Zaburzenia mitochondrialne w procesie nowotworzenia

Anna M. Czarnecka

Mitochondria od dawna podejrzewano o współudział w karcynogenezie. Ponad 70 lat temu O. Warburg rozpoczął badania nad zmianami w oddychaniu komórkowym w nowotworach. Mówił wówczas o „uszkodzeniu” oddychania tlenowego powodującym zwiększoną produkcję ATP w drodze glikolizy. Podkreślał fakt, iż ze względu na ograniczania syntezy ATP w glikolizie (tylko fosforylacja substratowa) komórki nowotworowe muszą prezentować unikalny stan metaboliczny. Dziś wiemy, iż dysfunkcja mitochondriów jest jedną z najbardziej znaczących cech komórek nowotworowych.
Specyficzny profil biochemiczny komórek nowotworowych jest także wynikiem zmniejszonej liczby mitochondriów. Obniżonej ilości mitochondriów towarzyszy zwiększona transkrypcja kodowanych w genomie jądrowym i mitochondrialnym enzymów fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS ang. oxidative phosphorylation). Wykazano, że komórki raka wątroby u szczura mają pięć razy mniej mitochondriów niż hepatocyty ze zdrowej wątroby, podczas gdy transkrypty kodowanych w jądrze podjednostek ATP syntazy i oksydazy cytochromowej oraz kodowanych w mitochondriach podjednostek kompleksów łańcucha oddechowego, były liczniejsze w komórkach raka wątroby. Zwiększony poziom transkrypcji mtDNA był także obserwowany w komórkach chemicznie indukowanego raka wątroby, czy komórkach rodzinnej polipowatości okrężnicy, a także transformowanych wirusami lub onkogenami fibroblastach. Zaproponowano, że zmiany w ekspresji genów OXPHOS są związane ze zmniejszeniem ilości mtDNA po szybkiej replikacji nDNA.

Proces akumulacji mutacji w mtDNA odgrywa istotną rolę w kontekście rozwoju nowotworów. Badania epidemiologiczne pokazały, iż jeden na 8000 dorosłych jest nosicielem patogennych mutacji mtDNA, a w materiale z biopsji guzów nowotworowych bardzo częste są mutacje mtDNA. Pierwsze doniesienia o mutacjach genomu mitochondrialnego w chorobach nowotworowych pojawiły się w latach 60’tych. Jedne z pionierskich badań przeprowadzone przez D.A. Clayton i J. Vinograd wykazały pozytywną korelację między długością mtDNA a ciężkim przebiegiem choroby w białaczkach. Do dziś w genomie mitochondrialnym wykazano 1000 pozycji nukleotydowych będących polimorfizmami, a mutacji punktowych i delecji odpowiedzialnych za choroby genetyczne, inne niż nowotwory, zidentyfikowano ponad 300. W nowotworach zostało zidentyfikowanych ponad 100 mutacji nie związanych z innymi chorobami mitochondrialnymi.

Pierwszym celem projektu była analiza rozkładu haplogrup, a więc i polimorfizmów haplogrupo-specyficznych w kohortach chorych oraz kontrolnych grupach stulatków wolnych od raka, młodych kobiet wolnych od raka oraz w ogólnej populacji polskiej. Jako cel analizy wybrana została także sekwencja pętli-D, czyli rejonu mtDNA położonego między genem tRNA proliny a tRNA fenyloalaniny, tj. 16024-576 pz, gdyż region ten był wcześniej wskazywany jako nad wyraz polimorficzny w komórkach nowotworowych, zarówno jeśli idzie o liczbę polimorfizmów, jak i mutacji somatycznych. Ponadto u pacjentek z rakiem piersi analizowana była sekwencja genów dehydrogenazy NADH.

Porównanie tkanka nowotworowa – referencyjna tkanka zdrowa tej samej osoby pozwoliło stwierdzić, iż u chorych z rozpoznaniem na raka sromu i piersi mutacje somatyczne pętli-D mtDNA nie występują. U pacjentów z gruczolakorakiem endometrium i nowotworami głowy i szyi mutacje somatyczne mtDNA występują sporadycznie. Z kolei porównania kohort wskazują, iż grupy chorych na raka sromu, piersi, gruczolakoraka endometrium oraz nowotwory głowy i szyi charakteryzuje specyficzny rozkład haplogrup. Wybrane polimorfizmy haplogrupo-specyficzne (7028C, 10398A, 73A, 16362C, 16519C, 16183C) są niedoreprezentowane u chorych. Inne polimorfizmy (7028T, 10398G, 73G, 263G, 16126C, 207A) są nadreprezentowane u chorych. Ponadto kohorty chorych niosą specyficzne zespoły rzadkich polimorfizmów pętli-D m.in. 239C, 4216C, 15960T, 16207T, 520DelC, 521DelA, 338DelA, 498DelC. Większość opisanych polimorfizmów mtDNA zlokalizowana jest w rejonach hiperzmiennym HV1 oraz HV2 pętli-D. Ponadto chore z rakiem piersi mają specyficzny układ rzadkich polimorfizmów dehydrogenazy NADH (A4727G, A4745G, T5082C, G9947A, A10044G, A10283G, T11233C, C11503T, A13722G).

Analizując uzyskane dane wydaje się zatem, iż chorzy na na raka sromu, piersi i gruczolakoraka endometrium oraz nowotwory głowy i szyi są nosicielami specyficznego układu rzadkich polimorfizmów mtDNA. Genotyp (w tym haplotyp) mitochondrialny może być zatem czynnikiem predysponującym do rozwoju nowotworu, choć także czynnikiem chroniącym przed rozwojem nowotworu.

Literatura:

AM Czarnecka, A Klemba, A Semczuk, K Plak, B Marzec, T Krawczyk, B Kofler, P Golik, JA Petros, E Bartnik
Common mitochondrial polymorphisms as risk factor for endometrial cancer
Int Arch Med, Oct 28;2(1):33.

AM Czarnecka, A Klemba, K Plak, T Krawczyk, A Semczuk, M Zdrożny, J Lubiński, RS Arnold, P Golik, JA Petros, E Bartnik
Mitochondrial genome polymorphism as risk factors for gynaecological cancer development
Acta Biochim Pol, 2009, Tom 56 (Suppl 2): 183–184,

A Klemba, AM Czarnecka, M Kowalewska, P Golik, K Tonska, K Koper, J Radziszewski, E Bartnik
Mitochondrial genome polymorphisms influence developmentof vulvar cancer   
Acta Biochim Pol, 2009, Tom 56 (Suppl 2): 184–184,

Plak K, Czarnecka AM, Krawczyk T, P Golik, E Bartnik
Breast cancer as a mitochondrial disorder.
Oncol Rep. 2009 Apr;21(4):845-51.,

AM Czarnecka, P Golik, E Bartnik
Mitochondria Jako Integratory Apoptozy (Mitochondria as apoptosis integrators)
Postepy Biol Kom, 2006, Tom 33 (Nr 3): 525–542

A Klemba, W Kukwa, E Bartnik, T Krawczyk, A Scińska, P Golik, AM Czarnecka
Molecular biology of endometrial carcinoma
Postepy Hig Med Dosw (Online). 2008, 18(62):420-32.,

AM Czarnecka, T Krawczyk, JS Czarnecki, W Kukwa, A Scinska, A Ribbene, R Lo Verde, A Sunseri, G Peri
Methodology for mitochondrial DNA research in oncology: goals and pitfalls
Ars Medica Tomitana, XIV-1(52):48-64,

Czarnecka AM, Gammazza AM, Di Felice V, G Zummo, F Cappello.
Cancer as a “Mitochondriopathy”
J Cancer Mol, 2007, 3(3): 71–79,

Aktualny kontakt:

Anna M. Czarnecka, mgr lek med.

Wojskowy Instytut Medyczny

Warszawski Uniwersytet Medyczny