خانواده ژن Myc و نقش آن در سرطان و سلول‌های بنیادی

معرفی خانواده ژن Myc

خانواده Myc مجموعه‌ای از ژن‌های تنظیمی و پروتوآنکوژن‌هاست که فاکتورهای رونویسی را کدگذاری می‌کنند. این خانواده شامل سه ژن مرتبط در انسان است: c-myc (MYC)، l-myc (MYCL) و n-myc (MYCN). ژن c-myc که گاهی صرفاً MYC نامیده می‌شود، به دلیل شباهت با ژن ویروسی v-myc، نخستین ژنی بود که در این خانواده کشف شد.

نقش Myc در سرطان

در بیماری سرطان، بیان ژن c-myc اغلب به‌صورت دائمی و پایدار (Constitutively) انجام می‌شود. این امر باعث افزایش بیان بسیاری از ژن‌ها می‌شود که برخی از آن‌ها در تکثیر سلولی نقش داشته و به شکل‌گیری سرطان کمک می‌کنند. جابجایی کروموزومی (Translocation) شایعی که c-myc در آن دخیل است، در بروز بیشتر موارد لنفوم بورکیت نقشی حیاتی دارد. تنظیمِ افزایش‌یافته و دائمی ژن‌های Myc در سرطان‌های گردن رحم، روده بزرگ، پستان، ریه و معده نیز مشاهده شده است.

به همین دلیل، Myc به‌عنوان هدفی امیدبخش برای داروهای ضدسرطان در نظر گرفته می‌شود. متأسفانه، ویژگی‌های ساختاری Myc تاکنون دارورسانی مستقیم به آن را بسیار دشوار ساخته‌اند؛ از این‌رو، داروهای ضدسرطانی که مهار Myc را هدف می‌گیرند، ممکن است به مداخله غیرمستقیم با این پروتئین نیاز داشته باشند؛ مثلاً با هدف‌گیری mRNA آن به‌جای استفاده از مولکول‌های کوچکی که مستقیماً به خود پروتئین متصل می‌شوند.

اهمیت در زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی

پروتئین c-Myc نقشی مهم در زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی ایفا می‌کند و یکی از فاکتورهای اصلی یاماناکا (Yamanaka) بود که برای بازبرنامه‌ریزی سلول‌های سوماتیک به سلول‌های بنیادی چندتوانی القاشده (iPSCs) استفاده شد.

در ژنوم انسان، ژن c-myc روی کروموزوم ۸ قرار دارد و با اتصال به توالی‌های جعبه‌های افزاینده (E-boxes)، تصور می‌شود که بیان ۱۵٪ از کل ژن‌ها را تنظیم کند. علاوه بر نقش کلاسیک آن به‌عنوان یک فاکتور رونویسی، N-myc می‌تواند آنزیم‌های استیلاز هیستون (HATs) را جذب کند. این امر به آن اجازه می‌دهد تا ساختار کروماتین را از طریق استیلاسیون هیستون به‌صورت سراسری تنظیم نماید.

کشف و تاریخچه

خانواده Myc پس از کشف شباهت میان یک آنکوژنِ متعلق به ویروس پرندگان به نام Myelocytomatosis (v-myc) و یک ژن انسانی که در سرطان‌های مختلف بیش‌ازحد بیان می‌شد (c-Myc)، پایه‌گذاری شد. متعاقباً، کشف ژن‌های همتای دیگر در انسان، به افزودن n-Myc و l-Myc به این خانواده انجامید.

شایع‌ترین مثالِ مورد بحث درباره c-Myc به‌عنوان یک پروتوآنکوژن، دخالت آن در لنفوم بورکیت است. در این سرطان، سلول‌های سرطانی جابجایی کروموزومی نشان می‌دهند که غالباً بین کروموزوم ۸ و ۱۴ رخ می‌دهد. این پدیده باعث می‌شود c-Myc در پایین‌دستِ ناحیه پروموتور بسیار فعالِ ایمونوگلوبولین (Ig) قرار گیرد که در نتیجه بیان بیش‌ازحد Myc رخ می‌دهد.

ساختار پروتئین

محصول پروتئینی تمام ژن‌های خانواده Myc به خانواده فاکتورهای رونویسی Myc تعلق دارد که دارای موتیف‌های ساختاری bHLH (لوپ-حلقه-مارپیچِ بازیک) و LZ (زیپ لوسین) هستند. موتیف bHLH به پروتئین‌های Myc اجازه اتصال به DNA را می‌دهد، درحالی‌که موتیف اتصالی زیپ لوسین، دیمریزاسیون با Max (فاکتور رونویسی bHLH دیگر) را ممکن می‌سازد.

mRNAیِ Myc دارای یک IRES (محل ورود ریبوزوم درونی) است که زمانی ترجمه RNA به پروتئین را ممکن می‌سازد که ترجمه وابسته به کلاهک ۵' مهار شده باشد؛ مانند زمان عفونت ویروسی.

عملکرد و مکانیسم عمل

پروتئین‌های Myc فاکتورهای رونویسی‌اند که با اتصال به توالی‌های جعبه افزاینده (E-boxes) و جذب آنزیم‌های استیلاز هیستون (HATs)، بیان بسیاری از ژن‌های پیش‌برنده تکثیر را فعال می‌کنند. تصور می‌شود Myc با جذب فاکتورهای طویل‌شدن رونویسی، فرآیند طویل‌شدنِ رونویسیِ ژن‌های فعال را افزایش می‌دهد. همچنین Myc می‌تواند به‌عنوان یک سرکوبگر رونویسی عمل کند. با اتصال به فاکتور رونویسی Miz-1 و جایگزینی کوآکتیواتور p300، بیان ژن‌های هدف Miz-1 را مهار می‌کند. علاوه بر این، Myc نقشی مستقیم در کنترل همانندسازی DNA دارد که این فعالیت می‌تواند به تکثیر DNA در سلول‌های سرطانی کمک کند.

Myc در پاسخ به سیگنال‌های میتوژنیک مختلفی نظیر تحریک سرم یا مسیرهای Wnt، Shh و EGF (از طریق مسیر MAPK/ERK) فعال می‌شود. با تغییر بیان ژن‌های هدف، فعال‌سازی Myc اثرات زیستی متعددی به همراه دارد. نخستین اثر کشف‌شده، توانایی آن در پیشبرد تکثیر سلولی بود (سیکلین‌ها را بالا و p21 را پایین می‌آورد)، اما نقش بسیار مهمی در تنظیم رشد سلولی (بالابردن RNA ریبوزومی و پروتئین‌ها)، آپوپتوز (پایین آوردن Bcl-2)، تمایز و خودنوزایی سلول‌های بنیادی نیز دارد. ژن‌های متابولیسم نوکلئوتیدها که برای تکثیر یا رشد سلولی القاشده توسط Myc ضروری‌اند، توسط آن بالاتنظیم می‌شوند.

مطالعات متعددی نقش Myc را در رقابت سلولی به‌وضوح نشان داده‌اند. یکی از اثرات عمده c-myc، تکثیر لنفوسیت‌های B است؛ کسب ژن MYC با بدخیمی‌های سلول B و افزایش تهاجمی بودن آن‌ها از جمله تبدیل بافت‌شناختی مرتبط بوده است. در سلول‌های B، Myc با تنظیم مسیرهای پیش‌برنده تکثیر و ضدآپوپتوز، به‌عنوان یک آنکوژن کلاسیک عمل می‌کند که شامل تنظیم سیگنالینگ BCR و CD40 در کنترل میکروRNAها نیز می‌شود.

c-Myc بیان ژن MTDH (AEG-1) را القا کرده و خود نیز برای بیان شدن به آنکوژن AEG-1 نیاز دارد.

Myc-nick

Myc-nick شکل سیتوپلاسمی Myc است که از شکافتِ پروتئولیتیکیِ جزئیِ c-Myc و N-Mycِ کامل تولید می‌شود. این شکافت توسط خانواده کالپین‌ها (پروتئازهای سیتوزولی وابسته به کلسیم) انجام می‌شود. شکافت Myc توسط کالپین‌ها یک فرآیند دائمی است، اما در شرایطی که نیاز به کاهش سریع سطح Myc وجود دارد (مانند تمایز نهایی)، تشدید می‌شود. پس از شکافت، انتهای C پروتئین Myc (حاوی دامنه اتصال به DNA) تجزیه شده و بخش انتهای N که همان Myc-nick است، در سیتوپلاسم باقی می‌ماند. Myc-nick حاوی دامنه‌های اتصال به استیلازهای هیستون و لیگازهای یوبیکیتین است.

عملکردهای Myc-nick در حال بررسی است، اما مشخص شده که این عضو جدید خانواده Myc با تعامل با استیلازها و ارتقای استیلاسیون آلفا-توبولین، حداقل تا حدودی مورفولوژی سلول را تنظیم می‌کند. بیان خارجی Myc-nick، تمایز میوبلاست‌های تعهدیافته به سلول‌های عضلانی را تسریع می‌کند.

اهمیت بالینی

شواهد فراوانی نشان می‌دهد که ژن‌ها و پروتئین‌های Myc برای درمان تومورها بسیار مرتبط‌اند. به‌جز ژن‌های پاسخ اولیه، Myc به‌طور جهانی بیان ژن را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، این بالاتنظیمی خطی نیست؛ ژن‌هایی که در نبود Myc بیان بالایی دارند، در حضور آن به‌شدت تقویت می‌شوند، درحالی‌که ژن‌هایی با بیان پایین، تقویت اندکی دریافت می‌کنند.

غیرفعال‌سازی آنزیم فعال‌کننده SUMO (SAE1/SAE2) در حضور بیش‌فعادی Myc، منجر به فاجعه میتوزی و مرگ سلول‌های سرطانی می‌شود. بنابراین، بازدارنده‌های SUMOylation ممکن است درمانی بالقوه برای سرطان باشند. تکثیر ژن MYC در تعداد قابل‌توجهی از موارد سرطان‌های اپی‌تلیال تخمدان یافت شده است. در مجموعه داده‌های TCGA، تکثیر Myc در چندین نوع سرطان از جمله پستان، کولورکتال، پانکراس، معده و رحم رخ می‌دهد.

در فرآیند آزمایشی تبدیل سلول‌های طبیعی به سرطانی، ژن MYC می‌تواند با ژن RAS همکاری کند. بیان Myc در برخی سرطان‌ها به‌شدت به عملکرد BRD4 وابسته است. بازدارنده‌های BET با موفقیت برای مسدود کردن عملکرد Myc در مدل‌های پیش‌بالینی سرطان استفاده شده‌اند و در حال حاضر در کارآزمایی‌های بالینی ارزیابی می‌شوند. بیان MYC توسط طیف وسیعی از RNAهای غیرکدکننده از جمله miRNA، lncRNA و circRNA کنترل می‌شود. برخی از این RNAها برای انواع خاصی از بافت‌ها و تومورهای انسانی اختصاصی‌اند و تغییرات بیان آن‌ها می‌تواند برای توسعه درمان‌های هدفمند تومور مفید باشد.

مدل‌های حیوانی

در مگس سرکه، Myc توسط جایگاه ژنی diminutive کدگذاری می‌شود. آلل‌های کلاسیک diminutive به حیوانی زنده اما با اندازه بدن کوچک منجر می‌شدند. متعاقباً از مگس سرکه برای اثبات دخالت Myc در رقابت سلولی، اندورهپلیکیشن و رشد سلولی استفاده شد.

پس از کشف ژن Myc، دانشمندان متوجه شدند که کروموزوم‌هایی که به‌طور متقابل به کروموزوم ۸ جابجا می‌شوند، حاوی ژن‌های ایمونوگلوبولین در نقطه شکست هستند. برای مطالعه مکانیسم تومورزایی در لنفوم بورکیت با تقلید از الگوی بیان Myc، مدل‌های موش ترانسژنیک توسعه یافتند. قرارگیری ژن Myc تحت کنترل افزاینده زنجیره سنگین IgM در موش‌های ترانسژنیک، عمدتاً باعث ایجاد لنفوم می‌شود. متعاقباً، برای بررسی اثرات Myc در سایر سرطان‌ها، موش‌هایی که Myc را در بافت‌های مختلف (کبد، پستان) بیش‌ازحد بیان می‌کردند نیز ساخته شدند. در تمام این مدل‌ها، بیان بیش‌ازحد Myc باعث تومورزایی شد که قدرت آنکوژن Myc را به‌خوبی نشان می‌دهد.

در مطالعه‌ای روی موش‌ها، نشان داده شد که کاهش بیان Myc باعث افزایش طول عمر می‌شود؛ امید به زندگی و طول عمر حداکثری در هر دو جنس به‌طور معناداری افزایش یافت، نرخ مرگ‌ومیر در تمام سنین کاهش یافت، سلامت بهتر و پیشرفت سرطان کُندتر بود، متابولیسم بهبود یافت و اندازه بدن کوچکتر شد. همچنین مسیرهای انرژی و متابولیک تغییراتی داشتند (مانند کاهش TOR، AKT، S6K و افزایش AMPK، مصرف اکسیژن و حرکت بدن). این مطالعه با استفاده از روش نوترکیبی Cre-Loxp یک کپی از Myc را حذف کرد که به ژنوتیپ «هاپلواینسافیسنت» (Myc+/-) منجر شد. فنوتیپ‌های مشاهده‌شده، در تضاد با اثرات پیری طبیعی بوده و مشترکاً در بسیاری از مدل‌های طولانی‌عمر موش (مانند محدودیت کالری، کوتوله‌های ایمز، راپامایسین، متفورمین و رزوراترول) دیده می‌شوند. مطالعه‌ای دریافت که ژن‌های Myc و p53 برای بقای سلول‌های لوسمی مزمن میلوئیدی (CML) کلیدی‌اند. هدف‌گیری دارویی پروتئین‌های Myc و p53 نتایج مثبتی را در موش‌های مبتلا به CML به همراه داشت.

ارتباط با سلول‌های بنیادی

ژن‌های Myc نقش‌های طبیعی متعددی در سلول‌های بنیادی از جمله سلول‌های بنیادی چندتوانی ایفا می‌کنند. در سلول‌های بنیادی عصبی، N-Myc حالت تکثیر سریع و شبیه به پیش‌سازها را در مغز در حال توسعه ارتقا داده و از تمایز جلوگیری می‌کند. در سلول‌های بنیادی خون‌ساز، Myc تعادل میان خودنوزایی و تمایز را کنترل می‌کند.

c-Myc نقش عمده‌ای در تولید سلول‌های بنیادی چندتوانی القاشده (iPSCs) دارد. این پروتئین یکی از فاکتورهای اصلی کشفشده توسط یاماناکا و همکاران است که در کنار فاکتورهای رونویسی Oct4، Sox2 و Klf4، سلول‌ها را به حالت شبیه به سلول بنیادی بازمی‌گرداند. از آن زمان تاکنون نشان داده شده که تولید iPSCs بدون حضور c-Myc نیز امکان‌پذیر است.

تعاملات پروتئینی

تاکنون نشان داده شده که پروتئین Myc با پروتئین‌ها و فاکتورهای زیر تعامل دارد:

• ACTL6A
• BRCA1
• Bcl-2
• Cyclin T1
• CHD8
• DNMT3A
• EP400
• GTF2I
• HTATIP
• let-7
• MAPK1
• MAPK8
• MAX
• MLH1
• MYCBP2
• MYCBP
• NMI
• NFYB
• NFYC
• P73
• PCAF
• PFDN5
• RuvB-like 1
• SAP130
• SMAD2
• SMAD3
• SMARCA4
• SMARCB1
• SUPT3H
• TIAM1
• TADA2L
• TAF9
• TFAP2A
• TRRAP
• WDR5
• YY1
• ZBTB17
• C2orf16