четыре субъединицы, специфичные для SWI/SNF, - ARID1A, SMARCD3/BAF60C, PBRM1/BAF180 и ARID2 - демонстрируют высокие уровни экспрессии, которые существенно подавляются по мере развития и дифференцировки [83]. Примечательно, что при подавлении Smarcd3 в эмбрионах мыши с помощью РНК-интерференции или нокаута ARID1A и PBRM1 наблюдаются пороки сердца и повышенная смертность [11,84,85]. Более того, ARID1A специфически контролирует экспрессию кластера генов, регулирующих дифференцировку клеток-предшественников сердца (CPC) в зрелые кардиомиоциты путем преимущественного связывания с промоторами MEF2C, NKX2.5 и BMP10 и рекрутирования BRG1 для изменения доступности хроматина [86,87]. Значение ARID1A-содержащих комплексов в регуляции сердечных генов было установлено благодаря их прямому взаимодействию и потенциальному сотрудничеству с субъединицами комплексов ремоделирования нуклеосом и гистондеацетилаз (NURD) в репрессивной манере. Это происходит путем модификации участков хроматина, связанных с активной или репрессированной экспрессией генов, переводя их между доступным и закрытым состояниями [83].

Было показано, что многочисленные аномалии сердца, включая единственный желудочек, сужение путей оттока и недостаточную трабекуляцию, возникают в результате РНК-интерференции SMARCD3 [84]. Примечательно, что SMARCD3 может аберрантно индуцировать развитие кардиомиоцитов совместно с GATA4 и TBX5 [88] у рыбок данио что позволяет предположить, что он может направлять миграцию CPC в область зарождающегося сердца [89]. Более того, нарушение формирования сердца и созревания коронарных сосудов, а также дефект межжелудочковой перегородки у эмбрионов мыши возникают в результате делеции PBRM1 через подавление специфических генов-мишеней: S100A13, RARЯ2 и CRABPII в сердце [85].

Насколько нам известно, лишь немногие исследования изучали роль субъединиц BAF/PBAF в развитии печени. В одном из исследований было обнаружено, что делеция SNF5 в печени мыши приводила к тяжелой гипогликемии, неонатальной смертности, плохому энергетическому обмену и неспособности накапливать гликоген, что в конечном итоге препятствовало развитию печеночного эпителия. Кроме того, анализ транскриптома показал, что 70 % генов, которые обычно повышаются во время развития печени, транскрипционно замолкают после делеции SNF5. Эти гены включают гены, связанные с меж-клеточной адгезией, глюконеогенезом и производством гликогена [90].

Субъединицы SWI/SNF, считающиеся мастер-регуляторами, играют важнейшую роль в регенерации тканей - процессе, в ходе которого организмы восстанавливают утраченные или поврежденные ткани. Недавнее исследование, проведенное на β-клетках поджелудочной железы, подчеркивает важную роль ARID1A-содержащего комплекса в управлении регенерацией клеток. Учитывая обилие ARID1A в покоящихся β-клетках, его истощение во время беременности или после панкреатэктомии, можно предположить, что отсутствие ARID1A усиливает регенерацию β-клеток за счет активации сигнального пути EGF [91].

Эмбриональные гепатобласты являются первичными клетками предшественниками в развивающейся печени, давая начало гепатоцитам, холангиоцитам и внутрипеченочным желчным протокам (IHBD) [92]. Зрелая печень обладает исключительной способностью к регенерации, однако при гомеостазе организма развивается и растет менее 2 % гепатоцитов и клеток желчевыводящих путей. Тем не менее, при повреждении возникает значительная пролиферативная активность, которая помогает восполнить запасы гепатоцитов и холангиоцитов [93,94].

Исследования роли эпигенетических маркеров в регенерации печени показывают, что покоящаяся печень может иметь эпигенетический код, определяющий ее способность к регенерации [95]. Сдвиг в экспрессии десятков генов происходит вместе с переходом гепатоцитов из состояния покоя в пролиферативное. Чтобы печень продолжала функционировать по мере своего расширения, этот динамический транскрипционный профиль обеспечивает клеточную и тканевую репопуляцию, сохраняя при этом идентичность предков [96]. Исследования показывают, что удаление субъединицы SWI/SNF ARID1A значительно способствует регенерации органов, что было продемонстрировано на мышиной модели. После индуцированного повреждения у мышей с удаленным геном Arid1a значительно улучшилась регенерация печени и ушей. В печени нарушение функции Arid1a способствует пролиферации клеток после хирургической резекции и химического повреждения, уменьшает повреждение тканей и фиброз и поддерживает общую функцию органа [97]. Интересно, однако, что в другом исследовании была показана положительная роль Arid1a в регенерации печени путем создания разрешающего состояния хроматина в гепатоцитах, что позволяет им отвечать на регенеративные сигналы и экспрессировать гены, подобные печеночным предшественникам [98]. Одним из аргументов в пользу этих противоречивых результатов было то, что Arid1a играет множественную роль в регенерации печени: он способствует образованию печеночных подобных предшественникам клеток во время травмы и временно препятствует пролиферации во время восстановления [98].

Субъединицы АTFазы BRM и BRG1 также демонстрируют дифференциальную экспрессию в процессе регенерации печени. Такие комплексы координируют изменение нуклеосом для привлечения различных факторов транскрипции, которые способствуют активации генов в зависимости от фазы клеточного цикла, стадии развития и конкретной ткани [99]. При повреждении печени мыши комплекс SWI/SNF включает BRG1 в качестве субъединицы АTFазы, а комплексы с участием BRM потенциально становятся преобладающими к концу стадии повреждения и началу регенерации. Позже, на этапе регенерации, комплексы, содержащие BRG1, вновь становятся преобладающими. В результате BRG1 регулирует гены, участвующие в клеточной пролиферации, а BRM контролирует гены, связанные с клеточной дифференцировкой и ограничением роста [99,100].

Распространенность инактивирующих мутаций, включая нонсенс, сдвиг рамки считывания и делеционные мутации, в различных субъединицах SWI/SNF недавно была отмечена при многочисленных злокачественных новообразованиях. Это позволяет предположить, что эти комплексы играют широко распространенную роль в подавлении опухоли при различных типах рака [101]. Сообщается, что по меньшей мере девять различных субъединиц SWI/SNF часто мутируют в различных опухолях (таблица 1). Эти мутации встречаются примерно в 25 % всех злокачественных опухолей, несмотря на то, что точные молекулярные механизмы их роли в опухолевом генезе до сих пор не ясны [14].

Таблица 1. Часто мутирующие субъединицы SWI/SNF в различных опухолях. Сообщается, что субъединицы SWI/SNF часто мутируют в различных опухолях. Эти мутации наблюдаются примерно в 25 % всех злокачественных опухолей.

Обнаружение биаллельных усекающих мутаций в гене SMARCB1 (INI1, hSNF5, BAF47) в атипичной тератоидной/рабдоидной опухоли (AT/RT), особенно агрессивном детском раке, дало первые доказательства их роли в канцерогенезе (рис. 4) [102]. Небольшое меньшинство, примерно 2 % случаев AT/RT, имеют интактный SMARCB1, но вместо этого содержат инактивирующие мутации в BRG1 на хромосоме 19p13.2 [121]. Индивидуумы с BRG1-дефектными RTs обычно проявляются в раннем детстве, средний возраст составляет 9 месяцев (диапазон 0-28 месяцев), часто демонстрируя зародышевые мутации [122]. Почти все генетические изменения BRG1 приводят к полной потере его экспрессии, в основном за счет нонсенс-мутаций, делеций или потери гетерозиготности [104].

Более того, мутации SMARCB1 в зародышевой линии могут предрасполагать как к злокачественным рабдоидным опухолям, так и к шванноматозу - редкому генетическому заболеванию, которое приводит к появлению множественных опухолей, называемых шванномами, но они редко встречаются одновременно в одной семье [103]. Почти все мутации SMARCB1, связанные с AT/RT, являются усекающими мутациями или делециями, которые приводят к полному нокауту SMARCB1. В отличие от этого, мутации SMARCB1, зарегистрированные при шванноматозе, в основном не усекающие, миссенс- или сплайс-сайтовые мутации и in-frame делеции, что, вероятно, приводит к образованию мутантного белка с остаточной функцией [1,123].

Редкий вид рака, называемый clear cell meningioma (CCM), характеризуется биаллельной инактивацией гена SMARCE1/BAF57 [107]. Индивидуумы с зародышевыми мутациями SMARCE1 с потерей функции в одном аллеле и второй мутацией, которая инактивирует другой аллель SMARCE1, имеют высокий риск развития педиатрических CCMs [124]. Зародышевые мутации могут быть делеционными, инсерционными или инверсионными, хотя большинство гетерозиготных точечных мутаций со сдвигом рамки считывания или нонсенс [125].

Кроме того, медуллобластома ассоциируется с рецидивирующими мутациями в членах семейства SWI/SNF, включая BRG1, в основном ограниченными подгруппами WNT и G3 [105]. Эпигенетический антагонизм между репрессорными комплексами Polycomb (PRC2) и SWI/SNF способствовал оценке ингибиторов PRC2 в педиатрических злокачественных опухолях с мутациями SWI/SNF. Являясь каталитическим компонентом PRC2, EZH2 катализирует триметилирование лизина 27 гистона 3 (H3K27) в промоторах генов-мишеней, что приводит к замалчиванию генов [126].

Кроме того, изменения в субъединицах комплекса SWI/SNF, в частности в ARID1A/ARID1B/ARID2, BRM/BRG1 и BCL7A (B-cell CLL/lymphoma 7 protein family member A), преобладают в возникновении или прогрессировании широкого спектра миелоидных и лимфоидных злокачественных новообразований крови [127]. Большинство генетических изменений приводят к мутациям с потерей функции, что отражает опухолевую супрессорную функцию [128]. Удаление 27 аминокислот происходит в N-концевом домене BCL7A в диффузных крупноклеточных В-лимфомах (DLBCL) из-за рецидивирующего мутационного очага в сайте донора сплайса интрона 1, что препятствует сборке комплекса SWI/SNF [108].

В двух клеточных линиях острого миелоидного лейкоза (AML) человека, HL-60 (APL) и THP-1 (KMT2A-реарранжированный), недавнее исследование показало, что ARID1A может функционировать как барьер для нерегулируемого деления клеток. Снижение экспрессии ARID1A специфически подавляло апоптоз и увеличивало потенциал клеток AML к пролиферации через TGF-β1/SMAD3-путь [109]. Аналогичным образом, в недавнем исследовании было обнаружено, что в мышиной модели AML с KMT2A-перестройкой делеция ARID1B способствует как возникновению, так и прогрессированию AML [116]. Удивительно, но исследователи не смогли обнаружить никаких фенотипических изменений после нокаута ARID1B in vitro [115]. В отличие от ARID1B, эффекты ARID2 могут варьироваться в зависимости от стадии AML. В частности, делеция ARID2 усиливает лейкемогенез на ранних стадиях AML, в то время как активность ARID2 впоследствии необходима для поддержания AML. Как и в случае с ARID1B, нокаут ARID2 приводит к фенотипическим изменениям, которые можно наблюдать только in vivo [116].

В отличие от опухоли супрессирующей роли субъединицы BRG1 в различных типах злокачественных новообразований, становится очевидной ее необычная роль в качестве гена, поддерживающего опухоль при некоторых видах рака. BRG1/SMARCA4-содержащие комплексы SWI/SNF могут быть необходимы для поддержания AML и открывают новые возможности для вмешательства [61,129]. Действительно, было показано, что SMARCA4-содержащие комплексы SWI/SNF специфически регулируют онкоген MYC в AML [61]. Исчерпывающие доказательства этой регуляции были получены на примере клеточной линии человека ME-1 (AML, несущий слитый ген CBFB-MYH11) [130]. С другой стороны, участие BRM в гематологических злокачественных опухолях остается неясным. Недавнее исследование показало, что жизнеспособность различных клеточных линий AML существенно снижается при одновременной потере функции BRM и BRG1, что достигается либо с помощью нокдаунов, либо с помощью аллостерических двойных ингибиторов, таких как BRM011 и BRM014 [131].

Недавние исследования рака легкого показали, что более чем у 20 % больных раком легкого наблюдаются повторяющиеся изменения в нескольких генах SWI/SNF, некоторые из которых вызывают значительную корреляцию с плохим прогнозом, что указывает на важную функцию SWI/SNF [132]. В другой недавней работе показано, что делеция BRG1 нарушает работу комплекса SWI/SNF, снижая доступность хроматина в специфических для линии легких ДНК-мотивах и в конечном итоге способствуя развитию опухолевого генеза. Это позволяет предположить, что на протяжении всей прогрессии рака легкого комплекс SWI/SNF через BRG1 функционирует как контрольная точка для трансформации и метастазирования, специфичных для данной линии [106].

Гепатоцеллюлярная карцинома (HCC) - это первичный рак печени, на долю которого приходится более 90 % всех основных видов рака печени. Гепатоцеллюлярная карцинома развивается примерно в 85 % случаев цирротической печени. В настоящее время HCC является четвертой по частоте формой рака во всем мире и второй после рака легких причиной смертности от рака у мужчин [133]. Однако значительным фактором, определяющим рост заболеваемости раком печени в развитых странах, будет распространенность non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) в сочетании с метаболическим синдромом и ожирением, которые повышают риск развития рака печени [134].

Участие эпигенетических модуляторов в распространении опухоли было установлено с появлением полногеномного секвенирования рака, которое выявило крупные генетические варианты, имеющие решающее значение для регуляции структуры хроматина, включая ARID1A и BRCA1-ассоциированный белок 1 (BAP1), а также TERT, TP53 и CTNNB1 - наиболее часто мутирующие гены при HCC [112]. ARID1A, который считается белком-супрессором опухоли, часто мутирует или удаляется в HCC и ассоциируется с плохим прогнозом у пациентов с повышенной инвазией и метастазированием. Он также тесно связан с инфильтрацией опухоли иммунными клетками [135]. Потеря ARID1A может стимулировать опухолевый генез, поскольку он требует остановки клеточного цикла, связанной с дифференцировкой [136], и активирует сигнальный путь PI3K-AKT, который изменяет экспрессию нескольких транскрипционных факторов, включая ген ^MYC [137,138]. Аналогичным образом, последние данные также подтверждают концепцию о том, что отсутствие ARID1A может способствовать прогрессированию HCC за счет повышения уровня MYC [139].

Многие результаты указывают на более тонкое участие ARID1A в HCC, и различные компоненты SWI/SNF могут быть онкогенными в различных сценариях, зависящих от таких специфических параметров, как время, расположение ткани, наличие сопутствующих мутаций и дозировка [140]. Тем не менее, тот факт, что ARID1A был значительно повышен в первичных опухолях, но не в метастатических опухолях у некоторых пациентов с HCC, позволяет предположить, что ARID1A может быть истощен в момент возникновения заболевания [141,142]. Хотя повышение уровня ARID1A усиливает развитие опухоли, мыши с гомозиготной или гетерозиготной делецией ARID1A, специфичной для печени, были невосприимчивы к возникновению опухолей [143]. Однако гомозиготная или гетерозиготная делеция ARID1A в предсуществующих опухолях усиливает инвазию и метастазирование [144]. Недавние исследования также предполагают эпигенетическую функцию ARID1A в регуляции липидного гомеостаза в печени. Он осуществляет прямой контроль генов-мишеней липогенного пути и пути окисления жирных кислот, взаимодействуя с промоторными областями и влияя на доступность транскрипционного механизма. Снижение уровня ARID1A приводит к развитию не-алкогольного стеатогепатита (НАСГ) [145,146]. Как и другой ARID-компонент комплекса SWI/SNF, ARID2 связывает ДНК независимо от ее последовательности. На основании своего положения в комплексе PBAF ARID2 был вовлечен в контроль тканеспецифической экспрессии генов [147]. Имеются сообщения о мутациях с потерей функции ARID2 в широком спектре злокачественных опухолей человека, таких как меланома, аденокарцинома желудка, немелкоклеточный рак легкого и гепатоцеллюлярная карцинома, что указывает на его опухолевую супрессорную функцию [113,117-119,148].

В недавних исследованиях сообщалось, что экспрессия ARID2 значительно снижена в тканях метастатической HCC, что связано с плохим прогнозом у больных HCC и достоверно коррелирует с метастазированием опухоли [149]. Согласно полученным данным, нарушение механизма репарации ДНК - нуклеотидной эксцизионной репарации (NER) - вследствие делеции ARID2 может вызывать повреждение ДНК, повышая риск развития рака и гипермутаций [150]. Кроме того, делеция ARID2 ускоряет переход G1/S, что также сопровождается повышением уровней циклина D1, циклина E1, CDK4 и фосфорилирования белка ретинобластомы (Rb), это позволяет предположить, что ARID2 подавляет развитие клеточного цикла гепатомы и опухолевый генез путем воздействия на сигнальный путь Rb-E2F [151].

Раковые клетки приобретают метастатические свойства через epithelial–mesenchymal transition (EMT), опосредованный ограниченным набором транскрипционных факторов, в первую очередь членами семейств SNAIL, TWIST и ZEB [152]. Предыдущие результаты показали, что ARID2 ограничивает метастатическое распространение клеток HCC и препятствует эпителиально-мезенхимальному переходу (EMT) путем рекрутирования DNMT1 к промотору SNAIL, что приводит к метилированию ДНК на CpG-островках промотора SNAIL. Так, мутации ARID2, прерывающие его домен C2H2, не могли рекрутировать DNMT1 на промотор SNAIL, что приводило к снижению метилирования его промотора, связанного с сосудистым метастазированием и плохим прогнозом у пациентов с HCC [153].

Недавнее исследование NAFLD показало, что ARID2 стимулирует убиквитинирование JAK2, что достигается путем привлечения CARM1 для увеличения уровня H3R17me2a на промоторе NEDD4L и повышения экспрессии NEDD4L, новой E3-лигазы для JAK2. Увеличение убиквитинирования JAK2 подавляет сигнальный путь JAK2-STAT5-PPAR и уменьшает стеатоз печени [154]. Причастность мутаций ARID2 и, в более широком смысле, нарушение механизмов регуляции хроматина при раке указывает на необходимость противораковых терапий, направленных на хроматин-ассоциированные белки.

Истощение ARID1A в холангиокарциноме приводит к клеточной пролиферации, выходу из клеточного цикла, старению и обширным изменениям в гетерохроматине. Новая находка показала, что неспособность активировать опухолевый супрессорный путь TGF-SMAD4 лежит в основе билиарного пролиферативного ответа, индуцированного мутацией KRAS и истощением ARID1A [114]. Аналогичным образом, анализ холангиокарциномы с помощью секвенирования следующего поколения выявил модификацию хроматина среди наиболее подверженных влиянию процессов, а также ARID1A и PBRM1 в качестве наиболее часто мутировавших генов [155].

В заключение следует отметить, что собранные данные позволили установить, что ремоделлер хроматина SWI/SNF является одним из основных опухолевых супрессорных комплексов человека, и открыли перед исследователями возможность выяснить процессы, посредством которых потеря субъединиц SWI/SNF способствует канцерогенезу.

Механизмы подавления опухолей комплексом SWI/SNF и степень, в которой мутации в субъединицах SWI/SNF способствуют канцерогенезу, являются областью продолжающихся исследований. Тем не менее в различных видах рака прослеживается консенсус, поскольку многочисленные исследования, посвященные изучению влияния неправильного функционирования субъединиц комплекса SWI/SNF, выявили общие закономерности в его функциональности (рис. 5). Часто наблюдается прерывание активности SWI/SNF в энхансерах, вовлеченных в развитие и спецификацию линий [63,156,157]. В противоположность этому появилась другая модель, демонстрирующая, что мутации SWI/SNF способствуют выходу из G0 ареста клеточного цикла [158-160]. Вероятно, это не единственные механизмы, через которые мутации SWI/SNF проявляют свое действие. Недавние находки выявили [48,161] антагонизм комплекса группы Polycomb (PcG) с субъединицами SWI/SNF, помимо их влияния на хорошо известные пути развития рака и онкогенные транскрипционные факторы, о чем подробнее будет сказано ниже.



Рисунок 5. Конвергенция молекулярных механизмов в процессе развития и канцерогенеза с помощью SWI/SNF. Начало и развитие канцерогенеза связаны с определенными молекулярными сигнатурами, связанными с мутациями SWI/SNF, такими как нарушение активности SWI/SNF в энхансерах, уклонение от остановки клеточного цикла G0, индукция клеточной пластичности через активацию про-онкогенов и антагонистическое взаимодействие с комплексом Polycomb group (PcG).

Было показано, что субъединицы комплекса SWI/SNF взаимодействуют с сигнал-чувствиными транскрипционными факторами для активации функции энхансеров в зависимости от типа клеток [48]. Они способствуют реализации программ экспрессии энхансер-ассоциированных генов, необходимых для клеточной дифференцировки и формирования линий [156]. Исследования показывают, что Brg1 координирует развитие В-клеток, действуя на разных стадиях развития. В частности, BRG1 обеспечивает доступ широкому репертуару энхансеров для транскрипционных регуляторов, непосредственно связанных со специфическим для линии В транскрипционным профилем на самых ранних стадиях развития В-клеток. BRG1 необходим для интеграции дистальных и проксимальных вариабельных областей и доступа к сайтам связывания транскрипционных факторов локуса IGH в про-В-клетках. Предоставляя EBF1, IKAROS и PAX5 доступ к дистально расположенному суперэнхансеру MYC, BRG1 регулировал пролиферацию про-В-клеток и останавливал преждевременную дифференцировку пре-В-клеток [157]. Более того, BRG1 и транскрипционный фактор OLIG2 избирательно связываются с энхансерами генов, регулирующих развитие олигодендроцитов. OLIG2 рекрутирует BRG1, содержащий бромодомен, для распознавания активных меток ацетилирования гистонов, таких как H3K27Ac, и индуцирования генерации ключевых активаторов дифференцировки, в частности MRF и SOX10 [162].

Генетические изменения неизбежно приводят к дисрегуляции транскрипции при раке, которая часто опосредуется через ремоделирование энхансерного ландшафта [163]. В частности, было высказано предположение, что суперэнхансеры, обширные кластеры энхансеров с высоким суммарным содержанием H3K27Ac, регулируют гены, важные для установления идентичности клеток и вовлеченные в злокачественное состояние рака [164]. Например, при раке простаты деградация SWI/SNF ATPase нарушает взаимодействие суперэнхансера и петли промотора и связывание набора транскрипционных факторов, способствующих клеточному росту, с цис-регуляторными элементами [165].

Аналогичным образом на животной модели рака толстой кишки было обнаружено, что ARID1A часто направляет комплексы SWI/SNF на энхансеры, где они взаимодействуют с транскрипционными факторами (TFs), индуцируя экспрессию генов. В клетках с дефицитом ARID1A, ARID1B поддерживает функцию SWI/SNF, но недостатки в нацеливании SWI/SNF и контроле энхансерной активности приводят к значительной дисрегуляции экспрессии генов [166]. Кроме того, ARID1A работает как ко-фактор на энхансерах, захваченных транскрипционными факторами AP1, действующими ниже по течению от пути MEK/ERK в колоректальном раке (CRC). Потеря ARID1A неизменно приводит к нарушению KRAS/AP1-зависимой функции энхансеров и снижению экспрессии соответствующих генов-мишеней, таких как EREG, F3 и JAG1 [167].

Кроме того, BRM, содержащий комплекс SWI/SNF, в который входит связанная с актином субъединица BAP55, необходим для оборота нуклеосом и доступности энхансера, требуемой для ответа Notch. Notch-сигнализация модулирует оборот нуклеосом в целевых энхансерах и способствует включению гистонового варианта H3.3 [35,168]. Более того, С-концевой домен SMARCB1 имеет основную спираль, которая непосредственно связывается с кислотным патчем нуклеосомы. Мутации, препятствующие этому связыванию, прерывают активность SWI/SNF-опосредованного ремоделирования нуклеосом и повышают доступность ДНК [169].

Рабдоидные опухоли, которые могут развиваться в мозге, почках и мягких тканях, обусловлены исключительно делецией субъединицы SMARCB1 (SNF5) [170]. SMARCB1 стабилизирует комплекс SWI/ SNF, позволяя ему связываться и поддерживать генерацию и функционирование энхансеров. Делеция SMARCB1 приводит к значительному снижению количества комплексов SWI/SNF, достигая уровня, недостаточного для поддержания надлежащей активности энхансера. Оставшиеся комплексы SWI/SNF предпочтительно присоединяются к суперэнхансерам. В то время как типичные энхансеры необходимы для дифференцировки, суперэнхансеры связаны с поддержанием идентичности существующих клеток. Таким образом, эти результаты указывают на сценарий, в котором отсутствие SMARCB1 препятствует функционированию энхансеров, необходимых для дифференцировки, но оставляет суперэнхансеры, ответственные за поддержание идентичности существующих клеток, практически нетронутыми. В результате в некоторых пролиферативных типах клеток предшественников снижение активности энхансеров при сохранении суперэнхансеров может индуцировать опухолевый генез, поддерживая клетки в плохо дифференцированном и высоко пролиферирующем состоянии [171].

В той или иной степени SWI/SNF контролируют прогрессию клеточного цикла, развитие и дифференцировку, старение, сохранение идентичности клеток и практически все основные виды клеточной активности [74,172]. Например, участие SWI/SNF в развитии миобластов является критическим. Миобласты полагаются на BRG1, чтобы направлять их по клеточному циклу. Выживанию и росту миобластов способствует транскрипционный фактор Pax7, а BRG1 необходим для поддержания стабильной экспрессии Pax7. Кроме того, ARID1A играет важную роль в клеточной пролиферации, связываясь с хроматином вокруг промотора Pax7 и перестраивая его [173,174]. Интересно отметить, что BRG1 и BRM играют разные роли на разных стадиях дифференцировки мышц. В то время как BRG1 необходим для активации транскрипции мышечных генов на ранних стадиях, BRM необходим для того, чтобы вызвать остановку клеточного цикла до активации мышечных генов [173,175]. Примечательно, что роль BRM в миогенной дифференцировке зависит от его способности напрямую блокировать транскрипцию циклина D1, признанного активатора фазового перехода G1-S во время пролиферации миобластов и явного ингибитора развития мышц [175,176].

Более того, потеря BRM в кератиноцитах мыши была связана с УФ-индуцированным канцерогенезом кожи и роговицы, поскольку он способствует быстрому переходу в фазу G1. После вступления в G1-фазу клеточного цикла циклин D1 деградирует путем протеолитического расщепления, а затем этот процесс поддерживается транскрипционной регуляцией, опосредованной p53, которая увеличивает экспрессию ключевых регуляторных генов, таких как p21 [177,178]. Аналогичным образом было продемонстрировано влияние BRM и BRG1 на контрольные точки клеточного цикла в мышином раке легкого. BRG1 имеет решающее значение для активации опухолевого супрессорного белка ретинобластомы (RB1). Потеря BRG1 приводит к сдвигу фосфорилирования RB1 через снижение регуляции циклин-зависимых киназ (CDK) и циклинов G1 через путь GSK3β, который регулирует локализацию p21. С другой стороны, комплексы BRM были связаны с TP53, хотя клиническая значимость этой связи пока не ясна [179].

Уровень SMARCD3 показал корреляцию с риском развития рака молочной железы. Экспрессия SMARCD3 была связана с гормон-положительным (ER+) раком молочной железы и коррелировала с дифференциальной долгосрочной выживаемостью без заболевания. Истощение SMARCD3 приводит к снижению скорости пролиферации, увеличению эндорепликации и нерешенных повреждений ДНК, что указывает на его потенциальную роль в качестве опухолевого супрессора и специфического прогностического биомаркера рака молочной железы [180,181]. Интересно, что замалчивание Smarcd3 в клетках EpCAM-рака молочной железы способствует устойчивому переходу от мезенхимного к эпителиальному фенотипу, в то время как его экспрессия в эпителиальных клетках молочной железы индуцирует EMT. Smarcd3 вызывает мезенхимные изменения через повышение уровня Wnt5a, при этом EMT обратима при ингибировании Wnt5a, что подчеркивает его роль в эпигенетической регуляции EMT через WNT-сигнализацию. Эти противоречивые эффекты Smarcd3 при раке молочной железы позволяют предположить более сложную роль этой субъединицы на определенных этапах канцерогенеза [182].

Напротив, субъединица BRG1 находится в промоторах генов, включая CDK4, LIG1 и NEIL3, транскрипция которых регулируется прогрессией клеточного цикла и сильно ацетилируется EP300 в делящихся клетках рака молочной железы. Остановка клеточного цикла в G1, вызванная ингибированием CDK4/6, имитирует эффект длительного ингибирования BRG1 на структуру хроматина. Такие результаты свидетельствуют о том, что BRG1 может регулировать транскрипцию генов, повышая экспрессию генов, участвующих в прогрессии клеточного цикла в исследованных клетках рака молочной железы [183].

Недавно выявленные функции ARID1A в ответе на повреждение ДНК (DDR) были выяснены благодаря действию двух сигнальных молекул, распознающих такие инциденты: ATM (ataxia-telangiectasia mutated) и ATR (ATM and Rad3-related). Одноцепочечный разрыв ДНК (SSB), стресс репликации ДНК и резекция конца ДНК активируют ATR, в то время как двухцепочечный разрыв ДНК (DSB) часто активирует ATM, который генерирует одноцепочечный участок ДНК во время репарации DSB [184,185]. Было установлено, что ATR взаимодействует с ARID1A для рекрутирования его в сайты DSB ДНК, что приводит к рекрутированию АTFазной субъединицы комплекса SWI/SNF в сайты повреждения ДНК. Потеря ARID1A препятствует действию контрольного пункта повреждения ДНК G2/M [186]. В частности, подавление ARID1A нарушает NHEJ за счет снижения рекрутирования белков NHEJ в сайты DSB, таких как KU70/KU80 и АTFазная субъединица SWI/SNF. Таким образом, ARID1A-содержащие комплексы SWI/SNF позволяют нескольким механизмам репарации ДНК эффективно получать доступ к сайтам повреждения ДНК [187].

Эти данные в совокупности показывают, что модификация хроматина комплексом SWI/SNF играет определенную роль в регуляции клеточного цикла, дифференцировки и репарации ДНК. В то время как нарушение работы его субъединиц приводит к выходу из ареста клеточного цикла и метастазированию.

Более того, последние данные показали, что специфические мутации SWI/SNF в значительной степени способствуют развитию злокачественных опухолей через глубокий онкогенный механизм. Эта закономерность добавляет важнейшее измерение к нашему пониманию происхождения этих опухолей. Предварительные данные свидетельствуют о том, что взаимодействие между SWI/SNF и онкопротеиновыми транскрипционными факторами, такими как MYC, AP-1, TAZ, YAP или mTOR, вовлечено в различные виды рака. Семейство белков MYC представляет собой набор основных факторов транскрипции типа «петля-цепочка-цепочка-лейциновая молния», которые играют важную роль в канцерогенезе [188]. Установлено, что взаимодействие MYC с несколькими ремоделлерами хроматина, включая комплекс SWI/SNF, обусловливает его эффективность в регуляции экспрессии генов, связанных с метаболизмом, ангиогенезом, инвазией, опухолевым микроокружением, синтезом белка и пролиферацией клеток. Исследования показали, что SMARCB1 ингибирует активность MYC, ограничивая его способность получать доступ к хроматину, что снижает транскрипцию генов-мишеней [189,190].

Усовершенствованный взгляд на взаимодействие MYC-SNF5 показывает, что делеция SNF5 в опухолях, особенно в злокачественной рабдоидной опухоли (MRT), приводит к неконтролируемой активности MYC с помощью комплекса SWI/SNF, обедненного SNF5, и описывает, как гены-мишени MYC повышают свою активность в раковых опухолях с делецией SNF5. Более того, полученные данные позволяют предположить, что MYC является основным драйвером онкогенных путей при РМЖ и что ингибиторы MYC, если они будут доступны, могут применяться для лечения рака, обедненного SNF5 [191]. Таким образом, отсутствие SNF5 не приводит к тому, что комплекс SWI/SNF становится неактивным, а способствует онкогенезу благодаря активности остаточного комплекса SWI/SNF, содержащего BRG1 [192].

Аналогичным образом, другое исследование предполагает, что MYC напрямую взаимодействует с другими субъединицами SWI/SNF, такими как SMARCC1. В нем показано, что MYC и SNF5 конкурируют за связывание с SMARCC1, а SNF5 эффективно ингибирует MYC от распознавания его сайта связывания на субъединице SMARCC1. Тот факт, что MYC может точно взаимодействовать с SMARCC1, имеет значение в связи с тем, что гомодимеры SMARCC1 выступают в качестве начального промежуточного звена SWI/SNF, к которому могут присоединяться дальнейшие субъединицы SWI/SNF, а также SNF5, что позволяет комплексу реагировать с белками, не относящимися к SWI/SNF, такими как MYC [161,190]. Как правило, SNF5 направляет нормальные комплексы SWI/SNF и, возможно, AP-1 на энхансеры, связанные с дифференцировкой и развитием. В клетках злокачественной рабдоидной опухоли (MRT) выбор SWI/SNF энхансеров нарушается при потере SNF5 [161].

Кроме того, одним из наиболее распространенных генетических событий при возникновении и прогрессировании гепатоцеллюлярной карциномы (HCC) является сверхэкспрессия c-MYC [193]. В недавних исследованиях впервые in vivo доказано онкогенное участие BRG1 в развитии гепатоканцерогенеза, которое зависит от контекста и генов [194].

Множество различных генов регулируется транскрипционным фактором белком-активатором 1 (AP-1). Он образует несколько гомо- или гетеродимеров с членами мультигенных семейств белков FOS, JUN, MAF и ATF, которые обладают высоко-консервативным основным лейцин-зиппер доменом (bZip), служащим для димеризации и в качестве основного участка при взаимодействии со специфическими мотивами ДНК [195]. Исследования показали, что прямое связывание нуклеосом AP-1 в качестве пионерского фактора в конечном итоге направляет комплекс BAF в эти ограниченные области. Затем BAF-комплекс модифицирует хроматин и стабилизирует взаимодействие pJUN с нуклеосомой. Другие исследования показали, что BAF-комплекс привлекает гистоновые ацетилтрансферазы, что приводит к обогащению H3K27Ac на нуклеосомах [196]. Хотя белки AP-1 могут функционировать независимо как опухолевые супрессоры или онкогены, в основном они служат ключевыми движущими силами онкогенных процессов, идущих вверх по течению. Например, дисрегуляция сигнализации в MAPK-пути может увеличить экспрессию нескольких генов, входящих в состав AP-1 [197].

YAP - ключевой регулятор пролиферации гепатоцитов, регулирующий размер и способность печени к регенерации. Было показано, что ARID1A-содержащий комплекс SWI/SNF ингибирует про-онкогенные транскрипционные ко-активаторы TAZ и YAP. Исследователи установили, что YAP/TAZ имеют решающее значение для раскрытия последствий инактивации SWI/SNF, включая клеточную пролиферацию, приобретение стволовыми клетками сходных черт и канцерогенез печени. Это позволяет предположить, что для включения YAP/TAZ-ответа необходимо соблюдение двух критериев: усиление ядерного накопления YAP/TAZ в результате потери Hippo сигнализации и снижение ARID1A комплекса SWI/SNF посредством генетических мутаций, чтобы вызвать клеточную пластичность и опухолевый генез [198]. Кроме того, сообщалось, что комплекс mTOR 1 (mTORC1) способствует убиквитинированию и протеасомной деградации субъединицы ARID1A. Таким образом, ось mTORC1-ARID1A индуцирует онкогенность за счет YAP-зависимой транскрипции, которая способствует онкогенной пролиферации печени, что указывает на то, что YAP-путь является важным онкогенным драйвером рака печени [199].

Polycomb-group (PcG) - это эволюционно сохраненные белки, участвующие в необратимом и наследуемом глушении экспрессии генов. Репрессивный комплекс PcG 2 (PRC2) представляет собой мультимерный комплекс, который депонирует или связывается со специфическими модификациями гистонов, такими как H3K27me3 и H2AK119ub1, чтобы препятствовать активации генов и удерживать репрессированные домены хроматина [200]. EZH2, каталитическая субъединица PRC2, повышена в различных видах рака и часто ассоциируется с ускоренным ростом опухоли и плохим прогнозом [201].

Согласно предыдущим сообщениям, нарушение эпигенетических антагонистических отношений между комплексом SWI/SNF и PRC2 в первую очередь определяет раннее начало развития опухоли после потери SNF5. В SNF5-дефицитных злокачественных опухолях PcG-мишени подвергаются интенсивному H3K27-триметилированию и репрессии, а делеция опухолевого супрессора SNF5 приводит к повышенной экспрессии EZH2 [126]. Недавние исследования дополнили это наблюдение, показав, что быстрое истощение BAF перемещает репрессивные комплексы Polycomb, PRC1 и PRC2 из плотно занятых регионов, таких как кластеры Hox, в мало-занятые регионы, обычно подавляемые BAF, что приводит к их разуплотнению, приобретению активных эпигеномных характеристик и транскрипционной де-репрессии [202].

Таким образом, история, связанная с SWI/SNF и раком, приобретает интригующую траекторию, когда она пересекается с EZH2 и онкогенными транскрипционными факторами. Эта связь имеет значительные последствия для потенциального исследования и, надеемся, будущего лечения этих опухолей.

В течение многих лет онкологи в основном полагались на не-специфические или недостаточно направленные методы лечения, такие как химиотерапия, которая часто наносит значительный вред здоровым тканям. Недавнее открытие новых генетических или эпигенетических уязвимостей, характерных для рака, в том числе компонентов комплекса SWI/SNF, способно улучшить точную медицину и разработать целевые противораковые терапии [203].

Несмотря на то, что некоторые пациенты с глиобластомой (GBM) первоначально отвечают на лечение алкилирующим ДНК препаратом temozolomide (TMZ), у значительного большинства в конечном итоге развивается терапевтическая резистентность, приводящая к рецидивам опухоли мозга. BRG1 высоко экспрессируется как в опухолевой ткани GBM, так и в клетках GBM, культивируемых in vitro, и имеет решающее значение для поддержания свойств стволовых клеток рака GBM (GSCs), подобных стволовым клеткам [204]. PFI-3, небольшая молекула-ингибитор бромодомена BRG1, повышает восприимчивость клеток GBM к темозоломиду [205]. Более того, дальнейшая разработка структурно родственных аналогов (SRAP) PFI-3 показала большую эффективность, чем PFI-3, в индуцировании антипролиферации и клеточной гибели в клетках GBM [206]. Эти результаты продемонстрировали, что субъединица BRG1 в составе SWI/SNF играет критическую роль в регуляции чувствительности к TMZ.

ARID1A мутирует более чем в 50 % clear cell карцином яичников. Используя скрининг малых молекулярных эпигенетических ингибиторов, Bitler и др. выявили ингибитор EZH2. Их исследование показало, что ингибирование метилтрансферазы EZH2 действует синтетическим летальным образом на клетки рака яичников с мутацией ARID1A, причем мутации ARID1A коррелируют с ответом на ингибитор EZH2 [207]. Эти данные позволяют предположить, что фармакологическое ингибирование EZH2 может стать новой стратегией лечения рака с мутациями ARID1A. Однако в раках с мутацией ARID1A наблюдается резистентность к ингибиторам EZH2, и последние данные позволяют предположить, что в основе приобретенной резистентности к ингибиторам EZH2 лежит переключение каталитических субъединиц SWI/SNF с SMARCA4 на SMARCA2 [208]. Потеря SMARCA4 приводит к повышению регуляции антиапоптотических генов в клетках, устойчивых к ингибиторам EZH2. Следовательно, устойчивые к ингибиторам EZH2 ARID1A-мутированные клетки становятся высокочувствительными к ингибиторам BCL2, таким как ABT263, что позволяет предположить, что ингибирование BCL2 отдельно или в комбинации с ингибированием EZH2 представляет собой улучшенную терапевтическую стратегию для ARID1A-мутированных раков.

Важно отметить, что Tazemetostat стал первой эпигенетической терапией, одобренной FDA для солидных опухолей, которая направлена на EZH2 в саркомах с инактивирующими мутациями в SMARCB1 [209].

В случае HCC потеря ARID1A предотвращает клеточную гибель, вызванную лишением глюкозы. Одной из мишеней ARID1A является ген убиквитин-специфической пептидазы 9 X-linked (USP9X), где AIRD1A рекрутирует гистоновую деацетилазу к промотору USP9X, что приводит к подавлению USP9X и его мишени, протеинкиназы AMP-активируемой каталитической субъединицы a2 (PRKAA2). Потеря ARID1A привела к повышению уровня ацетилирования H3K9 и H3K27 на промоторе USP9X, что привело к повышению экспрессии USP9X и PRKAA2, которые опосредуют адаптацию опухолевых клеток к глюкозному голоданию [210]. Таким образом, таргетирование оси USP9X-аденозин-5'-монофосфат-активируемая протеинкиназа (AMPK) может стать новой терапевтической стратегией у больных HCC с мутацией ARID1A.

Для решения проблемы растущей заболеваемости раком потребуются инновационные стратегии наблюдения и профилактики. Кроме того, необходимо разработать более эффективные системные методы лечения. В том числе для устранения специфических уязвимостей мутантных раков SWI/SNF, таких как синтетическая летальность, наблюдаемая при использовании ингибиторов EZH2. Сочетание терапии, ингибирующей BCL2 или другие пути выживания, с этими целевыми методами лечения может значительно улучшить результаты. Изучение механизмов резистентности и потенциальных комбинированных методов лечения будет иметь решающее значение для разработки комплексных стратегий лечения этих видов рака.

Роль эпигенетических модуляторов в прогрессии опухоли была хорошо известна с момента появления полногеномного секвенирования рака, что особенно подчеркивает обширные опухоль-супрессивные функции субъединиц SWI/SNF. В последние годы значительно улучшилось понимание молекулярных механизмов, важности различных субъединиц SWI/SNF в развитии и регенерации органов, а также их участия в прогрессировании множества злокачественных новообразований. Нарушение активности SWI/SNF в энхансерах, уклонение от ареста клеточного цикла G0, индукция клеточной пластичности через активацию про-онкогенов и антагонизм с комплексами группы Polycomb (PcG) - ключевые молекулярные механизмы, на которые можно направить терапевтическое воздействие при раке, вызванном инактивацией SWI/SNF. Учитывая широкий спектр опухолей, ассоциированных с мутациями SWI/SNF, дальнейшие исследования, направленные на остаточные комплексы SWI/SNF, также имеют значительный потенциал для продвижения терапии рака.

Динамические комбинации субъединиц SWI/SNF добавляют еще один уровень сложности, что имеет важные последствия для механистических, фенотипических и клинических исследований. Хотя стало очевидно, что инактивирующие мутации, затрагивающие определенные субъединицы SWI/SNF, могут обеспечивать специфическую зависимость от отдельных генов или путей, до сих пор неясно, применимы ли какие-либо общие корреляции ко всем злокачественным новообразованиям, связанным с SWI/SNF, что является важной темой и продолжает оставаться областью исследований. Хотя комплексы SWI/SNF действительно обладают опухолевыми супрессорными функциями, существует опасение, что воздействие на конкретные субъединицы может ускорить развитие рака, а не подавить его. Это связано с тем, что оставшиеся комплексы могут приобрести новые, потенциально онкогенные функции [211]. Высокопроизводительные скрининговые анализы эффективны для выявления синтетической летальности зависимостей или сходных отношений. Однако пока неизвестно, будут ли зависимости, обнаруженные с помощью клеточных линий, достаточно мощными для применения в качестве терапевтических мишеней в клинических испытаниях.

В ближайшие годы неизбежно произойдет дальнейший прогресс, который, как ожидается, позволит найти новые подходы к терапии злокачественных опухолей у мутантов SWI/SNF.