Białka inhibitorowe apoptozy (IAP) nowe możliwości leczenia

&ARM0RZEGL.AUK†
"IAŒKAINHIBITOROWEAPOPTOZY)!0
NOWEMO˜LIWOuCILECZENIANOWOTWORÌW
0ROTEINSINHIBITORSOFAPOPTOSIS)!0
NEWTARGETCANCERTHERAPY
-ARCIN4.OWAK3ŒAWOMIR$UDEK+ATARZYNA,ORENC
-AGDALENA+WIECIEÊ:BIGNIEW,ORENC3ABINA*ARA†.OWAK
+ATEDRAI:AKŒAD"IOLOGII-OLEKULARNEJgL’SKIEGO5NIWERSYTETU-EDYCZNEGOW+ATOWICACH
/DDZIAŒ#HIRURGII/GÌLNEJ7OJEWÌDZKIEGO3ZPITALA3PECJALISTYCZNEGONRIMuW"ARBARY
W3OSNOWCU
Streszczenie
Abstract
Białka inhibitorowe apoptozy (IAP) – niedawno opisane białka, odgrywające znaczącą rolę w życiu komórki, wpływające poprzez regulacje apoptozy, na podział
i śmierć komórki. Białka IAP obecne są zarówno w schorzeniach degeneracyjnych (np. w chorobie Parkinsona)
jak i w chorobach z niekontrolowaną proliferacją komórek
(choroba nowotworowa). Stanowić mogą nowy marker
diagnostyczny nowotworów oraz cel terapeutyczny. Ich
obecność może być odpowiedzialna za oporność guzów
na chemioterapię. W pracy przedstawiono aktualny stan
wiedzy na temat białek IAP podkreślając ich obecność
w różnych schorzeniach, w tym w chorobach nowotrworowych i możliwości wykorzystania ich w terapii przeciwnowotworowej.
The proteins inhibitors of apoptosis (IAP) – the recently
described proteins, playing the significant role cell life,
the influencing on division and the death of cell across
the apoptosis. The IAP proteins are found both in degeneration illnesses (the disease the Parkinsona) and in
diseases based on uncontrolled proliferation of cells (the
neoplasmic disease). IAP could be new diagnostic marker
of tumours as well as therapeutic aim. Their presence can
be responsible for resistance of chemiotherapy. In this
work was described the current state of knowledge of IAP
proteins underlining their presence in different illnesses,
mainly in cancer and possibility to used them in cancer
therapy.
Key words: IAP, apoptosis, cancer therapy
Słowa kluczowe: IAP, apoptoza, terapia przeciwnowotworowa
Wstęp
Białka inhibitorowe apoptozy – IAP (ang. Inhibitors of
Apoptosis Protein) to opisane w ostatnim dziesięcioleciu
proteiny mające wpływ na apoptozę, czyli zaprogramowaną
śmierć komórki. Pełnią one różne funkcje, zarówno w czasie podziału, wzrostu i różnicowania komórek. Poznano
osiem białek IAP: XIAP (ang. Human X Chromosome-Encoded IAP), IAP-1, IAP-2, ML-IAP/Liwin (ang. Melanoma
IAP), ILP-2 (ang. IAP-like Protein 2), NAIP (ang. Neuronal
Apoptosis-Inhibitory Protein), BRUCE/Apollon i surwiwina. Cała grupa charakteryzuje się obecnością co najmniej
jednej domeny BIR (ang. Baculoviral IAP Repeat) - BIR1,
BIR2 lub BIR3 i dodatkowo domen typowych dla danego
białka [1, 8].
Białka IAP wykryto w kilku schorzeniach, zarówno ze
zmianami degeneracyjnymi komórek oraz ze zmianami
proliferacyjnymi, czyli nadmiernym rozrostem komórek.
Pierwsza grupa obejmuje choroby ze spadkiem odbudowy
i regeneracji komórek takie jak choroby neurodegeneracyjne, z uszkodzeniem komórek nerwowych rdzenia i mózgu.
Ograniczając zasięg apoptozy, wykorzystując m.in. białka
IAP, można przyczynić się do zmniejszenia postępu choroby,
a tym samym lepszego leczenia. Prowadzone są próby z wykorzystaniem adenowirusowych wektorów z NAIP, IAP-1
i IAP-2. Przy pomocy wektorów można wprowadzić geny
kodujące IAP powodując nadekspresje białek i przyblokowanie apoptozy, co w rezultacie może opóźnić niszczenie
komórek. Początkowo zablokowano w ten sposób apoptozę
in vitro w modelu z uszkodzeniem nerwu kulszowego [2]
i wzrokowego [3]. Później wykazano, że nadekspresja NAIP
ma działanie protekcyjne w hydroksydopaminowym modelu
choroby Parkinsona [4]. Wszystkie te doniesienia pozwalają
mieć nadzieje na leczenie chorób degeneracyjnych z udziałem wektorów genowych kodujących IAP.
Kolejna grupa schorzeń to choroby z nadmierną proliferacją i namnażaniem komórek. Należą do nich choroby
nowotworowe. Nowotwory to różna i heterogenna grupa
chorób, rozwijająca się na bazie różnorodnych komórek,
które namnażają się w niekontrolowany sposób. Z jednej
strony nadmierny, niekontrolowany rozrost, z drugiej przyblokowana apoptoza i brak niszczenia zmutowanych komó-
&ARM0RZEGL.AUK†
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
a tym samym przyblokowanie
działania IAP nasila apoptozę, nasila rozpad komórki ma
więc potencjalne możliwości
terapeutyczne nowotworów.
Możliwości
terapeutyczne
Oporność komórek na
apoptozę to jedna z przyczyn
rozwoju nowotworów. Namnażanie się uszkodzonych
komórek, bez możliwości ich
niszczenia leży u podłoża rozwoju chorób nowotworowych.
Poznanie mechanizmów regulacji apoptozy ukierunkuje terapię. Występowanie zmiennej
Ryc. 1. Model terapii przeciwnowotworowej skierowanej przeciwko białkom IAP.
chemiooporności w niektórych
guzach wskazuje na występowanie
czynników
regulacyjnych,
których eliminacja pozworek prowadzą do wzrostu guza. Jedną z możliwości regulacji
li
na
skuteczniejsze
leczenie.
Badania
in vitro pokazały, że
jest chemioterapia i radioterapia, które między innymi mogą
nadekspresja
IAP
łączy
się
ze
wzrostem
chemiooporności.
modulować apoptozę i poprzez nią doprowadzać do niszPrzyhamowanie
działania
IAP
może
stanowić
krok terapii
czenia guzów nowotworowych.
chorób nowotworowych i innych chorób proliferacyjnych.
Białka IAP w nowotworach
IAP stanowią główny czynnik w regulacji apoptozy,
co potwierdzone jest nadekspresją tych białek w różnych
liniach nowotworowych. Zaburzenie apoptozy z jednoczesnym wzrostem ekspresji białek IAP najszerzej opisano dla
surwiwiny. Surwiwina obecna jest w komórkach embrionalnych i w różnych typach nowotworów. Jej obecność koreluje z gorszą prognozą.
Proteina XIAP koreluje z ciężkością przebiegu i prognozą w ostrej białaczce szpikowej – AML (ang. acute myeloid leucemia) i nowotworze nerki. Zahamowanie działania
XIAP można uzyskać dzięki zastosowaniu adenowiralnych
wektorów, transportujących antysensowne XIAP cDNA.
Zmniejszają one chemiooprność raka jajnika [5] oraz zwiększają radioczułość w niedrobnokomorkowym raku płuc [6].
Amplifikacja w obrębię genów kodujących IAP-1 i IAP-2
w regionie 11q21-q23, jest obecna w różnych nowotworach
między innymi meduloblastomie, raku nerki, glioblastomie,
raku żołądka, niedrobnokomorkowym raku płuc [6]. W raku
przełyku jest także obecna amplifikacja IAP-1. Dodatkowo
wykazano genetyczne IAP w onkogenezie MALT B (ang.
mucosa-associated lymphoid tissue) - komórkowego chłoniaka. Translokacja t (11;18) dla białka IAP -2 pojawia
się u 50% pozawęzłowego MALT. Lokalizacja żołądkowa
chłoniaka MALT, która nie odpowiada na antybiotykoterapię posiada translokacje w zakresie IAP-2. Ponadto IAP-1
i IAP-2 pełnią supresyjną rolę w szpiczaku mnogim - MM
(ang. Multiple Myeloma), blokując receptorowy szlak niszczenia komórki, a w następstwie proliferację limfocytów.
Delecja w zakresie tych białek powoduje przedłużenie życia
komórki. Podobne działanie zaobserwowano w chłoniakach
nieziarniczych NHL (ang. non-Hodgkin lymphoma) w odniesieniu do IAP-1 i IAP-2 [7, 8]. Zahamowanie ekspresji,
Antysensowne oligonukleotydy (ASO) skierowane przeciwko IAP
Od niedawna podjęto próbę zastosowania selektywnych inhibitorów ekspresji genów w leczeniu genetycznych
uszkodzeń. Antysensowne oligonukleotydy są krótkimi odcinkami DNA składającymi się z 12-30 nukleotydów komplementarnych do mRNA. Połączenie tych odcinków z odpowiednimi mRNA powoduje blokowanie działania genów
[9]. Zablokowanie białek regulujących apoptozę jest jedną
z możliwych terapii przyszłości. Wykorzystując ASO uzyskano 85% redukcje poziomu XIAP w linii komórek raka
piersi [10]. Zmniejszona ekspresja XIAP znacznie uwrażliwia komórki raka na działanie leków cytotoksycznych udowodniono to dla taxolu, etopozydu i doxorubicyny [11].
Podobne wyniki uzyskano w leczeniu raka trzustki i w raku
prostaty [11, 12]. Obiecujące badania są prowadzone nad
terapią chorób mielo- i limfoproliferacyjnych [13].
Surwiwina jest nieobecna w zdrowych i zróżnicowanych komórkach. Poziom surwiwiny wzrasta w komórkach
nowotworowych – neuroblastomie, raku trzustki, prostaty,
żołądka, jelita grubego, pęcherza moczowego, przełyku
i czerniaka. Zwiększona ekspresja łączy się z gorszą prognozą, obniżeniem przeżycia i zwiększoną opornością na
chemio- i radioterapię [14]. Wykorzystanie antysensownego oligonukleotydu (ASO) w leczeniu raka płuc powoduje zmniejszenie wpływu surwiwiny, indukuje apoptozę,
stymuluje wyższe poziomy kaspazy -3 i podwyższa czułość
chemioterapii.
Małe antysensowne molekuły (SMC)
SMC zostały opisane w 2007 roku jako elementy łączące IAP i powodujące osłabienie ich działania. Opisano
małe antysensowne molekuły (SMC) skierowane przeciwko
&ARM0RZEGL.AUK
XIAP, Liwina, IAP-1 i IAP-2 [15]. Molekuły działają poprzez ubikwitynyzacje i degradacje białek IAP, co zwalnia
przytrzymywane przez IAP reakcje wzbudzenia apoptozy.
Niektóre z SMC poprzez przyhamowanie IAP aktywują
dodatkowo produkcję TNFα (ang. tumor necrosis factor,
czynnik martwicy nowotworu), a w konsekwencji aktywacje
kaspazy-8, enzymu biorącego udział w wzbudzeniu apoptozy [16]. Działanie SMC jest wynikiem łączenia domen
BIR2 i BIR3 pomiędzy sobą w obrębie jednego lub kilku
podobnych molekuł IAP. Połączone ze sobą białka IAP ulegają autoubikwitynacji i dalszej degradacji [8]. Kolejne doniesienia podają, że w niektórych nowotworach SMC nie są
aktywatorami apoptozy, ale jedynie elementami pośrednimi,
niezbędnymi do lepszego wykorzystania chemioterapii. Dla
przykładu, w chłoniakach nieziarniczych (NHL) i szpiczaku
mnogim leczenie samymi SMC jest niewystarczające, więc
dodatkowo podaje się chemioterapeutyki.
Duże nadzieje łączy się z próbami przedklinicznymi
SMC – molekuł skierowanych przeciwko XIAP. Jedną z nich
jest Xantag – złożona z polifenylowych elementów oddziałujących na kaspazy -3 i -7, w szlaku wzbudzenia apoptozy.
Kaspazy -3, -7 to kaspazy efektorowe nasilające apoptozę
i rozpad komórki. W stworzonym modelu opisano dysocjacje połączeń XIAP z kaspazą –3, dzięki czemu uzyskuje
ona działanie antynowotworowe [17]. Podobne właściwości
ma TWX006 będący w próbach przedklinicznych. Japończycy opisali embeline, z glonów japońskich, która ma
właściwości hamowania połączeń XIAP z domeną BIR3.
Wpływa to na aktywacje w komórkach nowotworowych
kaspazy -9, czyli kaspazy inicjującej, aktywowanej czynnikami uwalnianymi z mitochondriów, która aktywuje
kolejne kaspazy prowadząc do apoptozy [18]. Badanie
rezonansem magnetycznym potwierdziło, że embelina
oddziaływuje na domenę BIR3 w XIAP, przez którą łączy
się ona z kaspazą -9. Embelina wydaje się mieć podobne działanie jak SMC w swojej zdolności do aktywacji
TNFα lub w uwrażliwieniu tkanki nowotworowej na chemioterapeutyki [19].
Modulatory IAP
To struktury łączące się poprzez domeny BIR z białkami IAP powodując ich przyblokowanie. Opisano ich działanie dla IAP-1 oraz IAP-2. IAP-1 może być destabilizowany przez analogi bestatiny (Ubenimex), aminopeptydazy
stosowanej w leczeniu białaczek w Japonii [20]. Bestatina
degraduje IAP-1 powodując jego zablokowanie poprzez połączenie z BIR3 [21]. Miejsce połączenia jest wciąż opracowywane prawdopodobnie jest wspólne z proteiną Smac/
DIABLO, czyli proteiną uwalnianą z mitochondriów bezpośrednio hamującą białka IAP. Podobnie opisano powiązanie
proteiny IAP-2 z molekułą Ro106-9920. Prawdopodobnie
istnieje wspólne miejsce połączenia, a połączenie obu jest
wymagane do blokowania szlaku receptorowego wzbudzania apoptozy.
Antagoniści białka IAP
Trwają badania nad molekularnymi antagonistami surwiwiny wykazującymi hamujący wpływ na jej ekspresję.
Zaliczmy do nich molekułę YM155 będącą w II fazie badań
oraz Terameprokol będącą półsyntetyczną molekułą [22,
23]. Obok antagonistów surwiwiny, opisano antynowotworowy czynnik Shepherdine, który niszczy połączenia surwiwiny z białkiem stabilizującym – hsp90 (24). Zablokowanie kompleksu surwiwiny-hsp90 powoduje wzbudzenie
apoptozy szlakiem mitochondrialnym. W 2006 roku opisano
kilka niebiałkowych molekuł podobnych do Shepherdiny
określanych jako AICAR (ang. aminoimidazol carboxamid
ribonucleotide). Oddziaływują one na procesy translacji
protein oraz metabolizm glukozy [25]. Po raz pierwszy
AICAR zostały opisane w leczeniu cukrzycy typu II [26].
Zarówno AICAR i Shepherdina wydają się wykazywać
przeciwnowotworowe działanie w mechanizmie pobudzania apoptozy.
Adenowiralne wektory blokujące IAP
Adenowiralne wektory to jedna z kolejnych metod w leczeniu z wykorzystaniem IAP. Wprowadzenie do komórek
wektorów adenowiralnych ma wpływ na regulację cyklu komórkowego i apoptozy. Najwięcej prac opartych o tą metodę opisano dla IAP – surwiwiny. Dezaktywując surwiwinę,
można oczekiwać poprawy skuteczności leczenia przeciwnowotworowego. Wytworzenie mutacji surwiwiny w zakresie Cyst84-Ala lub Thr34-Ala w domenie BIR, powoduje
w czerniaku wzrost liczby apoptoz. Mutacja Thr34-Ala
powoduje przyblokowanie oddziaływania surwiwiny
z kaspazą –9 [27]. Adenowirus wykorzystany do nadekspresji zmutowanej surwiwiny, wywołuje spontaniczną
apoptozę w raku piersi, szyjki macicy, prostaty, jelita grubego, ale nie obserwowano tego efektu w prawidłowych
komórkach [28]. Badania z linią komórkową raka piersi wykazały, że zastosowanie wektora adenowiralnego
zmniejsza masę guza, zdolność przerzutowania i indukuje apoptozę [8].
Immunoterapia
Jedną z najnowszych metod w leczeniu nowotworów
jest wykorzystanie szczepionek do stymulacji własnego
układu odpornościowego. Metoda ta opisana z wykorzystaniem białka IAP – surwiwiny, obecnej w nowotworach,
może stanowić potencjalny cel leczenia immunomodulującego. Wytworzenie przeciwciał przeciwko surwiwinie pomoże w eliminacji tego IAP z surowicy, a tym samym nasili
apoptozę, co pośrednio może przyśpieszyć niszczenie nowotworowych komórek [22].
Podsumowanie
Białka inhibitorowe apoptozy nie tylko kontrolują
śmierć komórki, ale także wpływają na sygnały szlaków komunikacyjnych. Równowaga pomiędzy śmiercią komórki
indukowaną przez aktywację kaspaz, i hamowaniem procesu zależnego od IAP stanowi fundamentalny element życia
komórek. Dokładne poznanie mechanizmów regulacji apoptozy pomoże w przyszłości w wyjaśnieniu i leczeniu wielu
schorzeń, w tym chorób nowotworowych. Odkrycie podłoża genetycznego i patomechanizmu apoptozy, poznanie
mechanizmów jej blokowania daje nadzieje na pojawienie
się możliwości zastosowania w klinice nowych, celowanych
leków (ang. target therapy), które mogą zmienić naturalny
przebieg choroby i wpłynąć na ostateczne rokowanie.
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
Piśmiennictwo
1. Nowak M i wsp. Regulacyjna rola białek inhibitorowych
apoptozy (IAP). Farm Przegl Nauk 2010; 8: 32-37.
2. Perrelet D i wsp. IAP family proteins delay motoneuron cell death in vivo. Eur J Neurosci 2000; 12: 2059–
2067.
3. Kugler S i wsp. The X-linked inhibitor of apoptosis
(XIAP) prevents cell death in axotomized CNS neurons
in vivo. Cell Death Differ 2000; 7: 815–824.
4. Crocker SJ i wsp. NAIP protects nigrostriatal dopamine
pathway in an intrastriatal 6-OHDA rat model of Parkinson’s disease. Eur J Neurosci 2001; 14: 391– 400.
5. Sasaki H i wsp. Down-regulation of X-linked inhibitor
of apoptosis protein induces apoptosis in chemoresistant human ovarian cancer cells. Cancer Res 2000; 60:
5659–5666.
6. Holcik M i wsp. Translational upregulation of X-linked
inhibitor of apoptosis (XIAP) increases resistance to radiation induced cell. Heath Oncogene 2000; 19: 4174-4177.
7. Dai Z i wsp. A comprehensive search for DNA amplification in lung cancer identifies inhibitors of apoptosis
cIAP1 and cIAP2 as candidate oncogenes. Hum Mol
Genet 2003; 12: 791–801.
8. LaCasse EC, Mahoney DJ, Cheung HH. IAP-thargeted
therapies for cancer. Oncogene 2008; 27: 6252-6275.
9. Jansen B, Zangemeister-Wittke U. Antisense therapy forcancer––the time of truth. The Lancet 2002; 3:
672–683.
10. Lima RT i wsp. Special downregulation of bcl-2 and
xIAP by RNAi enhances the effects of chemotherapeutic agents in MCF-7 humanbreast cancer cells. Cancer
Gene Ther 2004; 11: 309–316.
11. McManus DC i wsp. Loss of XIAP protein expression
by RNAi and antisense approaches sensitizes cancer
cells to functionally diverse chemotherapeutics. Oncogene 2004; 23: 8105–8117.
12. Amantana A i wsp. X-linked inhibitor of apoptosis protein inhibition induces apoptosis and enhances chemotherapy sensitivity in human prostate cancer cells. Mol
Cancer Ther 2004; 3: 699–707.
13. Danson S i wsp. IAPs as a target for anticancer therapy.
Curr Cancer Drug Targets 2007; 7: 785–794.
14. Brennan DJ i wsp. Altered cytoplasmic-to-nuclear ratio of survivin is a prognostic indicator in breast cancer.
Clin Cancer Res 2008; 14: 2681–2689.
15. Varfolomeev E i wsp. IAP antagonists induce autoubiquitination of c-IAPs, NF-kappaB activation, and TNFalpha- dependent apoptosis. Cell 2007; 131: 669–681.
16. Mahoney DJ i wsp. Both cIAP1 and cIAP2 regulate
TNF alpha-mediated NF-kB activation. Proc Natl Acad
Sci USA 2008;105: 11778–11783.
17. Cillessen SA i wsp. Small-molecule XIAP antagonist
restores caspase-9 mediated apoptosis in XIAP-positive
diffuse large B-cell lymphoma cells. Blood 2008; 111:
369–375.
18. Chen J i wsp. Design, synthesis, and characterization
of new embelin derivatives as potent inhibitors of Xlinked inhibitor of apoptosis protein. Bioorg Med Chem
Lett 2006; 16: 5805–5808.
19. Obiol-Pardo C, Granadino-Roldan JM, Rubio-Martinez
J. Protein–protein recognition as a first step towards the
inhibition of XIAP and Survivin anti-apoptotic proteins.
J Mol Recognit 2008; 21: 190–204.
20. Bauvois B, Dauzonne D. Aminopeptidase-N/CD13
(EC 3.4.11.2) inhibitors: chemistry, biological evaluations, and therapeutic prospects. Med Res Rev 2006;
26: 88–130.
21. Sato S i wsp. Demonstration of direct binding of cIAP1
degradation-promoting bestatin analogs to BIR3 domain: synthesis and application of fluorescent bestatin ester
analogs. Bioorg Med Chem Lett 2008; 18: 3354–3358.
22. Altieri DC. Survivin, cancer networks and pathway-directed drug discovery. Nat Rev Cancer 2008; 8: 61–70.
23. Huang RC, Chang CC, Mold D. Survivin-dependent
and independent pathways and the induction of cancer
cell death by tetra-O-methyl nordihydroguaiaretic acid.
Semin Oncol 2006; 33: 479–485.
24. Plescia J i wsp. Rational design of shepherdin, a novel
anticancer agent. Cancer Cell 2005; 7: 457–468.
25. Meli M i wsp. Small-molecule targeting of heat shock
protein 90 chaperone function: rational identification
of a new anticancer lead. J Med Chem 2006; 49:
7721–7730.
26. Towler MC, Hardie DG. AMP-activated protein kinase in metabolic control and insulin signaling. Circ Res
2007; 100: 328–341.
27. O’Connor DS i wsp. Regulation of apoptosis at cell
division by p34cdc2 phosphorylation of survivin. Proc
Natl Acad Sci USA 2000; 24: 13103–13107.
28. Mesri M i wsp. Cancer gene therapy using a survivin
mutant adenovirus. J Clin Invest 2001; 108: 981–990.
data otrzymania pracy: 27.09.2010 r.
data akceptacji do druku: 28.10.2010 r.
Adres do korespondencji:
Marcin T. Nowak
ul. Wyspiańskiego 21
43-300 Bielsko-Biała
Tel. +48 602 558-301
e-mail: [email protected]