Prehľad vplyvu polymorfizmov receptora vitamínu D na vznik a progresiu malígneho melanómu

Download PDF English version

Authors: I. Špaková ¹; M. Bilecová‑ rabajdová ¹; M. Zábavníková ²; P. Urban ¹; M. Mareková ¹
Authors‘ workplace: Ústav lekárskej a klinickej biochémie LF UPJŠ a LABMED, a. s., Košice ¹; Klinika plastickej, rekonštrukčnej a estetickej chirurgie LF UPJŠ a UN LP Košice ²
Published in: Klin Onkol 2014; 27(3): 173-177
Category: Review

Overview

Východiská:
Malígny melanóm patrí k najzhubnejším nádorovým ochoreniam zo všetkých nádorov kože mužov aj žien. Pravdepodobnosť vzniku malígneho melanómu závisí od vplyvu vonkajších faktorov a vzájomnej deregulácii interakcií genotypu a fenotypu. V súčasnosti sa čoraz väčšia pozornosť venuje štúdiu interakcií aktívnej formy vitamínu D₃ s receptorom, ako aj inhibičnému účinku polymorfizmov receptoru vitamínu D₃ na viaceré signálne dráhy zapojené do proliferačných a metastatických procesov.

Ciele:
Táto prehľadová práca sa zameriava na popísanie vzťahu medzi faktormi, ktoré pôsobia na vznik maligného melanómu ovplyvnením Hedgehog signálnej dráhy (HH). Sumarizuje súčasné poznatky zaoberajúce sa malígnym melanómom v spojení s úlohou aktívnej formy vitamínu D₃ pri väzbe na receptor vitamínu D₃ (VDR) a vplyvu polymorfizmov VDR na inhibíciu HH. Pochopenie daných mechanizmov a kritické zhodnotenie poznatkov sú dôležité pre aplikáciu primárnej, ako aj sekundárnej prevencie, respektíve pri použití chemoprevenčných látok vhodných pre predchádzanie vzniku malígneho melanómu.

Kľúčové slová:
vitamín D₃ – Hedgehog signalizácia – melanóm – kalcitriol – rakovina kože

Úvod

Malígne tumory sú v súčasnosti jednou z hlavných príčin úmrtnosti vo svete, pričom onkologické ochorenia kože patria k najbežnejším typom rakoviny v ľudskej populácii [1]. Karcinómy kože môžeme rozdeliť na niekoľko typov podľa pôvodu nádoru, a to na bazocelulárny karcinóm (basal cell carcinoma – BCC), malígny melanóm (malignant melanoma – MM) a spinalióm. Malígny melanóm patrí k najzhubnejším nádorovým ochoreniam zo všetkých nádorov kože mužov aj žien a je zastúpený v 2 % zo všetkých kožných nádorov s potvrdenou 75– 90% mortalitou [2,3]. Malígny melanóm sa najčastejšie vyskytuje na koži (až 95 % zo všetkých prípadov), ale môže byť klinicky manifestovaný v oku pacienta a v minoritných prípadoch môže byť lokalizovaný na vnútorných slizniciach (napr. sliznica rekta, ústna, vaginálna sliznica) [4– 6].

Pravdepodobnosť vzniku MM závisí na vplyve vonkajších faktorov a vzájomnej deregulácii interakcií genotypu a fenotypu. Hlavným environmentálnym faktorom vzniku MM je expozícia ultrafialovému žiareniu (UV). Rozoznávame niekoľko typov UV v závislosti od vlnovej dĺžky. Žiarenie UVA, s vlnovou dĺžkou 315– 400 nm, preniká do hlbokých vrstiev kože, poškodzuje DNA a urýchľuje jej starnutie. Najviac interaguje s melanocytmi, indukuje tvorbu melanínu, stimuluje fotosenzibilné a fototoxické reakcie. Množstvo žiarenia UVA je v priebehu dňa konštantné. Žiarenie UVB s vlnovou dĺžkou 280– 315 nm, tvorí cca 10 % z celkového slnečného UV žiarenia. Je absorbované pokožkou a pôsobí priamo na DNA, no vo väčšej miere škodí nepriamo, oxidačným stresom cez kyslíkové radikály [5]. Celkový účinok absorbovaného UVA a UVB je kumulatívny [5]. Kombinácia genetickej predispozície, kožného fenotypu a následnej expozície kože tak prirodzenému, ako aj umelému UV žiareniu, je hlavnou príčinou vzniku melanómu [6].

Slnečné žiarenie UVB nielen stimuluje karcinogenézu cez mutagenézu a imunosupresiu, ale tiež zvyšuje hladinu kožného vitamínu D₃, ktorý následne blokuje Hedgehog signálnu dráhu (HH) a pravdepodobne inhibuje proliferáciu rakovinových buniek melanocytov. Tento mechanizmus by mohol viesť aspoň k čiastočnému objasneniu priameho vzťahu medzi vystavením sa slnečnému žiareniu a rizikom vzniku MM.

Genetické faktory podmieňujú pozitívnu rodinnú anamnézu, fototyp, hustotu a atypickosť kože, a patria k veľmi významným rizikovým faktorom vývoja melanómu. Konkrétnym genetickým abnormalitám (mutácie DNA opravných génov, polymorfizmy receptora vitamínu D) sa v súčasnosti venuje veľká pozornosť pri skúmaní príčinných súvislostí vzniku MM.

Dôležitú úlohu, pri odhaľovaní malígneho melanómu, dynamiky ochorenia, kontroly účinnosti liečby, respektíve perzistencie či recidívy, zohráva v klinickej praxi predovšetkým včasná diagnostika. Skvalitnenie diagnostiky je nevyhnutné pri pochopení súvislostí medzi faktormi, ktoré pôsobia na vznik MM ovplyvnením Hedgehog signálnej dráhy, a preto sa zameriavame na prehľad súčasných poznatkov zaoberajúcich sa MM v spojení s úlohou aktívnej formy vitamínu D₃ pri väzbe na receptor vitamínu D₃ (VDR) a vplyvu polymorfizmov VDR na inhibíciu HH. Pochopenie a kritické zhodnotenie poznatkov sú dôležité pre aplikáciu tak primárnej, ako aj sekundárnej prevencie, respektíve pri použití chemoprevenčných látok (napr. vitamín D, C, E, betakaroténu) vhodných pre predchádzanie vzniku MM.

Vitamín D₃ a väzba na VDR

Vitamín D, tzv. slnečný vitamín, je dobre známy svojou rozpustnosťou v tukoch. Má pleiotropický efekt na metabolizmus vápnika, fosforu, reguluje bunkový cyklus a apoptózu, stimuluje diferenciáciu rakovinových buniek v tumorových tkanivách, stimuluje angiogenézu, imunomoduláciu, má chemopreventívny účinok a podieľa sa na antibakteriálnej aktivite [7]. V posledných rokoch sa zdôrazňuje jeho vplyv na imunitný systém. Je preukázané, že zvyšuje aktivitu natural killer (NK) buniek, fagocytárnu schopnosť makrofágov a znižuje riziko vzniku viróz. Tieto vlastnosti vitamínu D sú ovplyvňované fotosenzibilitou kože, hladinou 1α,25(OH)₂D₃ v sére, ako aj funkciou signifikantných polymorfizmov na VDR géne [8].

Aktívna forma vitamínu D (1α,25(OH)₂D₃, kalcitriol) sa viaže na VDR, ktorý je lokalizovaný v jadre buniek (obr. 1).

**Image 1. Porovnanie štruktúry neaktívnej (cholekalciferol) a aktívnej formy vitamínu D<sub>3</sub> (kalcitriol).**

Okrem kostí bol tento receptor potvrdený vo väčšine orgánov (napr. koža, mozog, srdce, obličky, prištítne telieska, tenké a hrubé črevo, NK bunky), čo poukazuje na široké spektrum využitia s cieľom na ovplyvnenia veľkého množstva analytov tak za fyziologických, ako aj patologických stavov organizmu.

Naviazanie vitamínu D₃ na VDR vyúsťuje do transkripcie génov, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v inhibícii mitogénom aktivovanej proteín kinázovej (MAPK) signalizácie. Aktivácia MAPK signalizácie indukuje disociáciu extracelulárnym signálom indukovaných kináz 1 a 2(extracellular‑ signal‑ regulated kinases – ERK1/ 2) z kinázového komplexu, ktorý následne reguluje expresiu viacerých génov zapojených do bunkovej proliferácie, diferenciácie a prežívania, a to buď priamo, fosforyláciou nukleárnych transkripčných faktorov napr. ELK‑ 1, MYC [9], alebo nepriamo ovplyvnením intracelulárnych signálnych molekúl napr.p90- RSK [10]. MAPK tiež ovplyvňuje posttranslačnú fosforyláciu apoptotických regulačných molekúl, napr. BAD, BIM, MCL‑ 1 a BCL‑ 2 [11].

Bolo identifikované množstvo VDR polymorfných úsekov v DNA, ktoré sa priamo alebo nepriamo podieľajú na imunodeficientných ochoreniach úzko súvisiacich s hladinou vitamínu D. Vzájomný vzťah VDR polymorfizmov s rakovinou kože je popísaný v súvislosti nielen s iniciáciou karcinogenézy, ale aj ovplyvnením invazivity melanómovej malignity, a tým celej prognózy ochorenia.

Gén pre VDR pozostáva z vyše 1 000 polymérnych častí lokalizovaných na chromozóme 12q12- 14 [12]. VDR gén zahŕňa dva regióny promótorov, osem proteín kódujúcich exónov (2– 9) a šesť nepreložených exónov (1a– 1f) [12]. Takto rozsiahly promótorový región má schopnosť generovať mnohopočetné tkanivovo‑ špecifické transkripty, pričom niektoré z nich majú vplyv aj na vznik melanómov. Najviac preštudované fragmenty polymorfizmov o rozdielnych dĺžkach sú rs10735810 (T > A nukleotidová zámena v FokI reštrikčnom mieste), rs1544410 (G > A v BsmI) a rs731236 (T > C v TaqI). Napríklad výskyt alely rs10735810 A (FokI alela) a rs1544410 A alely (BsmI alela) zvyšuje riziko vzniku malígneho melanómu, zatiaľ čo alela rs731236 C (TaqI alela) bola identifikovaná ako predispozícia zníženého výskytu MM. Alela A rs4516035 (A > G výmena v EcoRV reštrikčnom mieste) je prezentovaná ako alela zvýšeného melanómového rizika. Na druhej strane, nebolo pozorované žiadne prepojenie medzi dĺžkou reštrikčného fragmentu polymorfizmu rs7975232 (G > T zámena v ApaI reštrikčnom mieste), podobne ako rs11568820 (G > A výmena v Cdx2 väzbovom mieste) a rizikom vzniku MM [7].

Prepojená nerovnováha medzi niektorými z VDR polymorfizmov a zvýšeným rizikom vzniku melanómov bola popísaná pre polymorfizmy vitamínu D – TaqI, FokI a BsmI. Reštrikčná oblasť TaqI je silne prepojená s nerovnováhou poly(A) polymorfizmu [7]. Halsall et al [13] identifikovali kombinovaný efekt melanómového rizika A alely v EcoRV (A‑ 1012G) polymorfizme s alelou vo FokI polymorfizme. Podobne progresia melanómu by mohla byť klasifikovaná detekciou v signalizácií vitamínu D, založenej na znížení expresie VDR [14]. Analýza expresie VDR a polymorfizmov, môže poskytnúť veľmi potrebné informácie ešte pred terapeutickou intervenciou melanómov vitamínom D a jeho analógmi, čím by prispela aj k predikcii a následnému zlepšeniu prognózy ochorenia.

Vzájomná asociácia polymorfizmov receptora aktívnej formy vitamínu D₃ (VDR) so vznikom, respektíve stimuláciou vzniku melanómov, nie je v dnešnej dobe popísaná. Veľmi málo opublikovaných vedeckých prác popisuje, že samotný receptor vitamínu D₃ bez 1α,25(OH)₂D₃ ligandu môže mať rovnaký stimulačný účinok na karcinogenézu. VDR bez 1α,25(OH)₂D₃ ligandu pôsobí cez WNT signalizáciu (wingless‑type signaling pathway), ktorá má dôležitú funkciu v HH signalizačnej dráhe melanocytov [15]. Opačnú úlohu zastáva ligandom 1α,25(OH)₂D₃ aktivovaný vysokoexprimovaný VDR, na ktorý sa v rakovinových bunkách viaže kalcitriol (aktívny vitamín D₃) a tým aktivuje anti‑tumorovú signalizačnú dráhu s dokázanými anti‑proliferatívnymi účinkami na rakovinové bunky [16,17].

Molekulový mechanizmus aktivácie VDR

Hormonálne aktívna forma vitamínu D₃ je pomocou vitamín D viažuceho proteínu (DBP) transportovaná do cieľových tkanív s príslušným receptorom. VDR je hlavná štrukturálna doména nukleárneho receptoru s vysoko zachovaným DNA väzbovým regiónom a ligand‑ väzbovou doménou. Vzniknutá väzba indukuje heterodimerizáciu VDR a retinoidného X receptoru (RXR), čím vplýva na spustenie kaskády, ktorá vedie k zmenám v expresii génov pozostávajúcich z vitamín D citlivých elementov v ich promótore (VDREs).

VDR patrí do superrodiny transaktivačných transkripčných regulačných faktorov, ktoré zahŕňajú steroidné a tyroidné hormonálne receptory. Aktívna forma vitamínu D po väzbe na VDR aktivuje cieľovú génovú expresiu počas transkripcie [18,19]. VDR po aktivácii vytvára viaceré formy homodimérov alebo heterodimérov s jedným z troch retinoidných X receptorov (RXR) – RXRα, RXRβ, RXRγ. Súčasne vzniká VDR homodimérna alebo VDR‑ RXR heterodimérna väzba (obr. 2) na špecifické zosilňovače expresie, nazývané vitamín‑ D‑ citlivé elementy (vitamin D response elements – VDREs).

**Image 2. Vplyv VDR receptoru na orgánové systémy.**

Ligandom indukovaná transaktivácia pomocou VDR je nevyhnutná pre formovanie iniciačného transkripčného komplexu s RNApolymerázou II [20]. Kalcitriol tak priamo alebo nepriamo reguluje vyše 200 génov bunkovo‑ a tkanivovo‑ špecifickým spôsobom. V súčasnosti sa čoraz väčšia pozornosť venuje štúdiu interakcii aktívnej formy vitamínu D₃s VDR a ich inhibičný vplyv na Hedgehog signálnu dráhu.

Vplyv kalcitriolu na Hedgehog signálnu dráhu

Táto signálna dráha sa podieľa na vzniku a manifestácii niekoľkých typov ľudských tumorov, vrátane karcinómu bazálnych buniek a MM. Z počiatku bola identifikovaná ako základná iniciačná dráha vo vývoji buniek, ale v poslednej dobe je viac vnímaná ako potenciálne zaujímavý stimulátor karcinogenézy. K narušeniu HH signalizácie dochádza v dôsledku mutácií génov kódujúcich komponenty signalizačnej dráhy, alebo zvýšenou produkciou ligandov v tumoroch, ale aj v bunkách väzivového tkaniva [21– 23].

Bjilsma et al [24] popisujú novú biologickú funkciu kalcitriolu v potláčaní HH signalizácii v in vitro modelovom systéme. Kalcitriol blokuje proliferáciu a HH signalizáciu cez inkorporáciu do mRNA expresiou génu GLI1. Efekt vitamínu D₃ na GLI1 expresiu a na bunkovú proliferáciu je porovnateľný s efektom cyklopamínu, ktorý je známym inhibítorom HH dráhy. Tento účinok je špecifický pre aktívnu formu vitamínu D₃, pretože jeho prekurzor, cholekalciferol a jeho produkt 25- hydroxycholekalciferol sú podstatne menej efektívne v inhibícii produkcie mRNA pre GLI1 a tým znižovaní bunkovej proliferácie. V súčasnosti sú terapeutické aplikácie vitamínu D na MM závislé na expresii GLI1 a Ki67.

Najviac študovaným mechanizmom efektov vitamínu D₃ je 1α,25(OH)₂D₃ (kalcitriolom)- indukovaná transkripčná aktivácia VDR, následkom ktorej dochádza k zmenám v bunkovom správaní, ktoré je založené na stimulácií diferenciácie a redukcii proliferácie kožných keratinocytov [25,26]. Bijlsma et al [24] dokázali špecifický spôsob viazania sa kalcitriolu do oblasti SMO (smoothened homolog) v dôsledku čoho nastáva inhibícia expresie GLI [27]. Bijlsma et al [24] taktiež identifikovali anti‑HH efekt kalcitriolu, ktorý je nezávislý na VDR a navrhli nehydroxylovaný vitamín D₃ ako možné terapeutikum na inhibíciu karcinogenézy.

Záver

Farmakologické využitie kalcitriolu môže nájsť využitie ako blokátor proliferácie rakovinových buniek in vitro a proliferácie tumorov in vivo. U kalcitriolu a jeho analógov bol popísaný prevenčný a inhibičný účinok na onkologické ochorenia. Aktívna forma vitamínu D₃ je jedným z najužitočnejších nástrojov, ktoré máme k dispozícii pre zlepšenie celkového zdravotného stavu, keďže ovplyvňuje vitalitu organizmu v mnohých smeroch. Je nutné mať na zreteli, že príliš vysoká hladina kalcitriolu môže mať aj negatívne účinky so sprievodnou patológiou vzhľadom na vzniknutú hyperkalciémiu a hyperkalciúriu, ktoré tak ohraničujú farmakologické využitie kalcitriolu ako terapeutického prostriedku v limitnej forme.

Táto práca bola podporená grantom DIAGONKO ITMS: 26220220153.

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do bi omedicínských časopisů.

Mgr. Peter Urban, Ph.D.

Ústav lekárskej a klinickej biochémie LF UPJŠ a LABMED, a. s.Trieda SNP 1

040 01 Košice

e-mail: peter.urban@upjs.sk

Obdrženo: 21. 12. 2013

Přijato: 25. 2. 2014

Sources

1. Grimaldi AM, Cassidy PB, Leachmann S et al. Novel approaches in melanoma prevention and therapy. Cancer Treat Res 2014; 159: 443– 455. doi: 10.1007/ 978- 3- 642- 38007- 5_25.

2. Kappelmann M, Bosserhoff A, Kuphal S. AP‑ 1/ c‑ Jun transcription factors: regulation and function in malignant melanoma. Eur J Cell Biol 2014; 93(1– 2): 76– 81. doi: 10.1016/ j.ejcb.2013.10.003.

3. Bosserhoff A (ed.). Melanoma development molecular biology, genetics and clinical application. Springer 2011: 376.

4. Havránková M. Záchyt dermatologických malignít v ambulancií praktického lekára. Via pract 2007; 4(5): 244– 246.

5. Krajsová I. Melanom. In: Krajsová I (ed.). Melanom. Maxdorf 2006.

6. Polsky D, Cordon‑ Cardo C, Houghton A. 19. Molecular biology of melanoma in the molecular basis of cancer. 2nd ed. Mendensol J et al. Elsevier Inc 2001.

7. Szyszka P, Zmijewski MA, Slominski AT. New vitamin D analogs as potential therapeutics in melanoma. Expert Review of Anticancer Theraphy 2012; 12(12): 585– 599. doi: 10.1586/ era.12.40.

8. Gandini S, Raimondi S, Gnagnarella P et al. Vitamin D and skin cancer: a meta‑analysis. Eur J Cancer 2009; 45(4): 634– 641. doi: 10.1016/ j.ejca.2008.10.003.

9. Madhunapantula SV, Robertson GP. Is B‑ Raf a good therapeutic target for melanoma and other malignancies? Cancer Res 2008; 68(1): 5– 8. doi: 10. 1158/ 0008- 5472.CAN‑ 07-2038.

10. Gollob JA, Wilhelm S, Carter C et al. Role of Raf kinase in cancer: therapeutic potential of targeting the Raf/ MEK/ ERK signal transduction pathway. Semin Oncol 2006; 33(4): 392– 406.

11. Russo AE, Torrisi E, Bevelacqua Y et al. Melanoma: molecular pathogenesis and emerging target therapies (review). Int J Oncol 2009; 34(6): 1481– 1489.

12. Baker AR, McDonnell DP, Hughes M et al. Cloning the expression of full‑ length cDNA encoding human vitamin D receptor. Proc Nat Acad Sci USA 1988; 85(10): 3294– 3298.

13. Halsall JA, Osborne JE, Potter L et al. A novel polymorphism in the 1A promoter region of the vitamin D receptor is associated with altered susceptibilty and prognosis in malignant melanoma. Br J Cancer 2004; 91(4): 765– 770.

14. Essa S, Denzer N, Mahlknecht U et al. VDR microRNA expression and epigenetic silencing of vitamin D signaling in melanoma cells. J Steroid Biochem Mol Biol 2010; 121(1– 2): 110– 113. doi: 10.1016/ j.jsbmb.2010.02.003.

15. Palmer HG, Anjos‑ Afonso F, Carmeliet G et al. The vitamin D receptor is a wnt effector that controls hair follicle differentiation and specifies tumor type in adult epidermis. PLoS One 2008; 3(1): 1483. doi: 10.1371/ journal.pone.0001483.

16. Ishibashi M, Arai M, Tanaka S et al. Antiproliferative and apoptosis‑ inducing effects of lipophilic vitamins on human melanoma A375 cells in vitro. Biol Pharm Bull 2012; 35(1): 10– 17.

17. Essa S, Reichrath S, Mahlknecht U et al. Signature of VDR miRNAs and epigenetic modulation of vitamin D signaling in melanoma cell lines. Anticancer Res 2012; 32(1): 383– 389.

18. Haussler MR, Whitfield GK, Haussle CA et al. The nuclear vitamin D receptor: biological and molecular regulatory properties revealed. J Bone Miner Res 1998; 13(3): 325– 349.

19. Darwish H, DeLuca HF. Vitamin D‑ regulated gene expression. Crit Rev Eukaryot Gene Expr 1993; 3(2): 89– 116.

20. Freedman LP. Increasing the complexity of coactivation in nuclear receptor signalin. Cell 1999; 97(1): 5– 8.

21. Nolan‑ Stevaux O, Lau J, Morgan L et al. GLI1 is regulated through Smoothened independent mechanisms in neoplastic pancreatic ducts and mediates PDAC cell survival and transformation. Genes Dev 2009; 23(1): 24– 36. doi: 10.1101/ gad.1753809.

22. Wang Y, McMahon AP, Allen BL. Shifting paradigms in Hedgehog signaling. Curr Opin Cell Biol 2007; 19(2): 159– 165.

23. So PL, Fujimoto MA, Epstein EH Jr. Pharmacologic retinoid signaling and physiologic retinoic acid receptor signaling inhibit basal cell carcinoma tumorigenesis. Mol Cancer Ther 2008; 7(5): 1275– 1284. doi: 10.1158/ 1535- 7163.MCT‑ 07- 2043.

24. Bijlsma MF, Spek CA, Zivkovic D et al. Repression of smoothened by patched‑ dependent (pro‑)vitamin D3 secretion. Plos Biol 2006; 4(8): e232.

25. Bikle DD. Vitamin D receptor, UVR, and skin cancer: a potential protective mechanism. J Invest Dermatol 2008; 128(10): 2357– 2361. doi: 10.1038/ jid.2008.249.

26. Holick MF. Calcium plus vitamin D and the risk of colorectal cancer. N Engl J Med 2006; 354(21): 2287– 2288.

27. Tang JY, Xiao TZ, Oda Y et al. Vitamin D3 inhibits hedgehog signaling and proliferation in basal cell carcinomas. Cancer Prev Res (Phila) 2011; 4(5): 744– 751. doi: 10.1158/ 1940- 6207.CAPR‑ 10- 0285.