ostatnie prace z kilku grup wzmocniły stale rozszerzające się powiązania funkcjonalne między odpowiedzią na uszkodzenia DNA (DDR) a ciliogenezą. Biorąc pod uwagę, że zarówno DDR, jak i pierwotna ciliogeneza są mechanizmami odpowiedzi na stres, które są nierozerwalnie związane z cyklem komórkowym (patrz poniżej), wyniki te nie są być może zbyt nieoczekiwane w kontekście ich funkcji biologicznej. Ponadto centriole, które mogą pomóc regulować stabilność genomu w proliferujących komórkach poprzez prawidłową organizację mikrotubul i dokładną segregację chromosomów, również tworzą podstawę rzęsek pierwotnych w komórkach spoczynkowych. Jednak wady czynników stabilności DDR/genomu są tradycyjnie związane z dziedzicznymi zespołami chorób predysponujących do raka, podczas gdy pacjenci z ciliopatiami nie mają zwiększonego ryzyka rozwoju raka. To sprawia, że ostatnie odkrycia, że mutacje w niektórych białkach DDR są przyczynowe dla podzbioru ludzkich ciliopatii, tym bardziej intrygujące. W poniższych sekcjach przedstawiono zatem krótki przegląd niedawno odkrytych genetycznych i funkcjonalnych powiązań między DDR i ciliogenezą. Wyróżniamy kluczowe białka zidentyfikowane do tej pory, które pełnią podwójną rolę w tych procesach biologicznych.
odpowiedź na uszkodzenie DNA i stabilność genomu
DNA w komórkach jest codziennie uszkadzane zarówno ze źródeł egzogennych, np. promieniowania UV od słońca lub substancji rakotwórczych w dymie tytoniowym, jak i ze źródeł endogennych, np. metaboliczne produkty uboczne, błędy wprowadzone podczas replikacji DNA lub defekty segregacji chromosomów podczas mitozy . W celu utrzymania integralności genomu i zminimalizowania nagromadzenia potencjalnie Pro-mutagennych zmian w genomie, wyrafinowane mechanizmy molekularne wyewoluowały w celu rozwiązania licznych codziennych zmian, które mogą wystąpić w komórce, np. pęknięć DNA (jedno-i dwuniciowych), uszkodzeń podstawy i cukru w kręgosłupie DNA, powiązań sieciowych DNA i DNA-białka, niedopasowań pary zasad włączonych podczas replikacji DNA i zmian alkilacyjnych w różnych miejscach DNA . Procesy te obejmują wysoce wyspecjalizowane zestawy białek i szlaków, które pośredniczą w wykrywaniu i naprawie określonych zmian, ale często posiadają nakładające się funkcje między wieloma różnymi szlakami naprawy DNA . Wykrywanie i następująca naprawa uszkodzeń DNA są koordynowane z cyklem komórkowym poprzez szereg złożonych mechanizmów regulacyjnych i sprzężenia zwrotnego znanych łącznie jako punkty kontrolne cyklu komórkowego . Takie punkty kontrolne mogą być aktywowane na różnych etapach procesu cyklu komórkowego, aby zapewnić czas na usunięcie zmian DNA przed przejściem do następnego etapu cyklu komórkowego . Ma to kluczowe znaczenie dla utrzymania integralności sekwencji genomu, ponieważ niepowodzenie w przeprowadzeniu tego procesu może prowadzić do potencjalnych zmian Pro-mutagennych „utrwalonych” podczas replikacji i przekazywanych do komórek potomnych podczas mitotycznej segregacji chromosomów . Jeśli uszkodzenie genomu wykracza poza zdolność komórki do odpowiedniej naprawy, uruchamiane są mechanizmy śmierci komórki, które działają jako ostateczne zabezpieczenie przed rozprzestrzenianiem się i przechodzeniem potencjalnie Pro-mutagennych zmian do komórek potomnych . Zbiorczym terminem dla wykrywania i późniejszej naprawy potencjalnie Pro-mutagennych zmian DNA jest” odpowiedź na uszkodzenia DNA ” (DDR), która wraz z mechanizmami proapoptotycznymi działa jako krytyczna bariera dla rozwoju raka . Znaczenie nienaruszonego DDR w zwalczaniu tumourigenezy najlepiej pokazują liczne zespoły chorobowe predysponujące do raka u ludzi, które są konsekwencją mutacji czynników DDR . Ponadto, jest dobrze ustalone, że istnieje zwiększone ryzyko raka piersi lub jelita grubego u osób z mutacjami specyficznych czynników DDR, np. BRCA1/2 i MSH2, msh6 itp. . Mutacje w genach kodujących mnóstwo czynników DDR mogą również prowadzić do szeregu innych ludzkich dziedzicznych lub sporadycznych zaburzeń z kilkoma nakładającymi się fenotypami klinicznymi . Najczęstszą nakładającą się cechą kliniczną związaną z mutacjami takich czynników jest wrodzona małogłowie, potencjalnie spowodowane wadami neurogenezy podczas rozwijającego się zarodka . Szybka ekspansja komórek, która ma miejsce podczas tego procesu, jest podatna na uszkodzenia DNA, a także wymaga dokładnego asymetrycznego podziału komórek. Jako takie mutacje w białkach, które mają ważne funkcje w replikacji DNA, naprawie DNA, utrzymaniu centrosomów, regulacji mikrotubul i mitozie, wszystkie okazały się przyczynowe dla kilku ludzkich zaburzeń małogłowicowych (patrz Tabela 1 dla niektórych przykładów).
czynniki DDR i centrosomy
centrosom działa jako główne miejsce zarodkowania i organizacji mikrotubul w komórkach międzyfazowych i mitotycznych i stanowi podstawę ciała podstawowego podczas ciliogenezy (patrz poniżej). Składa się z dwóch ułożonych prostopadle, cylindrycznych struktur znanych jako centriole, które są otoczone gęstą matrycą elektronową określaną materiałem perycentriolarnym (PCM) i działa jako zorganizowane rusztowanie, które ułatwia rekrutację białka do centrosomu. Z PCM związane są liczne cząstki nazywane satelitami centriolarnymi, które zawierają wiele składników PCM i innych białek centrosomalnych . Tworzenie, dojrzewanie i powielanie centrosomów są regulowane zgodnie z cyklem komórkowym . Jako takie, wady w progresji cyklu komórkowego, np. po indukcji uszkodzenia DNA, może prowadzić do zmian w składzie i architekturze satelitów centriolarnych i prowadzić do błędów powielania centrosomów . Ponieważ duplikacja centrosomów występuje podczas faz G1/s cyklu komórkowego, komórki doświadczające trwałego uszkodzenia DNA i aktywacji punktu kontrolnego i / lub stresu replikacyjnego, który wydłuża czas spędzony w fazie s, mogą powodować nieprawidłowe duplikowanie centrosomów zwane nadliczbowymi centrosomami . Ponadto niedawno wykazano, że niektóre satelity centriolarne tworzą interaktom wraz z białkami centrosomalnymi w celu promowania aktywności CDK2 i efektywnego powielania centriolarnego .
biorąc pod uwagę ważne role centrosomu w komórce i funkcjonalne pokrywanie się z DDR (patrz wyżej), nie jest chyba zbyt zaskakujące, że wady czynników związanych z centrosomem, które funkcjonują w procesach DDR, powodują szereg ludzkich zaburzeń dziedzicznych, które obejmują kilka zaburzeń mikrocefalicznych i ciliopatii (Tabela 1). Obejmuje to przykłady clinicopatologicznych nakładania się pacjentów z ciliopatią i małogłowiem, a także mutacje w białku CENPF regulującym mikrotubule, które są związane zarówno z zaburzeniami ciliopatii, jak i małogłowia . Ponadto istnieje długotrwały związek między nadliczbowymi centrosomami, niestabilnością genomu i rozwojem raka i / lub progresją, ponieważ nadliczbowe centrosomy są powszechną cechą charakterystyczną komórek nowotworowych . Funkcjonalna konsekwencja nieprawidłowej liczby centrosomów w kontekście raka została niedawno podkreślona przez wykazanie, że amplifikacja centrosomów może prowadzić do zmian adhezji komórek, które mogą pomóc w napędzaniu inwazyjnych fenotypów związanych z przerzutowymi komórkami nowotworowymi . Warto jednak zauważyć, że nawet biorąc pod uwagę podwójną rolę wielu białek związanych z centrosomem w ciliogenezie (Tabela 1) i że szlaki sygnałowe związane z rzęskami są często rozregulowane w nowotworach, nie ma jawnego związku między ciliopatią a ryzykiem raka (omówione poniżej).
powiązania funkcjonalne między DDR i centrosomami zostały wcześniej wywnioskowane przez centrosomalną lokalizację kilku czynników DDR, w tym białek naprawy DNA BRCA1, BRCA2, PARP1 i NBS1; kinaz sygnałowych DDR ATM, CHK1 i CHK2; oraz punktu kontrolnego cyklu komórkowego i regulatora transkrypcyjnego TP53 . Należy jednak zauważyć, że reaktywności krzyżowej przeciwciał w tych badaniach nie można wykluczyć bez dokładnej walidacji odczynnika . Bardziej przekonujące mechanistyczne spostrzeżenia dotyczące funkcji biologicznych pochodzą z obserwacji, że ligaza ubikwityny E3 BRCA1 ubikwityluje gamma-tubulinę w centrosomach, co jest ważne dla ograniczenia nadmiernej duplikacji centrosomu podczas faz S I G2 cyklu komórkowego, która z kolei jest regulowana przez nbs1 i kinazę związaną z DDR. Początkowo donoszono , że kinaza efektorowa DDR chk1 również lokalizuje się w centrosomie, ale później stwierdzono, że jest to wynikiem niespecyficznej interakcji przeciwciała chk1 reagującego krzyżowo z centrosomalnym białkiem CCDC151 . Nie jest zatem obecnie jasne, w jaki sposób CHK1 może przyczyniać się do mechanizmu amplifikacji centrosomów przez funkcje NBS1 i BRCA1, które są zdolne do aktywacji CHK1 w odpowiedzi na uszkodzenia DNA i/lub stres replikacyjny . Wykazano jednak, że funkcja CHK1 jest ważna dla regulacji ekspansji PCM, procesu, który jak wykazano wpływa na wzrost centrioli potomnych . Dodatkowo CHK1 wraz z białkiem centrosomalnym MCPH1 (Tabela 1) może kontrolować wejście mitotyczne . Co ciekawe, zmiany ekspresji MCPH1 były związane zarówno z rakiem piersi, jak i z rakiem jajnika, co może być konsekwencją zwiększonego podziału komórek w nowotworach wyższego stopnia . Zmiany w powielaniu centrioli w fazie S spowodowane ekspansją PCM lub nieodpowiednim czasem cyklu komórkowego mogą zatem być mechanizmami, za pomocą których zmiany w funkcji CHK1 mogą wpływać na integralność centrosomu, chociaż konieczne są dalsze badania w celu rozwiązania tych problemów.
interakcje między białkami związanymi z centrosomem i DDR mogą również wystąpić w odpowiedzi na stres egzogenny. Na przykład białko CEP164 promujące centrosomal i ciliogenezę (Tabela 1) jest fosforylowane przez kinazy związane z DDR ATM i ATR w odpowiedzi na kilka naprężeń genotoksycznych, gdzie pomaga ustalić punkt kontrolny uszkodzenia G2/M i regulować procesy podziału komórek . Wykazano również, że CEP164 ponownie lokalizuje się w miejscach uszkodzeń wywołanych promieniowaniem UV i jest wymagany do skutecznej odpowiedzi komórkowej na uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem UV . Jednak obecnie nie jest jasne, czy jest to swoista odpowiedź na promieniowanie UV, czy bardziej ogólna odpowiedź na zmiany blokujące replikację i/lub indukcja szlaków sygnalizacji stresu za pośrednictwem p38. Warto zauważyć, że centralny czynnik centriolarny centrin 2 ma zarówno lokalizację centriolarną, jak i główny składnik jądrowy. Ten ostatni funkcjonalnie reaguje na uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem UV i fizycznie współdziała z XPC w celu promowania skutecznej naprawy uszkodzeń DNA wywołanych promieniowaniem UV . Najnowsze badania sugerują, że ATM może również działać jako wszechstronna kinaza białkowa podczas cytoplazmatycznych procesów sygnalizacji, a ATM może zatem mieć „niekanoniczną rolę DDR” rzęskową, która utrzymuje stabilność genomu i pośredniczy w odpowiedziach komórkowych na różne inne naprężenia komórkowe. Rzeczywiście, istnieje wiele białek związanych z centrosomem, które są znanymi lub przewidywanymi substratami in vivo kinaz związanych z DDR ATM, ATR i DNA-PKcs, które obejmują białka centrosomalne i rzęskowe, takie jak ninein, PCM1 i INPP5E . Innym przykładem białka centrosomowego będącego bezpośrednim substratem kinaz DDR jest CEP63 (Tabela 1), które jest fosforylowane przez ATM i ATR w celu promowania mitotycznego montażu wrzeciona i wykazano , że reguluje duplikację centrioli, potencjalnie poprzez aktywność centrosomalną CDK . Jednakże, w przeciwieństwie do CEP164, bezpośrednia rola CEP63 w odpowiedzi komórkowej na uszkodzenia DNA nie została jeszcze wyjaśniona. Dodatkowo, chociaż nie jest bezpośrednio powiązaną kinazą DDR, kinaza Aurora A reguluje wejście i wyjście mitotyczne, a także demontaż cylium . Jednym z substratów Aurory A jest kinaza mitotyczna PLK1, która może również promować demontaż rzęsek i wykazano, że działa w odzyskiwaniu punktu kontrolnego cyklu komórkowego po uszkodzeniu DNA . Zgodne z tymi odkryciami są prace kilku grup łączących APC, które koordynują postęp mitotyczny w odpowiedzi na uszkodzenia DNA i stres replikacyjny, z ciliogenezą . Wreszcie, niedawno wykazaliśmy, że niektóre centriolarne białka satelitarne pełnią podwójną rolę w promowaniu ciliogenezy i zapobieganiu gromadzeniu się uszkodzeń DNA w komórce .
przykłady przedstawione tutaj (patrz Tabela 1, Aby uzyskać dodatkowe przykłady) pokazują zarówno fizyczne, jak i funkcjonalne interakcje między białkami centrosomalnymi DDR, z których wiele kontroluje ciliogenezę. Większość interakcji między DDR a białkami centrosomu obejmuje albo regulację duplikacji centrosomu w cyklu komórkowym, albo regulację dokładnego czasu wejścia mitotycznego przez ciało bieguna wrzeciona. Taki crosstalk między tymi procesami może być zatem ważny dla napędzania wiernego podziału komórek podczas wczesnego rozwoju, jak pokazano na przykładzie zaburzeń mikrocefalicznych, a także może być związany z niekontrolowanym podziałem komórek podczas progresji i/lub rozwoju nowotworu. Dalsze wyjaśnienie funkcjonalnej łączności między tymi procesami komórkowymi powinno dostarczyć nowych informacji na temat wielu ludzkich dziedzicznych i sporadycznych zaburzeń (Tabela 1).
komórkowa rola rzęsek ssaków
rzęski pierwotne to organelle oparte na mikrotubulach, które wyczuwają i transdukują sygnały zewnątrzkomórkowe na wielu typach komórek podczas fazy G1/G0 cyklu komórkowego . Rzęski mają złożoną ultrastrukturę z podziałem składników molekularnych, które łączą się w moduły funkcjonalne. Utrata lub mutacja tych składników może zakłócać funkcje rzęskowe, takie jak kontrola wejścia i wyjścia białka z cylium, Regulacja kaskad sygnałowych i kontrola cyklu komórkowego. W szczególności zasugerowano, że rzęskowa strefa przejściowa jest ośrodkiem pośredniczącym i integrującym sygnalizację parakrynową podczas rozwoju zarodkowego i morfogenezy tkanek, w tym szlaków sygnalizacji SHH, WNT i Notch . Częstym mechanizmem regulacji tych szlaków wydaje się być dyskretne rozdzielenie elementów sygnałowych do cylium. Jako paradygmat dla innych szlaków, Smo, Ko-receptor i przetwornik dla SHH, translokuje się do, a następnie aktywuje czynniki transkrypcyjne GLI w obrębie cylium . Kanoniczna sygnalizacja WNT / β-kateniny jest również ograniczona przez wydzielenie składnika sygnałowego WNT Jouberyny, zapewniając translokację β-kateniny z dala od jądra i do cylium . Z kolei sygnalizację Notch proponuje się jako modulator sygnalizacji rzęskowej poprzez regulację translokacji rzęskowej Smo . Ostatnio wykazano , że szlaki sygnałowe mTOR , Hippo, TGFß i PDGF są regulowane przez mechanizmy zależne od rzęsek, co ma różne konsekwencje dla proliferacji i wielkości komórek, różnicowania, autofagii, apoptozy i tumourigenezy. Obecnie nie jest jasne, w jakim stopniu którykolwiek z dróg sygnałowych związanych z rzęskami moduluje DDR, chociaż ostatnie badania sugerują , że receptor Notch1 wiąże się i negatywnie reguluje aktywność kinazy ATM związanej z DDR i może być częścią interaktomu z innymi czynnikami związanymi z DDR . Interesujące będzie zatem określenie, jaki wpływ na ciliogenezę mają dalsze połączenia między receptorem Notch1 i ATM. Z tych badań wynika, że zgłoszone połączenia między centrosomalnymi i rzęskowymi białkami z DDR łączą procesy biogenezy i demontażu cilium z mitotycznymi i S-fazowymi szlakami kontrolnymi, które monitorują awarie replikacji DNA i transmisji chromosomów. Zakłócenie tych procesów rzęskowych może zatem pozwolić na rozregulowaną proliferację komórek, charakterystyczną cechą wszystkich nowotworów. Z drugiej Strony, ostatnie prace doprowadziły do rosnącego uznania, że zmiany w czasie replikacji i progresji, prowadzące do stresu replikacyjnego i aktywacji DDR, są cechami niektórych ciliopatii nerkowych .
metody biologii systemowej ujawniły powszechną rolę białek spliceosomu i innych czynników przetwarzających mRNA w zapobieganiu uszkodzeniom DNA, które w niektórych przypadkach były spowodowane przez nieprawidłowe struktury RNA-DNA . Wiele z tych samych składników przetwarzających spliceosomy i mRNA, w tym zmutowanych w dziedzicznych formach zwyrodnienia siatkówki retinitis pigmentosa, zostało również zidentyfikowanych w niedawnym badaniu genetycznym genów i szlaków regulujących ciliogenezę . Utrata rzęsek pierwotnych zaobserwowano również w guzach wielu nowotworów, w tym raka piersi i raka nerkowokomórkowego, co skłania do sugestii, że cilium może być „organellą supresorową guza”. Na przykład rodzinna polipowatość gruczolakowata (FAP lub zespół Gardnera), dziedziczny rak zależny od Wnt, może być pośredniczony przez mechanizm zależny od rzęsek . Jednak mechanistyczne szczegóły wyjaśniające te obserwacje pozostają nieznane, więc nie jest jasne, czy utrata rzęsek przyczynia się do lub jest jedynie konsekwencją jądrowych zdarzeń stresu replikacyjnego i aktywowanego DDR.
ważne jest również, aby docenić, że szlaki sygnałowe pełnią wiele ról w utrzymaniu prawidłowej homeostazy tkanek dorosłych, które różnią się od sygnalizacji rozwojowej podczas embriogenezy. Rola rzęsek pierwotnych w sygnalizacji rozwojowej jest dobrze ugruntowana, ale szlak ten reguluje również przeżywalność i proliferację populacji komórek progenitorowych i macierzystych . Te mitogenne role mogą wyjaśniać, dlaczego nieprawidłowa aktywacja kanonicznego szlaku sygnałowego SHH, albo poprzez aktywację mutacji w składnikach szlaku, albo przez produkcję ligandów w mechanizmie autokrynnym, predysponuje do raka w wielu różnych tkankach, w tym rdzeniaka, glejaka i raka podstawnokomórkowego . Obecnie nie jest jasne, czy rzęski pierwotne są niezbędne dla mitogennej roli SHH. Na przykład, tumourigeneza wywołana przez aktywujące mutacje w SMO Ko-receptora SHH zmniejsza się, jeśli rzęski są ablowane, podczas gdy utrata rzęsek zwiększa tumourigenezę spowodowaną przez aktywowany GLI2, transcriptional effector sygnalizacji SHH . Jednak złożone mitogenne role SHH dostarczają jednego wyjaśnienia, dlaczego nie ma widocznego wzrostu zachorowalności na raka u pacjentów z ciliopatią.
pojawiające się genetyczne i funkcjonalne powiązania między DDR a rzęskami pierwotnymi
Ostatnio wykazano, że w proliferujących komórkach kilka centriolarnych białek satelitarnych ulega przebudowie w wyniku naprężeń egzogennych, takich jak UV, które z kolei tłumią sygnały hamujące i ułatwiają ciliogenezę . Podobnie, autofagia wywołana stresem może wpływać na skład satelitów centriolarnych w celu promowania ciliogenezy . Z drugiej strony, sygnalizacja stresu poprzez pierwotną cilium pomaga regulować autofagię, promując tworzenie autofagosomu . Wykazaliśmy również, że niektóre centriolarne białka satelitarne działają w celu promowania ciliogenezy, jak również stabilności genomu, co może być częściowo poprzez regulację składu duplikacji centrosomu i centriolu poprzez aktywność CDK2 . Sygnały stresowe pochodzące z uszkodzeń DNA mogą być wewnątrz – lub międzykomórkowe za pośrednictwem różnych mechanizmów obejmujących kontakty komórkowe i/lub sygnalizację pozakomórkową, zwanych łącznie „efektami ubocznymi”. Interakcje między DDR i rzęsek pierwotnych mogą zatem obejmować zarówno wewnętrzne interakcje funkcjonalne między DDR i centriolar/podstawowe białka ciała, jak również sygnały zewnętrzne z sąsiednich komórek. W ciągu ostatnich kilku lat zaobserwowano pojawiające się powiązania funkcjonalne między autofagią a DDR, gdzie autofagia ułatwia los komórek po uszkodzeniu DNA, a także pomaga zapobiegać niestabilności genomu w walce z tumourigenezą . Co ciekawe, procesy autofagii mogą również reagować na skutki uboczne wywołane uszkodzeniem DNA, ułatwiając zarówno wewnątrz -, jak i międzykomórkową sygnalizację stresu. Ta złożona interakcja między tymi komórkowymi mechanizmami odpowiedzialnymi na stres ma potencjalne implikacje dla ciliopatii i zaburzeń małogłowia, a także dla raka .
oprócz powyższych przykładów, które pokazują fizyczne i funkcjonalne połączenia między DDR a białkami centrosomalnymi, prace z kilku grup ujawniły bezpośrednie genetyczne i funkcjonalne powiązania między DDR a ciliogenezą (tabele 1, 2). Jak wspomniano powyżej, procyliogeneza centrosomalnego białka CEP164 jest regulowana przez kinazy DDR i promuje odpowiedzi komórkowe na uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem UV . Niedawno wykazano, że homozygotyczne recesywne mutacje w CEP164 są przyczynowe dla podgrupy ciliopatii związanych z nefronoftyzmem, z modelami zmutowanych ryb danio pręgowanego wykazującymi zarówno fenotypy ciliopatii, jak i nieskuteczną odpowiedź na uszkodzenia DNA . Ponadto, badanie to wykazało również, że NPHP10 (znany również jako SDCCAG8), który zwykle rezyduje w centrosomach , ponownie zlokalizowany do ognisk jądrowych w odpowiedzi na uszkodzenie DNA, a kolejne badania sugerują, że niedobór NPHP10 (w modelach komórkowych lub w komórkach pochodzących od nokautujących myszy) prowadzi do podwyższonego poziomu uszkodzenia DNA i aktywacji punktu kontrolnego cyklu komórkowego . Zgodnie z ustaloną czynnościową rolą niektórych członków rodziny kinaz NEK zarówno w DDR, jak i ciliogenezie , niedawno doniesiono, że kinaza związana z ciliopatią NEK8 (Tabela 1) jest ważna w kontrolowaniu odpowiedzi komórkowych na stres replikacyjny poprzez kinazę DDR ATR i ograniczaniu aktywności CDK w celu powstrzymania tworzenia się przerw DNA . Co bardziej zaskakujące, biorąc pod uwagę nie nakładające się na siebie fenotypy kliniczne pacjentów z ciliopatią związaną z NEK8 i zespołem Seckela związanym z ATR, jest to, że komórki wykazujące mutację kinazy związanej z ciliopatią NEK8 miały wzrost uszkodzeń DNA i defektów cyklu komórkowego, a nerki zmutowanych myszy NEK8 akumulowały uszkodzenia DNA . Ponadto centrosomalne białko CEP290, zmutowane w szeregu ciliopatii, w tym w zespole Jouberta, było również zaangażowane w regulację stresu replikacji DNA i DDR (Tabela 1), co sugeruje, że przewlekły stres replikacyjny może być kluczowym czynnikiem rozwoju niektórych ciliopatii . Podobnie jak w badaniu NEK8, komórki wykazujące ekspresję zmutowanego CEP290 również wykazywały nieprawidłową aktywność CDK. Specyficzny dla tkanek stres replikacyjny w pewnych tłach genetycznych może zatem być powszechnym mechanizmem, który napędza rozwój podzbioru ciliopatii i sugeruje, że CDK może być potencjalnym celem terapeutycznym dla takich chorób .
intrygujące jest to, że w tym samym badaniu zidentyfikowano mutacje CEP164 jako przyczynowe dla podgrupy ciliopatii związanych z nefronofilami zidentyfikowano również mutacje przyczynowe w MRE11 (Tabela 2). MRE11 współdziała stechiometrycznie z RAD50 i NBS1 (tworząc tzw. kompleks MRN) w celu ułatwienia kluczowych funkcji procesów naprawy DNA . W szczególności mutacje linii zarodkowej w NBS1 lub MRE11 powodują odpowiednio dziedziczne zaburzenia Nijmegen breakage syndrome i ataksja-teleangiektazja-like disorder (ALTD). Ponadto wykazano , że MRE11 działa jako bariera dla nowotworów, a dziedziczne heterozygotyczne mutacje w MRE11, NBS1 lub RAD50 są związane z niskim ryzykiem raka piersi o pośredniej penetracji . Obecnie nie jest jasne, w jaki sposób i dlaczego specyficzne mutacje w MRE11 mogą powodować powstawanie ciliopatii. Rodzi to interesujące pytania, czy mutacje w innych członkach kluczowego kompleksu MRN związanego z DDR (MRE11-RAD50-NBS1), mutacje powodujące dziedziczne zespoły nowotworowe, mogą być również przyczyną innych ciliopatii nerkowo-siatkówkowych. Być może jeszcze bardziej zaskakujące było niedawne odkrycie, że mutacje w niedokrwistości Fanconiego i związanej z rakiem nukleazy FAN1 (Tabela 2; ) mogą być przyczyną dla podgrupy kariomegalicznych ciliopatii typu śródmiąższowego zapalenia nerek . Ponieważ enzym ten bierze udział w naprawie uszkodzeń DNA, które blokują replikację DNA, badanie sugerowało, że wadliwa aktywność nukleazy w niektórych narządach może prowadzić do starzenia się komórek po zwiększonej ekspozycji na genotoksyny (być może wynikające z podwyższonego aktywnego metabolizmu). Może to być scenariusz podobny do proponowanego zwiększonego stresu replikacyjnego obserwowanego w nerkach myszy z niedoborem CEP290 i NEK8 (patrz wyżej). Chociaż może to być mechanizm, w którym mutacje FAN1 mogą powodować powstawanie ciliopatii, podstawowa Biologia może być bardziej skomplikowana, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że fenotypy związane z kariomegalicznymi ciliopatiami typu śródmiąższowego zapalenia nerek nie są widoczne u pacjentów z niedokrwistością Fanconiego (FA). Taka rozbieżność fenotypowa może być również częściowo spowodowana redundancją w szlakach, które działają w celu rozwiązania uszkodzeń utrudniających replikację DNA .
oprócz tych badań genetycznych, kilka grup odkryło również funkcjonalne powiązania z ciliogenezą białek tradycyjnie związanych z DDR. Przykładem tego jest niedawne odkrycie, że ATR lokalizuje się w ciele bazalnym w komórkach fotoreceptorów myszy (tabela 2) i ma znaczenie dla ciliogenezy w rozwijającym się oku . ATR jest również wymagany do sygnalizowania rzęskowego jeża dźwiękowego in vitro i In vivo, ale wydaje się być w dużej mierze zbędny dla ciliogenezy, w roli, która różni się od jego funkcji w DDR i replikacji . Innym odkryciem jest to, że mutacje w czynnikach licencjonujących replikację DNA, takich jak ORC1 (Tabela 2), były przyczynowe dla zespołu Meiera–Gorlina (MGS) i wykazano również, że wpływają na ciliogenezę poprzez upośledzoną sygnalizację SHH . Wykazano, że białko AAA-Atpaza VCP/p97 , które reguluje lokalizację kilku czynników DDR w miejscach uszkodzenia DNA, jest wymagane do ciliogenezy (Tabela 2), Kiedy może pełnić podobne funkcje w regulacji ubikwitylacji białek w organizmie podstawowym za pośrednictwem ligazy E3 . Wreszcie, białko ATMIN, partner wiążący kluczowej kinazy DDR ATM, a także ważny dla odpowiedzi komórkowych na stres replikacyjny, wykazano również, że jest ważny dla ciliogenezy podczas morfogenezy płuc i nerek w rozwoju myszy dzięki jego zdolności jako czynnika transkrypcyjnego do regulowania sygnalizacji WNT . Łącznie badania te wykazują zarówno genetyczne, jak i funkcjonalne powiązania między DDR i ciliogenezą (Tabela 2).
ludzki pierwotny cilium i rak
w przeciwieństwie do tych ostatnich odkryć dotyczących czynników związanych z DDR w ludzkich ciliopatiach, ogólna obserwacja, że zwiększone ryzyko lub częstość występowania raka nie jest ogólnie związana z ludzkimi ciliopatiami. Wyjątki obejmują zespół Birta-Hogga-Dubé i zespół Von Hippela-Lindaua, które są dziedzicznymi zaburzeniami raka nerki z pewnymi cechami klinicznymi ciliopatii . Ponadto, chociaż pacjenci z wielotorbielowatą chorobą nerek mają łagodne torbiele nerek w wyniku fenotypu przerostu komórek, nie mają zwiększonego ryzyka rozwoju raka i mogą w rzeczywistości mieć ogólne zmniejszone ryzyko raka w porównaniu z osobami niezakażonymi . Nie jest jasne, dlaczego tak się dzieje, ale zasugerowano, że zbieżny wzrost wskaźnika obumierania komórek poprzez mechanizmy apoptotyczne i/lub autofagii może pomóc zmniejszyć ryzyko raka u chorych osób. Podobne zjawisko odnotowano w przypadku genetycznego zmniejszenia aktywności ATR, ograniczającego wzrost guza u myszy z niedoborem P53, chociaż u niektórych pacjentów z zespołem Seckela odnotowano zwiększone ryzyko zachorowania na raka, przy czym co najmniej jeden z nich ma przyczynową wadę genetyczną w genie ATR . Co ciekawe, niedawno zasugerowano, że zwiększony stres replikacyjny, podobny do tego często obserwowanego w nowotworach z powodu aktywacji onkogenu, jest fenotypem związanym z podzbiorem ciliopatii, takich jak zespół Jouberta związany z CEP290 . Tak więc może się zdarzyć, że potrzebny jest pewien poziom tolerancji na podwyższony stres replikacyjny, aby napędzać więcej fenotypów nowotworowych związanych z chorobami związanymi z DDR, które nie są wybierane podczas rozwoju większości ludzkich ciliopatii.
badania krótko podkreślone tutaj dostarczają przekonujących dowodów na stale rozszerzające się powiązania genetyczne i funkcjonalne między DDR i szlakami ciliogenezy. Jednak rozbieżności między fenotypami zespołów predysponujących do raka związanych z DDR a ciliopatiami (tabele 1, 2) nie pasują do naszej obecnej ograniczonej wiedzy na temat tego, w jaki sposób te dwa szlaki mogą być połączone. Może to odzwierciedlać wpływ funkcjonalny każdego szlaku zarówno w obrębie rozwijającej się, jak i zróżnicowanej tkanki, a także sposób, w jaki normalna lub nieprawidłowa funkcja szlaku może wpływać zarówno na zmiany przedrakowe, jak i na przekształcone komórki.