KATSAUS Anni Tieva ja Päivi Peltomäki Geenien poikkeava toiminta ja muutokset geenien ilmentymisessä ovat avaintekijöitä syövän synnyssä ja kehityksessä. Syövän alkuperää on tutkittu vuosikymmenten ajan ja viime aikoina on keskusteltu geneettisten ja epigeneettisten tekijöiden suhteellisesta merkityksestä taudin syntyprosessissa. Lisääntyvät todisteet osoittavat epigeneettisten poikkeavuuksien osallistuvan geenien virheelliseen säätelyyn yhdessä geneettisten muutosten kanssa kaikissa syövän kehityksen vaiheissa. Yhtään sellaista syöpää ei ole pystytty tunnistamaan, joka olisi taustaltaan puhtaasti geneettinen tai epigeneettinen. Epigeneettiset muutokset tarjoavat uusia näköaloja syövän diagnostiikkaan, ennusteen arviointiin ja hoitoon. Epigenetiikalla tarkoitetaan sellaista solun informaatiota, jota tarvitaan geenien ilmentymisen säätelyyn mutta jota ei löydy itse DNA:n sekvenssistä. Epigenetiikan keskeiset käsitteet on selitetty tietolaatikossa. Solun epigeneettinen informaatio periytyy tytärsoluille solun jakautuessa, mutta toisaalta tämä informaatio on mahdollista myös ohjelmoida kokonaan uudestaan (Feinberg 2010). Yksilöllä on vain yksi genomi mutta useita epigenomeja. Informaatio, joka ratkaisee, minkälaiseksi solu erilaistuu ja miten solu toimii, ei siis määräydy pelkästään DNA:sta, vaan tämän geneettisen koodin päällä vaikuttaa epigeneettinen profiili (Wong ym. 2007). Epi geneettiset mallit eivät ole täysin stabiileja. Ne voivat muuttua virheellisiksi yksilönkehityksen eri vaiheissa ja myös normaalin ikääntymisen myötä. Tämä selittää yleisen syöpäriskin suurentumisen aikuisiällä (Feinberg ja Tycko 2004). Jo vuodesta 1983 on tiedetty, että epigeneettiset muutokset vaikuttavat syövässä. Kiinnostus epigeneettisiä tekijöitä kohtaan on kuitenkin kasvanut vasta viime aikoina, kun on alettu paremmin ymmärtää epigeneettisten mekanismien taustoja ja niiden vaikutusta syövässä. Näitä epigeneettisiä mekanismeja ovat DNA:n hypometylaatio ja hypermetylaatio, DNA:han sitoutuvien proteiinien modifikaatiot ja mikro-rna- eli mirna-välitteinen sää- Tietolaatikko. Epigenetiikan keskeiset käsitteet. 62 Käsite Epigenetiikka Epigenomi Epimutaatio/epialleeli CpG-saareke CIMP/hypermetylomi Hypermetylaatio Hypometylaatio Selitys Tieteenala, joka tutkii geenien ilmentymisessä tapahtuvia DNA:n emäsjärjestyksestä riippumattomia muutoksia Epigeneettisten muutosten kokonaisuus genomin laajuisena Alleelin epigeneettinen muutos (hypermetylaatio), jonka vaikutus on geenimutaation kaltainen Paljon CpG-dinukleotideja sisältävä alue, joka sijaitsee yleensä geenin promoottorialueella Useiden CpG-saarekkeiden samanaikainen hypermetylaatio Metylaation lisääntyminen Metylaation vähentyminen Duodecim 2012;128:62 71
tely. Kaikki nämä tekijät ovat välttämättömiä normaalin yksilönkehityksen onnistumiselle ja solujen toiminnoille aikuisessa yksilössä (Feinberg ja Tycko 2004, Pogribny ja Beland 2009) (kuva 1). Nykyisin tarjolla on laaja valikoima sekä geenispesifisiä että uusia, koko genomin kattavia menetelmiä normaalien ja syöpäsolujen epigeneettiseen tutkimiseen. Genominlaajuisten metylaation analysointimenetelmien viimeaikainen kehitys onkin huomattavasti laajentanut tietoa DNA:n metylaatioprofiileista normaaleissa soluissa ja syöpäsoluissa. Histonimodifikaatioiden tutkiminen on toistaiseksi ollut vaikeampaa kuin DNA:n metylaation (Esteller 2007). Oligonukleotidi- A Normaali Syöpä Aktiivinen kasvunrajoitegeenin promoottori DNA:n metylaatio Vaimentunut kasvunrajoitegeenin promoottori B Asetylaatio K16 Asetylaatio K16 Asetylaatio K16 Metylaatio Metylaatio Metylaatio K9 K9 K9 H4 H4 H4 Aktiivinen, avoin kromatiini Histonien modifikaatiot H3 H3 H3 Vaimentunut, tiivis kromatiini C Onkogeeninen mirna Onkogeeninen mirna AAAA mirna:n muutokset Kasvurajoitegeeni Kasvurajoitegeeni AAAA Kasvua rajoittava mirna Kasvua rajoittava mirna Onkogeeni AAAA mirna:n muutokset Onkogeeni AAAA Kuva 1. DNA:n metylaatiomuutokset (A), histonimodifikaatiot (B) ja mirna:t (C) syövässä. A) Normaaleissa soluissa kasvunrajoitegeenien promoottorit ovat yleensä metyloimattomia (valkoiset pallot) ja aktiivisia. Syövässä promoottorialueiden CpG-dinukleotidit metyloituvat (mustat pallot), jolloin geeni hiljenee. Nuoli osoittaa transkription aloituskohdan. B) Normaaleissa soluissa aktiivisten kasvunrajoitegeenien yhteydessä oleva kromatiini sisältää aktiivisia histonimerkkejä (H4K16-asetylaatio ja H3K4-metylaatio). Syöpäsoluissa hiljentävät histonimerkit (H3K9-metylaatio, H3K27-metylaatio ja H4K20-(tri)metylaatio) kromatiinissa lisääntyvät johtaen kasvunrajoitegeenien hiljenemiseen. DNA:n metylaatio ja histonien modifikaatiot ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa, ja yhdessä ne sekä aktivoivat että hiljentävät geenejä. C) MiRNA voi toimia onkogeeninä, jos kohteena on kasvunrajoitegeeni (ylempi kuva), ja kasvua rajoittavana, jos kohteena on onkogeeni (alempi kuva). MiRNA säätelee (estää) kohdegeeniään pariutumalla emästen komplementaarisuuden mukaisesti kohdegeenin lähetti-rna:n 3 -alueen kanssa. Onkogeeninen mirna ilmentyy ylimäärin syövässä, kun taas kasvua rajoittava mirna on hiljentynyt. 63
KATSAUS pohjainen mirna-mikrosiruanalyysi on tällä hetkellä suosituin ja tehokkain menetelmä mirna:iden ilmentymisen analysoimisessa (Hatziapostolou ja Iliopoulos 2011). DNA:n metylaatiomuutokset syövässä DNA:n metylaatio on parhaiten tunnettu epigeneettinen modifikaatio. Sillä tarkoitetaan metyyliryhmän (CH3) sitoutumista DNA:n sytosiininukleotidiin, joka selkärankaisten geno missa sijaitsee guaniininukleotidin vieressä (3 -CpG-5 ). DNA:n metylaatio on tärkeää normaalille alkionkehitykselle ja läpi koko elämän. Se on merkityksellistä solun toiminnoissa aikuisessa yksilössä, kuten X-kromosomin inaktivaation ylläpidossa, genomin leimautumisessa, DNA:n toistojaksojen vaimentamisessa, kromatiinin rakenteen säätelyssä ja geneettisen informaation asianmukaisessa ilmentämisessä. Geenien säätelyalueet eli promoottorit ja ensimmäiset eksonit ovat yleensä metyloitumattomia, kun taas metyloituneet CpG-alueet sijaitsevat lähinnä toistojaksoisilla geenien välisillä alueilla. Geenien promoottorien metyloitumaton tila mahdollistaa geenien aktiivisen ilmentymisen tarvittavien transkriptiotekijöiden läsnä ollessa (Pogribny ja Beland 2009). DNA:n metylaatioprofiili on huomattavan vääristynyt syöpäsoluissa: hypometylaatio on luonteenomaista geenien välisille alueille ja samanaikainen hypermetylaatio kasvunrajoite geenien promoottorialueille (taulukko 1). Normaaleissa soluissa metylaatioprofiili on päinvastainen (McCabe ym. 2009). Kasvunrajoitegeenien promoottorialueen hypermetylaatio, kromatiinin hypometylaatio sekä samanaikaisesti tapahtuva kromatiinin hypoasetylaatio ovat yhteydessä geenien vaimentumiseen (Feinberg ym. 2006). Kasvunrajoitegeenien vaimentuminen promoottorialueiden hypermetylaation vuoksi on yksi ratkaisevista tekijöistä usean eri syövän puhkeamisessa ja kehityksessä (Esteller 2007) (Kuva 1A). Promoottorialueen hypermetylaatio vaikuttaa usein sellaisten geenien toimintaan, jotka ovat mukana solusyklin säätelyssä, DNA:n korjauksessa, karsinogeenien metaboliassa, apoptoosissa ja angiogeneesissä. Eri kasvaintyypeille voidaan usein osoittaa erityinen kasvunrajoitegeenien hypermetylaation määrittelemä DNA:n hypermetylomi (Esteller 2008). Joidenkin geenien promoottorit ovat metyloituneita useissa eri syövissä, kuten MLH1-geenin tapauksessa (Morak ym. 2008). Hypermetylaation ohella hypometylaatio on keskeinen ilmiö syövässä ja voi edistää syövän kehittymistä usean eri tapahtuman kautta (taulukko 1). Genominlaajuinen hypometylaatio voi ilmetä jo geenikohtaista hypermetylaatiota aikaisemmin (Feinberg ym. 2006), ja se voimistuu taudin edetessä hyvänlaatuisesta syövän esiasteesta kohti etäpesäkkeitä lähettävää syöpää (Esteller 2008). Lähes kaikkien ihmisen yleisimpien syöpien (paksusuoli-, maha-, keuhko-, maksa-, rinta-, virtsarakko-, munasarja- ja kohtusyöpä) tunnusmerkki on syöpään liittyvä genomin hypometylaatio (Pogribny ja Beland 2009). Taulukko 1. Hypometylaatio ja hypermetylaatio syövässä. Hypometylaatio Hypermetylaatio Esiintyvyys Ilmenee jo varhaisimmissa hyvänlaatuisissa kasvaimissa jopa ennen geenien hypermetylaatiota ja lisääntyy syövän edetessä Ilmenee kasvaimen kehityksen varhaisessa vaiheessa ja lisääntyy syövän edetessä Kohde Toistojaksot, geenejä koodaavat alueet, geenien promoottorialueet Geenien promoottorialueet 64 Mahdolliset vaikutukset ihmisellä Kromosomien epävakaus, leimautumisen häviäminen, onkogeenien aktivaatio, retrotranspositioivien elementtien uudelleen aktivoituminen ja siirtyminen uuteen paikkaan, josta voi seurata translokaatio ja geenien hajoaminen Kasvunrajoitegeenien vaimentuminen, leimautumisen häviäminen A. Tieva ja P. Peltomäki
Paksusuolisyöpä epigeneettisten muutosten kautta syntyvän syövän mallina Paksusuolisyöpä on erinomainen malli syövän tutkimiseen, sillä sen eriasteisiin muutoksiin on helppoa päästä käsiksi. Paksusuolisyöpää on käytetty pitkään syövän klassisena geneettisenä mallina, ja se tarjoaa mahdollisuuden myös epigeneettisten muutosten kautta syntyvän syövän tutkimiseen (kuva 2). Nykyisen ajatusmallin mukaan paksu suolisyöpä voi syntyä ainakin kolmen eri molekulaarisen tapahtumaketjun kautta, joita kuvaavat kromosomien epävakaus (CIN), mikrosatelliittien epävakaus (MSI) ja kasvunrajoitegeenien hypermetylaatioilmiasu (CIMP) (Issa 2008). CIN voi olla seurausta hypometylaatiosta, kun taas MSI viittaa DNA:n kahdentumisvirheiden korjauksen (mismatch repair) puutteellisuuteen kasvainsolukossa. Tämä aiheuttaa virheiden kerääntymistä toistosekvensseihin ja lopulta syöpää. MSI havaittiin aluksi kahdentumisvirheiden korjausgeenien mutaatiosta johtuvana ilmiönä perinnöllisen ei-polypoottisen paksusuolisyövän (Lynchin oireyhtymä) yhteydessä. Vasta myöhemmin todettiin, että erityisesti MLH1-geenin säätely alueen alleeliparin metylaatio voi johtaa samaan lopputulokseen 15 %:ssa sporadisista paksusuolisyövistä (Wong ym. 2007). Noin puolessa CIMP-tapauksista on myös MSI (jolloin MLH1 on yksi metyloituneista geeneistä), ja loput ovat mikrosatelliittien suhteen stabiileja (MSS) (Wong ym. 2007). Paksusuolisyövän kehitystä tutkittaessa on pystytty osoittamaan, että metylaatiomuutosten puhkeaminen ja eteneminen tapahtuvat erityisissä paikoissa genomissa ja juuri tietyssä syövän etenemisen vaiheessa. DNA-metyyli transferaasi DNMT3B:n pitoisuus suurentuu normaalikudoksen muuttuessa polyypiksi ja edelleen syöväksi. DNMT3B:n aktiivisuuden kasvu kulkee yhdessä epigeneettisten muutosten kanssa, mikä voi merkitä sitä, että DNMT3B on syynä näihin muutoksiin (Ibrahim ym. 2011). Myös O6-metyyliguaniini-DNA-metyylitransferaasin (MGMT) ilmentymismuutoksia DNA:n kahdentumisvirheiden korjaushäiriö APC KRAS/BRAF 18 q:n häviäminen TP53 Suolen normaali limakalvo Varhainen adenooma Keskivaiheen adenooma Myöhäinen adenooma Karsinooma Etäpesäkkeitä lähettävä syöpä DNA:n hyper- ja hypometylaatio Histonimodifikaatiot Kuva 2. Geneettiset ja epigeneettiset muutokset ja niiden tyypillinen ilmaantumisajankohta paksusuolisyövän syntyyn johtavassa tapahtumaketjussa, joka alkaa suolen normaalilta limakalvolta ja etenee adenoomien kautta kohti karsinoomaa ja metastaaseja lähettävää syöpää. Metylaatio- ym. epigeneettiset muutokset ovat havaittavissa jo esiasteissa (adenoomissa) ja jopa histologisesti normaalilta vaikuttavalla suolen limakalvolla. Myös häiriöt APC-geenissä ilmenevät jo varhain. Syövän kehityksen edetessä epigeneettiset häiriöt lisääntyvät samoin kuin geneettiset (esim. KRAS-, BRAF- ja TP53-mutaatiot). DNA:n kahdentumisvirheiden korjaushäiriö estää syntyvien mutaatioiden korjaamisen MSI-tyyppisissä paksusuolisyövissä. Lisäksi kromosomin 18 pitkä varsi sisältää useita kasvunrajoitegeenejä, joiden hiljeneminen on yhteydessä syövän kehitykseen. Mukailtu Kinzlerin ja Vogelsteinin (1996) ja Daviesin ym. (2005) artikkeleista. 65
KATSAUS 66 on löydetty jo suolen normaalilta limakalvolta. MGMT on DNA:ta korjaava proteiini, joka suojaa ihmisen genomia poistamalla mutageenisia metyyliryhmiä O6-guaniinista. Jos metyyliryhmää ei poisteta, O6-guaniini luetaan virheellisesti adeniinina, jolloin se pariutuu tymiinin kanssa DNA:n kahdentuessa ja voi tällöin aiheuttaa mutaation syövälle altistavissa geeneissä (kuten P53:ssa ja KRAS:ssä). DNA:n kahdentumisvirheiden korjausmekanismi havaitsee väärin pariutuneen O6-metyyliguaniinin, mutta sekään ei pysty korjaamaan virhettä kunnolla, jolloin DNA:n kaksoisjuoste hajoaa ja solu joutuu apoptoosiin. MGMT:n inaktivaatio, jonka tavallisena syynä on geenin säätelyalueen metylaatio, voi siten laukaista solujen muuntumisen syöpäsoluiksi kahden vaihtoehtoisen reitin kautta. Ensinnäkin se voi aiheuttaa mutaation KRAS-geenissä, jolloin MSS-tyypin solut muuttuvat pahanlaatuisiksi. Toiseksi se voi lisätä sellaisten solujen valintaa, joissa myöskään DNA:n kahdentumisvirheiden korjaus ei toimi, jolloin seurauksena on MSI-tyyppinen paksusuolisyöpä (Svrcek ym. 2010). Tähän asti paksusuolisyöpää on hoidettu lähinnä yhtenä sairautena, vaikka sairauden tyypit ovat hyvin erilaisia. Esimerkiksi CIMP(+)- MSS-ilmiasu korreloi huonoon ennusteeseen (Wong ym. 2007). Myös vaste erilaisiin hoitoihin vaihtelee syöpätyypeittäin. Jos esimerkiksi KRAS on mutatoitunut, setuksimabi tehoaa heikommin kuin muissa syöpätyypeissä. Tulevaisuudessa eri paksusuolisyöpien tarkka molekulaarinen profilointi tulee olemaan tärkeää yksilöllisen hoitomuodon valitsemiseksi kullekin potilaalle (Issa 2008). Epimutaatiot Kasvaimen alkuna toimivassa solussa geenivirhe (mutaatio) tai epigeneettinen muutos (epimutaatio) voi aiheuttaa kasvunrajoitegeenin yhden alleelin inaktivaation, jota DNA:n metylaatio voi täydentää hiljentämällä toisen alleelin. Tällöin Knudsonin kahden iskun hypoteesi toteutuu ja geeni vaimentuu kokonaan (Wong ym. 2007). Metylaatio voi vaimentaa molemmatkin alleelit (esim. MLH1-geenin alleeliparin metylaatio). Äskettäin on saatu viitteitä siitä, että tietyt alttiusgeenit, kuten DNA:n korjausgeenit, voivat olla hyper metyloituneita jo synnynnäisesti, jolloin kyseinen geeni on metyloitunut yksilön kaikissa tai ainakin useimmissa normaaleissa soluissa. Lynchin oireyhtymän kaltainen taudinkuva, johon liittyy lisääntynyt paksusuolisyövän ja muidenkin syöpien riski, voi aiheutua kahdentumisvirheiden korjausgeenin synnynnäisestä epimutaatiosta noin 10 40 %:ssa tapauksista, joissa rakenteellista geenivirhettä ei löydy (Morak ym. 2008, Gylling ym. 2009, Niessen ym. 2009). Synnynnäisen epimutaation perinnöllisyydestä on ristiriitaisia havaintoja. Vaikka metylaatio epialleelissa näyttäisi usein purkautuvan sukusolujen kehityksessä, joissain tapauksissa epimutaation periytymistä seuraavalle sukupolvelle ei voi sulkea pois (Morak ym. 2008). Tämä vaihtelevuus on otettava huomioon epimutaatiosukujen perinnöllisyysneuvonnassa. Histonimodifikaatiot syövässä ja kantasolumalli Histonit ovat DNA:ta kromatiiniksi pakkaavia proteiineja, joiden hännät muokkautuvat kemiallisesti (mm. asetylaatio, metylaatio, fosforylaatio, ubikitinaatio) translaation jälkeen. Histonien häntien modifikaatioilla on tärkeä rooli kromatiinin aktiivisuuden säätelyssä, ja ne voivat muuttaa inaktiivisen tiukasti pakatun kromatiinin avoimeksi ja aktiiviseksi tai toisinpäin (Wong ym. 2007). Siten ne vaikuttavat DNA:n jakautumiseen ja korjaukseen sekä geenien luentaan. Tietynlaiset histonien modifikaatiot ovat runsaita aktiivisen kromatiinin alueella, kun taas toisenlaiset ilmenevät useammin vaimentuneen kromatiinin alueella (Esteller 2008) (Kuva 1B). Histoneille tapahtuu syövässä sekä laajoja että geenispesifisiä muutoksia (McCabe ym. 2009). Epigeneettisten muutosten ilmeneminen jo syövän aikaisessa vaiheessa tukee kantasolumallia ja tarkoittaa, että epigeneettiset muutokset tapahtuvat syöpäkudoksen kantasoluissa; nämä muutokset määräävät ennakolta geneettisten tapahtumien luonteen (Wong ym. 2007). Sikiön aikaisissa monikykyisissä kantasoluissa ei esiinny DNA:n metylaatiota, A. Tieva ja P. Peltomäki
vaan histonien bivalentit aktivoivat ja repressoivat merkit ohjaavat kantasolujen säätelyä. Vastaavissa monikykyisissä pahanlaatuisissa soluissa, jotka on eristetty itusolukasvaimista, esiintyy myös muunlaisia vaimentavia muutoksia. Aktivoiva merkki on histoni H3:n lysiini 4:n dimetylaatio ja repressoiva merkki on histoni H3:n lysiini 27:n trimetylaatio. Tutkijat uskovat, että samanlaiset muutokset kasvun rajoitegeenien histonimerkeissä esiintyvät sekä sikiön kantasoluissa että syövän kehityksen eri vaiheissa. Syövän kantasoluissa esiintyy lisäksi kaksi muuta vaimentavaa histonimerkkiä: histoni H3:n lysiini 9:n dimetylaatio ja trimetylaatio (Balch ym. 2007). Mikro-RNA:t syövässä Mikro-RNA:t (mirna) ovat noin 22 nukleo tidia pitkiä ei-koodaavia RNA:ita, jotka osallistuvat geenien säätelyyn pariutumalla emästen komplementaarisuuden mukaisesti niiden kohdelähetti-rna:n (mrna) kanssa. Seurauksena tästä mrna hajoaa tai translaatio estyy. Mikro-RNA:iden ilmentyminen on tarkan säätelyn alaista, sillä niillä on tärkeitä säätelytehtäviä solujen jakautumisessa, apoptoosissa ja erilaistumisessa (Esteller 2008). Mikro-RNA:t toimivat säätelijöinä myös kantasolujen uusiutumisessa ja erilaistumisessa. Tämä viittaa siihen, että mirna:t ovat tärkeitä oikeanlaiselle kantasolujen toiminnalle ja ylläpidolle (Hatziapostolou ja Iliopoulos 2011). Keskeisten säätelyroolien takia mirna:t ovat tärkeitä syövän synnyssä ja kehityksessä (Wahid ym. 2010), ja mirna-molekyylien ilmentymisprofiilien on havaittu eroavan toisistaan normaalin ja kasvainkudoksen välillä sekä erilaisten kasvaintyyppien välillä (Esteller 2008) (Kuva 1C). Normaalista poikkeavaan mirna:n ilmentymiseen syövässä on monta eri syytä, kuten transkriptionaalinen säätelyn heikkeneminen, mutaatiot, DNA:n kopioluvun poikkeamat ja virheet mirna-koneiston toiminnassa. Myös epigeneettiset muutokset, kuten DNA:n metylaatio ja histonien modifikaatiot, ovat joskus syynä mirna:n epänormaaliin ilmentymiseen. Jotkin niin sanotut epi-rna:t säätelevät keskeisiä epigeneettisiä geenejä. Tällaisia ovat DNA:han metyyliryhmiä lisäävien DNA-metyylitranferaasien (DNMT) ja histoneista asetyyliryhmiä poistavien histonideasetylaasien (HDAC) geenit. Tällaisten epi-mirna:iden säätelyn heikkeneminen voi johtaa DNA:n metylaation lisääntymiseen (Hatziapostolou ja Iliopoulos 2011). Epigeneettiset muutokset biomerkkeinä diagnostiikassa, ennusteessa ja hoidon tehon arvioinnissa Syövän aikainen havaitseminen ja riskien arviointi ovat ensisijaisen tärkeitä syöpähoidon onnistumisen kannalta. Ideaalisten tuumorimerkkien tulisi olla erittäin herkkiä ja spesifisiä ja niiden tulisi esiintyä kohtalaisina määrinä, jotta minimaalisetkin muutokset voitaisiin havaita perifeerisistä näytteistä (Gal-Yam ym. 2008). Parhaita tuumorimerkkejä ovat normaalista poikkeavalla tavalla metyloituneet geenit ja virheellisesti ilmentyvät mirna:t. Nämä muutokset on mahdollista havaita heti ensimmäisten syöpään liittyvien muutosten ilmentyessä pienistä näytemääristä, nopeasti ja kohtuullisilla kustannuksilla (Maradeo ja Cairns 2011). Tässä katsauksessa on jo kuvattu, kuinka globaalit epigeneettiset profiilit voivat osoittautua hyödyllisiksi kudosalkuperän määrittämisessä, kasvainten alaluokituksessa ja taudinkulun määräämisessä. Taulukossa 2 viitataan muutamiin yksittäisiin geeneihin, jotka kirjallisuuden perusteella vaikuttavat lupaavilta. Muutokset mirna-molekyylien ilmentymisessä ja niiden havaitseminen kehon nesteistä saattaa olla tehokkaampaakin kuin metyloituneiden geenien tunnistaminen, sillä jokainen syöpäsolu sisältää satoja tai jopa tuhansia kopioita tiettyä mirna:ta mutta vain yhden tai muutamia (aneuploideissa soluissa) metyloituneen geenin alleeleja. Mikro-RNA:t ovat lisäksi huomattavan stabiileja, joten niiden käsittely on suhteellisen vaivatonta (Maradeo ja Cairns 2011). Kasvunrajoitegeenien hypermetylaatio ja DNA:n hypermetylomiprofiilit voivat ennustaa taudinkulkua (Esteller 2008). 67
KATSAUS Taulukko 2. Epigeneettisten merkkien soveltaminen kliiniseen työhön: esimerkkejä erityyppisistä muutoksista eri syövissä. Syövän diagnoosi ja varhainen havaitseminen Syöpä Geeni Kehon erite/kudos Epigeneettinen muutos / lopputulos Viite Eturauhassyöpä GSTP1 Virtsa Promoottori hypermetyloitunut 80 90 %:ssa eturauhassyövistä ja metyloitumaton eturauhasen hyperplasiassa Eturauhassyöpä mir-141 Seerumi mir-141:n yli-ilmentyminen paljastaa eturauhassyövän Hatziapostolou ja Iliopoulos 2011, Gonzalgo ym. 2003 Chin ja Slack 2008 Keuhkosyöpä CDKN2A/p16, MGMT Sylki Promoottori hypermetyloitunut jo vuosia ennen syövän diagnoosia Hatziapostolou ja Iliopoulos 2011 Keuhkosyöpä mir-148b, let7d, let7e, mir-202 Keuhkosyöpäkudos mir-148b:n, let7d:n ja let7e:n yli-ilmentyminen ja mir-202:n alituotanto ovat mahdollisia biomarkkereita asbestialtistukseen liittyvän keuhkosyövän osoittamiseen Nymark ym. 2011 Kohtusyöpä CDH13, RASSF1 ym. Kohdun limakalvon hyperplasia Promoottorin hypermetylaatio ennustaa hyperplasian muuttumista pahanlatuiseksi Nieminen ym. 2009 Paksusuolisyöpä RUNX, NEU- ROG1, CAC- NA1G, SFRP2, CDKN2A, MLH1 Suolen normaali limakalvo, hyvänlaatuiset esiasteet, paksusuolisyöpäkudos Promoottorin hypermetylaatio ennustaa asteittaista pahanlaatuistumista Ibrahim ym. 2011 Paksusuolisyöpä IGF2 Suolen normaali limakalvo, hyvänlaatuiset esiasteet, paksusuolisyöpäkudos Leimautumiskeskuksen hypometylaatio ja seurauksena oleva leimautumisen häviäminen aiheuttavat IGF2:n yli-ilmentymistä, joka johtaa adenoomien kehittymiseen Ibrahim ym. 2011 Syövän ennusteen arvioiminen Syöpä Geeni Kehon erite / kudos Epigeneettinen muutos / ennuste Viite Keuhkosyöpä, paksusuolisyöpä, aivokasvain DAPK, P16IN- K4a, EMP3 Syöpäkudos Promoottorin hypermetylaatio korreloi huonoon ennusteeseen Esteller 2008 Paksusuolisyöpä mir-21 Seerumi mir-21:n tuotantomäärä korreloi levinneisyyteen Slaby ym. 2007 Hoitovasteen ennustaminen Syöpä Geeni Terapia Lopputulos Viite Gliooma MGMT Alkyloivat aineet Promoottorin hypermetylaatio lisää herkkyyttä syövän lääkehoitoon Paksusuolisyöpä MLH1 Alkyloivat aineet Promoottorin hypermetylaatio ennustaa resistenssiä syöpälääkkeille McCabe ym. 2008 Esteller 2008 Jo kliinisessä käytössä tai lähellä sitä olevat geenimerkit on lihavoitu. A. Tieva ja P. Peltomäki
DNA:n metylaatiota voidaan hyödyntää arvioitaessa tietynlaisen kasvaimen vastetta syövän lääkehoitoon, ja näin ollen potilaalle voidaan löytää heti parhaiten sopiva hoitomuoto (Toyota ym. 2009). Kenties parhaana esimerkkinä on metyloituneen MGMT:n toimimattomuus glioomissa, jolloin solut ovat kyvyttömiä korjaamaan syövän lääkehoidossa käytettävien alkyloivien aineiden aiheuttamaa DNA:n tuhoa. Niinpä kasvain on erityisen herkkä syöpälääkkeille (McCabe ym. 2009). Lisäksi, kuten aiemmin mainittiin, osassa paksusuolisyövistä DNA:n kahdentumisvirheiden korjausgeeni MLH1 on metyloitunut. Tiedetään, että nämä kasvaimet eivät ole yhtä aggressiivisia kuin muuntyyppiset paksu suolisyöpä kas vai met, mutta ne ovat myös resistenttejä solunsalpaajille (5-fluorourasiili, sisplatiini). Myös CIMP(+) merkitsee usein resistenssiä syöpälääkkeille (Kodach ym. 2011). Epigeneettisten muutosten käyttö syövän hoidossa Toisin kuin geneettiset mutaatiot, epigeneettiset modifikaatiot ovat korjautuvia, joten vaimentuneet kasvunrajoitegeenit on mahdollista aktivoida lääkkeiden avulla. DNA:n metylaatiota poistavia eli demetyloivia lääkkeitä (5-atsasytidiini ja 5-atsa-2 -deoksisytidiini eli desitabiini) jo käytetään myelodysplastisen oireyhtymän ja leukemian hoidossa. Toistaiseksi näitä lääkkeitä ei ole kuitenkaan onnistuttu hyödyntämään kiinteiden kasvainten hoidossa pääasiassa sen vuoksi, että kuljetus kohdekudokseen on ratkaisematta (Esteller 2008). Histonideasetylaasin estäjä (vorinostaatti) on hyväksytty ihon T solulymfooman hoitoon. Histoniasetyylitrans feraasien ja histoni metyyli transferaasien estäjiä vasta testataan, eikä niitä ole vielä kliinisessä käytössä (Mai ja Altucci 2009). Epigeneettisten lääkkeiden vaikutukset eroavat toisistaan, mutta yleisesti vaste lääkkeeseen ilmenee vasta pidemmän ajan kuluttua. Osa potilaista ei saa minkäänlaista terapeuttista vastetta DNA:ta demetyloiviin aineisiin ensimmäisen kolmen kuukauden aikana, minkä jälkeen potilaan tila kuitenkin paranee, kun hoitoa jatketaan. Lääkkeiden haittavaikutukset YDINASIAT 88Epigenetiikalla tarkoitetaan niitä muutoksia geenin toiminnassa, jotka tapahtuvat ilman muutosta DNA:n emäsjärjestyksessä. 88Epigeneettiset tekijät vaikuttavat syövän syntyyn ja kehitykseen yhdessä geneettisten tekijöiden kanssa. 88Epigeneettisiä mekanismeja ovat DNA:n metylaatio, histonimodifikaatiot ja mikro-rna-välitteinen säätely. 88Epigeneettiset merkit eroavat normaalien solujen ja syöpäsolujen välillä, joten epigeneettisiä muutoksia voidaan hyödyntää biomerkkeinä syövän diagnostiikassa sekä ennusteen ja hoidon tehon arvioinnissa. 88Epigeneettiset muutokset ovat korjautuvia. Syövän hoidossa epigeneettisten lääkkeiden tarkoituksena on poistaa epigeneettiset poikkeavuudet ja palauttaa normaali epigenomi. ovat myös erilaisia, ja sytotoksiset haittavaikutukset, kuten hiustenlähtö, ripuli ja munuaisten vajaatoiminta, ovat harvinaisia metylaatiota poistavia aineita käytettäessä. On myös havaittu, että vaste epigeneettisiin lääkkeisiin on paras silloin, kun potilasta ei ole hoidettu vielä muilla lääkkeillä eikä potilaalle ole siten syntynyt lääkeresistenssiä (Gal-Yam ym. 2008). Yhdisteet, jotka poistavat metylaatiota kasvunrajoitegeeneistä ja indusoivat solujen erilaistumista mutta joilla ei ole toksisia haittavaikutuksia, voisivat tarjota mielenkiintoisen vaihtoehdon syövän hoitoon. Esimerkiksi statiinit ovat turvallisina pidettyjä kolesterolia vähentäviä lääkkeitä, mutta lisäksi niiden käytön on havaittu pienentävän useiden eri syöpien riskiä, esimerkiksi vaaraa sairastua paksu suolisyö pään. Statiinihoito estää DNA-metyylitransferaasia, jolloin syövän kehittymisen kannalta tärkeiden kasvunrajoitegeenien hypermetylaatio lievittyy ja syövän kehittyminen estyy. Se myös lisää heikosti erilaistuneiden 69
KATSAUS Taulukko 3. Epigeneettiseen järjestelmään vaikuttavien lääkkeiden hyötyjä ja ongelmia. Hyödyt Voidaan kehittää palauttamaan hiljentyneiden kasvunrajoitegeenien aktiivisuus (esim. demetyloivat aineet ja histonideasetylaasin estäjät) Ongelmat Vaikutuksen epäspesifisyys: esim. kasvunrajoitegeeneihin tähdätyt demetyloivat aineet voivat samalla aktivoida onkogeenejä ja yksittäisen mirna:n lukuisat kohdegeenit voivat reagoida eri tavoin Voidaan kehittää hillitsemään yliaktiivisia onkogeenejä (esim. tiettyjä mirna-molekyylejä vastaan suunnatut antioligonukleotidit) Kuljetus kohdekudokseen on vaikeaa Lääkkeet ovat harvoin kuratiivisia (esim. demetyloivat aineet lakkaavat usein toimimasta ensimmäisen vasteen jälkeen) Lääkkeiden käytön pitkäaikainen turvallisuus on selvittämättä 70 syövän kantasolujen erilaistumista, mikä tekee näistä kantasoluista alttiimpia syövän lääkehoidossa käytettäville yhdisteille (5-fluorourasiili) ja tehostaa syöpälääkkeiden vaikutusta. Statiinihoitoa voitaisiin mahdollisesti hyödyntää erityisesti CIMP-ilmiasun paksusuolisyövän hoidossa (Kodach ym. 2011). Koska mirna:t ovat mukana säätelemässä useita erilaisia prosesseja nisäkkäiden soluissa, ne ovat lupaavia terapeuttisia kohteita. Eläinmalleissa on pystytty osoittamaan, että epänormaalien mirna-pitoisuuksien palauttaminen normaaleiksi voi pienentää kasvainta tai jopa kokonaan poistaa sen. Onkogeeneinä toimivien mirna-molekyylien ylituotantoa vastaan voidaan kohdistaa anti-mirnaoligonukleotideja, jotka vähentävät kyseisen onkogeeninä toimivan mirna:n tuotantoa. Useita esikliinisiä ja kliinisiä kokeita on aloitettu, jotta mirna-peräiset lääkkeet saataisiin tulevaisuudessa kliiniseen käyttöön (Maradeo ja Cairns 2011). Vaikka epigeneettisellä tera pialla on tärkeitä etuja verrattuna tavanomaisiin ra tio naa lisiin syöpälääkkeisiin (jälkimmäiset keskittyvät lähinnä onkogeenien hillitsemiseen, kun taas kasvunrajoitegeenien aktiivisuuden palauttaminen ei yleensä ole mahdollista), toistaiseksi epigeneettinen hoito sisältää myös monia huolenaiheita, jotka liittyvät ennen muuta lääkkeiden epäspesifisyyteen (Issa ja Kantarjian 2009) (Taulukko 3). Lopuksi Epigeneettisen järjestelmän toiminta on ratkaisevan tärkeää yksilönkehityksessä sekä myöhemmän terveenä pysymisen tai sairastumisen kannalta. Epigeneettiseen epidemiologiaan liittyviin kysymyksiin vastaamiseksi tarvittaisiin tehokkaampia ja taloudellisempia menetelmiä, jotka mahdollistaisivat populaation laajuisen epigeneettisen profiloinnin. Huomattavaa parannusta tähän voidaan odottaa, kun pystytään tehokkaasti yhdistämään mikrosiruihin perustuvat menetelmät seuraavan sukupolven sekvensointiteknologian kanssa. Näiden uusien menetelmien avulla voidaan tulevaisuudessa arvioida geneettisen vaihtelun ja epigeneettisen vaihtelun sekä sairauden yhteyttä samanaikaisesti. Epigeneettisten muutosten varhainen ilmaantuminen, yleisyys ja korjaantuva luonne ovat vauhdittaneet niiden hyväksikäyttöä biomerkkeinä sekä jouduttaneet epigenomia muokkaavien lääkkeiden kehitystä. Epigeneettisen terapian tarkoitus on purkaa syövässä vaikuttavat epigeneettiset poikkeavuudet ja palauttaa normaali epigenomi. Kehitystyö on kuitenkin vasta aluillaan, ja tarvitaan vielä parempaa käsitystä siitä, miten geneettiset ja epigeneettiset tekijät yhdessä vaikuttavat geenien ilmentymisen muutoksiin, jotta syövän kehitykseen johtavat muutokset pystyttäisiin korjaamaan tehokkaasti mutta samalla riittävän spesifisesti. * * * Kirjoittajien oma epigenetiikan alan tutkimustyö saa rahallista tukea mm. Euroopan tutkimusneuvostolta (FP7-ERC-232635, Epigenome and Cancer Susceptibility). A. Tieva ja P. Peltomäki
KIRJALLISUUTTA Balch C, Nephew KP, Huang THM, Bapat SA. Epigenetic bivalently marked process of cancer stem cell-driven tumorigenesis. BioEssays 2007;29:842 5. Chin LJ, Slack FJ. A truth serum for cancer micrornas have major potential as cancer biomarkers. Cell Research 2008;18:983 4. Davies RJ, Miller R, Coleman N. Colorectal cancer screening: prospects for molecular stool analysis. Nat Rev Cancer 2005;5:199 209. Esteller M. Cancer epigenomics: DNA methylomes and histone-modification maps. Nat Rev Genet 2007;8:286 98. Esteller M. Epigenetics in cancer. N Engl J Med 2008;358:1148 59. Feinberg AP. Genome-scale approaches to the epigenetics of common human disease. Virchows Arch 2010;456:1 21. Feinberg AP, Ohlsson R, Henikoff S. The epigenetic progenitor origin of human cancer. Nat Rev Genet 2006;7:21 33. Feinberg AP, Tycko B. The history of cancer epigenetics. Nat Rev Cancer 2004; 4:143 53. Gal-Yam EN, Saito Y, Egger G, Jones PA. Cancer epigenetics: Modifications, screening, and therapy. Annu Rev Med 2008;59:267 80. Gonzalgo ML, Pavlovich CP, Lee SM, Nelson WG. Prostate cancer detection by GSTP1 methylation analysis of postbiopsy urine specimens. Clin Cancer Res 2003;9:2673 7. Gylling A, Ridanpää M, Vierimaa O, ym. Large genomic rearrangements and germline epimutations in Lynch syndrome. Int J Cancer 2009;124:2333 40. Hatziapostolou M, Iliopoulos D. Epigenetic aberrations during oncogenesis. Cell Mol Life Sci 2011;68:1681 702. Ibrahim AEK, Arends MJ, Silva AL, ym. Sequential DNA methylation changes are associated with DNMT3B overexpression in colorectal neoplastic progression. Gut 2011;60:499 508. Issa JP. Colon cancer: It s CIN or CIMP. Clinical Cancer Research 2008;14:5939 40. Issa JPJ, Kantarjian HM. Targeting DNA methylation. Clin Cancer Res 2009;15: 3938 46. Jones PA, Baylin SB. The epigenomics of cancer. Cell 2007;128:683 92. Kinzler KW, Vogelstein B. Lessons from hereditary colorectal cancer. Cell 1996; 87:159 70. Kodach LL, Jacobs RJ, Voorneveld PW, ym. Statins augment the chemosensitivity of colorectal cancer cells inducing epigenetic reprogramming and reducing colorectal cancer cell stemness via the bone morphogenetic protein pathway. Gut 2011;60:1544 53. Mai A, Altucci L. Epi-drugs to fight cancer: From chemistry to cancer treatment, the road ahead. Int J Biochem Cell Biol 2009;41:199 213. Maradeo ME, Cairns P. Translational application of epigenetic alterations: Ovarian cancer as a model. FEBS Lett 2011;585:2112 20. McCabe MT, Brandes JC, Vertino PM. Cancer DNA methylation: Molecular mechanisms and clinical implications. Clin Cancer Res 2009;15:3927 37. Morak M, Schackert HK, Rahner N, ym. Further evidence for heritability of an epimutation in one of 12 cases with MLH1 promoter methylation in blood cells clinically displaying HNPCC. Eur J Hum Genet 2008;16:804 11. Nieminen TT, Gylling A, Abdel-Rahman WM, ym. Molecular analysis of endometrial tumorigenesis: Importance of complex hyperplasia regardless of atypia. Clin Cancer Res 2009;15:5772 83. Niessen RC, Hofstra RMW, Westers H, ym. Germline hypermethylation of MLH1 and deletions are frequent cause of Lynch syndrome. Genes Chromosomes Cancer 2009;48:737 44. Nymark P, Guled M, Borze I, ym. Integrative analysis of microrna, mrna and acgh data reveals asbestos- and histology-related changes in lung cancer. Genes Chromosomes Cancer 2011;50:585 97. Pogribny IP, Beland FA. DNA hypomethylation in the origin and pathogenesis of human diseases. Cell Mol Life Sci 2009;66:2249 61. Slaby O, Svoboda M, Fabian P, ym. Altered expression of mir-21, mir-31, mir-143 and mir-145 is related to clinicopathologic fatures of colorectal cancer. Oncology 2007;72:397 402. Svrcek M, Buhard O, Colas C, ym. Methylation tolerance due to an O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) field defect in the colonic mucosa: an initiating step in the development of mismatch repair-deficient colorectal cancers. Gut 2010;59:1516 26. Toyota M, Suzuki H, Yamashita T, ym. Cancer epigenomics: Implications of DNA methylation in personalized cancer therapy. Cancer Sci 2009;100:787 91. Wahid F, Shehzad A, Khan T, Kim YY. MicroRNAs: Synthesis, mechanism, function, and recent clinical trials. Biochim Biophys Acta 2010;1803:1231 43. Wong JJL, Hawkins NJ, Ward RL. Colorectal cancer: A model for epigenetic tumorigenesis. Gut 2007;56:140 8. Anni Tieva, FM, tohtorikoulutettava Päivi Peltomäki, LKT, biolääketieteellisen syöpätutkimuksen professori Lääketieteellinen genetiikka, Haartman-instituutti Sidonnaisuudet Kirjoittajilla ei ole sidonnaisuuksia. Summary Epigenetic modifications in cancer Abnormal function of genes and modified gene expression patterns play a major role in cancer. Scientists have been investigating origins of human cancer for decades and debating the relative roles of genetic and epigenetic abnormalities in the process. Growing evidence indicates that epigenetics abnormalities together with genetic defects take part in aberrant gene regulation in all stages of cancer development, and no cancer has been identified that has purely genetic or epigenetic background. Epigenetic modifications bring new insights into cancer diagnostics, prognostics and therapy. 71