BETYDELSEN AV PROTEASOMEN OCH PROTEASOMHÄMNING VID CANCER Vetenskaplig översikt
Proteasomen har blivit ett viktigt mål vid cancerbehandling Ökad proteasommedierad Vissa proteiner som märkts för nedbrytning kommer in i den proteolytiska kärnan 1 Proteasomen reglerar normal celltillväxt och spelar en viktig roll vid oreglerad tumörtillväxt. 1 Reglerande proteiner stimulerar normal celltillväxt 1 och stoppar tumörtillväxt, vilket antingen leder till apoptos eller normal cellhomeostas. 1 Proteasomen är ett cylindriskt multienzymkomplex som finns i alla eukaryota celler. 2 Proteasomen bryter ned ett stort antal reglerande proteiner, bland annat cellcykelhämmare. 1 Proteasomhämmare uppvisar affinitet för den hastighetsbestämmande proteolytiska kärnan: målet för optimal proteasomhämning. 1 Proteasomhämning ökar leder till antingen apoptos eller Proteasomhämmare tränger in i proteasomen, och binds reversibelt till den proteolytiska kärnan. 2 Proteasomhämmaren hindrar proteasomen från att bryta ned reglerande proteiner. Den optimala proteasomhämmaren har hög affinitet för proteasomens hastighetsbestämmande proteolytiska kärna. 1
nedbrytning av reglerande proteiner inducerar tumörtillväxt 1,3 Uttalad proteasomal nedbrytning av reglerande proteiner är typiskt vid cancer. 1 Utan kontroll av adekvata halter av reglerande proteiner är tumörtillväxt möjlig. 1 Låga nivåer av reglerande proteiner, bland annat cellcykelhämmare, är en markör för dålig prognos vid cancer i bröst, colon och prostata. 3,4 halterna av reglerande proteiner, vilket stoppar tumörtillväxten, och normal cellhomeostas 1 Minskad proteasomal nedbrytning leder till stabila nivåer av reglerande proteiner. 2 Proteasomhämning påverkar multipla signalkaskader i cellen. Ändrade nivåer av reglerande proteiner stör cellhomeostasen, vilket kan inducera apoptos och stoppa tumörtillväxten. 2 Prekliniska studier har visat att maligna cellinjer är 100 till 1000 gånger känsligare för proteasomhämning än icke-maligna celler.
Proteasomen och dess roll hos normala celler och cancerceller 26S-proteasomen är ett multienzymkomplex, som finns i alla eukaryota celler. 2 Den bryter ned proteiner som är märkta med ubiquitin. 2 iquitineringsprocessen (vid vilken en eller flera molekyler av detta allmänt förekommande 76-aminosyrorsprotein binds till lysinrester) markerar proteiner som är klara att brytas ned. Denna process tar hand om både skadade proteiner och funktionella molekyler, som måste brytas ned för att en normal cellhomeostas skall upprätthållas. 1,2,5 iquitinmärkta proteiner känns igen av 19S cap-subenheterna i proteasomen. Dessa är placerade i båda ändarna av ett cylindriskt enzymkomplex med en proteolytisk kärna (20S core) bildad av ringar av proteaser med trypsinlik, kaspaslik och kymotrypsinlik aktivitet. Den sista av dessa är det hastighetsbestämmande steget i proteinnedbrytningen och även målet för proteasomhämningen. 1,2 Proteasommekanismer och onkogenes Proteasomens roll i alla tumörtyper utgår från den roll den spelar i cellens normala fysiologiska skeenden. Som framgår av figur 1 kan de reaktioner genom vilka proteasomen blir betydelsefull vid cancer indelas enligt följande: Celltillväxt Apoptoshämning Angiogenes Vävnadsinvasion Figur 1 Proteasommekanismer 2 Nedbrytning av IKB Cytokiner aktiverar cellytereceptorer NF-KB hämmas av IKB Tumörsuppressorprotein Signalvägar P53 P Enzymer och cellcykelregulatorer Cytokiner NF-KB aktiverar transkription Cellcykelhämmare P21 Proteasom Celladhesionsmolekyler P27 Peptider Degraderad P53, P21, P27 Degraderad IKB Aktiverad NF-KB translokeras till kärnan Cyklinberoende kinaser (CDK) Anti-apoptotiska faktorer Anpassad från Adams J. The proteasome: structure, function, and role in the cell. Cancer Treat Rev 2003; 29 (Supp 1): 3 9.
Proteasomen är ett viktigt mål, eftersom den påverkar många viktiga reglerande proteiner med väldefinierade roller vid uppkomst och progress av cancer. Här är några exempel: Tabell 1 Reglerande proteiner Celltillväxt NF-kB Cellcykelhämmare Apoptoshämning NF-kB p53 Angiogenes NF-kB p53 Vävnadsinvasion NF-kB Cellcykelhämning Proteinerna p21/cip1 och p27/kip1 hämmar cyklinberoende kinaser (CDK). 6 När CDKs funktion hämmas, kan cellcykeln inte gå från G1- till S-fasen och cellen dör. 1 Nedbrytning av dessa CDK-hämmare är en funktion hos proteasomen. Vid cancer möjliggör tömda förråd av CDK-hämmare en ohämmad tumörtillväxt. 6 Förlusten av kontroll över cellcykeln och tillväxthämningen är en förutsättning för utveckling av cancer. Låga nivåer av cellcykelhämmare innebär en dålig prognos vid cancer i bröst, colon och prostata. 3 Sänkta halter av p27 beror på ökad proteasomal nedbrytning, snarare än förändrad genexpression. 1,3,6 Tumörsuppressorn p53 Tumörsuppressorproteinet p53 är involverad i cellcykelregleringen på en kontrollstation mellan G1- och S-fasen. 7 DNA-skada medför en ökning av p53-proteinet, vilket ökar expressionen av proteiner, som är involverade i avbrott i cellcykeln och apoptos. 7 Nedbrytning av p53 är en av proteasomens funktioner. Proteasomhämning medför därför förhöjda nivåer av p53. 1 p53 stoppar också angiogenesen genom att öka expressionen av angiogeneshämmare och sänka nivåerna av angiogena proteiner, till exempel tillväxtfaktorn för kärlendotel (VEGF) 7 och för fibroblaster (bfgf). Förändringar i p53 är den vanligaste mutationen vid human cancer. 7
Proteasomen och dess roll hos normala celler och cancerceller (forts.) NF-kB och cancer Nukleär Faktor-kB (NF-kB) initierar eller stimulerar signalöverföring inne i kärnan men bibehålls inaktiv i normala cellers cytoplasma av specifika hämmare som kallas IkB. När IkB bryts ned av proteasomen, translokeras NF-kB till kärnan. 8,9 NF-kB-aktiviteten är ofta förhöjd i cancerceller. 9 Proteasomhämning kan reversera NF-kB-aktiveringen. 8 NF-kB-aktivering påverkar cancer på många sätt: Celltillväxten påskyndas genom att öka transkriptionen av målgener, bland annat gener för cyklin-d1, CD40-ligand och IL-6 (en tillväxtfaktor för multipelt myelom). 8 10 Apoptoshämning uppnås genom hämning av den apoptosstimulerande effekten av Tumör Nekros Faktor (TNF). Medlemmar av TNF-familjen (TNF, LT, CD95L, TRAIL, VEGI, TWEAK och LIGHT) stimulerar apoptos, 11 medan NF-kB aktiverar andra anti-apoptotiska ämnen, bland annat Bcl-2-familjen. 10 Figur 2 Venndiagram som visar överlappningen mellan molekyler, som ökar/minskar i mängd och deras roll i cellhomeostasen
Angiogenesen stimuleras av NF-kB genom induktion av IL-6, IL-8 10 och VEGF. Vid multipelt myelom stimulerar IL-6 DNA-syntes och celltillväxt. IL-6 kan också inducera resistens mot cytostatikabehandling 9 och skapa en tillväxtvänlig mikromiljö i benmärgsstromat. 9 Vävnadsinvasion gynnas av matrixmetalloproteinaser (MMPs). Flera gener som kodar för MMPs innehåller bindningsställen för kb, och NF-kB-aktivering står i samband med destruktion av det extracellulära matrix. 10 Invasionen förvärras även av NF-kB-stimulerad expression av adhesionsmolekyler, t ex intercellular adhesion molekyl-1 (ICAM-1) och vascular cell adhesion molekyl-1 (VCAM-1). 9 Proteasomhämning vid multipelt myelom Beläggen för proteasomehämningens möjligheter vid multipelt myelom inefattar bland annat hämning av cellcykeln och induktion av apoptos (nedreglering av NF-kB 2,9 och Bcl-2; 9 ökad koncentration av p21, p27 och p53, liksom stabilisering av p53; 9 återställande av TNFs apoptosfunktioner; hämning av angiogenesen (nedreglering av VEGF, IL-6 och IL-8); 8,9 effekter på invasion och benmärgsstromat (nedreglering av IL-6; minskad expression av ICAM-1 och VCAM-1); 12 och, märkligt nog, in vivo-aktivitet mot xenograft deriverade från myelomcellslinjer, som odlats in vitro för att vara resistenta mot proteasomhämning. 2 Proteasomhämmare verkar också direkt apoptotiskt på myelomcellslinjer. 9 Prekliniska studier har visat att maligna cellinjer är 100 till 1000 gånger känsligare för proteasomhämning än icke-maligna celler. Xenograftstudier visar att dipeptidborsyror är aktiva som enskilda aktörer och i kombination vid multipelt myelom liksom vid andra tumörtyper. 2,9 Referenser: 1. Shah S, Potter M, Callery M. iquitin proteasome pathway: implications and advances in cancer therapy. Surgical oncology 2001; 10 : 43 52. 2. Adams J. The proteasome: structure, function, and role in the cell. Cancer Treat Rev 2003; 29 (Supp 1): 3 9. 3. Loda M, Cukor B, Tam S, et al. Increased proteasome-dependent degradation of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 in aggressive colorectal carcinomas. Nature Med 1997; 3 (2): 152 154. 4. Lloyd R, Erickson L, Jin L, et al. p27kip1: a multifunctional cyclin-dependent kinase inhibitor with prognostic significance in human cancers. Am J Path 1999; 154 (2): 313 323. 5. Shtiegman K, Yarden Y. The role of ubiquitylation in signaling by growth factors: implications to cancer. Semin Cancer Biol 2003; 13 : 29 40. 6. Pagano M, Tam S, Theodoras A, et al. Role of the ubiquitin-proteasome pathway in regulating abundance of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27. Science 1995; 269 (5524): 631 632. 7. Smith N, Rubenstein J, Eggener S, Kozlowski J. The p53 tumor suppressor gene and nuclear protein: basic science review and relevance to the management of bladder cancer. J Urol 2003; 169 : 1219 1228. 8. Orlowski R, Baldwin A. NF-kB as a therapeutic target in cancer. Trends Mol Med 2002; 8 (8): 385 389. 9. Cusack J. Rationale for the treatment of solid tumors with the proteasome inhibitor bortezomib. Cancer Treat Rev 2003; 10. Karin M, Cao Y, Greten F, Li Z-W. NF-kB in cancer: from innocent bystander to major culprit. Nature Rev Cancer 2002; 2 : 301 310. 11. Aggarwal B. Signalling pathways of the TNF superfamily: a double-edged sword. Nature Rev Immunol 2003; 3 : 745 756. 12. Dalton WS. The tumor microenvironment : focus on myeloma. Cancer Treat Rev 2003; 29 (Supp 1): 11 19. 13. Li Q, Verma I. NF-kB regulation in the immune system. Nature Rev Immunol 2002; 2 : 725 734.
Ordförklaringar Bcl-2 -familjen (medlemmar av B-celllymfom-2-familjen) reglerar mitokondriernas program för apoptos. 1,9 CDK Cyklinberoende kinaser. IkB NFkB-hämmare. Proteasomens nedbrytning av IkB möjliggör NFkB-aktivering. 13 MMPs matrixmetalloproteinaser. NF-kB Nukleär faktor-kb binds till DNA, vilket leder till transkription av gener, som direkt och indirekt reglerar celltillväxten. 9 p21/cip1 Hämmare av cyklinberoende kinas (CDK) reglerar CDK-aktiviteten och därigenom celltillväxten. 1,9 p27/kip1 Hämmare av cyklinberoende kinas (CDK) reglerar CDK-aktiviteten och därigenom celltillväxten. 1,9 p53 Styr reglering och apoptos; aktiverar p21. 1,9 Proteasom ett multienzymkomplex, som finns i alla celler; bidrar till normal cellhomeostas genom att bryta ned vissa proteiner; bidrar till tumörväxt genom nedbrytning av reglerande proteiner. 1 19S cap-subenhet i proteasomen, som känner igen ubiquitinmärkta proteiner. 1,2 20S proteolytisk kärna i det cylindriska enzymkomplex som bildas av ringar av proteaser med trypsinlik, kaspaslik och kymotrypsinlik aktivitet. 1,2 26S proteasom bildad genom kombination av 19S cap + 20S core-proteiner. 1 TNF Tumör Nekros Faktor. iquitinering Process genom vilken en eller flera molekyler ubiquitin, ett allmänt förekommande protein med 76 aminosyror, binds till lysinrester på målproteiner. 1 VEGF tillväxtfaktor för kärlendotel. Janssen-Cilag AB, Box 7073, 192 07 Sollentuna, Tel 08-626 50 00, www.janssen-cilag.se JC-040446-2