4. Wstęp
4.3 Rola MnSOD w patogenezie nowotworu jelita grubego
Manganozależna dyzmutaza ponadtlenkowa (MnSOD, SOD2) jest mitochondrialną metaloproteiną kodowaną przez jądrowe DNA. Białko zlokalizowane w matrix mitochondrialnym posiada masę 88,6 kDa i jest tetrametrem zawierającym w centrum aktywnym jony Mn2+. Oprócz MnSOD u ssaków występują dwie inne dysmutazy:
cytoplazmatyczna cynkowo-miedziowa dyzmutaza ponadtlenkowa (CuZnSOD) oraz zawierająca żelazo, zewnątrzkomórkowa dyzmutaza ponadtlenkowa (ECSOD) [76].
MnSOD katalizuje reakcję dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego do tlenu i nadtlenku wodoru [77] (Schemat 5). Białko to jest enzymem antyoksydacyjnym chroniącym mitochondria przed zniszczeniami oksydacyjnymi. Ekspresja MnSOD jest silnie indukowana w wyniku działania wielu czynników cytotoksycznych i proapoptotycznych, takich jak: cytokiny prozapalne, UV, promieniowanie jonizujące, leki przeciwnowotworowe i pestycydy [76].
Schemat 5. System enzymów antyoksydacyjnych: dysmutazy (SOD) konwertują rodnik ponadtlenkowy do nadtlenku wodoru; katalaza (CAT) oraz peroksydaza glutationu (GPX) rozkładają H2O2 do wody i tlenu. GPX wymaga kilku dodatkowych enzymów, reduktazy glutationowej (GR) i dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G-6-PDH) oraz kofaktorów GSH, NADPH i glukozo-6-fosforanu [78].
Ludzki gen SOD2 charakteryzuje brak sekwencji TATA lub CAAT w sekwencji promotorowej i szereg powtórzeń wysepek CpG. Główną rolę w regulacji konstytutywnej ekspresji MnSOD odgrywa czynnik transkrypcyjny SP1, natomiast za hamowanie ekspresji odpowiedzialny jest czynnik AP-2. Sekwencja promotorowa zawiera siedem miejsc wiązania dla SP1 i trzy dla AP2. W regulacji transkrypcji indukowanej przez cytokiny, czynnik SP1 kooperuje z kompleksem transkrypcyjnym, w skład którego wchodzą czynniki NF-κB oraz nukleofosminy [79, 80].
Przyjmuje się, że stres oksydacyjny jest jednym z najistotniejszych czynników patologicznych związanych z powstawaniem nowotworów, a zaburzenia ekspresji MnSOD mogą odgrywać istotną rolę w tym procesie. Ekspresja enzymu MnSOD ulega wielu zmianom w procesie nowotworzenia. Wyniki dotychczasowych badań nie są jednoznaczne i nie dają pełnej informacji o roli MnSOD w tym procesie. Zaobserwowano bowiem obniżenie ekspresji MnSOD w wielu rodzajach nowotworów łagodnych [76]. Równocześnie
O2¯ + O2 ¯ +2H+ H202 + 02 H20 +O2
CAT
GSH
GSSH
SOD
H20
· ·
GR
NADP+ NADPH GPX
G-6-PDH
Zwiększenie ekspresji MnSOD w warunkach in vitro powoduje hamowanie proliferacji różnych typów komórek nowotworowych, w tym komórek nowotworu piersi (MCF-7) [81], czerniaka (ang. UACC-903 melanoma) [82], glejaka (ang. human glioma U118) [83], nowotworu prostaty (ang. DU145 human prostate carcinoma) [84], a także nowotworu jelita grubego (HCT116) [85]. Ponadto badania na modelach zwierzęcych wskazują, że nadekspresja MnSOD może obniżać wzrost nowotworu wyprowadzonego inokulowanego u zwierząt [83, 84, 86], jak również hamować przerzuty w modelu mysim [87]. W przeciwieństwie jednak do wyżej wymienionych badań, w wielu typach nowotworów złośliwych obserwuje się silny wzrost ekspresji MnSOD. Dotyczy to nowotworu szyjki macicy [88], guzów mózgu jak i guzów przerzutowych do mózgu [89], nowotworu płuc [90], a także nowotworu żołądka i jelita [91, 92]. Ponadto w niektórych nowotworach (szyjki macicy czy mózgu) poziom ekspresji MnSOD koreluje ze stopniem zezłośliwienia nowotworu [76].
Wyniki dotyczące badań ekspresji MnSOD w rozwoju nowotworu jelita grubego również nie są jednoznaczne. Istnieją doniesienia wskazujące, że nadekspresja MnSOD może hamować wzrost komórek nowotworowych (komórki linii HCT 116) [85], inna praca dowodzi, że ekspresja MnSOD związana jest z rozwojem przerzutów [92]. Noze i wsp. [93]
stosując techniki immunohistochemiczne wykazali, że odsetek chorych z podwyższoną zawartością MnSOD w guzie, zwiększa się wraz ze wzrostem zaawansowania choroby, ale tylko do III stopnia zaawansowania. U chorych zaliczonych do IV grupy średni poziom MnSOD nie był już tak wysoki, jak u pacjentów z III stopniem zaawansowania choroby, chociaż zdecydowanie wyższy niż u pacjentów o najniższym stopniu rozwoju nowotworu.
Podwyższony poziom białka MnSOD w guzie, w porównaniu z tkanką zdrową, potwierdzili też Skrzycki i wsp. [94]. Wykazano również znaczną zawartość białka MnSOD w guzach przerzutowych do wątroby [95], a z badań Janssena i wsp. [96] wynika, że wysoka zawartość MnSOD w guzach jest negatywnym prognostykiem dla pacjentów z nowotworem jelita grubego.
Mechanizm który prowadzi do hamowania proliferacji niektórych komórek nowotworowych w wyniku nadekspresji MnSOD, jak i potencjalny pro-nowotworowy wpływ MnSOD, jest wiązany z generowanym przez ten enzym nadtlenkiem wodoru. W badaniach poświęconych antynowotworowemu działaniu MnSOD Li i wsp. [78] wykazali,
że nadekspresja MnSOD hamuje wzrost ludzkich komórek glejaka, a nadekspresja peroksydazy glutationu (GPX) odwraca ten efekt, powodując równocześnie hamowanie degradacji inhibitora Iκα .
Wolne rodniki mogą indukować lub wzmacniać procesy programowanej śmierci komórki. Uwolniony do cytoplazmy cytochrom C prowadzi do aktywacji kaspazy 3, ale również powoduje przełączenie 4 - elektronowej redukcji tlenu do 1 - elektronowej. W efekcie powstaje anion ponadtlenkowy, który może nasilać proces apoptozy, indukując powstawanie perforacji mitochondrium i przyspieszenie uwalniania cytochromu C oraz AIF (ang. Apoptosis Inducing Factor). Ten model sugeruje, że MnSOD może hamować lub opóźniać proces apoptozy poprzez przeciwdziałanie oksydacyjnym uszkodzeniom [76, 97].
Wykazano zaś, że MnSOD jako antagonista białka p53 jest negatywnie regulowany przez to białko. Transfekcja komórek Hela prawidłowym p53 prowadzi do obniżenia zawartości mRNA MnSOD [98]. Wong i wsp. [99] wykazali natomiast, że chroni komórki przed apoptozą indukowaną TNFα zależna jest od ekspresji MnSOD. W badaniach nad nowotworem jelita grubego stwierdzono, że nadekspresja MnSOD w komórkach DLD-1 hamuje apoptozę indukowaną przez oksydazę proliny, która jest odpowiedzialna za generowanie wolnych rodników [100]. Mohr i wsp. [101] wykazali zaś, że nadekspresja MnSOD hamuje apoptozę indukowaną ligandem TRIAL.
Schemat 6. Współudział białka p53 i MnSOD w procesie hamowania apoptozy wg. Pani i
p53
niski poziom MnSOD
wysoki poziom MnSOD wrażliwość na stres
oksydacyjny śmierć komórki
odporność na stres oksydacyjny zwiększona przeżywalność
aktywne nieaktywne
Istnieją również dane sugerujące rolę MnSOD w procesie migracji komórek nowotworowych. Connor i wsp. [102] wykazali bowiem, że nadekspresja MnSOD powoduje nasilenie migracji komórek nowotworu włókniakomięsaka (HT-1080) i komórek raka pęcherza moczowego (253J). Podobnie Nelson i wsp. [103] stwierdzili, że nadekspresja MnSOD w komórkach włókniakomięsaka (HT-1080) nasila migrację tych komórek, a proces ten jest zależny od kaskady Ras – MAP. Równocześnie nadekspresja MnSOD w tych komórkach nasilała ekspresję metaloproteinaz (MMPs -2, -3, -7, -10, -9, -11) oraz aktywację czynników transkrypcyjnych AP-1 i SP-1. Zarówno Connor i wsp. [102], jak i Nelson i wsp.[103] wykazali, że katalaza hamuje migrację komórek wywołaną nadekspresją MnSOD, co może sugerować, iż za ten proces jest odpowiedzialny nadtlenek wodoru generowany przez dysmutazę. Przytoczone wyżej wyniki eksperymentów mogą wskazywać na udział MnSOD w regulacji wzrostu komórek nowotworowych oraz w regulacji apoptozy i migracji. Wyjaśnienie mechanizmu tego działania wymaga jednak dalszych studiów.