Jüngste Arbeiten mehrerer Gruppen haben die immer größer werdenden funktionellen Verbindungen zwischen der DNA-Schadensreaktion (DDR) und der Ciliogenese gestärkt. Da sowohl die DDR als auch die primäre Ciliogenese Stressreaktionsmechanismen sind, die untrennbar mit dem Zellzyklus verbunden sind (siehe unten), sind diese Ergebnisse im Zusammenhang mit ihrer biologischen Funktion vielleicht nicht allzu unerwartet. Darüber hinaus bilden Zentriolen, die dazu beitragen können, die Genomstabilität in proliferierenden Zellen durch korrekte Mikrotubuli-Organisation und genaue Chromosomensegregation zu steuern, auch den Basalkörper der primären Zilien in ruhenden Zellen. Defekte in DDR / Genom-Stabilitätsfaktoren sind jedoch traditionell mit vererbten Krebs-prädisponierenden Krankheitssyndromen assoziiert, während Patienten mit Ciliopathien kein erhöhtes Risiko für die Entwicklung von Krebs haben. Dies macht die jüngsten Erkenntnisse, dass Mutationen in einigen DDR-Proteinen für eine Teilmenge menschlicher Ciliopathien ursächlich sind, umso faszinierender. Die folgenden Abschnitte geben daher einen kurzen Überblick über die kürzlich entdeckten genetischen und funktionellen Zusammenhänge zwischen DDR und Ciliogenese. Wir heben bisher identifizierte Schlüsselproteine hervor, die bei diesen biologischen Prozessen eine doppelte Rolle spielen.
Die DNA-Schadensreaktion und die Genomstabilität
DNA in Zellen wird täglich sowohl durch exogene Quellen wie UV-Strahlung der Sonne oder Karzinogene im Tabakrauch als auch durch endogene Quellen wie z. metabolische Nebenprodukte, Fehler, die während der DNA-Replikation eingeführt werden, oder durch Chromosomensegregationsdefekte während der Mitose . Um die genomische Integrität zu erhalten und die Anhäufung potenziell promutagener Läsionen im Genom zu minimieren, haben sich ausgeklügelte molekulare Mechanismen entwickelt, um die zahlreichen täglichen Läsionen, die innerhalb einer Zelle auftreten können, zu lösen, z. B. DNA-Brüche (Einzel- und doppelsträngig), Basen- und Zuckerschäden am DNA-Rückgrat, DNA- und DNA-Protein-Querverbindungen, Basenpaarfehlanpassungen, die während der DNA-Replikation eingebaut werden, und Alkylierungsläsionen an verschiedenen Stellen der DNA . Diese Prozesse beinhalten hochspezialisierte Sätze von Proteinen und Signalwegen, die den Nachweis und die Reparatur spezifischer Läsionen vermitteln, aber oft überlappende Funktionen zwischen den vielen verschiedenen DNA-Reparaturwegen besitzen . Der Nachweis und die anschließende Reparatur von DNA-Schäden werden durch eine Reihe komplexer Regulations- und Rückkopplungsmechanismen, die zusammen als Zellzyklus-Checkpoints bezeichnet werden, mit dem Zellzyklus koordiniert . Solche Kontrollpunkte können in verschiedenen Stadien des Zellzyklusprozesses aktiviert werden, um Zeit für die Auflösung von DNA-Läsionen zu haben, bevor sie zur nächsten Stufe des Zellzyklus übergehen . Dies ist für die Aufrechterhaltung der Sequenzintegrität des Genoms von entscheidender Bedeutung, da die Nichtdurchführung dieses Prozesses dazu führen kann, dass potenzielle promutagene Läsionen während der Replikation fixiert und während der mitotischen Segregation der Chromosomen an Tochterzellen weitergegeben werden . Wenn die Schädigung des Genoms über die Fähigkeit einer Zelle hinausgeht, sie angemessen zu reparieren, werden Zelltodmechanismen ausgelöst, die als endgültige Ausfallsicherheit dienen, um die Ausbreitung und den Durchgang potenziell promutagener Läsionen zu Tochterzellen zu verhindern . Der Sammelbegriff für den Nachweis und die anschließende Reparatur von potenziell pro-mutagenen DNA-Läsionen ist die „DNA Damage Response“ (DDR), die zusammen mit pro-apoptotischen Mechanismen eine kritische Barriere für die Entstehung von Krebs darstellt . Die Bedeutung einer intakten DDR bei der Bekämpfung der Tumorentstehung wird vielleicht am besten durch die zahlreichen menschlichen Krebs-prädisponierenden Krankheitssyndrome gezeigt, die eine Folge von zugrunde liegenden Mutationen in DDR-Faktoren sind . Darüber hinaus ist es gut bekannt, dass es ein erhöhtes Risiko für Brust- oder Darmkrebs gibt bei Personen mit Mutationen in spezifischen DDR-Faktoren, z. B. BRCA1 / 2 und MSH2, MSH6 usw. . Mutationen in Genen, die für eine Vielzahl von DDR-Faktoren kodieren, können auch zu einer Reihe anderer beim Menschen vererbter oder sporadischer Störungen mit mehreren überlappenden klinischen Phänotypen führen . Das häufigste überlappende klinische Merkmal, das mit Mutationen in solchen Faktoren verbunden ist, ist die angeborene Mikrozephalie, die möglicherweise auf Defekte in der Neurogenese während des sich entwickelnden Embryos zurückzuführen ist . Die schnelle Zellexpansion, die während dieses Prozesses stattfindet, ist anfällig für DNA-Schäden und erfordert auch eine genaue asymmetrische Zellteilung. Daher wurde gezeigt, dass Mutationen in Proteinen, die wichtige Funktionen bei der DNA-Replikation, der DNA-Reparatur, der Zentrosomenerhaltung, der Mikrotubuli-Regulation und der Mitose haben, für mehrere menschliche mikrozephale Störungen ursächlich sind (siehe Tabelle 1 für einige Beispiele).
DDR-Faktoren und Zentrosomen
Das Zentrosom fungiert als Hauptstelle der Keimbildung und Organisation von Mikrotubuli sowohl in interphasischen als auch in mitotischen Zellen und bildet die Grundlage des Basalkörpers während der Ciliogenese (siehe unten). Es besteht aus zwei orthogonal positionierten, zylindrisch geformten Strukturen, den sogenannten Zentriolen, die von einer elektronendichten Matrix umgeben sind, die als perizentriolares Material (PCM) bezeichnet wird, und fungiert als organisiertes Gerüst, das die Proteinrekrutierung zum Zentrosom erleichtert. Mit dem PCM sind zahlreiche Partikel verbunden, die als zentriolare Satelliten bezeichnet werden und viele Komponenten des PCM und anderer zentrosomaler Proteine enthalten . Die Bildung, Reifung und Duplikation von Zentrosomen werden im Einklang mit dem Zellzyklus reguliert . Als solche können Defekte im Zellzyklusverlauf, z.B. nach der Induktion von DNA-Schäden, kann zu Veränderungen in der Zusammensetzung und Architektur von Zentriolarsatelliten führen und zu Zentrosomenduplikationsfehlern führen . Da die Duplikation von Zentrosomen während der G1 / S-Phasen des Zellzyklus auftritt, können Zellen, die persistierende DNA-Schäden und Checkpoint-Aktivierung und / oder Replikationsstress erfahren, die die Zeit innerhalb der S-Phase verlängern, zu einer abnormalen Zentrosomenduplikation führen, die als überzählige Zentrosomen bezeichnet wird . Darüber hinaus wurde kürzlich gezeigt, dass einige zentriolare Satelliten zusammen mit zentrosomalen Proteinen ein Interaktom bilden, um die CDK2-Aktivität und eine effiziente zentriolare Duplikation zu fördern .
Angesichts der wichtigen Rolle des Zentrosoms innerhalb der Zelle und der funktionellen Überlappung mit DDR (siehe oben) ist es vielleicht nicht allzu überraschend, dass Defekte in Zentrosom-assoziierten Faktoren, die in DDR-Prozessen funktionieren, zu einer Reihe von menschlichen Erbkrankheiten führen, die mehrere mikrozephale Störungen und Ciliopathien umfassen (Tabelle 1). Dies umfasst Beispiele für klinisch-pathologische Überschneidungen zwischen Ciliopathie- und Mikrozephalie-Patienten sowie Mutationen im Mikrotubulus-regulierenden Protein CENPF, die sowohl mit Ciliopathie- als auch mit Mikrozephalie-Störungen assoziiert sind . Darüber hinaus besteht ein langjähriger Zusammenhang zwischen überzähligen Zentrosomen, Genominstabilität und Krebsentwicklung und / oder -progression, da überzählige Zentrosomen ein häufiges Kennzeichen von Krebszellen sind . Eine funktionelle Konsequenz einer abnormalen Zentrosomenzahl im Zusammenhang mit Krebs wurde kürzlich durch die Demonstration hervorgehoben, dass die Zentrosomenamplifikation zu Zelladhäsionsänderungen führen kann, die dazu beitragen können, die invasiven Phänotypen, die mit metastasierten Krebszellen assoziiert sind, voranzutreiben . Es ist jedoch interessant festzustellen, dass selbst angesichts der doppelten Rolle vieler Zentrosom-assoziierter Proteine innerhalb der Ciliogenese (Tabelle 1) und der Tatsache, dass Cilien-assoziierte Signalwege bei Krebserkrankungen häufig fehlreguliert sind, kein offener Zusammenhang zwischen Ciliopathie und Krebsrisiko besteht (siehe unten).
Funktionelle Verbindungen zwischen DDR und Zentrosomen wurden zuvor durch die zentrosomale Lokalisierung mehrerer DDR-Faktoren abgeleitet, darunter die DNA-Reparaturproteine BRCA1, BRCA2, PARP1 und NBS1; die DDR-Signalkinasen ATM, CHK1 und CHK2; und der Zellzyklus-Checkpoint und Transkriptionsregulator TP53 . Es ist jedoch zu beachten, dass die Kreuzreaktivität von Antikörpern in diesen Studien ohne gründliche Reagenzienvalidierung nicht ausgeschlossen werden kann . Überzeugendere mechanistische Einblicke in die biologische Funktion ergeben sich aus der Beobachtung, dass die E3-Ubiquitinligase BRCA1 Gamma-Tubulin an Zentrosomen ubiquityliert, Dies ist wichtig, um die Zentrosomenüberduplikation während der S- und G2-Phasen des Zellzyklus einzuschränken, das, im Gegenzug, wird durch NBS1 und die vorgelagerte DDR-assoziierte Kinase ATR reguliert . Es wurde zunächst berichtet, dass die DDR-Effektorkinase CHK1 ebenfalls auf das Zentrosom lokalisiert ist , dies wurde jedoch anschließend durch eine unspezifische Wechselwirkung des CHK1-Antikörpers bestimmt, der mit dem zentrosomalen Protein CCDC151 kreuzreagiert . Es ist daher derzeit nicht klar, wie CHK1 zum Mechanismus der Zentrosomenamplifikation durch NBS1- und BRCA1-Funktionen beitragen kann, die beide in der Lage sind, CHK1 als Reaktion auf DNA-Schäden und / oder Replikationsstress zu aktivieren . Die CHK1-Funktion hat sich seitdem jedoch als wichtig für die Regulierung der Expansion des PCM erwiesen , ein Prozess, von dem gezeigt wurde, dass er das Wachstum von Tochterzentriolen beeinflusst . Zusätzlich kann CHK1 zusammen mit dem zentrosomalen Protein MCPH1 (Tabelle 1) den mitotischen Eintritt steuern . Interessanterweise wurden Veränderungen der MCPH1-Expression sowohl mit dem Grad des Brust- als auch des Eierstockkrebses in Verbindung gebracht, was eine Folge einer erhöhten Zellteilung bei höhergradigen Tumoren sein kann . Änderungen entweder in der Zentriolenduplikation in der S-Phase aufgrund von PCM-Expansion oder unangemessenem Zellzyklus-Timing könnten daher Mechanismen sein, durch die Veränderungen der CHK1-Funktion die Zentrosomenintegrität beeinträchtigen könnten, obwohl weitere Studien zur Lösung dieser Probleme eindeutig erforderlich sind.
Wechselwirkungen zwischen Zentrosom-assoziierten und DDR-Proteinen können auch als Reaktion auf exogenen Stress auftreten. Beispielsweise wird das zentrosomale und die Ciliogenese fördernde Protein CEP164 (Tabelle 1) durch die DDR-assoziierten Kinasen ATM und ATR als Reaktion auf mehrere genotoxische Belastungen phosphoryliert, wo es hilft, einen G2 / M-Schädigungsprüfpunkt zu etablieren und Zellteilungsprozesse zu regulieren . Es wurde auch gezeigt, dass CEP164 an Stellen UV-induzierter Schäden relokalisiert und für effiziente zelluläre Reaktionen auf UV-induzierte DNA-Schäden erforderlich ist . Es ist jedoch derzeit nicht klar, ob dies eine spezifische Reaktion auf UV oder eine allgemeinere Reaktion auf replikationsblockierende Läsionen und / oder Induktion von p38-vermittelten Stresssignalwegen ist. Es ist interessant festzustellen, dass der zentriolare Kernfaktor Centrin 2 sowohl eine zentriolare Lokalisation als auch eine wichtige Kernkomponente aufweist. Letzteres reagiert funktionell auf UV-induzierte DNA-Schäden und interagiert physikalisch mit XPC, um eine effiziente Reparatur von UV-induzierten DNA-Läsionen zu fördern . Neuere Studien legen nahe, dass ATM auch als vielseitige Proteinkinase während zytoplasmatischer Signalprozesse fungieren kann , und ATM kann daher eine „nicht-kanonische DDR“ -Ziliarrolle spielen, die die Genomstabilität aufrechterhält und zelluläre Reaktionen auf verschiedene andere zelluläre Belastungen vermittelt. Tatsächlich gibt es eine Reihe von Zentrosom-assoziierten Proteinen, die in vivo Substrate der DDR-assoziierten Kinasen ATM, ATR und DNA-PKcs bekannt oder vorhergesagt sind, zu denen zentrosomale und ziliäre Proteine wie Ninein, PCM1 und INPP5E gehören . Ein weiteres Beispiel für ein Zentrosomenprotein, das ein direktes Substrat von DDR-Kinasen ist, ist CEP63 (Tabelle 1), das durch ATM und ATR phosphoryliert wird, um die mitotische Spindelanordnung zu fördern , und es wurde gezeigt, dass es die Zentriolenduplikation reguliert, möglicherweise durch zentrosomale CDK-Aktivität . Im Gegensatz zu CEP164 muss jedoch noch eine direkte Rolle von CEP63 bei der zellulären Reaktion auf DNA-Schäden geklärt werden. Zusätzlich reguliert die Kinase Aurora A, obwohl sie keine direkt assoziierte DDR-Kinase ist, den mitotischen Ein- und Austritt sowie den Abbau von Zilium . Eines der Substrate von Aurora A ist die mitotische Kinase PLK1, die auch den Abbau von Zilien fördern kann und nachweislich bei der Wiederherstellung von Zellzyklus-Checkpoints nach DNA-Schäden hilft . Im Einklang mit diesen Ergebnissen steht die Arbeit mehrerer Gruppen, die den APC, der die mitotische Progression als Reaktion auf DNA-Schäden und Replikationsstress koordiniert, mit der Ciliogenese verknüpfen . Schließlich haben wir kürzlich gezeigt, dass einige zentriolare Satellitenproteine eine doppelte Rolle bei der Förderung der Ciliogenese und der Verhinderung der Anhäufung von DNA-Schäden in der Zelle spielen .
Die hier hervorgehobenen Beispiele (weitere Beispiele siehe Tabelle 1) zeigen sowohl physikalische als auch funktionelle Wechselwirkungen zwischen DDR-Zentrosomenproteinen, von denen viele die Ciliogenese steuern. Der Großteil des Zusammenspiels zwischen DDR- und Zentrosomenproteinen beinhaltet entweder die Regulierung der Zentrosomenduplikation durch den Zellzyklus oder die Regulierung des genauen Zeitpunkts des mitotischen Eintritts durch den Spindelpolkörper. Ein solches Übersprechen zwischen diesen Prozessen kann daher wichtig sein, um eine unkontrollierte Zellteilung während der frühen Entwicklung voranzutreiben, wie am Beispiel von mikrozephalen Störungen gezeigt, und kann auch mit einer unkontrollierten Zellteilung während der Tumorprogression und / oder -entwicklung verbunden sein. Die weitere Aufklärung der funktionellen Konnektivität zwischen diesen zellulären Prozessen soll neue Erkenntnisse über eine Reihe von erblichen und sporadischen Erkrankungen des Menschen liefern (Tabelle 1).
Die zelluläre Rolle von Säugetierzilien
Primäre Zilien sind Organellen auf Mikrotubuli-Basis, die während der G1 / G0-Phase des Zellzyklus extrazelluläre Signale auf vielen Zelltypen erfassen und transduzieren . Zilien haben eine komplexe Ultrastruktur mit Kompartimentierung molekularer Komponenten, die sich zu Funktionsmodulen verbinden. Der Verlust oder die Mutation dieser Komponenten kann Ziliarfunktionen wie die Kontrolle des Proteineintritts und -austritts aus dem Zilium, die Regulierung von Signalkaskaden und die Kontrolle des Zellzyklus stören. Insbesondere wurde die Ziliarübergangszone als Drehscheibe vorgeschlagen, die die parakrine Signalübertragung während der Embryonalentwicklung und der Gewebemorphogenese, einschließlich der SHH-, WNT- und Notch-Signalwege, vermittelt und integriert . Ein gängiger Mechanismus zur Regulierung dieser Signalwege scheint die diskrete Kompartimentierung von Signalkomponenten zum Zilium zu sein. Als Paradigma für andere Wege, Smo, der Co-Rezeptor und Transducer für SHH, transloziert in und aktiviert dann GLI-Transkriptionsfaktoren innerhalb des Ziliums . Die kanonische WNT / β-Catenin-Signalisierung wird auch durch die Kompartimentierung der WNT-Signalkomponente Jouberin eingeschränkt, wodurch die Translokation von β-Catenin vom Kern weg und in das Zilium sichergestellt wird . Im Gegenzug wird vorgeschlagen, dass die Notch-Signalisierung ein Modulator der ciliären SHH-Signalisierung ist, indem die ciliäre Translokation von Smo reguliert wird . In jüngerer Zeit wurde gezeigt, dass die mTOR- , Hippo- , TGFß- und PDGF-Signalwege alle durch ziliarabhängige Mechanismen reguliert werden, mit unterschiedlichen Konsequenzen für Zellproliferation und -größe, Differenzierung, Autophagie, Apoptose und Tumorentstehung. Es ist derzeit unklar, inwieweit einer der ziliarbezogenen Signalwege DDR moduliert, obwohl eine kürzlich durchgeführte Studie darauf hindeutet, dass der Notch1-Rezeptor an die DDR-assoziierte Kinase ATM bindet und diese negativ reguliert und Teil eines Interaktoms mit anderen DDR-assoziierten Faktoren sein kann . Es wird daher interessant sein zu bestimmen, welchen Einfluss weitere Verbindungen zwischen dem Notch1-Rezeptor und ATM auf die Ciliogenese haben. Aus diesen Studien, Die berichteten Verbindungen zwischen zentrosomalen und Ziliarproteinen mit DDR verknüpfen die Prozesse der Ziliumbiogenese und -zerlegung mit den mitotischen und S-Phasen-Checkpoint-Pfaden, die Fehler bei der DNA-Replikation und Chromosomenübertragung überwachen. Die Störung dieser Ziliarprozesse kann daher eine dysregulierte Zellproliferation ermöglichen, ein Kennzeichen aller Krebsarten. Umgekehrt hat die jüngste Arbeit zu der wachsenden Erkenntnis geführt, dass Veränderungen des Replikationszeitpunkts und des Fortschreitens, die zu Replikationsstress und Aktivierung von DDR führen, Merkmale einiger renaler Ciliopathien sind .
Systembiologische Ansätze haben gezeigt, dass Spleißosomenproteine und andere mRNA-verarbeitende Faktoren eine weit verbreitete Rolle bei der Verhinderung von DNA–Schäden spielen, die in einigen Fällen durch abweichende RNA-DNA-Strukturen verursacht wurden . Viele der gleichen Spliceosom- und mRNA-Verarbeitungskomponenten, einschließlich derjenigen, die in vererbten Formen der Netzhautdegenerationsbedingung Retinitis pigmentosa mutiert sind, wurden auch in einem kürzlich durchgeführten Reverse genetics Screen für Gene und Pfade identifiziert, die die Ciliogenese regulieren . Der Verlust der primären Zilien wurde auch bei Tumoren vieler Krebsarten beobachtet, einschließlich Brustkrebs und Nierenzellkarzinomen , was zu Vorschlägen führt, dass das Zilium eine „Tumorsuppressor-Organelle“ sein könnte. Zum Beispiel kann die familiäre adenomatöse Polyposis (FAP oder Gardner-Syndrom), ein vererbter Wnt-abhängiger Krebs, durch einen ziliarabhängigen Mechanismus vermittelt werden . Die mechanistischen Details zur Erklärung dieser Beobachtungen bleiben jedoch unbekannt, so dass unklar ist, ob der Zilienverlust zu den nuklearen Ereignissen von Replikationsstress und aktivierter DDR beiträgt oder nur eine Folge davon ist.
Es ist auch wichtig zu erkennen, dass Signalwege mehrere Rollen bei der Aufrechterhaltung einer normalen Homöostase des adulten Gewebes spielen, die sich von der Entwicklungssignalisierung während der Embryogenese unterscheiden. Die Rolle der primären Zilien bei der Entwicklung von SHH-Signalen ist gut etabliert, aber dieser Weg reguliert auch das Überleben und die Proliferation von Gewebevorstufen- und Stammzellpopulationen . Diese mitogenen Rollen können erklären, warum eine abnormale Aktivierung des kanonischen SHH-Signalwegs, entweder durch Aktivierung von Mutationen in Signalwegkomponenten oder durch Ligandenproduktion in einem autokrinen Mechanismus, für Krebs in vielen verschiedenen Geweben prädisponiert, einschließlich Medulloblastom, Glioblastom und Basalzellkarzinom . Ob primäre Zilien für die mitogenen Rollen von SHH essentiell sind, ist derzeit unklar. Zum Beispiel wird die Tumorentstehung, die durch aktivierende Mutationen im SHH-Corezeptor Smo verursacht wird, verringert, wenn Zilien abgetragen werden, während der Zilienverlust die Tumorentstehung erhöht, die durch aktiviertes GLI2, einen Transkriptionseffektor der SHH-Signalübertragung, verursacht wird . Die komplexen mitogenen Rollen von SHH liefern jedoch eine Erklärung dafür, warum es bei Patienten mit Ciliopathie keinen offensichtlichen Anstieg der Krebsinzidenz gibt.
Aufkommende genetische und funktionelle Verbindungen zwischen DDR und primären Zilien
Kürzlich wurde gezeigt, dass in proliferierenden Zellen mehrere zentriolare Satellitenproteine nach exogenen Belastungen wie UV neu strukturiert werden, die wiederum Hemmsignale unterdrücken und die Ciliogenese erleichtern . In ähnlicher Weise kann stressinduzierte Autophagie die Zusammensetzung von Zentriolarsatelliten beeinflussen, um die Ciliogenese zu fördern . Umgekehrt hilft die Stresssignalisierung durch das primäre Zilium, die Autophagie zu regulieren, indem es die Bildung des Autophagosoms fördert . Wir haben auch gezeigt, dass einige zentriolare Satellitenproteine sowohl die Ciliogenese als auch die Genomstabilität fördern , was teilweise durch Regulation der Zusammensetzung des Zentrosoms und der Zentriolenduplikation durch CDK2-Aktivität erfolgen kann . Stresssignale, die von DNA-Schäden ausgehen, können entweder intra– oder interzellulär durch eine Vielzahl von Mechanismen sein, die Zell-Zell-Kontakte und / oder extrazelluläre Signale beinhalten, die zusammen als Bystander-Effekte bezeichnet werden . Das Zusammenspiel zwischen DDR und primären Zilien kann daher sowohl interne funktionelle Wechselwirkungen zwischen DDR und zentriolären / basalen Körperproteinen als auch externe Signale von benachbarten Zellen beinhalten. In den letzten Jahren haben sich funktionelle Verbindungen zwischen Autophagie und DDR herausgebildet, wo Autophagie das Zellschicksal nach DNA-Schäden erleichtert und auch dazu beiträgt, Genominstabilität zu verhindern, um die Tumorentstehung zu bekämpfen . Interessanterweise können Autophagieprozesse auch auf DNA-schädigungsinduzierte Bystander-Effekte ansprechen, was sowohl die intra- als auch die interzelluläre Stresssignalisierung erleichtert. Dieses komplexe Zusammenspiel dieser zellulären Stressreaktionsmechanismen hat potenzielle Auswirkungen auf Ciliopathien und mikrozephale Störungen sowie auf Krebs .
Zusätzlich zu den oben genannten Beispielen, die physikalische und funktionelle Verbindungen zwischen DDR und zentrosomalen Proteinen zeigen, haben Arbeiten mehrerer Gruppen direkte genetische und funktionelle Verbindungen zwischen DDR und Ciliogenese aufgedeckt (Tabellen 1, 2). Wie oben erwähnt, wird das Pro-Ciliogenese-zentrosomale Protein CEP164 durch DDR-Kinasen reguliert und fördert zelluläre Reaktionen auf UV-induzierte DNA-Schäden . In jüngerer Zeit wurde gezeigt, dass homozygote rezessive Mutationen in CEP164 für eine Untergruppe von Nephronophthisis-bedingten Ciliopathien ursächlich sind, wobei mutierte Zebrafischmodelle sowohl Ciliopathie-Phänotypen als auch ineffiziente Reaktionen auf DNA-Schäden aufweisen . Darüber hinaus zeigte diese Studie auch, dass NPHP10 (auch bekannt als SDCCAG8), das normalerweise in Zentrosomen residiert, als Reaktion auf DNA-Schäden in Kernherde re-lokalisiert ist , und eine nachfolgende Studie hat gezeigt, dass ein Mangel an NPHP10 (entweder in Zellmodellen oder in Zellen, die von Knock-out-Mäusen stammen) zu erhöhten DNA-Schäden und Zellzyklus-Checkpoint-Aktivierung führt . Im Einklang mit einer etablierten funktionellen Rolle für einige der NEK-Kinase-Familienmitglieder sowohl in DDR als auch in der Ciliogenese wurde kürzlich berichtet, dass Die Ciliopathie-assoziierte Kinase NEK8 (Tabelle 1) ist wichtig bei der Kontrolle zellulärer Reaktionen auf Replikationsstress durch die DDR-Kinase ATR und Begrenzung der CDK-Aktivität zur Unterdrückung der DNA-Bruchbildung . Was angesichts der nicht überlappenden klinischen Phänotypen von NEK8-assoziierten Ciliopathien und ATR-assoziierten Seckel-Syndrom-Patienten überraschender ist, ist, dass Zellen, die eine Ciliopathie-assoziierte Kinase-Mutante NEK8 exprimieren, eine Zunahme von DNA-Schäden und Zellzyklusdefekten aufwiesen und dass die Nieren von NEK8-mutierten Mäusen akkumulierten DNA-Schäden . Darüber hinaus wurde das zentrosomale Protein CEP290, das in einer Reihe von Ciliopathien einschließlich des Joubert-Syndroms mutiert ist, auch an der Regulation von DNA-Replikationsstress und DDR beteiligt (Tabelle 1), was darauf hindeutet, dass chronischer Replikationsstress ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung einiger Ciliopathien sein kann . Ähnlich wie in der NEK8-Studie wiesen Zellen, die die Mutante CEP290 exprimierten, auch eine unangemessene CDK-Aktivität auf. Gewebespezifischer Replikationsstress in bestimmten genetischen Hintergründen kann daher ein häufiger Mechanismus sein, der die Entwicklung einer Teilmenge von Ciliopathien antreibt, und legt nahe, dass CDK ein potenzielles therapeutisches Ziel für solche Krankheiten sein kann .
Es ist faszinierend, dass dieselbe Studie, die CEP164-Mutationen als ursächlich für eine Untergruppe von Nephronophthisis-bedingten Ciliopathien identifizierte, auch ursächliche Mutationen in MRE11 identifizierte (Tabelle 2). MRE11 interagiert stöchiometrisch mit RAD50 und NBS1 (Bildung des sogenannten MRN-Komplexes), um Schlüsselfunktionen von DNA-Reparaturprozessen zu erleichtern . Insbesondere Keimbahnmutationen in NBS1 oder MRE11 führen zu den Krebs-prädisponierenden Erbkrankheiten Nijmegen-Bruch-Syndrom und Ataxie-Teleangiektasie-ähnliche Störung (ALTD). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass MRE11 als Barriere für die Tumorentstehung fungiert , und vererbte heterozygote Mutationen in MRE11, NBS1 oder RAD50 sind mit einem Risiko für Brustkrebs mit geringer mittlerer Penetranz verbunden . Es ist derzeit unklar, wie oder warum insbesondere spezifische Mutationen in MRE11 zu Ciliopathien führen können. Dies wirft interessante Fragen auf, ob Mutationen in anderen Mitgliedern des DDR-assoziierten MRN-Schlüsselkomplexes (MRE11-RAD50-NBS1), Mutationen, die vererbte Krebssyndrome verursachen, auch für andere Nieren-Netzhaut-Ciliopathien ursächlich sein können. Vielleicht noch überraschender war die jüngste Entdeckung, dass Mutationen in der Fanconi-Anämie und der krebsassoziierten Nuklease FAN1 (Tabelle 2; ) für eine Untergruppe von karyomegalischen interstitiellen Nephritis-Ciliopathien ursächlich sein könnten . Da dieses Enzym an der Reparatur von DNA-Läsionen beteiligt ist, die die DNA-Replikation blockieren, schlug die Studie vor, dass eine defekte Nukleaseaktivität in bestimmten Organen die zelluläre Seneszenz nach einer erhöhten Exposition gegenüber Genotoxinen (möglicherweise aufgrund eines erhöhten aktiven Metabolismus) antreiben könnte. Dies könnte ein ähnliches Szenario wie der vorgeschlagene erhöhte Replikationsstress sein, der in den Nieren von CEP290- und NEK8-defizienten Mäusen beobachtet wurde (siehe oben). Obwohl dies ein Mechanismus sein kann, durch den FAN1-Mutationen zu Ciliopathien führen können, kann die zugrunde liegende Biologie komplizierter sein, insbesondere angesichts der Tatsache, dass Phänotypen, die mit Ciliopathien vom Typ der karyomegalischen interstitiellen Nephritis assoziiert sind, bei Patienten mit Fanconi-Anämie (FA) nicht offensichtlich sind. Eine solche phänotypische Diskrepanz kann zum Teil auch auf die Redundanz innerhalb der Wege zurückzuführen sein, die zur Auflösung von DNA-replikationshemmenden Läsionen dienen .
Zusätzlich zu diesen genetischen Studien haben mehrere Gruppen auch funktionelle Verbindungen zur Ciliogenese für Proteine aufgedeckt, die traditionell mit der DDR assoziiert sind. Ein Beispiel hierfür ist der jüngste Befund, dass ATR in Maus-Photorezeptorzellen am Basalkörper lokalisiert (Tabelle 2) und für die Ciliogenese während des sich entwickelnden Auges wichtig ist . ATR ist auch für die ziliarbezogene Sonic Hedgehog-Signalgebung in vitro und in vivo erforderlich, scheint jedoch für die Ciliogenese weitgehend entbehrlich zu sein, in einer Rolle, die sich von ihrer Funktion in DDR und Replikation unterscheidet . Ein weiterer Befund ist, dass Mutationen in der DNA-Replikation, Faktoren wie ORC1 (Tabelle 2), ursächlich für die mikrozephale Störung Meier–Gorlin-Syndrom (MGS) waren und auch gezeigt wurden, dass sie die Ciliogenese durch beeinträchtigte SHH-Signalisierung beeinflussen . Es wurde gezeigt, dass das AAA-ATPase-Protein VCP / p97, das die Lokalisierung mehrerer DDR-Faktoren an DNA-Schädigungsstellen reguliert, für die Ciliogenese erforderlich ist (Tabelle 2), wenn es ähnliche Funktionen bei der Regulierung der E3-Ligase-vermittelten Ubiquitylierung von Proteinen am Basalkörper erfüllen kann . Schließlich hat sich das Protein ATMIN, ein Bindungspartner der wichtigsten DDR-Kinase ATM und auch wichtig für zelluläre Reaktionen auf Replikationsstress , auch als wichtig für die Ciliogenese während der Morphogenese sowohl der Lunge als auch der Nieren bei sich entwickelnden Mäusen erwiesen, da es als Transkriptionsfaktor die WNT-Signalübertragung reguliert . Zusammenfassend zeigen diese Studien sowohl genetische als auch funktionelle Zusammenhänge zwischen DDR und Ciliogenese (Tabelle 2).
Das menschliche primäre Zilium und Krebs
Im Gegensatz zu diesen jüngsten Entdeckungen mit DDR-assoziierten Faktoren bei menschlichen Ciliopathien steht die allgemeine Beobachtung, dass ein erhöhtes Risiko oder eine erhöhte Inzidenz von Krebs im Allgemeinen nicht mit menschlichen Ciliopathien assoziiert ist. Ausnahmen sind das Birt-Hogg-Dubé-Syndrom und das Von Hippel–Lindau-Syndrom, bei denen es sich um erbliche Nierenkrebserkrankungen mit einigen klinischen Merkmalen von Ciliopathien handelt . Darüber hinaus, obwohl Patienten mit polyzystischer Nierenerkrankung gutartige Nierenzysten als Folge eines Zellüberwucherungs-Phänotyps haben, haben sie kein erhöhtes Risiko, an Krebs zu erkranken, und können tatsächlich ein insgesamt reduziertes Krebsrisiko im Vergleich zu nicht betroffenen Personen haben . Es ist nicht klar, warum dies der Fall sein kann, aber es wurde vorgeschlagen, dass eine gleichzeitige erhöhte Rate des Zelltods entweder durch apoptotische und / oder Autophagiemechanismen dazu beitragen könnte, das Krebsrisiko bei betroffenen Personen zu senken. Ein ähnliches Phänomen wurde für die genetische Reduktion der ATR-Aktivität berichtet, die das Tumorwachstum von P53-defizienten Tumoren bei Mäusen begrenzt , obwohl ein erhöhtes Krebsrisiko bei einigen Patienten mit Seckel-Syndrom berichtet wurde, wobei mindestens einer von ihnen einen ursächlichen genetischen Defekt im ATR-Gen aufweist . Interessanterweise wurde kürzlich vorgeschlagen, dass ein erhöhter Replikationsstress, ähnlich dem, der häufig bei Krebserkrankungen aufgrund von Onkogenaktivierung auftritt, ein Phänotyp ist, der mit einer Untergruppe von Ciliopathien wie dem CEP290-assoziierten Joubert-Syndrom assoziiert ist . Daher kann es sein, dass eine gewisse Toleranz gegenüber erhöhtem Replikationsstress erforderlich ist, um mehr tumorigene Phänotypen zu erzeugen, die mit DDR-bedingten Krankheiten assoziiert sind, was bei der Entwicklung der Mehrheit der menschlichen Ciliopathien nicht ausgewählt wird.
Die hier kurz hervorgehobenen Studien liefern überzeugende Beweise für die ständig wachsenden genetischen und funktionellen Verbindungen zwischen DDR- und Ciliogenesewegen. Die Diskrepanzen zwischen den Phänotypen von DDR-assoziierten Krebs-prädisponierenden Syndromen und Ciliopathien (Tabellen 1, 2) passen jedoch nicht zu unserem derzeit begrenzten Wissen darüber, wie diese beiden Signalwege miteinander verbunden sein könnten. Dies kann die funktionellen Auswirkungen widerspiegeln, die jeder Signalweg sowohl innerhalb des sich entwickelnden als auch innerhalb des differenzierten Gewebes hat, sowie die Frage, wie sich normale oder aberrante Signalwegfunktionen sowohl auf präkanzeröse Läsionen als auch auf transformierte Zellen auswirken können.