FROM DEVELOPMENTAL DISORDER TO HERITABLE CANCER: IT'S ALL IN THE BMP/TGF-β FAMILY
Kristin A. Waite, Charis Eng Nature Reviews Genetics4,No 10, 763-773 (2003); doi:10.1038/nrg1178
Transforming growth factor-β (TGF-β) regulates many cellular processes through complex signal-transduction pathways that have crucial roles in normal development. Disruption of these pathways can lead to a range of diseases, including cancer. Mutations in the genes that encode members of the TGF-β pathway are involved in vascular diseases as well as gastrointestinal neoplasia. More recently, they have been implicated in Cowden syndrome, which is normally associated with mutations in the phosphatase and tensin homologue gene PTEN. Molecular studies of TGF-β signalling are now showing why mutations in genes that encode components of this pathway result in inherited cancer and developmental diseases.
Рис.3. | Germline BMPR2 mutational spectrum in primary pulmonary hypertension.
Рис.4. | Germline mutations in ENG in hereditary haemorrhagic telangiectasia.
Рис.5. | Germline mutations in ACVRL1 in hereditary haemorrhagic telangiectasia.
Рис.6. | Germline mutations in MADH4 in juvenile polyposis syndrome.
Рис.7. | Spectrum of germline mutations in BMPR1A in juvenile polyposis syndrome.
Boxes
Box 1 | Mutation nomenclature
Mutation Nomenclature Committee has put forward detailed guidelines for the unambiguous description of sequence variation (see online links box). Nucleotides are designated by the bases A (adenine), C (cytosine), G (guanine) and T (thymidine). In a cDNA sequence (denoted by 'c.'), nucleotide position is indicated as follows: nucleotide +1 is the A of the ATG-translation initiation codon, whereas -1 is the nucleotide 5' of the ATG-translation initiation codon.
The position of the start of the intron is indicated as follows: the number of the last nucleotide of the preceding exon, a plus sign (+) and the position in the intron; for example, c.77+1G or c.77+2T. The end of the intron is denoted as follows: the number of the first nucleotide of the following exon, a minus sign (-) and the position upstream in the intron; for example, c.78-1G. In the middle of the intron, the numbering changes from 'c.77+...' to 'c.78-...' (note that opinions at present do not favour descriptions that use the format c.IVS1+1G and c.IVS1-2G). In genomic DNA, nucleotide numbering should start with +1 on the basis of the numbering used in the database reference file.
Substitutions are designated by the symbol '>'; for example, c.882G>A means that a G at position 882 has been substituted with an A, c.882+1G>A denotes a G to A substitution at nucleotide +1 of an intron (in the cDNA positioned between nucleotides 882 and 883) and c.882-3G>A denotes a G to A substitution at nucleotide -3 of an intron (in the cDNA positioned between nucleotides 882 and 883).
Deletions are designated by the abbreviation 'del' after the first and last nucleotide that has been deleted; for example, c.882-5delAAAG denotes a deletion of AAAG between nucleotides 882 and 885. Analogously, duplications are designated by the abbreviation 'dup' after the first and last nucleotide that is affected.
Insertions are designated by the abbreviation 'ins' after the nucleotides that flank the insertion site, followed by the nucleotides that have been inserted; for example, c.76-77insT means that a T was inserted between nucleotides 76 and 77.
Inversions are designated as 'inv' after the first and last nucleotides that are affected; for example, c.203-506inv (or 203-506inv306) indicates that 304 nucleotides have been inverted between positions 203 and 506.
Box 2 | Inherited hamartomatous polyposis syndromes and their susceptibility genes
|
The inherited hamartomatous polyposis syndromes include juvenile polyposis syndrome (JPS), (PJS), (BRRS), (CS) and (HMPS). Each of these syndromes is clinically distinct and has different susceptibility genes (see table below). For example, the polyps in PJS, JPS and sometimes BRRS are symptomatic, which leads to , bleeding and obstruction. By contrast, CS are tiny and often asymptomatic79. PJS is a rare autosomal dominant inherited cancer syndrome that is characterized by gastrointestinal hamartomatous polyposis (the PJ polyp) and a risk of gastrointestinal and breast carcinomas. Germline mutations in the serine/threonine kinase 11 gene (LKB1), on 19p, which encodes a serine-threonine kinase, have been found in up to 60% of PJS 80-82. Whether or not there is another minor susceptibility gene on 19q is controversial83.
CS, which is both under-recognised and under-diagnosed, is an autosomal dominant inherited cancer syndrome that is characterized by multiple hamartomas and a high risk of breast, thyroid and 71. Germline mutations in the phosphatase and tensin homologue gene have been found in 80% of classic CS probands84, 85. BRRS is a rare congenital disorder that is characterized by megencephaly, developmental delay, and speckled penis86. Until PTEN was associated with 60% of BRRS cases, the risk of breast and thyroid cancers was not appreciated87. One HMPS locus, which was initially erroneously mapped to chromosome 6, has now been localized to 15q13-q14 and identified as a founder locus among the Ashkenazim88.
Пути transforming growth factor-β (TGF-β) регулируют многие процессы, включая пролиферацию клеток, адгезию и дифференцировку, , воспаление, заживление ран и развитие скелета. Неудивительно, что передача сигналов TGF-β участвует в различных заболеваниях человека.
Получены доказательства, что нарушения путей TGF-β могут приводить к туморогенезу. В обзоре рассматривается роль пути bone morphogenetic protein (BMP)/TGF-β наследуюемых неопластических (пролиферативных) сосудистых нарушениях и опухолевых синдромах, (HHT), (PPH), и (JPS), которые вызывают предрасположенность индивидов к ракам ЖКТ. Известно, что соматические мутации потери функции в кодирующих mononucleotide repeat tract в гене, кодирующем TGF-β receptor II (TGF-βRII) появляются в большинстве колоректальных раков у пациентов с наследственным неполипозным синдромом (), который обусловливается мутациями в зародышевой линии в генах mismatch-repair1.
The big picture: pathway overview
Передача сигналов TGF-β будет рассмотрена кратко, подробности см. .
Члены семейства TGF-β структурно родственны секретируемым цитокинам, которые включают изоформы TGF-β, активины и BMPs. Члены этого семейства соединяются с type II serine/threonine kinase рецепторами, это сопровождается гетеромерным связыванием с type I рецепторами (serine/threonine kinase рецепторами) (Рис. 1). Это ведет к обязательному фосфорилированию type I рецептора с помощью type II рецептора, с последующей активацией рецептора и трансдукцией сигналов вниз через посредство SMAD белков.
Имеется три типа SMAD белков: common partner SMADs (Co-SMADs), receptor-regulated SMADs (R-SMADs) и inhibitory SMADs (I-SMADs). Активация TGF-β и activin ведет к активации TGF-β/activin R-SMADs (Рис. 2), тогда как активация BMP рецепторов приводит к активации R-SMADs. Как только R-SMADs оказываются фосфорилированными в результате активации рецепторного пути, то они образуют комплекс с Co-SMAD, SMAD4. Этот комплекс транслоцируется в ядро, где он соединяется с ДНК или прямо или косвенно (посредством ДНК-связывающих белков), чтобы регулировать транскрипцию генов-мишеней. Рис. 1 показывает, что имеется огромный потенциал для взаимного общения между кофакторами разных сигнальных путей, это м. вносить вклад в модуляцию передачи сигналов TGF-β.
TGF-β/BMP in inherited vascular disorders
BMPR2 and PPH. является аутосомно доминантным нарушением с пониженной пенетрантностью и превалированием у женщин. Он характеризуется облитерацией малых лёгочных артерий и , это ведет к постоянному повышению легочной сосудистой резистентности, легочной гипертензии и . Ни рак, ни полипы ЖКТ не задокументированы в качестве компонентов PPH.
Позиционное клонирование привело к картированию предполагаемого локуса чувствитеьности к PPH в 2q33, без признаков 8-10. Поиск гена-кандидата был ускорен Human Genome Project, приведшим к открытию, что мутации потери функции в зародышевой линии находятся в гене bone morphogenetic protein receptor type 2 (), который обусловливает семейную PPH11, 12 (Рис. 3). Анализ мутаций из 74 неродственных семей с PPH показал, что 37 (50%) несут мутации BMPR211-13. Изучение серии из 50 неродственных пациентов с очевидной спорадической PPH показало, что 13 (26%) несут в зародышевой линии мутацию BMPR2 (14). Эти неожиданные мутации в зародышевой линии были отнесены к мутациям de novo и характеризовались пониженной пенетрантностью, хотя молекулрная основа остальных случаев остаётся неизвестной14.
Спектр мутаций BMPR2 показывает, что большинство — 30 (75%) из 41 уникальной мутации — находится в лиганд-связывающем и киназном домене, хотя эти домены составляют менее половины кодирующих последовательностей (Рис. 3). Хотя только 13 из этих 41 мутаций являются missense, ни одна из них не находится в экзонах, которые кодируют цитоплазматический конец (Рис. 3). Мы м. следовательно, пердполагать, что укорачивающие мутации в любой позиции кодирующей области нарушают функцию BMPR-II и ведут к 13. Более того, м. предположить, что миссенс мутации, которые появляются исключительно в лиганд-связывающем или киназном домене. вызывают потерю функции. Интересно, что 7 из 13 missense мутаций затрагивают цитеиновые остатки (Рис. 3), которые напоминают миссенс мутации в зародышевой линии прото-онкогена, который вызывает (15). Несмотря на спектр PPH мутаций не выявлено очевидных генотип-фенотип ассоциаций.
Воздействие на сосудистые гладкомышечные клетки людей и крыс BMPR-II лигандами и обусловливает подавление роста 16. 17. Также было показано, что BMPs супрессируют пролиферацию гладкомышечных клеток из легочных артерий здоровых индивидов18. Напротив, BMPs не супрессируют пролиферацию в клетках, полученных от пациентов с PPH18. На базе этих наблюдений было предположено, что мутации потери функции в BMPR2 должны прерывать пути передачи сигналов вниз и тем самым вызывать усиление пролиферации. Это подтверждается тем фактом, что экспрессия BMPR-II в клетках из лёгочного сосудистого эндотелия снижене у PPH пациентов, которые несут BMPR2 мутации19. В самом деле, гиперпролиферация лёгочного сосудистого эндотелия обнаруживается у пациентов с germline мутациями в BMPR2.
Несмотря на отсутствие генотип-фенотипических ассоциаций выявлены некоторые ведущие пути биохимических последствий мутаций BMPR2. Мутации, которые затрагивают внеклеточный домен и/или киназный домен BMPR-II нарушают способность передачи сигналов рецепторами особенно на транскрипционном уровне20, 21. Мутации в цистеиновых остатках уменьшают транслокацию рецепторов в плазматическую мембрану, связывание лиганда и базовую, а также стимулированную транскрипционную активность20, 21. Мутации во внеклеточном домене дают белки, которые мигрируют быстрее при , это указывает на то, что эта мутантная форма лишена посттрансляционных модификаций, которые присутствуют в белке дикого типа. Эта пост-трансляционная модификация м.б. важной для гетеродимеризации BMPR-II с type I BMP рецепторов21. Интересно, что мутации остатков иных нежели цистеин дают белки с нормальным субклеточным транспортом и связыванием лиганда, но их способность передавать транскрипционную активность снижена20, 21.
Хотя BMPR-II структурно сходны с др. рецепторами сверхсемейства TGF-β, они имеют более длинный цитоплазматический хвост, функция которого неизвестна. Пациенты с PPH , которые имеют мутации в цитоплазматическом хвосте BMPR-II имеют укороченный белок21, это указывает на то, что цитоплазматический хвост играет критическую биохимическую функцию. Мутации в цитоплазматическом хвосте, по-видимому, не вызывают функцинальных изменений в биохимической активности белка, на уэто указывают измерения транскрипционной активации пути SMAD20, 21. Это указывает на то, что BMPR-II м. участвовать в SMAD-независимом пути, который регулирует клеточную пролиферацию; среди нескольких кандидатов имеются пути, которые регулируются с помощью киназ, таких как mitogen-activated kinase, JNK и p38 (22, 23). In vitro исследования показали, что активация p38 и индуцированная сывороткой пролиферация увеличиваются у мутантов BMPR-II20. Это указывает на то, что не только мутации в BMPR2 редуцируют tumour-suppressive пути, которые регулируются с помощью SMADs, но они м. также увеличивать pro-proliferative пути. Возможно, что цитоплазматический хвост негативно регулирует пролиферативные пути, такие как mitogen-activated protein kinase (MAPK) каскад, хотя эта гипотеза нуждается в экспериментальном подтверждении.
Альтерации в BMPR2 зародышевой линии дают белок, который укорочен или имеет измененный лиганд-связывающий домен, это м. указывать на гаплонедостаточность (haploinsufficiency)13. Когда эти естественно возникшие мутации экспрессировали в системе in vitro, то они они обнаруживали потерю функции, что подтверждало идею гаплонедостаточности в качестве механизма и in vivo13. Уменьшение пенетрантности и связанные с полом фенотипические проявления указывают на то, что эта germline гаплонедостаточность, хотя и необходима, но недостаточна для объяснения PPH фенотипа11, 13, 14, 24. Была предположена необходимость второго генетического "удара" ('hit'), а также пол-ассоциированных и вообще средовых факторов. Однако присутствие вторых генетических или эпигенетических ударов не были исследовано. Др. не-генетическими вторыми уджарами м.б. серотонином-регулируемые пути, т.к. гладкомышечные клетки из лёгочных артерий пациентов с PPH обнаруживают повышенную пролиферацию по сравнению с контрольными клетками после стимулирования серотонином25. Это коррелирует с увеличением функции серотониновых транспортеров. Остаётся определить, м. ли мутации на этом пути, регулируемом серотонином, быть вторичным генетическим воздействием.
Интересно, что сосудистая пролиферация при PPH является моноклональной, это напоминает неопластическую пролиферацию, в противоположрность той, что встречается при secondary pulmonary hypertension, которая является поликлональной13, 14, 24. Тот факт, что PPH-ассоциированная сосудистая пролиферация является моноклональной, подтверждает модель гаплонедостаточности, согласно которой одиночная мутация зародышевой линии ведет к ранней сходной с неопластической сосудистой пролиферации. Напротив при secondary pulmonary hypertension имеется несколько соматических генетических ударов, каждый из которых м. потенциально повреждать разные клетки, обусловливая тем самым пролиферацию из многих клональных источников.
ALK1 and endoglin in HHT
HHT (известен также как Osler-Weber-Rendu синдром), встречается в популяции с частотой 1:40,000, является аутосомно доминантным нарушением, которое характеризуется 25? 27. Т.к. разные органы м. содержать такие сосудистые повреждения, то пациенты м. иметь широкий круг клинических проявлений. Обычно это от красных до фиолетовых, появляющиеся на пальцах, лице, слизистой носа и щёк и в ЖКТ. Кровотечение из носа и в ЖКТ с возрастом прогрессируют и м. развиться хроническая анемияe. Лёгочеые артериовенозные уродства встречаются в 20% случаев и протекают бессимптомно вполь до 20- или 30-летнего возраста. 10% смертности при HHT почти всегда является результатом гемморагических инсультов и/или абсцессов говлоного мозга27, 28. Рак и полипы ЖКТ не характерны для HHT.
Позиционное клонирование привело к картированию двух HHT локусов: HHT1 () на 9q33-q34 и HHT2 () на 12q11-q14 (29–31). Мутации зародышевой линии в ENG, который кодирует endoglin, ассоциированы с семьями с HHT1 (Рис. 4), тогда как мутации в ACVRL1 ассоциированы с HHT2 (32, 33) (Рис. 5). Относительное превалирование HHT, вызыванных мутациями в ENG и ACVRL1, обнаруживает региональную изменчивость. В одном из исследований 32 западно-Европейских HHT семей, выявлено 7 разных мутаций зародышевой линии в ENG в 8 неродственных семьях (25%)34. Среди остальных 24 семей 4 информативные семьи не имели ENG мутаций на 9q и определенно составляли случаи HHT2. Не выявлено генотип-фенотипических ассоциаций в самом ENG, т.к. мутации были разбросаны по всему гену и давали сходные фенотипы в этих 8 семьях. Однако подтверждено ранее высказанное подозрение27, 35, частоты легочных артериовенозных нарушений выше в семьях, которые несут мутации ENG, по сравнению с теми, которые их не имеют; последние были преимуществнено ассоциированы с мутациями ACVRL1 (40% против 14%; P<0.01)34. Напротив в исследовании 7 семей HHT, которые выявлены в Akita префектуре в Японии, 5 семей (71%) имели укорачивающие мутации в зародышевой линии гена ENG36; все 5 семей включали членов с легочными артериовенозными уродствами. Две семьи с идентичными c.828-9insA мутациями (о номенклатуре мутации в Box 1), имели общие 9 гаплотипы, которые указывали на то, что HHT в этих семьях м. произойти от общего родоначальника. Среди 11, по-видимому, неродственных HHT семей в Leeward Islands of the Netherlands Antilles, 10 (91%) имели мутации в зародышевой линии в ENG37. Эти 10 семей обладали общими только двумя 9q гаплотипами и двумя мутациями родоначальницами: c.1238G>T (3 семьи) и IVS1+1g>a. Мутация IVS1+1g>a, как полагают, произошла от африканского или антильского родоначальника. Т.к. мутация c.1238G>T и ассоциированный с ней гаплотип были найдены в датских HHT родословных (семьях), то их родоначальник скорре всего выходец из Дании. Эти м. объяснить высокое превалирование HHT на этих островах.
Мутации зародышевой линии в ACVRL1 м.б. обнаружены во всех информативных семьях, которые сцеплены с 12q33, 38, 39 (Рис. 5). Эти мутации затрагивают экзоны 2–10 из ACVRL1 open reading frame (ORF). Большинство мутаций обнаружено в экзонах 8 и 3, затем в экзонах 4 и 7 (39) (Рис. 5). В отличие от спектара ENG мутаций (Рис. 4), missense мутации широко распространены в ACVRL1 и они формируют кластеры в одной из двух областей: или киназном домене или во внеклеточном домене. Моделирование 11 из этих missense мутаций, которые были расположены в киназном домене, на трехмерной структуре гомологичной ALK5 показало, что каждая из них меняет полярность, заряд, гидрофобность и/или размер замещаемой аминоксилоты, это ведет к образованию неправильно уложенного и нефункционального белка39. Напр., 4 мутации, которые затрагивают последовательные аминокислоты остатков 374–376, расположены в петле, которая предшествует α-EF спирали субдомена VIII, который содержит Ala-Pro-Glu мотив, сильно законсервированный у всех протеин киназ. Они располагаются непосредственно выше консенсуса serine–threonine субстрат-специфичного кармана40. Одиночная мутация R484W лежит в non-activating non-downregulating (NANDOR) BOX, который является высоко законсервированным среди type I TGF-β рецепторов млекопитающих и который является критическим для передачи сигналов, индуцированной лигандом в TGF-β рецепторах, и для подавления. Мутации или делеции NANDOR BOX элиминируют TGF-β-зависимую транскрипционную активность, мутагенез и фосфорилирование type 1 рецепторов в культурах41. Однако интектный мотив не нужен для этой активности в эпителиальных культурах41. Считается, что мотив NANDOR-BOX характеризует клеточно-специфическую потребность, которая участвует в модулировании подавления TGF-β рецепторов. Следовательно, R484W почти опредленно вызвает потерю функции и данные in vitro, свидетельствующие в пользу специфического для мезенхимы эффекта, д. подтверждать фенотип, обнаруживаемый при HHT. Однако неожиданное отсутствие др. мутаций в этом критическом функциональном мотиве м. указывать на то, что др. мутации в NANDOR BOX м. приводить к эмбриональной гибели.
Endoglin, который является белковым продуктом гнена ENG, является гомодимерным трансмембранным гликопротеином, который экспрессируется на поверхности эндотелиальных клеток. Он действует как ко-рецептор для TGF-β1 и TGF-β3 в присутствии TGF-β type II рецептора. Хотя endoglin не соединяется непосредственно с лигандами, он соединяется с TGF-β рецепторами I и II, после того как они будут связаны с лигандом, посредством цитоплазматического и внеклеточного доменов endoglin42. Взаимодействие с type I рецепторами происходит, когда киназный домен неактивен42. Напротив, взаимодействие с type II рецепторами м. происходить и когда киназный домен активен и неактивен. Благодаря своему связыванию endoglin регулирует фосфорилирование type II рецепторов с помощью еще неустановленного мехзанизма. Независимо от механизма присоединение endoglin ведет к повышению активации TGF-β рецепторов, это ведет к вопышению фосфорилирования Co-SMADs активированию дальнейших нижестоящих событий. Следовательно, избыточная экспрессия endoglin модулирует клеточные реакции на TGF-β43.
Точно также как регулируя TGF-β пути, endoglin оказывается акцессорным белком и для BMP пути44, это указывает на то, что мутации endoglin м. затрагивать несколько путей, а , следовательно, вызывать ряд нижестоящих эффектов.
Хотя точный механизм того, как ENG мутации вызывают HHT, неизваестен, однако изучение последствий этих мутаций на уровне белка начаты. Все идентифицированные мутации появляются во внеклеточной части белка, большинство из них нонсенс мутации, хотя встречаются также инсерции, делеции и изменения мест сплайсинга (>Рис. 4). Большинство таких мутаций вызывает преждевременное окончание, это указывает на две потенциальные модели болезни: экспрессия доминантнонегативного белка и гаплонедостаточность. Модель гаплонедостаточности была предложена первой, когда in vivo, а затем in vitro было показано, что эти мутации продуцируют белок, который или не экспрессируется или не секретируется34, 45, 46. На базе этих резульлтатов Lux и др. предположили, что некоторые мутации м. действовать доминантно негативным способом: если ко-экспрессируются с endoglin дико типа, то missense мутантная форма способна димеризоваться с белком дикого типа и транслоцироваться в плазматическую мембрану 47. Однако последующие работы с использованием эндотелиальных клеток от HHT новорожденных показали, что мутантные белки не м.б. обнаружены на клеточной поверхности и не м. димеризоваться с рецепторами дикого типа48. Всё ещё необходимо определить, играют ли доминантно-негативные мутации роль в HHT, изучить эффекты каждой мутации, это сможет пролить свет на индивидудальную природу патогенеза болезни.
Потенциальная роль мутаций второго удара в HHT не была исключена. В самом деле, результаты, полученные на мышиных моделях, показывают, что др. генетические факторы м. участвовать в HHT. Мыши, гетерозиготные по endoglin, обнаруживают физические проявления HHT, такие как mucocutaneous telangiectasia и внешние кровотечения49, 50. Кроме того гетерозиготные мыши обнаружтивают снижение экспрессии endoglin в васкулатуре и обнаруживают аномалии в cerebral и aortic васкулатуре51. Интересно, что степень и тип проявлений HHT в разных моделях зависят от линии мышей, которая исследовалась, это указывает на то, что , в комбинации с ENG гаплонедостаочностью м. участвовать в прогрессировании HHT50.
Одинаково с BMPR-II, endoglin имеет критические цистеиновые остатки. Биохимический анализ показал, что цистеины на C-терминальной порции внеклеточного домена м.б. не важными для образования внутримолекулярных дисульфидных связей 47. Напротив цистеиновые остатки в N-терминальной порциии внеклеточного домена являются важными для внутримолекулярных связей. Более того, endoglin имеет PDZ-связывающий мотив (S/T(X)Z), который м.б. критическим для правильной субклеточной локализации47. Белки, которые содержат домен PDZ соединяются с др. белками и, как было показано, являются важными для комплексов сигнальной трансдукции и/или транспорта белков52, 53. Остается определить, является ли PDZ-связыважщий домен endoglin необхоимым для этой функции.
ALK1 является type 1 рецептором для TGF-β1, 2 и 3 и когда он активирован, то вызывает фосфорилирование BMP реуепторов, которые регулируют SMAD1, 5 и 8. Экспрессия ACVRL1 сильно ограничена эндотелиальными клетками; , следовательно, в этих клетках TGF-β активирует конвенциональные TGF-β рецепторы SMADs (2 и 3) и те SMADs, которые являются нижестояшими BMP оецепторами. Мутации в ACVRL1 включают делеции, инсерции и нонсенс мутации, которые, как полагают, доаю укороченные белки (Рис. 5). Т.к. в ENG некоторые из этих мутаций дают нестабильные блковые продукты, то это подтверждает гаплонедостаточность в качестве модели болезни38, 39. Пониженные уровни белка были выявлены в HHT2 семьях, это указывает на то, что мутантный белок неправильно упаковывается и деградирует39. HHT2 ассоциируют с более легким фенотипом, чем HHT1, воозможно из=за того, что endoglin проявляет свои биохимические свойства выше ALK1, так что он м. участвовать в большем количестве путей (Рис. 1). Это подтверждается и тем фактом, что endoglin м. взаимодействовать с большим количеством белков на TGF-β пути, чем ALK1.
MADH4 and BMPR1A in inherited cancers
По крайней мере два члена TGF-β/BMP/SMAD пути участвуют в этиологии JPS24,54-56. Несмотря на своё название, JPS имеет бимодельный возраст в диагнозе: детство и середина 50s. JPS является одним из нескольких аутосомно доминантно наследуемых синдромов hamartoma polyposis (Box 2). Он диагностируется чаще, чем др. наследуемые синдромы hamartoma polyposis57. Он характеризуется гамартоматозными полипами в ЖКТ (в этом случае, juvenile полипы) и риском фозникновения рака в ЖКТ. Подсчёты риска рака колеблются в пределах 10–50% а течение жизни, более часто встречается colorectal рак58-61, хотя существует риск и возникновения рака желудка, тонкого кишечника и поджелудочной железы. Частоты рака в последние годы падают благодаря клиническому уходу и превентивному рецепторы . Раки вне ЖКТ не выявляются. Др. проявления, такие как врожденные сердечные заболевания и микроцефалия, встречаются в 10% случаев JPS58-61.
Мутации зародышевой линии у матерей в гене mothers against decapentaplegic homologue 4 , который кодирует SMAD4, и в , который кодирует рецептор для BMP, ассоциированы с 15–20% м 20–25% случаев JPS, соотв.54-56 (Рис 6 и 7). Recurrent 4-bp делеция в экзоне 9 MADH4не объясняет эффет основателя, а скорее всего представляет собой мутационную 'горячую точку'54, 62. Не выявлено каких-либо генотип-фенотиписескийх ассоциаций среди MADH4 или BMPR1A мутаций. Однако мутации зародышевой линии в MADH4, по-видимому, ассоцированы с гигантскими полипами желудка в родословныз JPS в противоположность мутациям BMPR1A63, 64 (Рис 6 и 7). Более того, JPS индивиды с MADH4 мли BMPR1A мутациями стремятся иметь от 10 или более полипов в нижней части ЖКТ, а в семейной истории обнаруживаются раки ЖКТ, жто находится в контрасте с теми JPS индивидами, которые не несут мутаций в этих генах63, 64. Индивиды с JPS, которые несут мутации зародышевой линии в BMPR1A или MADH4 обнаруживают клинический фенотип в более позний перирод жизни посравнению с теми, которые не имеют таких мутаций 64. Наше объяснение жтому заключается в том, что индивиды, которые не несут таких мутаций, м. иметь др. hamartoma polyposis синдромы, которые обычно обнаруживаюися в ранний период жизни, такие как Bannayan–Riley–Ruvalcaba синдром (Box 2).
За исключением трёх укорачивающихъ мутаций большинство MADH4 мутаций при JPS возникают в C-терминальной половине гена (Рис. 6), которая высоко законсервирована и кодирует домен гомо-олигомеризации SMAD4 и домен транскрипционной активации65. Гомо-оллигомеризация, как полагают, необходима для для образования гетро-олигомеров с др. SMADs66. Неспособность формировать гомо- или гетеро-олигомеры приводит к потере TGF-β-индуцированной передечи сигналов 66. BMPR1A мутации столь же часты в лиганд-свызявающем домене и киназном домене. Одинаково с MADH4 мутациями, BMPR1A мутации в основном вызывют укорочение (Рис. 7). Missense мутации возникают в выско законсервированных остатках и как и предстказывается ведут или к потере связывания лиганда или потре киназной активности56.
Более 50% JPS индивидов несут мутации зародышевой линии или в BMPR1A или MADH4. Возможно, что остальные 50%JPS индивидов имеют крупные делеции или перестройки или мутации в промоторое одного из жтих двух генов, которые ещё не были проанализировны. М. также существовать др. чувствительные гены для JPS — предполагаемые кандидаты м. являться генами, которые кодируют др. члены пути TGF-β/SMAD, хотя не выявлено мутаций зародышевой линии в генах, кодирующихe , , and у JPS пробандов67.
Споры о роли в JPS гена phosphatase and tensin homologue PTEN, который является геном чувствительности для синдрома Cowden syndrome (CS) и BRRS (Box 1), приостановлены блргодаря работе по мутациям зародышевой линии в PTEN у двух индивидов с ювенильными полипами68. Стало ясно, что краткие клинические описания, которые были даны этим случаям, строго указывали на то, что эти индивиды имеют CS или BRRS, но не JPS69. Два исследования были посвящены этому вопросу. В первом в госпитальных исследованиях было установлено наличие мутаций зародышевой линии в PTEN при диагнозе JPS70. Rhulf такой пациент с мутацией в PTEN был повторно и тщательно исследован классически и кожных тестах, то ему был поставлен диагноз CS70. Во втором исследовании 55 тндивидов с диагностипрованным JPS были исследованы и один имел мутацию зародышевой линии в PTEN (J. R. Howe, personal communication). По ретроспективным обзорам становится очевидным, что этот индивид скорее всего имеет CS (J. R. Howe, personal communication). Итак, JPS идивиды, которые несут мутации зародшевой линии в PTEN д.б. ре-классифицированы как имеющиме CS или .
Интересно, что два индивида, у которых был диагностирован CS по всем International Cowden Consortium Criteria71, и которые имели выраженные желудочно-кишечные проявления без мутаций в зародышевой линии в гене PTEN, оба несли мутации зародышевой линии в BMPR1A56 (C. Eng, unpublished observations). В соответствии с молекулярной диагностикой эти CS семьи д.б. ре-классиыицированы, как имеющие JPS. Эти наблюдения указывают на ассоциацию между путями PTEN и BMP. В согласии с этой гипотезой, обработка линии клеток рака груди BMP2, который является лигандом для BMPR-IA, вызывает в результате увеличение уровня белка PTEN. Удивительно то, что это не обусловлено повышением транскрипции посредством пути SMAD, а скорее за счёт снижения протеосомами-обеспечиваемой деградации белка72. Это указывает на то, что мутации в BMPR1A, которые уменьшают уровни белка или связывание лиганда м. вызывать уменьшение экспрессии белка PTENn, это, в свою очередь м. играть роль в патогенезе болезни.
Future directions
Учитывая взаимное общение и взаимодействия путей TGF-β/BMP (Рис. 1), кажется логичным, что по крайней мере субнабор из PPH, HHT и JPS д. обладать некоторыми общими клиническими свойствами. О подобного типа перекрывании сообщалось редко. Напр., только одна семья сегрегировала по HHT и PPH, и ка было установлено несла мутации в ACVRL173. Хорошо известно, что помимо кишечных признаков JPS имеет и др. характеристики, такие как кардиальные уродства и микрофталмию, хотя они и не были достаточно хорошо изучены и их действительные частоты неизвестны. Сходным образом, один случай JPS с мутацией в зародышевой линии в MADH4 характеризовался также лёгочными артериовенозными нарушениями63 и м. также иметь HHT, однако ниr ENG ни ACVRL1 не были проанализированы у этого пробанда. Тем не менее ни один из вне-синдромных признаков не был систематически изучен при PPH, HHT или JPS. На базе TGF-β/BMP путей м. предсказать, что пропорция индивидов с JPS, которые являются результатом мутаций зародышевой линии в MADH4, будут обладать признаками HHT и/или PPH, т.к. SMAD4 функционирует в финальном общем пути ниже endoglin, ALK-1 и BMPR-II. Сходным образом, субнабор индивидов PPH с BMPR2 мутациями м. иметь ювенильные полипы, из-за дефектной передачи сигналов через BMPR-IA и SMAD4 (Рис. 1). Однако обратное — JPS индивиды с PPH, которые несут BMPR1Aмутации — нельзя предсказать, если мы постулируем, что взаимодействия BMPR-II с ALK2 или ALK6 являются важными для PPH, т.к. это позволит обходить мутантный BMPR-II путь (Рис. 1). Следовательно, важно предпринимать систематические генетические и клинические исследования JPS индивидов с и без MADH4 или BMPR1A мутациями, по признакам HHT и PPH, также как и исследования PPH и HHT индивидов с и без мутациями зарддышевой линии в их соотв. генах, на наличие ювенильных полипов.
Сходным образом, учитывая особую роль пути BMP в развитии хрящей необходимо систематически проверять наличие, частоты и тип кардиальных аномалий у индивидов с мутациями BMPR1A и BMPR2. Эти клинические и генетические исследования важны не только для лучшего понимания взаимодействий это сложного сверхсемейства, но и для получения данных, базирующихся на клинической генетике рака.
Могут ли более одной мутации зародышевой линии, кодирующие BMP/TGF-β сверхесемейство вызывать PPH, HHT или JPS? Это не выявляется в исследованих сцеплений, т.к. частоты мутаций в каждом чувствительном локусе для этих синдромов относительно низки по сравнению с др. наследственными синдромами. По крайней мере для MADH4 и BMPR1A, крупных делеций и промоторных мутаций не выявлено индивидов с JPS. Однако за исключением эффекта основателя такие промоторные мутации или большие делеции м. объяснить не менее 10–15% внутригенных негативных мутаций у пробандов, как это видно на примере ретинобластомы, von Hippel-Lindau и Cowden/Bannayan–Riley– Ruvalcaba синдромов74-77. Следовательно,возможно, что мутации или вариации в более чем одном гене, кодирующими членов сверхсемейства, м. играть этиологическую роль в PPH, HHT и JPS. Если немногие генотип-фенотипические ассоцииации будут появляться в контексте неполной пенетрантности — как это напр., происходит в случае мутаций зародышевой линии в BMPR2 и при возникновении PPH и мутаций MADH4/BMPR2 при развити gastrointestinal раков при JPS — то это д.б. модифицирующие локусы и важные ген-средовые взаимодействия. Имеются некоторые доказательства взаимодействия между модифицирующими локусами и мутациями зародышевой линии, которые модулируют фенот ип у мышей, гетерозиготных по endoglin50. У людей PPH, специфические варианты в гене, который кодирует angiotensin-конвертирующие ферменты, мы нашли повышение частоты индивидов с PPH , но с сохранением 78. Возможно, что у индивиды мутации зародышевой линии в BMPR2 м. не проявляться вплоть до того, пока на них не окажут воздействие определенные лекарства. Происходит ли это у индивидов, у которых развился легочный фиброз после успешного лечения bleomycin-содержащими лекарствами против testicular рака? Очевидно, что variant–variant и variant–средовые взаимодействия необходимы для дальнейшего понимания и предсказания развития и тяжести фенотипа, риска возникновнеия опухолей и фармакогенетических взаимодействий
|