Эпигенетика - изучение изменений активности генов, при которых первичная структура ДНК остается прежней. Молекулярная основа эпигенетики заключается в модификации генетического аппарата, т.е. активации и репрессии генов, не затрагивающих первичную последовательность нуклеотидов ДНК [1].
Эпигенетическая регуляция генов осуществляется на уровне транскрипции (время и характер транскрипции гена), при отборе зрелых матричных РНК (мРНК) для транспорта их в цитоплазму, при селекции мРНК в цитоплазме для трансляции на рибосомах, дестабилизации определенных типов мРНК в цитоплазме, избирательной активации и инактивации молекул белков после их синтеза [1].
Эпигенетические механизмы в клетке разнообразны и их можно разделить на несколько групп: метилирование и деметилирование ДНК, гистоновый код (энзиматическая модификация гистонов - ацетилирование, метилирование, убиквитинирование, фосфорилирование и др.), транскрипционное и трансляционное замалчивание генов малыми РНК, позиционирование элементов хроматина. Многие из этих процессов переплетены между собой и взаимозависимы [2].
Изучение перечисленных механизмов при нормальном функционировании и развитии заболеваний человека переживает настоящий бум. Подтверждают это более 100 тыс. результатов поиска в базе PubMed только лишь по запросу "miRNA" (микроРНК).
МикроРНК (или miRNA) - короткие (21-25 нуклеотидов) одноцепочечные РНК, относящиеся к классу малых, некодирующих РНК. Они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза. Применение технологий на основе биочипов (micro-array screening) показало, что на различных этапах жизни клеток включается и выключается множество малых РНК. Для биологических процессов идентифицировали десятки специфичных микроРНК, уровень экспрессии которых в определенных условиях изменяется в тысячи раз [3].
Спустя почти 10 лет после открытия микроРНК в 1993 г. и длительного периода затишья, когда внимание ученых было приковано лишь к кодирующим генам, С.М. Croce и соавт. впервые обнаружили у пациентов с хроническим лимфоцитарным лейкозом потерю в 13-й хромосоме локусов, кодирующих 2 микроРНК. Поиски в этой области несуществующего гена, кодирующего онкосупрессивный белок, не дали результатов. Это прорывное открытие изменило существующую догму "ДНК - матричная РНК - белок" [4].
Болезни репродуктивной системы объединены многими общими для большинства гинекологических заболеваний звеньями патогенеза, и микроРНК, участвуя в передаче сигнала от генома через гормон к клеткам и тканям, могут быть значимым звеном в физиологическом и, особенно, патологическом функционировании этой системы.
Что же известно к данному моменту о роли микроРНК в развитии гинекологических заболеваний?
Миома матки
Показаны различия в экспрессии различных микроРНК в нормальном миометрии и ткани миомы: эти малые РНК вовлечены в процессы активации миофибробластов, межклеточной адгезии, избыточного образования внеклеточного матрикса и др. [5].
Доказано снижение в клетках миомы экспрессии mir93, 200c и 29c. Их мишень - ключевые белки - регуляторы клеточной пролиферации (CDK2, CCND1, E2F1), концентрация которых была ожидаемо повышена по сравнению с неизмененным миометрием [6].
Миометриальные микроРНК опосредуют мышечную сократимость во время беременности и родов, в то время как эндометриальные регулируют клеточную пролиферацию, миграцию и инвазию (особенно в контексте эндометриоза). В качестве наиболее важных "игроков" выдвигают представителей семейства микроРНК-200 [7].
Ожидают, что дальнейшее изучение роли микроРНК в патогенезе миомы позволит объяснить, как изменения в клеточном микроокружении (включая хроническое воспаление и нарушения в межклеточном матриксе) приводят к бесплодию у пациенток с миомой матки малых размеров, и даже создать препараты с принципиально иным (негормональным) принципом действия [5].
Рак шейки матки
Различия в экспрессии микроРНК нормальными и неопластическими клетками при раке шейки матки (РШМ) показаны во многих работах; отмечена связь между уровнем экспрессии микроРНК и стадией неоплазии (от CIN1 до инвазивного рака), фактом инфицирования вирусом папилломы человека (ВПЧ) и его типом [8]. Обнаружено влияние вирусных (ВПЧ) белков E6 и E7 на экспрессию miR-23b, miR-128, miR-34a, регулирующих факторы контроля клеточного цикла. Таким образом, микроРНК, отражающие реакцию на персистенцию ВПЧ, потенциально могут быть использованы в качестве биомаркеров при диагностике или мишеней при лечении РШМ [9].
Среди наиболее часто гиперэкспрессируемых при РШМ и других локализациях оказалась miR-21 - ее мишенью служит белок программируемой клеточной гибели (PDCD4) и PTEN (антионкобелок, профилактирующий опухолевую трансформацию клеток). Это позволило заключить, что miR-21 стимулирует пролиферацию клеток карциномы и их инвазивность [10].
С участием микроРНК предложены различные варианты патогенеза, в конечном счете составляющие единый вектор развития РШМ.
Рак молочной железы
Довольно подробно изучена роль генов BRCA1/2 в этиологии рака молочной железы (РМЖ) и других локализаций. Но оказалось, что указанные гены служат мишенью для более чем сотен микроРНК. И наоборот, BRCA1 может напрямую подавлять активность некоторых из них, например miR-155 [11]. Данная микроРНК (мишенью которой служат 147 генов) регулирует различные процессы в клетке: апоптоз, дифференцировку, ангиогенез, пролиферацию, процессы эпителиально-мезенхимального перехода (изменения эпителиальными клетками эпителиального фенотипа на мезенхимальный - одного из механизмов канцерогенеза). Целью miR-155 является ген-супрессор опухолей - блокатор цитокиновой сигнализации 1 (SOCS1), а уровни miR-155 отрицательно коррелируют с экспрессией гена SOCS1 в клетках РМЖ. Таким образом, miR-155 можно рассматривать в качестве потенциального маркера РМЖ [12].
Одна из наиболее гиперэкспрессируемых РНК при РМЖ - miR-21 - играет роль во всех звеньях канцерогенеза. Она подавляет онкосупрессорный ген программируемой клеточной гибели (PDCD4), тропомиозин-1 и PTEN, что способствует метастазированию и клеточной пролиферации; регулирует другие гены, повышая инвазивную способность опухоли. Однако повышение miR-21 специфично не только для рака указанной локализации [13].
Некоторые микроРНК (miR-9, miR-10b, miR-17-5p) уже показали свою диагностическую ценность, другие (miR-148a, miR-335) - прогностическую. Третьи же (miR-30c, miR-187, miR-339-5p) предложены в качестве предикторов терапевтических исходов, поскольку уровень их экспрессии предсказывал ответ на лечение [14].
Гиперплазия и рак эндометрия
Экспрессия более 130 микроРНК различается в нормальном и озлокачествленном эндометрии, причем уровни коррелируют со стадией заболевания. К тому же понижение miR-94 и miR-301 ассоциировано с агрессивным течением рака эндометрия (РЭ) и снижением выживаемости, а напротив, повышение miR-205 - с инвазией менее чем в половину толщины миометрия, ранней стадией эндометриоидного типа РЭ и лучшими показателями выживаемости [15]. Повышение экспрессии более 10 одних микроРНК и понижение других ассоциировано с поражением регионарных лимфоузлов [16]. Основанный на этом принципе неинвазивный тест поможет на дооперационном этапе определить стадию рака и необходимый объем лечения.
Доказано участие микроРНК в патогенезе РЭ: представители семейства miR-200 участвуют в упомянутом эпителиально-мезенхимальном переходе, опухолевой инвазии и метастазировании; miR-182 и miR-183 (гиперэкспресиия данных микроРНК была ассоциирована с низкой выживаемостью) подавляют экспрессию опухоль-супрессорного гена FOXO1, а чрезмерно экспрессируемые при РЭ miR-135a и miR-135b связаны с Wnt-сигнальным путем - известным участником многих опухолевых процессов [17].
РЭ, скрининг которого до сих пор не разработан, занимает 2-е по частоте место среди злокачественных заболеваний половых органов после РМЖ. Известно, что предраком эндометрия служит атипическая гиперплазия. Маркеры, которые бы позволили дифференцировать ее от неатипической гиперплазии, были бы крайне полезны в практической медицине. На их роль претендуют все те же микроРНК: так, S. Glio и соавт. заявили о более чем 90% диагностической ценности комбинации miR-205, -146a и -1260b для разграничения двух состояний [18]. Мишень указанных молекул - онкосупрессорный ген SMAD4, и их гиперэкспрессия индуцирует пролиферацию и миграцию клеток РЭ. В самом деле, при атипической гиперплазии характер экспрессии десятков микроРНК отличается от такового при неатипической. Созданный на этом принципе тест позволит выявлять пациенток с высоким риском злокачественной трансформации и своевременно ее профилактировать.
Нарушения овуляции
Обнаружено, что некоторые микроРНК играют важнейшую роль в пролиферации, апоптозе, дифференцировке и гормональной активности гранулезных клеток, функция которых нарушена при таких заболеваниях, как синдром поликистозных яичников (СПКЯ) и преждевременная недостаточность яичников [19]. Описаны некоторые механизмы вовлеченности микроРНК в патогенез названных синдромов. Так, miR-93 и miR-21, повышенные у пациенток с СПКЯ в сочетании с гиперандрогенией по сравнению с нормоандрогенными, регулируют синтез белка SMAD7, принадлежащего к семейству белков SMAD - главных передатчиков сигнала от рецептора трансформирующего фактора роста (TGF-B), критически важного регулятора развития и роста клеток [20]. В свою очередь, дисрегуляция SMAD7 может привести к неполноценному развитию фолликулов [21]. А, например, miR-145 подавляет пролиферацию гранулезных клеток, влияя на инсулиновый рецептор (Insulin receptor substrate 1, IRS1); miR-27a-3p индуцирует апоптоз и снижает выработку эстрадиола, ароматазы и тестостерона клетками яичника, что позволило исследователям предположить их вовлеченность в патогенез СПКЯ [22].
Рак яичников
Экспрессия нескольких десятков микроРНК различается у пациенток с раком яичника (РЯ) по сравнению со здоровыми женщинами и пациентками с доброкачественными опухолями [23]. Обнаружена корреляция между концентрациями микроРНК и резистентностью к химиотерапии - а это уже реальная перспектива индивидуального подбора препаратов каждой пациентке с учетом уникального профиля ее микроРНК [24].
Чрезвычайно актуальна разработка неинвазивного теста для ранней диагностики РЯ (скрининга которого до сих пор не существует), и на микроРНК возлагают большие надежды. В качестве кандидатов рассматривают, например, семейство miR-200 - гиперэкспрессия его представителей подавляет продукцию ZEB1/2 (медиаторов эпителиальномезенхимального перехода), синтезируемых опухолевыми клетками [25].
На основе профилей экспрессии микроРНК строят прогностические модели общей выживаемости пациенток. Так, низкие концентрации представителей Let-7 семейства (большинство из них выступают опухолевыми супрессорами) ассоциированы с приобретенной химиорезистентностью опухоли, ее агрессивным ростом, метастазированием и снижением общей выживаемости. Препараты, действующие подобно упомянутым микроРНК, могли бы затормозить опухолевую прогрессию [24].
Эндометриоз
Колоссальный объем исследований во всем мире посвящают изучению патогенеза эндометриоза, поискам методов неинвазивной диагностики и эффективного лечения. Немалые надежды возлагают на понимание эпигенетических основ этого коварного заболевания.
Изучение микроРНК при эндометриозе началось около 15 лет назад с оценки экспрессии в эутопическом и эктопическом эндометрии. К настоящему времени установлена роль различных микроРНК в ключевых процессах патогенеза эндометриоза: гипоксическое повреждение; воспаление; восстановление тканей; клеточный рост; пролиферация и апоптоз; ремоделирование внеклеточного матрикса; ангиогенез [26].
Получены убедительные доказательства вовлеченности микроРНК в процессы фолликулогенеза, овуляции и зачатия, но остается неясным, опосредовано ли данными молекулами снижение фертильности при эндометриозе. Описанное участие микроРНК в механизмах имплантации приоткрывает завесу тайны репродуктивных неудач [26].
Не менее интересно изучение злокачественной трансформации при эндометриозе, с которым наиболее ассоциирован РЯ. Дисрегуляция микроРНК вообще характерна для злокачественных процессов, и гены многих микроРНК расположены в нестабильных участках генома и канцер-ассоциированных областях. Полагают, что нарушения в экспрессии микроРНК могут запускать опухолевый процесс двумя путями: повышенная экспрессия так называемых онко-микроРНК подавляет опухолевые репрессоры, сдерживающие клеточный рост и пролиферацию, а, наоборот, пониженная экспрессия опухоль-супрессорных микроРНК позволяет вышедшим из-под сдерживающего контроля онкогенам стимулировать злокачественную трансформацию [26].
Эндометриоз - хроническое длительно не диагностируемое заболевание, "золотой стандарт" его верификации - лапароскопия, что еще больше отсрочивает постановку диагноза. В этой связи разработка неинвазивного теста, позволяющего заподозрить эндометриоз на основе анализа крови или других биологических жидкостей, - мечта сотен исследователей по всему миру. Более 40 микроРНК - одни из потенциальных претендентов на эту роль, но на пути выбора надежного маркера стоят несогласованность результатов отдельных исследований, методологическая нестандартизованность их проведения, различающаяся популяция обследуемых и недостаточное их количество и, конечно же, зависимость концентраций микроРНК (и любых других потенциальных маркеров) от возраста, стажа и тяжести заболевания, фазы менструального цикла, получаемого лечения и других факторов [27]. Преодолеть эти проблемы помогут стандартные операционные протоколы (SOP) - унифицированные алгоритмы, следование которым позволит ученым со всего мира получать сопоставимые результаты. Подобные разработал Всемирный фонд по изучению эндометриоза (World Endometriosis Research Foundation) [28].
Первые практические результаты
Несмотря на активные исследования, на основе экспрессии микроРНК не создано ни одного диагностического теста, с высокой эффективностью выявляющего то или иное заболевание, до конца не поняты механизмы развития патологических состояний. Пока что полученные результаты обрывочны и контраверсионны, но вполне ожидаемо, что однажды они помогут соткать единое полотно концепции нормального функционирования организма и патогенеза многих заболеваний.
Изучение эпигенетики уже приносит практическую пользу. В 2018 г. FDA одобрен к применению патисиран - первый препарат на основе РНК-интерференции (один из механизмов эпигенетической регуляции) для лечения наследственного транстиретин-опосредованного амилоидоза [29]. Еще 6 препаратов с подобным принципом действия находятся на различных стадиях клинических испытаний [30]. Вывод очевиден - за эпигенетикой будущее. Недаром в одном из последних бюллетеней Массачуссетского технологического института она названа среди 10 важнейших технологий, которые в ближайшее время могут изменить мир и оказать наибольшее влияние на человечество [31].
Литература
1. Смирнов В.В., Леонов Г.Е. Эпигенетика: теоретические аспекты и практическое значение // Лечащий врач. 2016. № 16. С. 26.
2. Эпигенетика / под ред. С.Д. Эллиса, Т. Дженювеина, Д. Рейнберга. Москва : Техносфера, 2010. 496 с.
3. Обо всех РНК на свете, больших и малых [Электронный ресурс]. URL: https://biomolecula.ru/articles/obo-vsekh-rnk-ria-svete-bolshikh-i-malykh
4. lorio M.V., Croce C.M. Commentary on microRNA fingerprint in human epithelial ovarian cancer // Cancer Res. 2016. Vol. 26, N 21. P. 6143-6145.
5. Lazzarini R. et al. From 2646 to 15: differentially regulated mi-croRNAs between progenitors from normal myometrium and leiomyoma // Am. J. Obstet. Gynecol. 2020. Vol. 222, N 6. P. 596.e1-596.e9.
6. Chuang T.D., Khorram O. Regulation of cell cycle regulatory proteins by MicroRNAs in uterine leiomyoma // Reprod. Sci. 2019. Vol. 26, N 2. P. 250-258.
7. Nothnick W.B. Non-coding RNAs in uterine development, function and disease // Adv. Exp. Med. Biol. 2016. Vol. 886. P. 171-189.
8. Pardini B., De Maria D., Francavilla A., Di Gaetano C., Ronco G., Nac-carati A. MicroRNAs as markers of progression in cervical cancer: a systematic review // BMC Cancer. 2018. Vol. 18, N 1. P. 696.
9. Архангельская П.А., Бахидзе Е.В., Берлев И.В., Самсонов Р.Б., Иванов М.К., Малек А.В. МикроРНК, ВПЧ-инфекция и цервикальный канцерогенез: молекулярные аспекты и перспективы клинического использования // Сибирский онкологический журнал. 2016. Т. 15, № 4. С. 88-97.
10. Laengsri V., Kerdpin U., Plabplueng C. et al. Cervical cancer markers: epigenetics and microRNAs // Lab. Med. 2018. Vol. 49, N 2. P. 97-111.
11. Petrovic N., Davidovic R., Bajic V., Obradovic M., Isenovic R.E. MicroRNA in breast cancer: the association with BRCA1/2 // Cancer Biomark. 2017. Vol. 19, N 2. P. 119-128.
12. Таипов М.А., Никифорова З.Н., Лактионов К.П., Левченко Н.Е., Шевченко В.Е. МикроРНК MiR-21 и MiR-155 - новые маркеры рака молочной железы // Опухоли женской репродуктивной системы. 2013. № 3-4. С. 6-11.
13. Pimentel F., Bonilla P., Ravishankar Y.G. et al. Technology in MicroRNA profiling: circulating microRNAs as noninvasive cancer biomarkers in breast cancer // J. Lab. Autom. 2015. Vol. 20, N 5. P. 574588.
14. Bertoli G., Cava C., Castiglioni I. MicroRNAs: new biomarkers for diagnosis, prognosis, therapy prediction and therapeutic tools for breast cancer // Theranostics. 2015. Vol. 5, N 10. P. 1122-1143.
15. Hutt S., Tailor A., Ellis P., Michael A., Butler-Manuel S., Chatterjee J. The role of biomarkers in endometrial cancer and hyperplasia: a literature review // Acta Oncol. 2019. Vol. 58, N 3. P. 342-352.
16. Delangle R., De Foucher T., Larsen A.K. et al. The use of microRNAs in the management of endometrial cancer: a meta-analysis // Cancers (Basel). 2019. Vol. 11, N 6. P. 832.
17. Gilabert-Estelles J., Braza-Boils A., Ramon L.A., Zorio E., Medina P., Espana F. et al. Role of microRNAs in gynecological pathology // Curr. Med. Chem. 2012. Vol. 19. P. 2406-2413.
18. Giglio S., Annibali V., Cirombella R. et al. miRNAs as Candidate biomarker for the accurate detection of atypical endometrial hyper-plasia/endometrial intraepithelial neoplasia // Front. Oncol. 2019. Vol. 9. P. 526.
19. Tu J., Cheung A.H., Chan C.L., Chan W.Y. The Role of microRNAs in ovarian granulosa cells in health and disease // Front. Endocrinol. (Lausanne). 2019. Vol. 10. P. 174.
20. Naji M., Aleyasin A., Nekoonam S., Arefian E., Mahdian R., Amidi F. Differential expression of miR-93 and miR-21 in granulosa cells and follicular fluid of polycystic ovary syndrome associating with different phenotypes // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, N 1. Article ID 14671.
21. Quezada M., Wang J., Hoang V., McGee E.A. Smad7 is a transforming growth factor-beta-inducible mediator of apoptosis in granulosa cells // Fertil. Steril. 2012. Vol. 97, N 6. P. 1452-1459.
22. Wang M., Liu M., Sun J., Jia L., Ma S., Gao J. et al. MicroRNA-27a-3p affects estradiol and androgen imbalance by targeting Creb1 in the granulosa cells in mouse polycytic ovary syndrome model // Reprod. Biol. 2017. Vol. 17, N 4. P. 295-304.
23. Ferreira P., Roela R.A., Lopez R.V.M., Del Pilar Estevez-Diz M. The prognostic role of microRNA in epithelial ovarian cancer: a systematic review of literature with an overall survival meta-analysis // Oncotarget. 2020. Vol. 11, N 12. P. 1085-1095.
24. Biamonte F., Santamaria G., Sacco A. et al. MicroRNA let-7g acts as tumor suppressor and predictive biomarker for chemoresistance in human epithelial ovarian cancer // Sci. Rep. 2019. Vol. 9, N 1. Article ID 5668.
25. Chen Y., Zhang L., Hao Q. Candidate microRNA biomarkers in human epithelial ovarian cancer: systematic review profiling studies and experimental validation // Cancer Cell Int. 2013. Vol. 13, N 1. P. 86.
26. Teague E.M., Print C.G., Hull M.L. The role of microRNAs in endometriosis and associated reproductive conditions // Hum. Reprod. Update. 2010. Vol. 16, N 2. P. 142-165.
27. Agrawal S., Tapmeier T., Rahmioglu N., Kirtley S., Zondervan K., Becker C. The miRNA mirage: how close are we to finding a non-invasive diagnostic biomarker in endometriosis? A systematic review // Int. J. Mol. Sci. 2018. Vol. 19, N 2. P. 599.
28. URL: https://endometriosisfoundation.org/
29. URL:https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-its-kind-targeted-rna-based-therapy-treat-rare-disease/
30. URL: https://www.alnylam.com/alnylam-rnai-pipeline/clinical-trials/
31. URL: http://catalog.mit.edu/archive/