РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 229-240
PАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^^^ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ ОПУХОЛЕЙ
УДК [57+61]:539.1.04:577.113.4:616-006:616-08:611.9
О ПЕРСПЕКТИВАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНГИБИТОРОВ РЕПАРАЦИИ
ДНК В РАДИОТЕРАПИИ ОПУХОЛЕЙ © 2014 г. А. И. Газиев*
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино
Клеточные системы репарации ДНК в значительной мере обеспечивают резистентность опухолей к ионизирующим излучениям и тем самым способствуют снижению эффективности их радиотерапии. Поэтому подавление активности важнейших ферментов репарации ДНК в клетках опухолей рассматривается как одно из перспективных направлений для преодоления этой резистентности. Как показывает анализ литературы, использование ингибиторов многих ферментов репарации ДНК пока не привело к результатам, которые можно было бы "перенести" на доклинические модели или на клинические испытания. Однако экспериментальные исследования показывают, что ингибиторы ферментов семейства поли(АДФ-рибозо) полимераз (ПАРП-аз) способны подавлять рост клеток различных опухолей человека. Результаты доклинических и клинических испытаний ингибиторов ПАРП-аз также дают обнадеживающие результаты в отношении возможности их широкого практического применения. Действие ингибиторов ПАРП-аз заключается в блокировании важнейших систем репарации ДНК. Это приводит к накоплению в ДНК однонитевых разрывов, развалу репликационной вилки и генерации летальных двунитевых разрывов (ДНР). Ингибиторы ПАРП-аз могут быть использованы для подавления рака молочной железы и опухоли яичников с мутациями в генах ВЯСА-1 и ВЯСА-2, без комбинации с радиотерапией или химиотерапией. В клетках опухолей, дефектных по ВЯСА-1/2 генам, не функционирует репарация ДНР ДНК по пути гомологичной рекомбинации. В связи с этим процесс репарации ДНР ДНК переключается на путь негомологичного связывания концов, который функционирует с формированием хромосомных перестроек, приводящих к гибели клеток. Таким образом, результаты анализа показывают, что ингибиторы репарации ДНК имеют достаточный потенциал для повышения эффективности лучевой терапии опухолей. Дальнейшие исследования в этом направлении представляются весьма перспективными.
Радиотерапия опухолей, повреждение и репарация ДНК, ингибирование ферментов репарации, по-ли(АДФ-рибозо) полимеразы.
БО1: 10.7868/80869803114030059
Ионизирующее излучение (ИИ) является важнейшим средством терапии широкого спектра раковых заболеваний. Несмотря на успехи хирургии и химиотерапии, использование ИИ остается одним из самых успешных методов, применяемых более чем в 50% случаев терапии опухолей [1, 2]. Однако клеточные системы репарации ДНК, направленные на сохранение и стабилизацию целостности генома, противодействуют гибели клеток неоплазии и, тем самым, снижают эффективность лучевой терапии опухолей. Поэтому представляется весьма важным поиск путей ин-гибирования репарационных систем в опухолевых клетках и сохранение их активности в нормальных клетках. Данный краткий обзор посвящен анализу достижений в области подавления клеточных систем репарации ДНК в опухолевых
* Адресат для корреспонденции: 142290 Пущино, Московская обл., ФГБУН ИТЭБ РАН; тел.: (4967) 73-18-86; факс: (4967) 33-05-53; e-mail: gaziev.iteb@gmail.com.
клетках с использованием ингибиторов ферментов этих систем, и перспективам клинического применения этих ингибиторов.
ПОВРЕЖДЕНИЕ И РЕПАРАЦИЯ ДНК
ИИ вызывают в ДНК клеток множество повреждений: модификации оснований и однони-тевые разрывы (ОНР) с различной химической природой, апуриновые и апиримидиновые сайты (АП-сайты), а также сложные повреждения, такие как двунитевые разрывы (ДНР), межмолекулярные сшивки (ДНК-белок, ДНК-ДНК), деструкция репликационной вилки и участки с длинными однонитевыми пробелами. Значительная часть индуцируемых повреждений ДНК может сопровождаться потерей кодируемой информации [3, 4]. При критических повреждениях ДНК в клетке происходит индукция целого каскада процессов, известных как ответ на повре-
ждение ДНК (ОПД), который включает активацию системы контроля точек клеточных циклов (сверочных точек), изменение экспрессии множества генов, реконструкцию хроматина, усиление клеточной гибели, а также активацию систем репарации повреждений ДНК. Первыми "сигнальщиками" на различные типы повреждений ДНК являются специфические белки. При возникновении ДНР и других сложных повреждений в процесс вступает ДНК комплекс MRN (Mre11-Rad50-Nbs1), который первоначально узнает повреждения ДНК, после чего происходит активация специфических фосфатидилинозитол-3-ки-назе родственных протеин киназ (ATM, ATR, ДНК-ПК), сопровождаемая мобилизацией белков, и ферментов репарации к поврежденному участку ДНК [5, 6]. На этих участках ДНК начинают функционировать различные системы репарации в зависимости от типа повреждения. Системы репарации ДНК способны минимизировать клеточную гибель, частоту мутаций, ошибки репликации и нестабильность генома. С нарушением механизмов репарации связано развитие онкологических и других заболеваний. В настоящее время в клетках млекопитающих идентифицированы шесть различных путей репарации повреждений ДНК, в зависимости от их химической природы.
1. Прямая репарация — это самый упрощенный механизм, связанный с удалением от ДНК алкильных групп, индуцируемых алкилирующи-ми агентами, который представляет собой одноактное событие без ошибок. Например, у млекопитающих непосредственное удаление алкиль-ной группы от гуанина в составе ДНК происходит с помощью О6-метилгуанин ДНК-метилтрансфе-разы [7].
2. Эксцизионная репарация оснований (ЭРО) — это важнейший механизм репарации множества повреждений ДНК, индуцируемых ИИ и другими генотоксинами. ЭРО восстанавливает поврежденные (модифицированные) основания, АП-сайты и ОНР ДНК. Поврежденные основания узнаются ДНК-гликозилазами, которые расщепляют их N-гликозидные связи, создавая АП-сайты в цепях ДНК. АП-сайты атакуются АП-эндонуклеазами с формированием ОНР. С участком ДНК, содержащим ОНР, связывается поли(АДФ-рибозо) полимераза-1 (ПАРП-1), репарация завершается с участием ДНК-полимера-зы р и ДНК-лигазы. Количество ферментов ЭРО в клетке сбалансировано с количеством повреждений ДНК, а при необходимости сразу активируется их экспрессия. ПАРП-1 играет существенную роль и в завершающей стадии ЭРО ДНК-ли-
газой. При ингибировании ПАРП-1 нере-парированные ОНР могут создать угрозу появления ДНР, а также вызывают нарушения реплика-ционной вилки ДНК в делящихся клетках [8] (см. раздел 3).
3. Эксцизионная репарация нуклеотидов (ЭРН) является преобладающим путем восстановления структуры ДНК, в которой возникли сложные повреждения широкого спектра, в том числе — индуцированные УФ-светом, цисплати-ной и другими препаратами, используемыми при химиотерапии опухолей, а также ИИ. Речь идет о таких повреждениях как межмолекулярные сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок. В механизме ЭРН участвует множество белков. В процессе функционирования ЭРН возникает разрыв цепи с однонитевым участком, с которым связываются поли(АДФ-рибозо) полимеразы (ПАРП-азы). Существует дополнительный механизм ЭРН, который задействован преимущественно в тран-скрипционно активных участках ДНК. Иногда этот механизм рассматривают как самостоятельный путь репарации, который функционирует в тандеме с транскрипцией [9].
4. Механизмы репарации ДНР ДНК. ДНР и участки с кластерными повреждениями ДНК являются критическими для клеточной гибели. ДНР в ДНК могут быть восстановлены посредством механизмов гомологичной рекомбинации (ГР), негомологичного связывания концов (НГСК) или альтернативным вариантом последнего — негомологичным связыванием концов микрогомологий (СКМ) [10, 11]. Репарация ДНР путем ГР является одним из видов генетической рекомбинации, в которой происходит обмен нук-леотидных последовательностей между двумя идентичными молекулами ДНК. Наряду с множеством белков в этом процессе также участвуют ПАРП-азы. Репарация ГР — безошибочный путь, может функционировать в конце S- и б^-фаз клеточного цикла. Репарация ДНР по механизму НГСК в начальной стадии зависит от гетеродиме-ра Ки70/80, и завершает этот процесс ДНК-лига-за 4 в комплексе с белками ХЯСС4 и XLF. Начальная стадия репарации по механизму СКМ больше зависит от активности ферментов ПАРП-1 и ПАРП-2 и завершается с участием ДНК-лигаз 1 и 3 в комплексе с белком ХЯСС1 [12, 13]. Репарация ДНР по механизмам НГСК и СКМ подвержена ошибкам и сопровождается добавлением или удалением нуклеотидов на концах разрывов в процессе их связывания. Эти пути репарации ДНР являются преобладающими механизмами в клетках млекопитающих, которые функционируют в течение всего клеточного цикла (в О0, 01 и
ранней ¿-фазе). В процессе репарации ДНР по механизмам НГСК наблюдаются две кинетические фазы. В быстрой фазе подвергаются репарации ДНР в более открытых участках хроматина. В медленной фазе происходит репарация ДНР, локализованных на участках ДНК в составе конденсированного хроматина, и более сложных ДНР, после обработки ферментами их связывающих концов [12]. В любом случае механизмы репарации НГСК и СКМ могут приводить к ошибкам, вызывающим транслокации, слияния теломеров и другие геномные перестройки.
5. Репарация неспаренных оснований (mismatch repair) (РНО) прежде всего способствует удалению неспаренных нуклеотидов. Система РНО отличает вновь синтезированную "дочернюю" нить от "родительской" нити, и подвергает исправлению дочернюю нить, если в ней обнаруживается не соответствующие родительской нити вставки (мутации) нуклеотидов. РНО также сопровождается образованием ОНР на репарируе-мом участке ДНК, с которым может связаться фермент ПАРП-1 [13].
6. В клетках млекопитающих функционирует также система репарации повреждений, которые возникают в структуре репликационной вилки и блокируют активность репликационной ДНК-полимеразы. Тем не менее, при возникновении такой ситуации репликация может продолжаться вовлечением других специализированных ДНК-полимераз. Этот механизм (репарация синтезом в обход повреждений) является мутагенным, но способствует продлен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.