סרטן: קישור מטבוליזם לגנטיקה

פוסט זה מוגש כשירות לציבור. הזכויות על התוכן שייכות לכותב של הפוסט המקורי. את הפוסט המקורי ניתן למצוא בכתובת הזאת.

תרגום: מיכל גביש.

סרטן נחשבת כמחלה גנטית, על פי תיאוריית המוטציות בתאים סומטיים המקובלת כיום (SMT). תיאוריה זו קובעת כי המחלה מתעוררת עם "מוטציה מסויימת בשבט תאים המתחילים לשגשג על חשבון שכיניהםבתהליך מיקרואבולוציה של ברירת שיבוט. המטבוליזם הלא רגיל שנראה בתאי הסרטן אמור לנבוע ממוטציות סרטניות אלה. תיאוריה מתחרה לגבי סרטן למעשה הופכת את חץ הסיבתיות, ואומרת כי מוטציות אלה למעשה נובעות מאי תיפקוד מטבולי יותר מאשר הן גורמות לו. תיאוריה מטבולית זו (MT) של סרטן סוברת שגורם המחלה הוא יותר מטבולי מאשר גנטי. ההנחה היא, כי זרחון חמצוני לקוי (OxPhos) – השלב האחרון של הנשימה התאית – הוא השורש. זה גורם להמשך פעילות של הגליקוליזה בנוכחות חמצן (המכונה אפקט ורבורג) שהינו אולי המאפיין הבסיסי של תאים סרטניים. אם מוטציות גורמות לסרטן או פשוט מתגלגלות לתא סרטני כתוצאת מ-OxPhos פגום, חשוב לבחון את הקשרים בין גנטיקה, ויסות גנים ומאפייני פרופילים אפיגנטיים של סרטן, כמו גם את ההשפעה על ששת סימני ההיכר של המחלה: שכפול בלתי מוגבל, חיי נצח, חוסר השפעה של מדכאי גידול,  המשך איתותי שגשוג, גרימת אנגיוגנזה [ייצור כלי דם], פלישה וגרורות. התכונות הראשוניות של מוגבלות גנטית של הסרטן כוללות קריאוטיפ לא נורמלי (כגון מספר הכרומוזומים, הנקרא אנאפלואידי) ומוטציות סומטיות. התגליות של האפיגנטיקה והתכונות הנרחבות של ויסות גנים מספקות אפיקים נוספים להבחין באמצעותם בין תאים סרטניים ובין תאים נורמליים. ניתן לעשות זאת ללא קשר תחת איזה תאוריה הסרטן פועל. השאלה במאמר זה בוחנת אילו מנגנוני ויסות גנים קשורים לאי תיפקוד של OxPhos בסרטן? קודם נדון בטכניקות רלוונטיות, מעבדיות ושל תוכנת מחשב, ואחר כך במנגנונים מסוימים שבבסיס המחלה, בתקווה לעזור ולהבהיר בעתיד את המעלות והחסרונות של שתי התאוריות.

לפני שנתעמק בטכניקות איסוף הנתונים, סקירה ברורה ותמציתית של השאלה מחייבת להגדיר גנטיקה, אפיגנטיקה ותופעת וויסות הגנים. שינויים גנטיים מתייחסים לשינויים בקוד הגנטי, בין אם זה נוקלאוטידים שונים, הסדר שלהם ברצף, הכיוון של הרצף, טרנסלוקציה של הרצף או מספר הפעמים שהרצף חוזר. באשר לאפיגנטיקה, בשנת 1952 וודינגטון השתמש במונח זה די הרבה "כהתייחסות כללית למה שאנחנו יודעים כיום כדפוסי השינוי של ביטוי הגנים העומדים בבסיס ההתפתחות והם לרוב מופעלים על ידי אותות שנשלחו מתאים אחרים". על פי המהדורה השישית משנת 2014 של הביולוגיה המולקולרית של התא, שינוי קוולנטי של היסטונים בנוקלאוזום נופל תחת אפיגנטיקה צורה של הורשה הנגזרת מהתורשה הגנטית המבוססת על ה-DNA ". מארק פטאשן טוען כי השינויים הקוולנטיים של ההיסטונים אינם מנגנון אפיגנטי בהתחשב בעובדה ש"האנזימים שנאכפים עליהם שינויים כאלה חסרים את הייחוד הנדרש; המצבים ששונו אינן מונצחים; והתפקיד שנעשה על ידי השינויים נשאר על פי רוב מעורפל". ניסויים הראו לנו כי "שינויים בהיסטונים אינם מתוחזקים כמו חלוקת התאים". אנזימים אלה המשנים היסטונים הם חלק מהתגובה לרגולציה אפיגנטית ולא הגורם לה. על פי הקריטריונים שלו, שינויים בהיסטונים נופלים תחת קטגוריה כללית יותר של ויסות גנים, שמובילה להגדרה צרה יותר של אפיגנטיקה לפיה לתופעות כאלה חייב להיות זיכרון ("פעילות מתמדת של הרגולטורים הספציפיים כדי לשמור על מצב זה של ביטוי") וספציפיות ("הפעלת גן אחד או קבוצת גנים ולא אחר"). מנגנון אפיגנטי אחד משתמש בלולאת משוב חיובית (כגון ההפעלה אוטומטית של גן CL) ואחר כחלק מתהליך משוב שלילי (כמו הדיכוי האוטומטי של גן CL). דוגמאות של תופעות אפיגנטיות כוללות חסינות בנגיפים שעברה לדור הבא או גירויים דלקתיים חולפים שגורמים לדלקת כרונית באמצעות לולאות משוב בתיווך רצף מיקרו-רנ"א ספציפי (או חלבונים רגולטוריים אחרים).

אבחון מוקדם של סרטן, עדיף לפני הפיכתו של גידול שפיר לממאיר, הוא בעל חשיבות עליונה בהפחתת מקרי המוות הקשורים לסרטן. מסיבה זו, מבחני זיהוי של דפוסי מתילצית דנ"א בויסות ביטוי הגנים והפעילויות של ההשפעות האנזימטיות שלהם בשלב מוקדם נעשו בעלי עניין רב. אלה הם נושא המאמר מ-2015 של שינג'ו וקונדו שעליו רוב הניתוח שלהלן מבוסס. שלא כמו מארק פטאשן, המחברים כן מסווגים מתילציה של דנ"א כאפיגנטיקה.

בדיקות של דפוסי מתילצית דנ"א דורשות קודם הבחנה בין הדנ"א שעבר מתילציה מהדנ"א שלא עבר מתילציה, אשר ניתן לעשות זאת מעשית באמצעות קולונה הקושרת מתיל, או על ידי גרימת שינוי ברצף דרך טיפול בביסולפיט למשל. טכניקות אחרות על בסיס שינויים ברצף כוללים את השימוש באנזימי הגבלה עם רגישויות שונות לאתרי מתילציה בדנ"א, כמו גם העשרת דנ"א שעבר מתילציה עם אנטי ציטוזין או נוגדנים קושרי מתיל. מתילצית דנ"א נראית יציבה בסרטן ובכך אפשר להסתמך עליה ביצירת דפוסי מתילציה הקשורים לביטוי גנים.

בדיקת דפוסי מתילצית DNA יכולה להעשות על דגימות של דנ"א חופשי בדם (cfDNA), בצואה, בשתן וברקמות ונוזלי גוף אחרים. למרות שתאי סרטן עמידים לאפופטוזיס, תהליך המחלה מגיב לשיעורים גבוהים של אפופטוזה ונמק רקמות, שמוביל לרמות גבוהות של cfDNA במחזור הדם שיכול להצביע על אובדן הטרוזיגוטיות ונוכחות של מוטציות. לדוגמה, דגימות דם של cfDNA הראו דה מתילציה של דנ"א עבור הגן RASSF1A המזוהה עם רגישות מוגברת לטיפול בסרטן ולהפך, ירידה ברגישות הטיפול קשורה למתילציה מוגברת.

בדיקות מתילציה על צואה, שתן וכיח יכולות לשמש כסמנים ביולוגיים שונים שלא כולם מבוצעים באותה מידה של יעילות. לדגימות צואה, ™ Cologuard משתמשת בסמנים ביולוגיים שעוברים מתילציה מוטצית כמו NDRG4, BMP3 ו KRAS המגלים רגישות של 92.3% וספציפיות של 86.6%. לדגימות שתן, הסמן הביולוגי GSTP1 שעבר מתילציה מראה רגישות 88% וספציפיות של-60%. לדגימות ליחה, המבחן prolung Epi משתמש בסמן הביולוגי SHOX2 שעבר מתילציה המגלה רגישות של 60% וספציפיות של 90%.

טיפולי סרטן המתמקדים ישירות במנגנוני ויסות גנים מכסים באופן כללי שלושה תחומים: שינויים בהיסטונים, מסלולים הקשורים למתילצית דנ"א וקריאות של ויסות גנים. לגבי התחום הראשון, יש 18 מעכבי דה אצטילציה ידועים של היסטורים (HDIs) המחולקים לצורך העבודה איתם לקטגוריות 1 עד 4. הם עוצרים דה אצטילציה של ליזין (K) והם מזוהים עם החזרה של גנים מושתקים, השראה של עצירת צמיחה, הפרעה לתהליך ההתמיינות ואפופטוזיס של תאים סרטניים. טיפולי סרטן מבוססי HDI הם עדיין די חדשים וכיום יש רק שלושה HDIs (מדד פיתוח האנושות) שה-FDA אישר בארצות הברית של אמריקה: וורינוסטאט, רומידספין ובלינוסטאט.

לגבי התחום השני, מעכבי דנ"א מתיל טראנספראז (מעכבי DNMT1) הם לא פחות חדשים ויש רק טיפול אחד שאושר עבור תסמונת המיאלודיספלסטית (MDS) – סרטן מח העצם. מנגנון הפעולה של פעילות מולקולרית אחרת בתחום זה מוצג באיור 1 להלן, שנלקח מהמאמר של שינג'ו וקונדו. IDH1 בדרך כלל מחמצן איזוציטראט מאבד פחמן דו חמצני ליצירת אלפא-קטוגלוטרט (α-KG) אשר נכנס למעגל קרבס. מוטציות ב IDH-1 מסיטה את α-KG כלפי קטליזה של אונקומטבוליט 2-HG. כאשר הוא מצטבר זה מעכב α-KG התלוי בדיאוקסיגנאז, היסטונים וחלבונים ממשפחה TET. מעכבי IDH-1 מפריעים להצטברות 2-HG.

התחום השלישי עוסק בטיפולי סרטן המשתמשים במולקולות המסוגלות להפריע ל'קריאה' רגולטורית של גנים. החלבונים ברומו ו-Extra Terminal או (BETs)  קוראים קוד של שינוי היסטון, במיוחד היסטונים שעברו אצטילציה. מעכבי BET נקשרים לשיירים מסויימים של שינוי היסטון, ומוצאים ביעילות חלבונים מתחרים (BRDs) של משפחת BET. לדוגמה, אונקו-חלבון BRD4 מוחלף בכרומטין על ידי מעכב I-BET151, ובכך מקטין את פוטנציאל השעתוק של BCL2, C-MYC (אונקוגן ציטופלזמטי בסרטן מח העצם) ו CDK6.

IDH1 מוטנטי

קביעת רצף הכרומטין בשיטה אימונו פרסיפיטציה (ChIP-seq) המשמשת למיפוי הגנום כולו על ידי קשירה לגנים המווסתים חלבונים. לדוגמה, טכניקה זו מגלה את דפוס הקישור השונה של החלבון סירטואין 1 (Silent Information Regulator 1) בגרעין הנסמך [איזור במוח] של חולדות לפני ואחרי מתן קוקאין במשך 7 ימים . ChIP-seq בשיתוף עם מבחני רנ"א ושיטת הכתם המערבי (immunoblotting) יכול לקשר שינויי לאחר התרגום שנעשה להיסטונים מסונתזים חדשים ואת הדפוס שבא אחר כך של ביטוי גנים שנמצא באתרי לוקוסים גנומיים ספציפיים המושפעים מהרכב כרומטין זה. ינאג ושותפיו יישמו שילוב  זה של טכניקה כדי להראות "איך שינוי המתרחש על היסטון H3 מסונתז מחדש, אצטילציה של K56, משפיע על ביטוי גנים בלוקוסים המווסתים אפיגנטית בשמרי אפיה". השיטות לעיל מאפשרות איסוף מידע חיוני על התנהגות התא, אבל הם רק חלק מן התהליך המדעי; מידע צריך להיות ממויין כראוי ומומחש לפרשנות פורה. לדוגמה, כלי ויזואלי של רצף הרנ"א עושה בדיוק את זה עבור העתקת מספר גרסאות (CNVs) ואת מסלול MAP2K4 של סרטן השחלות, הנראה באיור 2 להלן.

RNA-seq אשד

המנגנון הראשון שבחנו כאן קשור לחלבוני סירטואין 1 עד 7 אשר על פי אמות מידה של Mark Ptashne נופל תחת הקטגוריה של ויסות גנים. בין 7 החלבונים הסירטואינים האלה ניתן לציין במיוחד את סירטואינים 3, 4, 6 (ו-7 במידה פחותה) בגלל היכולת המובהקת שלהם לדכא את אפקט ורבורג כפונקציה של מידת וויסות הגנים שלהם. סירטואינים  הם היסטונים דה אצילטאז מסוג III תלויי NAD+ המזרזים תגובות ADP ריבוזיל שיכול לרופף כרומטין – מה שהופך את הדנ"א פחות או יותר נגיש – כמו גם להקל או לעכב את פעילותם של חלבונים משפיעי היסטונים. הם מעורבים באופן הישיר ביותר בסרטן באמצעות אפקט ורבורג כיוון שפעילותם תלויה ביחס NAD + / NADH, אינדיקטור של חילוף החומרים, איזור חימזור תאי וגורם אנרגטי. NAD (הצורה המחוזרת של NAD +) ו NADH הם מעכבי סירטואינים פיזיולוגיים בעוד ש NAD+  ורסברטרול הם תרכובות מפעילות סירטואינים (STACs). המשך הדיון על סירטואינים 1 עד 7 מבוסס על מסמך קלשץ ושותפיו מ-2015. וכן גם על מצגת NIH משנת 2014 של דאגלס וואלאס "אטיולוגיה מיטוכונדריאלית של מטבוליזם ומחלות ניווניות, סרטן והזדקנות".

SIRT6 נמצא רק בגרעין ומבין הסירטואינים הוא מעניין במיוחד, במידה רבה בגלל הדיכוי ההדדי של גורם שעתוק MYC שלו (אונקוגן מח העצם). דיכוי זה קשור הן בעיכוב של הגליקוליזה והן של הפעילות הריבוזומלית. בתאים סרטניים, לגרעין המכיל ריבוזומים יש תכונת מורפולוגית בולטת של גודל בשל הביקוש המוגבר לביוסינטזה. תאים שלא עברו שינוי חסרי SIRT6 הופכים לגידולים כאשר הגליקוליזה אינה נפגעת אך לא כאשר היא מתבטלת, דפוס אשר טוען בתוקף כי אפקט ורבורג מייצר גידולים. כמו עבור רוב הסירטואינים, אפקט הדיכוי גידולים של SIRT6 תלוי בסוג התא ובשלב המחלה. אף על פי כן, ביטוי יתר של SIRT6 משפיע על מבנה הכרומטין כך שתאים סרטניים יהיו אפופטוזיס להבדיל מאלה הרגילים. דרך אחת נראה שמתרחשת באמצעות גן מקדם דה-אצטילציה H3K9 של גורם משרה היפוקסיה-1 אלפא-1 (HIF-1α). ה HIF-1α  יציב בתאי סרטן, מה שמאפשר פסיאודו נשימה (pseudorespiration) אשר מתרחשת כאשר ATP מופק באמצעות תסיסה מיטוכונדריאלית מעורבת בזירחון ברמת המצע. התא הוא פחות רגיש לאותות אפופטוטיים כאשר התרכובת HIF-1α יציבה אך למרבה המזל, ביטוי יתר של  SIRT6 יכול לערער אותה. יתר על כן, במודל עכברי של סרטן הכבד הראו כי 'גנום אפוטרופוס' מדכא גידול p53 יכול לגרום לביטוי SIRT6 כדי לעכב גלוקונאוגנזה בכבד, ובכך מדגיש את מנגנון p53 בשמירה על הומאוסטזיס הגלוקוז.

סירטואינים אחרים כגון SIRT3, המצוי גם בתוך מטריקס המיטוכונדריה וגם בגרעין בתנאי צמיחה נורמליים, משפיעים על יציבות HIF-1α. הורדת ביטוי פעילותם מתכנתת מחדש את יעילות חילוף החומרים ובכך עליה ברמה של הרדיקלים החופשיים (ROSs) מסמנת התייצבות HIF-1α שבתורה מגבירה תגובת אנזימי גליקוליזה. SIRT3 מעכב גליקוליזה אירובית ובכך את ייצור חומצת החלב דרך מסלול נוסף המערב E1α פירובט דהידרוגנאז (PDHA1). דהאצילציה של ליזין 321 על PDHA1 יגדיל את נפח הפעילות שלו, הטיית והגדלת ניצול הגלוקוז דרך מעגל החומצה הציטרית (TCA). כמו SIRT6, גם SIRT3 מופיע כמדכא או מקדם טומורגנזיס בהתאם לסוג התא, כמו גם במפגש עם מתח וגירויים אפופטוטיים. דלקת היא גורם דחק כזה שבדרך כלל נוכח בגידולים ונחלש על ידי צום בבני אדםSIRT3 הוא תלוי NAD (או 'רגיש תזונתית') ובזמן צום, פעילותו פוחתת, וכתוצאה מכך מקהה את תגובת NLRP3 (רצפטור דמוי NOD ממשפחת חלבון 3). 

מטבוליזם שזור בקשר בל יינתק עם עליה בדרישה של ביוסינטזה בתלות הדדית לפעילות. זה בא לידי ביטוי ביחסי גומלין ביונקים ביעד של ראפמיצין קומפלקס 1 (mTORC1) ו SIRT4. זה האחרון נמצא רק במטריקס המיטוכונדריה והוא מעורב באיזון חמצון וסינתזה של חומצות שומן בעוד שהראשון מעודד צמיחה כללית. הפעלת mTORC1 יעודד גלוטמט דה הידרוגנאז (GDH) באמצעות דיכוי SIRT4 ובעשותו כך יאפשר פעילות סרטן. מטבוליזם גלוטמין משופר זה מחדש את תוצרי הביניים הנדרשים למעגל  TCA הדורשים ביוסינתזה ומשמש מצע לתסיסה התורמת למילוי פער האנרגיה הנובע מהזרחון החמצוני הפגום של תאים סרטניים. זה מעניין שנזק מספיק רחב לדנ"א יכול להשרות ביטוי SIRT4 ולכבות מטבוליזם של גלוטמין, תהליך הנדרש לתיקון תאי. סירטואינים אלה באים כדי לדכא היווצרות של גידולים על ידי עיכוב מטבוליזם גלוטמין מוגזם ושמירה על יציבות גנומית.

SIRT1 הוא הסירטואין ששומר הכי הרבה ביונקים והוא נמצא גם בגרעין וגם בציטופלסמה. הוא מווסת מטבוליזם של ליפידים וגלוקוז בכבד, הפרשת אינסולין מהלבלב ומעודד העברת שומן לרקמת השומן. כל התכונות הללו יחד מצביעות על SIRT1 כחיישן מפתח מטבולי. SIRT1 מווסת שלילית פוספוליצראט מוטאז 1 (PGAM1) אשר מוגבר בסוגי סרטן רבים, ותופס מקום חשוב במסלול הגליקוליטי שבו חומרי ביניים גליקוליטיים רבים עולים ומשמשים כחומרי גלם מבשרי ביוסינתיזה. תהליך דה אציטילציה של PGAM1 בתיווך SIRT1 מפחית על ידי כך את הגליקוליזה, את הגאות במסלול פנטוז פוספט (PPP) ובהמשך גם את תוצרי הביניים. כל זה משמש כדי לעכב את צמיחת הגידול בהסתמך על נתוני גורמים אלה. כמו סירטואינים אחרים, SIRT1 גם מראה פעילות מדכאת גידול בתיווך דה אצטילציית HIF-1α. בסירטואין זה, כמו בשאר בני משפחתו, יש גידול של יכולת הדיכוי המנוגדת להתקדמות שתלויה בגידול. באמצעות פעילויות הדה אצטילציית שלו הוא יכול לקדם טומורגנזיס ע"י המעכבים p53 , p73 ו HIC1 (היפרמטילציה בסרטן 1). בהתחשב עד כמה הוא נפוץ עבור גנים ועבור מולקולות ויסות גנים שגם מדכאים וגם מעודדים גידולים, לא צריך לתפוס אותם כעושים אך ורק דבר זה או אחר, אלא כיושבים בצומת של מסלול בתא המוביל או מרחיק מצמיחה. אותה אנלוגיה שניתן ליישם על הגנים עצמם, רומז כי הכינוי שלהם 'כאונקוגנים" אולי מוקדם ועכשיו גם באמת מבלבל.

כמו ה SIRT1, גם SIRT2 קיים הן בציטופלסמה והן במיטוכונדריה. אבל זה עדיין סירטואין שונה כי כאשר הוא בעודף, הוא יכול לערער HIF-1α בתנאי חוסר חמצן. ניסויים עם תאים אשר אינם מבטאים SIRT2 מאששים עובדה זו בהתחשב בכך שהם לא משפיעים על רמת HIF-1α. סירוטואין SIRT2 מסדיר חיובית PGAM בניגוד לרגולציה השלילית של SIRT1. ו SIRT2 גם מסיר קבוצות אצטיל K100 (ליזין 100) מ-PGAM, ובכך מעלה את פעילותו ובכך גם את הגליקוליזה. סירטואין זה נמצא בעיקר בציטופלסמה והוא נע הלוך וחזור לגרעין. המשמעות של מיקום הסירטואין עדיין לא ידועה. עם זאת, מעניין לבחון את האפשרות כי הכיוון שבו הם מבצעים את הפעילות (בין הגרעין לציטופלסמה או בין הציטופלסמה לגרעין) עשוי להסביר תופעות התלויות בקשר שלהם בעד או נגד ייצור גידולים. במהלך המחקר של גידולים בשד, SIRT2 הוצג גם כמדכא גידול וגם כיכול לקדמו. כאן לעומת זאת, שלב הגידול הופיע כמכריע ולא סוג התא.

שני הסירטואינים SIRT5 ו SIRT7 נחקרו פחות. הראשון נמצא רק במיטוכונדריה שם הוא פועל כרגולטור כוללני לסוקסינילציה ׁ(succinylation). באמצעות דהסוקסיניליציה (dessucinylation) של סופראוקסיד דיסמוטאז (SOD1) הוא יכול להוריד את רמת הרדיקלים החופשיים שתאים סרטניים מייצרים כתוצאת מגליקוליזה מוגברת ותסיסה במיטוכונדריה עם זרחון חמצוני פגום בשרשרת העברת האלקטרונים שם (ETC). הסרוטואין SIRT7 שנמצא רק בגרעין מפעיל ליזין דה אצטילאז של H3K18 הנמצא בקרבת מקדמי הכפלת הגנים המעורבים בדיכוי גידולים. בדומה ל-SIRT6, הגרעין המוגדל המוחלש שלו מכיל ריבוזומים באופן ש MYC [גן רגולטורי] תלוי בדה אצטילזציה של מטרות התרגום של MYC שהם חלבונים ריבוזומליים. תחזוקה של SIRT7 על דפוסי אצטילציה של H3K18 נראית כחשובה בשמירת הפנוטיפ של מורפולוגיית סרטן זה. ייצור rRNA משופר כזה היא תכונה בולטת של סרטן עד כדי כך שזה הוצע כסימן היכר נוסף ושביעי. חזרה לרעיון של מיקום הסירטואינים כהסבר אפשרי לפעולותיהם המנוגדות בהקשרים שונים, SIRT7 קיים ופעיל מאוד בגרעין מוגדל המכיל ריבוזום, דבר המצביע על פעילות העשויה לקדם סינתזת rRNA ובכך ביוגנזה של ריבוזום. מציאת תרכובות מעכבות SIRT7 היא מעניינת מאוד. אף על פי כן, STACS עשוי להיות עדיף בדרך כלל לעיכב הסירטואינים מ 3 סיבות; מפעילים לא צריכים להיות חזקים כמו מעכבים עקב הגברת האיתות במורד הזרם, הם בררניים יותר בשל יכולתם להיקשר לאתרים שאינם קטליטיים בחלבוני היעד וחיקוי שלהם של מפעילים טבעיים עלול לגרום פחות תופעות לוואי. למרבה הצער, Kleszcz ושותפיו הבהירו כי עד עכשיו (2015) "זו כבר חידה שיש מערך כזה רחב של מולקולות קטנות שיכולות להפעיל SIRT1, אך עד כה לא תוארו מפעילים של SIRT2-7". קושי זה צריך להניע מחקר שמטרתו ניצול מפעילים סירטואינים אנדוגניים על מנת לשפר מניעה כמו גם טיפול בסרטן פליאטיבית משלים על ידי הבנת ההשפעה של גורמים אלה על אורח החיים. הדיאטה היא תמיד במרכז כגורמת חשוב בסגנון חיים, ובאופן מעניין, הוכח כי ריבוי חומצות שומן ארוכות שרשרת בריכוזים פיסיולוגיים יכול לעשות את SIRT6 פעיל פי 35 יותר. יתרה מזאת, העכברים שקיבלו ניקוטינאמיד ריבוזיד לעליית סירוטין אנדוגני המפעיל רמות NAD+ נהנו מיתרון של רגישות מוגברת לאינסולין. זה נמצא בקורלציה עם הגברת הביטוי של SIRT1 ו SIRT3.

כאשר הסרטן נצפה בפרדיגמה גנטית, הקבלה בין השפעת הנטייה העיקבית של סירטואינים לייצור גידולים ואונקוגנים עולה. הסירטואינים במיוחד יכולים להשתנות מלהיות נגד נטייה לגידולים לבעד יצירת גידולים בהתאם לסוג הרקמה או סוג הסרטן. אונקוגן יכול להיות גם פרו-יצירת גידולים וגם לדכא גידולים ללא הסבר מניח את הדעת לסיבה. תמיכת בנקודה אחרונה זו היא התצפית של סוטו וסונסכיין כי "מוטציה שאמורה ליצור התפשטות תאים בלתי מבוקרת מביאה למוות של תאים או עוצרת התפשטות תאים". המשמעות של הקבלה זו היא כי הפעולות המנוגדות של אונקוגנים וסירטואינים ביצירה ובהתפשטות של סרטן מבליטות את הכוח המנבא החלש של SMT, הקורא לדיון רציני בשאלת התיאוריה. כדוגמה לכך, אנליזה גנטית של הגירסאות של BRCA המסבירות רק 10% מהנטייה לפתח סרטן שד מסכמות את התחזיות הנוכחיות הכי הטובות שלנו. עם זאת, הערכת BRCA1 כאינטראקציה מטבולית עם האנזים אצטיל קואנזים A קרבוקסילאז אלפא (ACCA) מרחיקה לכת להסביר אונקוגנטיקה יותר מאשר עשיית אנליזה גנטית גרידא של BRCA1. כוח הניבוי החלש של SMT הוביל כמה לתהות כיצד תהליך מסוים כגון (סרטן) יכול לנבוע ממספר אירועים משפיעי מוטציות שאינם ספציפיים  (קרינה, וירוסים, דלקות וכו'). אלברט Szent-Györgi כינה את התופעה האחרונה "פרדוקס האונקוגנים". למרבה המזל, הפרדוקס הזה וחוסר העקביות שבאונקוגנים יכולים להיבדק בלחץ על ידי בוחני ניבוי של SMT: העברת גרעינים שעברו טרנספורמציה (סרטנית) לתוך ציטופלסמה שלא עברה טרנספורמציה (רגילה) תייצר סרטן באחרון. ניסויים כאלה של העברה גרעין-ציטופלסמה בוצעו והראו כי גרעינים מתאים סרטניים המועברים לתאים נורמליים לא משמנה אותם באופן מובהק. ההפך של ניסוי זה אמור להניב תוצאות דומות: תאים עם גרעין גידולי צריכים לחזור למצב נורמלי כאשר הם בתוך ציטופלזמה של תאים נורמלים, במיוחד כאשר המיטוכונדריה, המופקדת על הנשימה שלהם, מועברת אליהם. בשנת 1988 ישראל ושפר הראו בדיוק שימוש בתאי ציטופלזמה היברידיים (cybrids) העשויים מתאי אפיתל של כבד עכברוש. שני הסוגים של ניסויי העברה מתוארים באיור 3 להלן.

ניסויי העברה

קולסה ושותפיו הוכיחו ש"היכולת של תאי מלנומה גרורתית באדם בוגר להגיב לרמזים מגירויים סביבתיים עובריים, שינוי אשר יכול לעשות תכנות מחדש של הפנוטיפ הגרורתי שלהם". תומאס סייפריד מבוסטון קולג' מסכם תוצאות מניסויים גרעינים/ציטופלסמים רבים אומר כי " גרעינים מתאי סרטן ניתן לתכנת מחדש כדי ליצור רקמות נורמליות כאשר הם הושתלו בציטופלסמה נורמלית למרות הנוכחות המתמשכת של ליקוי גנומי הקשור לגידולים בתאים של הרקמות מהם נגזרו". הדבר מצביע על כך שמשהו בציטופלסמה ולא בגרעין נוהג כאונקוגנזיס. זה – יחד עם התצפיות שגילן כמעט מאה של ורבורג שסרטן מציג מידה מסוימת של OxPhos פגום – מעלה את השאלה לגבי התפקיד שיש לגורמי בקרה על גנים שעשויים לשחק בקשר בין נשימה פגומה במיטוכונדריה עם גנום גרעיני לקוי ועם מוטציות רבות.

אחד הביטויים של נשימה לקויה רם רדיקלים חופשיים (ROS). שרשרת העברת האלקטרונים (ETC) בקרום המיטוכונדריה הפנימי (IMM) משתמשת במולקולות נושאות אלקטרונים כדי לסנתז ATP וחלק מאלקטרונים אלה גם (באופן מלא) מחזרים מים. תהליך לא מושלם של זה גם מחזר חלקית מים: אלקטרונים באורביטל החיצוני של החמצן הופכים לא מזווגים ובכך נעשים רדיקלים חופשיים ובכך ליונים סופר מחמצנים, רדיקלים חופשיים בצורה של מימן על חמצני והידרוקסיל. למשל הידרוקסידים (OH) עשויים 'לגנוב' אלקטרונים מליפידים בממברנה, ובכך להתחיל אירועי תגובת שרשרת לפיה ליפידים סמוכים גונבים אלקטרונים זה מזה ובכך משנים את המאפיינים של ממברנות בצורה בלתי מבוקרת. רדיקלים חופשיים הם באופן בלתי נמנע פיזיולוגית משתתפים באיתות תאי, עדיין משום שהם מטבעם רק מקלקלים מרכיבים תאיים הם חייבים להיות בשליטה כדי למנוע מחלות הזדקנות מואצתגילויים נוספים של נשימה לקויה כוללים ליקויי דנ"א מיטוכונדיריאלי, מפל תנועת פרוטונים [בממברנת המיטוכונדריון] (ΔΨ) ואת מעגל קרבס. יש לתאי שמרים ולבעלי חיים "מערכות מעקב" המגיבות לסימנים אלה ואז הנשימה נפגעת, אחד מהם נקרא תגובה מידרדרת (RTG).  זו "תגובה לתפקוד לקוי של המיטוכונדריה על ידי התאמת חילוף החומרים בתא לאובדן הפעילות המחזורית של חומצה טריקרבוקסילית (TCA)". תומאס סייפריד מסווג כראוי את תגובת ההידרדרות כמנגנון אפיגנטי כיוון שהוא עונה על קריטריונים של ספציפיות וזיכרון: הלאוצין הבסיסי בצורת סליל-לולאה-סליל מחבר את גורמי תעתיק Rtg1 / Rtg2 המדגימים ספציפיות כאשר הם נקשרים לאתר הקישור DNA R Box עבור שעתוק של מערכת מסוימת של הגנים, כמו גם הזיכרון הנותן לשמרים אלה לתחזק שינויים אלה במהלך החלוקה התאית כדי להאריך את תוחלת החיים שלהם. RTG הוא מסלול איתות המוסר מידע על מצב האברון לגרעין וכך, בין עוד תהליכים, זה יכול להשפיע או לעצור את מנגנוני בקרת האיכות העיקריים של מיטופגיה [הרס מיטוכונדריה] ואוטופגיה.

תגובת RTG היא מנגנון מרכזי שבבסיס התיאוריה המטבולית של הסרטן משום שהיא מקשרת בין ההשערה על המקור המטבולי ובין המאפינים של הגנום הגרעיני החריג הלא יציב והמוטטיבי. בעיקרון, תגובת הגברת הביטוי של RTG  ברשת המטבולית הלא חמצונית (או אונקוגנים מנקודת מבט ממוקדת גנים) אשר מסיט את מסלול הפקת האנרגיה של התא לשליטה משולבת של גליקוליזה ותסיסת גלוטמין על מנת לשמר הומאוסטזיס  ( ΔG’ATP יציב) למרות שהנשימה לא מספיקה. איור 4 להלן זו המחשה של תומאס סייפריד (המותאמת מהעבודה של מיכל ג'זוינסקי בשמרים) של איך תגובת RTG מתרחשת ביונקים.

תגובת RTG

בדרך כלל לתאים נושמים יש מגיב RTG לא פעיל הממוקם בציטופלסמה. הוא לובש צורה של קומפלקס המורכב מדימר Rtg1 על Rtg3 מזורחן חזק יותר. כאשר התא חווה נשימה פגומה או לא מספיקה, Rtg2 ציטופלסמטי מסיר חלקית זירחון מהקומפלקס Rtg1 / Rtg3, מה שמעורר את שני החלבונים להיכנס לגרעין כך ש-Rtg3 עשוי להיקשר ל-R Box, ואחריו Rtg1 משתף שוב את Rtg3, ומעורר ביעילות את תגובת RTG. זה מוביל לשעתוק ממוקד של גנים מטבוליים אנטי אפופוטיים מרובים כולל CHOP, MYC, TOR, NF-κB, Ras ,CREB. סט לא ממצה זה של גנים קשרים רבי פנים עם עיכוב סרטן, תחזוקה וגידולים סרטניים. לדוגמא, MYC קשור עם רמות גבוהות של רדיקלים חופשיים ולעיכוב של p53 המדכא גידולים. דוגמה הנוגעת להתנהגות גרורתית קשורה לתגובת RTG להעלאת רמת מטריקס- מטלו-פרוטאז-2 (MMP2) שנראת עבור הפעלת מקרופאג'ים להכלאה של אפטיל ממאיר. חשוב לציין כי תגובת RTG מתווכת באי היציבות של הגנום הגרעיני ומשפיעה על מוטציות הפלואידיות וסומטיות עם ראיות חזקות לטובת התיאוריה המטבולית של סרטן על SMT. יתר על כן, תגובת RTG קשורה גם לפנוטיפים עמידים לתרופות רבות לסרטן, מעלה סידן ציטופלזמטי, מעלה רדיקלים חופשיים, תרכובות ברזל-גופרית חריגות, ירידה בייצור ATP במיטוכונדריה וכן גם פחות מ ΔΨ. למרות שאין התאמה ישירה בין אאוקריוטים גבוהים יותר עם חיישן Rtg2 במיטוכונדריה של שמרים המעביר אותות למיטוכונדריה, סריניבאסאן ושותפיו הסבירו כי "הומולוגיה חזקה בין מעכבים ומסלולים של שניהם [גני RTG וה- NF-κB] מובילים להאמין שהתגובה המדרדרת היא פרקורסור פוטנציאלי של מווסתי בקרה עכשויים של מתח, NF-κB ". באותו מסמך של סריניבאסאן ושותפיו, המוצג כאן שוב באיור 5, אפשר לראות את רמות פעילות כמעט זהות של RTG ו-NF-κB ככל שהם מתייחסים לששת המדדים המרכזיים של התנהגות תאית.

RTG NF-kB

גם ג'זווינסקי העיר על קווי הדמיון רבים בין שמרים ותגובות RTG באדם, והוסיף כי "תאי יונקים לא רק מציגים הרבה מהתכונות המולקולריות של נסיגת אותות בשמרים, אבל הם גם מציגים את התוצאה התאית של תוחלת חיים רחבה יותר המאפיינת את ירידת התגובות". מנגנוני הרחבת תוחלת החיים קשורים בקשר בל יינתק מבקרה על יצירת גידולים. באיור 6 להלן קלמנט וצ'אמפ ממחישים את החפיפה במנגנון בין דיאטה קטוגנית (KDS), אשר יכולה לדכא גידולים ובין הגבלת קלוריות (CR), אשר הוכחה כמאריכה את תוחלת החיים במודלים של בעלי חיים רבים.

KD cr

איור 7 להלן ממחיש את המסלולים המשולבים של התא. גרסה 2011 כמעט זהה עם אחת משנת 2000 שלא השתמשנו בה כאן בשל חוסר בהסבר מפורט. מה שמעניין הוא כי המסלולים התאיים משורטטים בברור דרך עדשה של SMT; מסלולים (חיצים) עוזבים את המיטוכונדריה כלפי 'חיישן לדנ"א שנפגע' אשר לא נראה בשום מקום. נראה שיש הכרה קטנה עד כמה OxPhos פגום מוביל לכוון או להגברת הביטוי העקיף של מסלולי גליקוליזה ותסיסה. במקום זאת, שינוי זה באנרגיה מטבוליטית נחשב שמקורו במוטציות בגרעין התא. דמיין שוב את איור 7 דרך עדשת MT, תגובת RTG תהווה 'חיישן לנזק מיטוכונדריאלי' עם חץ שמוביל NF-κB ותשתלב בחזרה אל קורי העכביש של חיצים שכבר קיימים. יתר על כן, לא תהיה עלייה בשיעור החיצים ההולכים מהמיטוכונדריה לגנום הגרעיני (ובחזרה), המדגיש את המקור המטבולי כמו גם דו כיווניות צולבת למה שמאפשר לגנום גרעיני להגביר את הביטוי של המסלוליםהמטבוליים הנ"ל. זו אינה שאלה היפותטית מופרכת. למשל, המבט הקלאסי ש p53 מווסת יצירת גידולים בלבד (ובכך יציבות גנומית) על ידי גרימת אפופטוזיס במיטוכונדריה או באמצעות אלמנטים בתגובת גורם השעתוק שחייב להיות מעודכן, מכיוון שהוא ידוע כעת גם כמווסת העתקת היעד SCO2 (סינתזה של מונואמין ציטוכרום C אוקסידז  2) בדרך שבה שבה האנרגיה במיטוכונדריה מושפעת גנטית. יציבות הגנום, בדרך של p53, היא אפוא בתלות גבוהה במצב OxPhos. שילוב זה לתוך איור 7 ייראה כמו חץ שעוזב את המיטוכונדריה ל-SCO2 ומשם ל-p53.

מעגלי הסלולר

חזרה למסמך של Jazwinski על תגובת RTG, מנגנון בקרה של גן אחר (לא אפיגנטי) מוביל לתמיכה בתיאוריית של MT על סרטן שניתן להסיק ממחקר על אופן פעילות סינטזת הסרמידים הנמצאת ברשתית התוך פלסמטית (ER) מתייחסת לאי פעילות המיטוכונדריה. הידרוליזה של ספינגומיילין על ידי ספינגומיאלינאז (Smase) היא תגובה קטליטית המניבה סרמידים, מרכיב מבני ומרכיב איתות בתאי יונקים. נראה שסרמידים מומרצים על ידי מגוון גורמי דחק כגון גורם נמק גידול אלפא / מטריקס מטלופרוטאינזות / רדיקלים חופשיים, קנבינואידים וקרינה מייננת. סרמידים קשורים לירידה באיתות בדרך של עירור Isc1 (אינוזיטול פוספוספינגוליפיד C), מה שמוביל לאוטופגיה. Jazwinski מסביר כי "ספינגוסין וסרמידים הם סימנים מקדימים של ספינגוליפידים מורכבים [אשר] משערים כי איזון בפעילות ביוסינטזה של ספינגוליפידים יכולה להטות את הכף באוטופאגיה ממצב של בקרת לירידה גדולה ותיקון".

למעשה, פיטוקנבינואידים THC ((-) – טראנס-Δ9 -טטראהידרוקנאבינול) הוצג כגורם אפופטוזיס במבחנה לפי "הצעד הראשון במסלול אפופטוזיס הוא ייצור סרמידים, וזה מוביל לאובדן של פוטנציאל הממברנה, והפעלה קספאז, בהתאמה". פיטוקנביואידים CBD פחות ידועים (קנבידיול) הוצגו על ידי מקאליסטר ושותפיו. כמפחיתים את האגרסיביות של התפשטות תאי סרטן השד, פלישה וגרורות על ידי השפעה על ייצור רדיקלים חופשיים מיטוכונדראליים במבחנה. אפקט תיווך CBD נראה שקורה בהחלשה של שני מסלולים: הפעלת ERK (קינאז המווסת איתות חוץ תאי) והגדלה עתידית  של רדיקלים חופשיים. שני מסלולים אלה יכולים להקטין ביטוי גנים Id-1 (מעכבים של קישור דנ"א 1), המוביל לירידה בהתפשטות תאים ופלישה. אופי הפעולה של קנבינואידים נותן עדות נוספת ל MT של הסרטן בשל השפעתו על אנרגיית מטבוליזם, כמו למשל, כאשר "סרמידים שנוצרים בהפעלת קולטני הקנבינואידים במוח CB1 עשויים להגביר את ייצור גופי הקטון באסטרוציטים [חולדה] עצמאיים של MAPK". מעניין לציין, כי קו זה של מחקר מוביל לניסויי מבחנה וחי מבטיחים תוך הדגשת תפקיד המתפתח של גופי קיטון כדלק מטבולי מפתה המסוגל בו זמנית להלחיץ תאים סרטניים ולתמוך בתאים נורמלים. הקשר בין MT על השפעות הרגולציה של קטונים על גנים סרטניים ניכר כאשר בוחנים כמה מן המאפיינים של אנדוגנים כמו D-β–הידרוקסיבוטראט (βOHB). זה האחרון מעכב ספציפית סוג 1  HDACs. פעילות זו של βOHB משרה HDAC "בקורלציה עם שינויים גלובליים בתיעתוק, כולל זה של הגנים המקודדים התנגדות ללחץ חמצוני גורמי FOXO3A ו MT2 […] עולה בקנה אחד עם FOXO3A מוגבר ופעילות MT2, טיפול של עכברים עם βOHB נותנת הגנה ניכרת כנגד סטרס חמצוני". המנגנונים המשותפים של הקנבינואידים והקטונים, המיצרים מתח מטבולי על תאים סרטניים תוך הגנה על תאים נורמליים, תומכים בתיאוריית MT של הסרטן.

לסיכום, כדאי להתעכב לרגע ולהרהר בעובדה שקטונים וקנבינואידים, שני רכיבים אנדוגניים שבמידה רבה הם לא רעילים לבני אדם, מושמצים שלא בצדק; הראשון בגלל הימצאותו בחמצת סוכרתית והאחרון בשל נזקים הקשורים בשימוש בסמים לא חוקיים. עם זאת, שניהם נמצאים כיום מחדש על פני השטח במחקרים רפואיים כתרכובות מאוד מבטיחות, במיוחד לטיפול במלכת כל המחלות. יתר על כן, שווה גם להרהר כיצד מגוון של שיטות חדשות לטיפול בסרטן כמו HBOT (טיפול חמצן בלחץ גבוה), דיאטה קטוגנית ומים עם ריכוז נמוך של דאוטריום ( 2 H) או מים קלים (DDW) משתפים מנגנונים חופפים המשפיעים על חילוף החומרים על ידי השפעה על מצב המיטוכונדריה – במיוחד OxPhos. הטיפול האחרון, DDW, עיכב התקדמות סרטן הערמונית בניסוי קליני שלב 2 במשך 4 חודשים, שהיה עם בדיקה עיוורת כפולה ואקראית. מנגנון הפעולה של DDW כפי שהוסבר על ידי בורוס ושותפיו דה פקטו משמש עדות נוספת למוצא המטבולי של סרטן:

"המראה המוגזם, כלומר הצטברות של 'מצב מטבולי יבש" של אונקומטבוליטים [כגון 2-HG] עולה בקנה אחד עם ההשערה שלנו שהסרטן נוצר על בסיס של פגמים במיטוכונדריה שמחסור במיום במחזור TCA עם מעוט מי מטריקס דאוטריום הוא התוצאה של פגמים אלה. טענה כזו אינה נתמכת על ידי העובדה כי שחזור הפונקציה של החזרת מים למיטוכונדריה הופך תאים סרטניים לכאלה עם פנוטיפ גנטי יציב הרגיל שלהם שאינם מתרבים [37] עם תכולת מים נורמלית במטריצה, סידור ומורפולוגיה "

הגיע זמן שחוקרי סרטן מהמיינסטרים המתמקדים ב-SMT ישקלו מחדש את המנגנונים הבסיסיים של פעילות כמה טיפולים מבוססי גנים מוצלחים הקיימים בשוק. במקום לראות בגנטיקה, אפיגנטיקה ובתופעות רגולטוריות גניות כמוקד פעולה של 'טיפולים מבוססי גנים', הם יכולים פשוט לתווך שינויים עיקריים המתרחשים ברמת חילוף החומרים שבו אונקוגנזה הופיעה לראשונה.

מודעות פרסומת

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s