Widok Rola jonów wapnia w komórce nowotworowej.

K

osm os

Tom 46, 1997

Numer 4 (237) Strony 537-540

PROBLEMY NAUK TEOLOGICZNYCH

Ma ł g o r z a t a Ba l i ń s k a, Do r o t a Ja n i s z e w s k a Zakład Biochemii Komórki,

Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN Pasteura 3, 02-093 Warszawa

E-mail: mlb@nencki.gov.pl

ROLA JONÓW WAPNIA W KOMÓRCE NOWOTWOROWEJ

Badania ostatnich kilkudziesięciu lat wy­ kazały kluczową rolę wapnia, tego najpow­ szechniej występującego kationu w organizmie ssaków, zarówno jako pierwotnego, jak i wtór­

nego przekaźnika informacji w komórce (B a ­

r a ń s k a 1993, 1997). Zastanawiające jest z ko­ lei, że wiedza na temat regulacji stężenia jonów wapnia w komórce, prowadzącej do przekaza­ nia informacji od receptora zewnątrzkomórko- wego do jądra komórkowego i wpływającej na regulację poszczególnych etapów cyklu komór­ kowego ( W h i t a k e r i P a t e l 1990), jest w tak nie­ wielkim stopniu w chwili obecnej powiązana z

wiedzą na temat procesów nowotworzenia i zdolności komórek nowotworowych do tworze­ nia metastaz (proces przerzutowania). Wiado­ mo przecież, że wapń odgrywa również rolę w ontogenezie i śmierci komórek, zarówno apop-

totycznej, jak i nekrotycznej ( V e t u l a n i 1995,

S i k o r a 1995, M c C o n k e y i O r r e n i u s 1996), a więc zaburzenia kontroli cyklu komórkowego poprzez zmiany wywołane różnicami stężenia jonów wapnia mogą być kluczowe dla transfor­

macji nowotworowej komórek, a także w proce­ sach jej zapobiegania ( W h i t a k e r i P a t e l 1990,

G r z e l a k o w s k a - S z t a b e r t 1996)

A WAPNIA W PROCESIE TRANSFORMACJI NOWOTWOROWEJ Proces nowotworowy polega na dziedzicz­

nie utrwalonej zmianie charakteru komórki somatycznej, w wyniku czego komórka nie podlega mechanizmom prawidłowego wzrostu i różnicowania. Od ostatnich kilkunastu lat doskonale wiadomo, że istnieją dwa zasadni­ cze punkty „decyzyjne” kontroli cyklu komór­ kowego. Pierwszy to nadchodząca z zewnątrz „decyzja” wejścia jądra w cykl podziałowy, czy­ li mitozę. Następna, ju ż „wewnętrzna decyzja”, powodująca wejście komórki w fazę cytokinezy czyli ostatecznego podziału na dwie potomne komórki. Faza pomiędzy jednym, a drugim podziałem komórki to interfaza, w której moż­ na wyróżnić dwa dodatkowe punkty kontrol­ ne: pierwszy — przejście z fazy Gi do fazy S

(syntetycznej), drugi -— z późnej fazy G2 do fa­

zy M czyli fazy prowadzącej do ostatecznego podziału jądra komórkowego. Oprócz głów­ nych czynników krytycznych dla tych „punk­ tów kontrolnych”, takich jak cykliny i kinazy

serynowo-treoninowe cyklino-zależne (cdk)

( G r z e l a k o w s k a - S z t a b e r t 1996), również nie­ zwykle regularnie następuje wzrost wewnątrz- jądrowego stężenia wapnia, co zostało niezwy­

kle dokładnie opisane w ciągu ostatnich kilku lat ( W h i t a k e r i P a t e l 1990, W h i t f i e l d i współ­

aut. 1995, B a r a ń s k a 1997). Stąd też nasuwa­

ją się pierwsze jeszcze nieśmiałe sugestie, że wapń i oscylacyjne zmiany jego wewnątrz- jądrowego stężenia, podobnie jak zaburzenia stężenia cyklin i związanych z nim kinaz cdk m ogą wywoływać zm iany prowadzące do transformacji nowotworowej komórki. Pewne sugestie na ten temat wysunięto ju ż w roku

1991 ( M o t o k u r a i współaut. 1991). Autorzy ci

sugerowali, że zmiany poprzez przemieszcze­

nie się genu cykliny D2 w pobliże regulatoro­

wej części genu kodującego hormon przytar- czyc (paratyroidynę) powodują zmniejszenie jądrowego stężenia jonów wapnia, co może prowadzić w efekcie do powstania

538

ków przy tarczyc. Wydaje się jednak, że jest to proces bardzo złożony, a stężenie jonów wap­ nia może odgrywać pewną rolę w tym procesie, choć zapewne nie zasadniczą. W innych do­ świadczeniach z zastosowaniem wewnątrzko­ mórkowego monitorowania stężenia jonów wapnia stwierdzono, że w komórkach

melano-2+

my zwiększenie stężenia Ca pobudza komór­ ki nowotworowe do przejścia z fazy Gi do fazy S, prowadząc do dalszych szybkich podziałów komórek (w układzie eksperymentalnym ob­ serwowano dwa podziały). Zjawiska tego nie obserwowano w komórkach układu kontrolne­ go (N i l i u s i współaut. 1993). Badacze jednak obawiają się, że jest to zjawisko odosobnione i dotyczy tylko komórek melanomy. Z kolei za­ stosowanie w tych samych komórkach inhibi­ torów kanałów wapniowych prowadziło do za­ hamowania proliferacji komórek, mimo dostar­ czenia do pożywki odpowiednich czynników

wzrostu (L e p p le - W ie n h u e s i współaut. 1996),

co wyraźnie pokazuje rolę wewnątrzkomórko­ wego stężenia wapnia w regulacji proliferacji komórek nowotworowych, związanej w tym przypadku z depolaryzacją błony komórkowej.

Na obecnym etapie badań, gdzie bardzo trudno jest obserwować w sposób długotrwały oscylacje wapniowe w czasie podziałów komór­ ki, a tym bardziej w procesie transformacji no­ wotworowej, bardzo dobre wyniki daje zasto­ sowanie blokerów kanałów wapniowych. Ba­ dania prowadzone w Stanach Zjednoczonych na dużej grupie pacjentów (ponad 800 osób), którym przez cztery lata podawano w celach leczniczych blokery kanałów wapniowych (we- rapamil, nifedipinę, diltiazem) wykazały, że u o około 10-30% pacjentów (w zależności od za­ stosowanego leku) wzrastała zachorowalność na nowotwory płuc, układu moczowego, pro­ staty i jelita grubego. Badania te prowadzone na losowo wybranej grupie pacjentów zdają się potwierdzać, że zmniejszenie wewnątrzkomór­ kowego lub jądrowego stężenia jonów wapnia

m o ż e p r o w a d z ić d o t r a n s fo r m a c ji n o w o t w o r o ­ w e j (Pa h o r i w s p ó ła u t. 199 6).

Jedynym jak dotąd, jak się wydaje, udowo­ dnionym przykładem transformacji nowotwo­ rowej zależnej od stężenia jonów wapnia jest

powstawanie nowotworu jelita grubego ( W h i t ­

f i e l d i współaut. 1995), w wyniku małej do­

stępności jonów wapnia w kryptach jelita gru­ bego, prowadzącej do transformacji nowotwo­ rowej. Zmniejszenie ilości jonów wapnia może być wywołane przez:

(i) czysto mechaniczne zmniejszenie ilości jonów i brak wysycenia receptorów wapnio­ wych;

(ii) poprzez zniszczenie receptorów wierz­ chniej warstwy jelita przez uwalniane do świa­ tła jelita dihydroksypochodne kwasów żółcio­ wych, dające w ten sposób sygnał do zwiększo­ nej proliferacji i transformacji komórek w krypcie jelita,

(iii) może też być spowodowane brakiem receptorów wapniowych na powierzchni ko­ mórek jelitowych. Pewne elementy tej hipote­ zy, związane ze zwiększeniem liczby komórek, które uległy transformacji w korelacji ze zmiej- szeniem ilości receptorów wapniowych, zosta­ ły udowodnione, natomiast przyczyny tego zja­ wiska są przedmiotem intensywnych badań.

Wydaje się, że wewnątrzjądrowe stężenie jonów wapnia, które w komórce waha się od 0,01 do 1 ąM, w zależności od typu komórek, ma niezwykle ważne znaczenie w regulacji cy­ klu podziału komórek. Zmniejszenie stężenia tego jonu, niezależnie od przyczyn zjawiska, powoduje zaburzenia cyklu komórkowego, prowadzące często do transformacji nowotwo­ rowej. Zmniejszenie wewnątrzjądrowego stęże­ nia jonów wapnia może wynikać z dostępności jonów dla kanałów, a także rozregulowania ca­

łej kaskady zdarzeń prowadzących do uwal­ niania wapnia z wewnątrzkomórkowych ma­

gazynów (B a r a ń s k a 1992, 1993, 1997, V e t u -

la n i 1995, W i k t o r e k i współaut. 1995).

ROLA BIAłEK WIĄŻĄCYCH WAPŃ GRUPY S-100 W TRANSFORMACJI NOWOTWOROWEJ Ostatnio ogromne zainteresowanie w regula­

cji cyklu komórkowego, a szczególnie w procesie transformacji nowotworowej, budzą białka wią­ żące wapń, należące do rodziny S-100. Espresja tych białek jest różna w różnych nowotworach, tak że w niektórych przypadkach służą jako markeiy nowotworowe. W szybko rosnących no­ wotworach ich poziom jest kilkunastokrotnie wy­

ższy niż w komórkach prawidłowych. Ich dokład­ na rola nie jest jeszcze poznana, choć wydaje się, że mogą one odgrywać znaczną rolę w zaburze­ niach podziałów komórkowych, bowiem zmuto­ wane białka wiążące wapń grupy S-100, wiążąc silnie Ca , zmniejszają ilość jonów wapnia do­

stępnych dla jądra komórkowego ( I l g i współaut.

Rola jonów wapnia w komórce nowotworowej

539

Inwazja komórek nowotworowych, prowa­ dząca do powstawania przerzutów jest związa­ na ze zmniejszeniem adhezyjności komórek i zaburzeniami kontaktów międzykomórkowych

( G r ę b e c k a 1995). Białka odpowiedzialne za kontakt pomiędzy komórkami są to białka wią­

żące wapń, należące do grupy kadheryn (T a k e -

ic h i 1990). E Kadheryny, powiązane z

cyto-szkieletem komórki, wiążą sąsiednią komórkę

poprzez jej E-kadherynę i jony wapnia ( M a r e e l

i współaut. 1994). Mutacje w tym białku, pole­ gające na osłabieniu wiązania jonów wapnia i rozluźnieniu kontaktów międzykomórkowych, umożliwiają zwiększenie inwazyjności nowo­ tworów, a w warunkach in vivo przyspieszają

wręcz śmierć organizmu ( B i e c h m e i e r 1995)

UWAGI KOŃCOWE Jak widać rola wapnia jest niezwykle waż­

na w procesie podziału komórek, a zaburzenia delikatnej równowagi jonów wapnia w komór­ ce mogą prowadzić do diametralnie różnych efektów. I tak zmniejszenie stężenia jonów wapnia jest nie tylko sygnałem do transforma­

cji nowotworowej, ale także do apoptozy ( S ik o ­

r a 1995, 1996). Ponadto w procesie apoptozy zasadniczą rolę ogrywają dwie klasy enzymów zależnych od jonów wapnia — proteazy i endo- nukleazy ( M c C o n k e y i O r r e n i u s 1996). Home­

ostaza wapniowa może być więc jednym z naj­ ważniejszych czynników utrzymujących ko­ mórki w stanie prawidłowej proliferacji, a jej zaburzenia prowadzić mogą do dramatycz­ nych zmian stanowiących o fizjologicznym lo­ sie komórki. Tytuł jednej z prac dotyczącej opisywanych zjawisk — Calcium — cell cycle

regulator, differentiator, killer, chemopreventor, and maybe, tumor prom oter ( W h i t f i e l d i współaut. 1995) — świadczy o złożoności re­ gulacji wapniowej.

THE ROLE OF CALCIUM IONS IN CANCER CELLS S u m m a r y

The role of calcium in neoplastic transformation, and

2+ 2+

cancer cell migration is discussed. Ca and Ca -binding protein are involved in the cell cycle. A decrease in nuclear calcium concentration stimulates proliferation of cells, which can initiate neoplastic transformation. The muta­

tions of E-cadherin protein involved in cell-cell adhesion, resulting in destruction of the calcium-binding sites in this protein play a major role in cancer cell migration and in de­ velopment of cancer. Perturbation of calcium concentration in the cells is related to changes in cell proliferation.

LITERATURA

Ba r a ń s k a J ., 1992. Rozpad fosfolipidów a przekazy wanie inform acji w komórce. Monografie Biochemiczne,

Polskie Towarzystwo Biochemiczne, wyd. II.

2+

Ba r a ń s k a J ., 1993. Ca ja k o wtórny przekaźnik informa­ cji. Kosmos 4 2 , 5 5 7 -5 6 4 .

Ba r a ń s k a J ., 1997. Wapń ja k o pierwotny i wtórny przeka-2 +

źnilc informacji. Udział Ca w cyklu komórkowym, se- krecji i adhezji Kosmos 4 6 , 3 3 -4 4 .

Bie c h m e ie rW ., 1995. E-cadherin as a tumor (invasion) sup­

pressor gene. BioEssays 17, 97-99.

Fil ip e k A ., Wo j d a U ., Le ś n ia k w ., Ku ź n ic k i J ., 1996. Kalcy- klina — białko wiążące wapń z rodziny S-100. Post.

Biochem. 4 2 , 2 1 3 -2 1 7 .

Gr ę b e c k a L., 1995. Migracja komórek nowtworowych w organizmie. Kosmos 4 4, 4 0 5 -4 3 6 .

Gr z e l a k o w s k a-Sz t a b e r tB., 1996. Cykliny fa zy G j cyklu komórkowego, ich funkcje i udział w nowotworzeniu.

Post. Biochem. 4 2, 1 0 8 -1 1 3 .

Il gE.C., Sc h a f e rB. W., He iz m a n nC.W., 1996. Expression

pattern o f S-100 calcium-binding proteins in human tu­ mors. Int. J. Cancer 68,325-332.

Le p p l e- Wie n iiu e s A ., Be r w e c k S ., Bo h m ig M .,Le o C. P., Me y u n g B ., Gr a b e C ., Wie d e r h o l t M ., 1996. K

Channels and intracellular calcium signal in human melanoma cell prolferation. J. Membrane Biol. 151,

149-157.

Ma r e e lM., Br a c k eM., v a n Ro yF., 1994. Invasion prom o­

ter versus invasion suppresor molecules: paradigm o f E-cadherin. Mol. Biol. Rep. 19, 45-67.

McCo n k e yD.J., Or r e n iu s S., 1996. The role o f calcium in the

regulation o f apoptosis J. Leucoc. Biol., 59, 775-783

Mo t o k u r aT., Bl o o mT., Kim H. G., Ju p p n e rH., Ru d e r m a n

J. V., Kr o n e n b e r g H. M., Ar n o l d A., 1991. A novel

cyclin encoded by a bc/1 -linked candidate oncogene.

Nature 350, 512-515

Nil iu sB., Sc h w a r zG., Dr o o g m a n s G., 1993. Control o f in-

trac ellular calcium by membrane potential in human melanoma cells. Am. J. Physiol. 265, L501-L510.

P a h o r M . , G u r a ln ik J. M ., S a l i v e M . E ., C o r t i M . C., C a r - b on in P., H a v lik R.J., 1996. Do calcium channel bloc­

kers increase the risk o f canceRAm. J. Hypertension 9, 695-699.

Sik o r aE., 1995. Przekazywanie sygnałów wywołujących

śmierć komórki [W:] Molekularne mechanizmy przeka­ zywania sygnałów w komórce, Ko n a r s k a L. (red.), PWN, Warszawa, str. 218-226.

540

Sik o r a E., 1996. Cykl komórkowy i apotoza: śmierć starej

komórki. Post. Biochem. 42, 108-113.

Ta k e ic h iM., 1990. Cadherins: a molecular fam ily important

in selective cell-cell adhesion. Annw. Rev. Biochem.

59, 237-252.

Ve t u l a n iJ., 1995. Wapń ja k o wtórny prekaźnik informa­

cji. [W:] Molekularne mechanizmy przekazywania sy­ gnałów w komórce, Ko n a r s k a L. (red.), PWN, Warsza­

wa, str. 154-177.

Wh it a k e r M., Pa t e l R.,1990. Calcium and cell cycle con­

trol. Development 108, 525-542.

Wh it f ie l dJ. F., Bir d R. P., Ch a k r a v a r t h y B. R., Is a a c sR.

J., Mo r l e y P., 1995. Calcium — cell cycle regulator,

differentiator, killer, chemopreventor, and maybe, tumor promoter. J. Cell. Biochem. 22, 74-91.

Wik t o r e k M., Ro j e k A., Cz a r n y M., Ba r a ń s k a J., 1995.

Rola cyklu inozytolowego w przekazywaniu informacji w jądrze. Post. Biochem. 41, 67-72.