Acta Haematologica Polonica 2010, 41, Nr 4, str. 493–500
PRACA POGLĄDOWA – Review Article
JAROSŁAW DYBKO, KAZIMIERZ KULICZKOWSKI
Białko Bmi-1 i jego rola w procesie samoodnowy i starzenia się komórek
macierzystych. Znaczenie Bmi-1 w białaczkach
Bmi-1 protein in stem cells self-renewal and senescence. Bmi-1 significance in
leukemias
Katedra i Klinika Hematologii, Nowotworów Krwi i Transplantacji Szpiku AM we Wrocławiu
Kierownik: Prof. dr hab. Kazimierz Kuliczkowski
STRESZCZENIE
Jednym z ważniejszych narzędzi nadzoru epigenetycznego, a tym samym regulacji transkrypcji, są sprzężone
z chromatyną kompleksy białkowe grupy Polycomb (PcG). Tworzą kompleksy hamujące ekspresję wielu genów poprzez metylację histonów H3 w zależności od stopnia zróżnicowania komórki i fazy jej podziału.
Białko Bmi-1 należy do rodziny białek Polycomb (PcG), hamuje ekspresje genów p16Ink4a oraz p19Arf zahamowuje
starzenie się komórek i apoptozę. Poprzez supresję głównych stymulatorów różnicowania zapewnia tożsamość i samoodnawianie się komórki. Komórce nowotworowej zapewnia przetrwanie i oporność na leczenie.
SŁOWA KLUCZOWE: Białka grupy Polycomb – Bmi-1 – Komórki macierzyste – Samoodnowa
SUMMARY
Polycomb group proteins (PcG) are the most significant transcription suppressors performing by H3 methylation.
They inhibit most of genes controlling cell differentiation with an effect of enhanced self-renewal.
Arf
genes with the
Bmi-1 protein as a member of Polycomb family is the main suppressor of the p16Ink4a and p19
result of self-renewal supported by apoptosis and senescence pathways inhibition. Since Bmi-1 is engaged in cells
self- renewal and inhibition of apoptotic and senescence pathways it could be the main immortalizer of
neoplastic stem cells.
KEY WORDS: Polycomb group proteins – Bmi-1 – Stem cells – Self-renewal
Białka grupy Polycomb
Białka grupy Polycomb (PcG) to duża rodzina białek sprzężonych z chromatyną, współtworzących
ważny epigenetyczny mechanizm, który determinuje los komórki w czasie jej prawidłowego i patologicznego rozwoju. Tworzą kompleksy hamujące ekspresję wielu genów poprzez metylację histonów H3
w zależności od stopnia zróżnicowania komórki i fazy jej podziału. Poprzez supresję głównych
stymulatorów różnicowania zapewniają tożsamość i samoodnawianie się komórki. Te mechanizmy,
dziedziczone w czasie podziałów komórkowych, stają się swoistą pamięcią komórki. Ponadto odgrywają rolę w inaktywacji chromosomu X oraz tzw. imprintingu genetycznym [1].
Mechanizm działania białek grupy PcG oparty jest na dwóch podstawowych kompleksach wielobiałkowych: PRC1 (Pc repressive complex 1) i PRC2 (Pc repressive complex 2). PRC1 zawiera czterobiałkowy rdze: bezpośrednio sprzężone z chromatyną białka HPC (HPC1-HPC3), ponadto białka BMI1, MEL 18, grupę HPH oraz dRING. Kompleks PRC2 składa się z białek EZ o aktywności metylotransferazy H3K27, ponadto białek SUZ12, EED i ESCL. Trzeci, nie zawsze obecny kompleks, jedyny wią-
494
J. DYBKO, K. KULICZKOWSKI
żący się bezpośrednio z DNA to PhoRC. Istnieją doniesienia, że współdziała bezpośrednio z PRC1 [2]
i PRC2 [3], ale jego funkcja nie jest w pełni poznana.
Najważniejsze składowe kompleksu PRC2 to: białka EZH o aktywności metylotransferazy H3K9 i
H3K27 (tylko w obecności pozostałych składowych kompleksu), białka ESCL i EED – kofaktory
metylacji, oraz białka SUZ12 o jeszcze nie poznanej funkcji w kompleksie [4].
Fragmenty DNA, do których przyłączany jest PhoRC (tzw PREs – Polycomb specific elements) nie
mają stałej sekwencji nukleotydowej, jedynie fragment GAGAG jest powtarzalny i z nim wiąże się
tzw. czynnik GAGA (GAF), który umożliwia przyłączenie PRC1 [4]. Strukturę kompleksów na nici
DNA przedstawiono schematycznie na Rycinie 1.
Ryc. 1. Struktura i biochemiczna aktywność kompleksów grupy Polycomb*
Fig. 1. Polycomb complexes structure and biochemical activity
*Na podstawie: Schwartz YB, Pirrotta V. Polycomb complexes and epigenetic states. Curr Opin Cell Biol. 2008 Jun;20(3):266-73.
Mechanizmy hamowania transkrypcji przez kompleksy PcG i jego skutki biologiczne
Wspomniana reakcja potrójnej metylacji stanowi jeden z głównych mechanizmów aktywacji kompleksów PcG, z uwagi na duże powinowactwo białek zawierających chromodomenę do metylowanej H3K27. Obecnie uważa się, że białka bezpośrednio związane z PREs aktywują PRC2, który
metyluje H3K27, co implikuje przyłączeniem PRC1 [4]. Dotychczas uważano, że metylacja H3K27
powoduje kondensację chromatyny i tym samym nieodstępność genów dla czynników inicjujących
transkrypcję. Ten mechanizm, obserwowany in vitro nie został jednak potwierdzony in vivo. W ostatnich doświadczeniach zauważono, że aktywacja PRC1 nie hamuje przyłączenia polimerazy II RNA do
„blokowanego” fragmentu DNA, zahamowana natomiast zostaje synteza RNA [5]. Nie jest zatem jasne, czy kondensacja chromatyny powoduje zahamowanie transkrypcji, czy brak aktywności transkrypcyjnej skutkuje kondensacją (Rycina 2).
Kompleksy PcG regulują transkrypcję wielu genów, ich aktywność jest niezbędna w procesie spermatogenezy [6] samoodnowy neuronalnych i hematopoetycznych komórek macierzystych [7,
8] oraz prawdopodobnie w regulacji cyklu komórkowego [9]. Większość „wyciszanych” genów koduje
Białko Bmi-1 i jego rola
495
Ryc. 2. Schematyczne przedstawienie mechanizmu hamowania transkrypcji przez kompleksy Polycomb w poszczególnych
etapach przyłączenia do DNA i blokowania genu docelowego (a, b, c). PRC1, PRC2, PhoRC – składowe kompleksu, PRE –
specyficzny fragment DNA przyłączający kompleks PhoRC*
Fig. 2. The scheme of transcription inhibition by Polycomb complexes binding to DNA and repressing target genes (a, b, c).
PRC1 – Polycomb repressive complex 1, PRC2 – Polycomb repressive complex 2, PhoRC – Pleiohomeotic repressive
complex, PRE – Polycomb response elements
*Na podstawie Schwartz YB, Pirrotta V. Polycomb silencing mechanisms and the management of genomic programmes. Nat Rev Genet.
2007 Jan;8(1):9-22.
czynniki inicjujące i regulujące transkrypcję oraz receptory i białka przekaźnikowe zaangażowane
w rozwój i różnicowanie komórki [4]. W badaniach nad embrionalnym komórkami macierzystymi
(ESC) wykazano, że stan „wyciszenia” genów odpowiedzialnych za różnicowanie i zapewnienie samoodnowy odbywa się przy udziale kompleksów PcG oraz czynników hamujących transkrypcję
(OCT4, SOX2, NANOG) [10]. W doświadczeniach na myszach usunięcie składowej BMI-1 z PRC1
powoduje zanik układu krwiotwórczego i mikrośrodowiska szpiku kostnego [11], natomiast brak składowej EED w PRC2 skutkuje różnicowaniem ESC [10].
Gen bmi-1 i jego rola w regulacji samoodnowy i starzenia się komórek macierzystych
Bmi-1, należący do grupy genów Polycomb, zlokalizowany na chromosomie 10p13 [12], bierze
udział w regulacji cyklu komórkowego i starzenia się poprzez hamowanie ekspresji genów locus
496
J. DYBKO, K. KULICZKOWSKI
Ink4a i Arf, odpowiednio p16 i p19 [13]. Brak ekspresji p16Ink4a prowadzi do powstania kompleksu
kinazy zależnej od Cykliny D (Cdk4,6), która fosforyluje białko genu retinoblastomy (pRB).
Wysokofosforylowana forma pRB nie ma zdolności wiązania i hamowania aktywności czynnika transkrypcyjnego E2F, który tym samym umożliwia transkrypcję genów (polimerazy II DNA, Cykliny E,
p19 i in.) niezbędnych do utrzymania ciągłości cyklu komórkowego. Mała ekspresja bmi-1 powoduje
odblokowanie p16Ink4a, związanie czynnika E2F przez niskofosforylowaną formę pRB, zahamowanie
transkrypcji, zatrzymanie cyklu komórkowego i w rezultacie starzenie się komórki [14]. Brak ekspresji
p19Art sprzyja nagromadzeniu czynnika MDM2, powodującego rozkład białka p53, którego niski poziom w komórce hamuje apoptozę. Tym samym odblokowanie p19Art, przy małej ekspresji bmi-1, prowadzi do zatrzymania cyklu komórkowego i apoptozy [15]. Duża ekspresja bmi-1 w komórce powoduje więc na drodze obu mechanizmów jej unieśmiertelnienie. Postulowany jest także pośredni wpływ
bmi-1 na aktywację telomerazy i czynników hamujących apoptozę (inhibitor apoptozy 6, czynnik
aktywujący płytki – acetylohydrolaza G) [13] (Ryciny 3 i 4).
Ryc. 3. Docelowe miejsca działania genu bmi-1 w komórce. Ai6 – inhibitor apoptozy 6, PAF-AHγ – czynnik aktywujący
płytki - acetylohydrolaza G
Fig. 3. Bmi-1 target genes and effectors. Ai6 – apoptosis inhibitor-6, PAF-AHγ – platelet-activating factor acetylhydrolase
Białko Bmi-1 i jego rola
497
Ryc. 4. Regulacja cyklu komórkowego, apoptozy i starzenia przez gen bmi-1. Ścieżki sygnałowe aktywne przy dużej ekspresji
bmi-1 w komórce zaznaczono na czarno, przy niskiej – na czerwono.
Fig. 4. Regulation of cell cycle, apoptosis, and senescence by bmi-1gene. Proteins affected by high and low levels of bmi-1 are
shown by black and red arrows, respectively
Brak ekspresji bmi-1 powoduje głębokie zaburzenia w całym układzie hematopoetycznym, z zahamowaniem proliferacji i deplecją wszystkich linii komórkowych we krwi obwodowej [8]. Przypadki
mysiej AML bez ekspresji bmi-1 (bmi-1–/–) charakteryzowały się znaczną leukopenią, a komórki
498
J. DYBKO, K. KULICZKOWSKI
białaczkowe (blasty) wykazywały skłonność do akumulacji w fazie G1 cyklu komórkowego i apoptozy
[11]. Bmi-1 jest również regulatorem samoodnowy i aktywności proliferacyjnej ludzkich HSCs [16].
W oparciu o obserwacje prawidłowych komórek, zwrócono uwagę na regulację procesów proliferacji i samoodnowy w patologicznych komórkach nowotworowych u ludzi. Nadekspresja genu bmi-1
lub zwiększona aktywność jego produktu białkowego została potwierdzona w wielu nowotworach litych m.in. gruczołu piersiowego [17], okrężnicy [18], regionu głowy i szyi [19] oraz pęcherza moczowego [20]. Podobnie w badaniach nad nowotworami układu krwiotwórczego wykazano wzrost aktywności białka BMI-1 m.in. w chłoniakach nieziarniczych [21], ziarnicy złośliwej [22], a także
przewlekłej białaczce szpikowej [23] i ostrych białaczkach szpikowych [24]. Wielotorowe działanie
Bmi-1 zapewniające samoodnowę, przy jednoczesnym zahamowaniu starzenia i apoptozy może stanowić potężny mechanizm obronny komórek nowotworowych i jednocześnie stać się celem do skutecznej walki z nowotworem.
Białko BMI-1, model leukemogenezy i ostre białaczki
Kluczową rolę w leukemogenezie, czyli rozwoju białaczki, odgrywają białaczkowe komórki macierzyste (LSCs). Nie jest jasne czy powstają bezpośrednio z hematopoetycznych komórek macierzystych (HSCs) czy ze zdeklarowanych progenitorów, które odzyskały zdolność samoodnowy, być może
obie te drogi są w leukemogenezie aktywne [25], co tłumaczyłoby zarówno zdolność do samoodnowy
jak i wyższy od HSCs potencjał proliferacyjny tych komórek. Ten sam mechanizm samoodnawiania
się, życiodajny w utrzymywaniu puli HSCs, aktywowany w LSCs, staje się dla organizmu zabójczy. U podstaw tego procesu leży, jak wspomniano, aktywność białka BMI-1. Jak wynika z dotychczasowych doświadczeń na skutek zewnętrznego sygnału do samoodnowy w komórkach macierzystych wzrasta ekspresja genu bmi-1 [26]. Białko BMI-1 w hematopoetycznych i białaczkowych
komórkach macierzystych utrzymuje zdolność samoodnowy, hamuje apoptozę i starzenie się komórek. W dotychczasowych doświadczeniach wykazano większą ekspresję genu bmi-1 w komórkach
ostrej białaczki szpikowej w porównaniu z HSCs [11], a także znacznie wyższy odsetek komórek Bmi1+ w populacji LSCs niż HSCs [27]. Może to oznaczać, że białaczkowe komórki macierzyste są w
znacznie większym stopniu „unieśmiertelnione” niż prawidłowe komórki hematopoetyczne. W doświadczeniach in vitro opisujących właściwości i fenotyp LSCs, wysoki poziom transkryptu bmi-1,
+
szczególnie we frakcji CD34 był bezpośrednio odpowiedzialny za utrzymywanie samoodnowy przy
zahamowaniu różnicowania i apoptozy [25]. W pierwszych badaniach dotyczących ostrych białaczek u ludzi zauważono wysoki odsetek komórek Bmi-1+ w populacji białaczkowych blastów,
szczególnie prymitywnych, bez cech różnicowania i był związany ze skróceniem czasu całkowitego
przeżycia [28]. Niski wskaźnik podziałowy LSCs oraz istnienie ich tzw. form uśpionych [29], czynią tę
populację komórek niedostępną dla konwencjonalnej chemioterapii, nawet wspieranej allogenicznym
przeszczepieniem szpiku. Białaczkowe komórki macierzyste są najprawdopodobniej odpowiedzialne
za pierwotną oporność ostrych białaczek na leczenie oraz nawroty choroby.
W badaniach dotyczących zespołów mielodysplastycznych, wysoki odsetek komórek Bmi-1+
w populacji CD34+ wiązał się z szybka progresją choroby i krótkim czasem rozwoju wtórnej ostrej
białaczki szpikowej [30]. Z kolei badania dotyczące przewlekłej białaczki szpikowej wykazały, że
wysoki odsetek komórek Bmi-1+ w populacji CD34+ pacjentów z CML w fazie przewlekłej leczonych.
Imatynibem był znacznie wyższy niż w komórkach CD34+ zdrowych ochotników. Progresja choroby
do fazy akceleracji lub kryzy blastycznej była związana ze znacznym wzrostem odsetka komórek Bmi1+ w populacji CD34+ [23].
Białko BMI-1, jak już wspomniano, jest głównym elementem białkowych kompleksów. Polycomb
odpowiedzialnym za samoodnowę komórek i zablokowanie szlaków apoptozy i różnicowania i starzenia się. Zatem duża ekspresja tego białka w komórkach nowotworowych może wiązać się z szybką
progresją i brakiem odpowiedzi na leczenie, tym samym stanowić, niezależny od innych czynników
Białko Bmi-1 i jego rola
499
biologicznych czy odpowiedzi na leczenie, wskaźnik prognostyczny. Ponieważ aktywność tego białka
jest znacząco wyższa w LSCs niż w HSCs [64], może być ono potencjalnym celem dla terapii dającej
szansę na eradykację klonu białaczkowego, uzyskanie trwałej remisji i wyleczenie.
PIŚMIENNICTWO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
Gil J, Bernard D, Peters G. Role of Polycomb Group Proteins in Stem Cell Self- Renewal and Cancer. DNA Cell
Biol. 2005; 24: 117-125.
Levine SS, Weiss A, Erdjument-Bromage H, Shao Z, Tempst P, Kingston RE. The core of the polycomb repressive
complex is compositionally and functionally conserved in flies and humans. Mol Cell Biol. 2002; 22(17): 6070-8.
Satijn DP, Hamer KM, den Blaauwen J, Otte AP. The polycomb group protein EED interacts with YY1, and
both proteins induce neural tissue in Xenopus embryos. Mol Cell Biol. 2001; 21(4): 1360-9.
Schwartz YB, Pirrotta V. Polycomb silencing mechanisms and the management of genomic programmes. Nat Rev
Genet. 2007; 8(1): 9-22.
Dellino GI, Schwartz YB, Farkas G, McCabe D, Elgin SC, Pirrotta V. Polycomb silencing blocks transcription
initiation. Mol Cell. 2004; 13(6): 887-93.
Chen X, Hiller M, Sancak Y, Fuller MT. Tissue-specific TAFs counteract Polycomb to turn on terminal
differentiation. Science. 2005; 310(5749): 869-72.
Molofsky AV, Pardal R, Iwashita T, Park IK, Clarke MF, Morrison SJ. Bmi-1 dependence distinguishes neural stem
cell self-renewal from progenitor proliferation. Nature. 2003; 425(6961): 962-7.
Lessard J, Sauvageau G. Bmi-1 determines the proliferative capacity of normal and leukaemic stem cells. Nature. 2003;
423: 255-260.
Martinez AM, Colomb S, Déjardin J, Bantignies F, Cavalli G. Polycomb group- dependent Cyclin A repression in
Drosophila. Genes Dev. 2006; 20(4): 501-13.
Boyer LA, Plath K, Zeitlinger J i wsp. Polycomb complexes repress developmental regulators in murine embryonic stem
cells. Nature. 2006; 441(7091): 349-53.
Park I-K, Qian D, Kiel M, i wsp. Bmi-1 is required for maitenance of adult self-renewing haematopoietic stem cells.
Nature. 2003; 423: 302-305.
Alkema MJ, Wiegant J, Raap AK, Berns A, van Lohuizen M. Characterization and chromosomal localization of the
human proto-oncogene BMI-1. Hum Mol Genet. 1993; 2: 1597-1603.
Jacobs JJ, Kieboom K, Marino S, DePinho RA, Lohuizen M. The oncogene and Polycomb group gene bmi-1regulates
cell proliferation and senescence through the ink4a locus. Nature. 1999; 397: 164-168.
Cammenga J. Gatekeeper pathways and cellular background in the pathogenesis and therapy of AML. Leukemia.
2005; 19: 1719–1728.
Sauvageau M, Sauvageau G. Polycomb Group genes: Keeping Stem Cell Activity in Balance. PloS Bilo. 2008; 6:
0678-0681.
Iwama A, Oguro H, Negishi M i wsp. Enhanced self-renewal of hematopoietic stem cells mediated by the
polycomb gene product Bmi-1. Stem Cells. 2007; 25(7): 1635-44.
Dimri GP, Martinez JL, Jacobs JJ i wsp. The Bmi-1 oncogene induces telomerase activity and immortalizes human
mammary epithelial cells. Cancer Res. 2001; 61: 2409-2412.
Reinisch C, Kandutsch S, Uthman A, Pammer J. BMI-1: a protein expressed in stem cells, specialized cells and
tumors of the gastrointestinal tract. Histol Histopathol. 2006; 21(11): 1143-9.
Vormittag L, Thurnher D, Geleff S i wsp. Co-expression of Bmi-1 and podoplanin predicts overall survival in patients
with squamous cell carcinoma of the head and neck treated with radio(chemo)therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys.
2009; 73(3): 913-8.
Qin ZK, Yang JA, Ye YL i wsp. Expression of Bmi-1 is a prognostic marker in bladder cancer. BMC Cancer. 2009;
9: 61.
Raaphorst FM, Vermeer M, Fieret E i wsp. Site-specific expression of polycomb- group genes encoding the HPCHPH/PRC1 complex in clinically defined primary nodal and cutaneous large B-cell lymphomas. Am J Pathol. 2004; 64:
533-542.
Raaphorst FM, van Kemenade FJ, Blokzijl T i wsp. Coexpression of BMI-1 and EZH2 polycomb group genes in
Reed-Sternberg cells of Hodgkin's disease. Am J Pathol. 2000; 157: 709-715.
Mohty M, Szydlo R, Yong Asm i wsp. Association between BMI-1 expression, acute graft-versus-host disease,
and outcome following allogeneic stem cell transplantation from HLA-identical siblings in chronic myeloid
leukemia. Blood. 2008; 112: 2163-2166.
500
J. DYBKO, K. KULICZKOWSKI
24. Chowdhury M, Mihara K, Yasunaga S, Ohtaki M, Takihara Y, Kimura A. Expression of Polycomb-group (PcG)
protein BMI-1 predicts prognosis in patients with acute myeloid leukemia. Leukemia. 2007; 21: 116-1122.
25. Jordan CT. The leukemic stem cell. Best Pract Res Clin Haematol. 2007; 20(1): 13-18.
26. Park I-K, Morrison SJ, Clarke MF. Bmi1, stem cells, and senescence regulation. J Clin Invest. 2004; 113: 175-179.
27. Passegué E, Jamieson CHM, Ailles LE, Weissman IL. Normal and leukemic hematopoiesis: Are leukemias a
stem cell disorder or a reacquisition of stem cell characteristics? Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 11842-11849.
28. Hosen N, Yamane T, Muijtjens M, Pham K, Clarke MF, Weissman IL. Bmi-1- Green Fluorescent Protein-Knock-In
Mice Reveal the Dynamic Regulation of Bmi-1 Expression in Normal and Leukemic Hematopoietic Cells. Stem
Cells. 2007; 25: 1635-1644.
29. Hope KJ, Jin L, Dick JE. Acute myeloid leukemia originates from a hierarchy of leukemic stem cell classes that
differ in self-renewal capacity. Nat Immunol. 2004; 5(7): 738-43.
30. Mihara K, Chowdhury M, Nakaju N, i wsp. Bmi-1 is useful as a novel molecular marker for predicting progression
of myelodysplastic syndrome and prognosis of the patients. Blood. 2005; 107: 305-308.
Praca wpłynęła do Redakcji 18.06.2010 r. i została zakwalifikowana do druku 27.09.2010 r.
Adres Autora:
Dr n. med. Jarosław Dybko
Katedra i Klinika Hematologii, Nowotworów Krwi i Transplantacji Szpiku AM we Wrocławiu
ul. Pasteura 4
50-367 Wrocław
Tel. 71 784 25 87
e-mail: [email protected]
Download

Rola przeszczepienia autologicznych krwiotwórczych komórek