CC BY
59
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2016 УДК 616.37-006.04-092
Зиновьева М.В., Кузьмич А.И., Монастырская Г.С., Свердлов Е.Д.
роль факторов подсемейства foxa в эмбриональном развитии и онкогенезе поджелудочной железы
ФГБУН Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН,
117997, Москва, Россия
Эмбриональное развитие и канцерогенез контролируются многими транскрипционными факторами, и регуляторные системы, участвующие в эмбриогенезе того или иного органа, вовлечены и в процесс развития опухоли того же органа. Белки семейства FOX относятся к транскрипционным факторам, играющим ключевую роль в этих процессах. Представители подсемейства FOXA, относящиеся к пионер-факторам, действуют на самых ранних этапах эмбрионального развития, взаимодействуя с конденсированным хроматином, открывают путь для экспрессии ранее молчащих важных факторов транскрипции. Роль этих факторов при развитии опухолей до конца не выяснена, но недавние исследования указывают на значительное влияние белков подсемейства FOXA на ранних стадиях развития рака. Данный обзор ограничен описанием роли факторов FoXA при эмбриогенезе поджелудочной железы и значением этих белков при развитии протоковой аденокарциномы поджелудочной железы. Ключевые слова: FOX; FOXA; поджелудочная железа; протоковая аденокарцинома; пионер-факторы.
DOI 10.18821/0208-0613-2016-34-3-98-103.
Введение
Протоковая аденокарцинома поджелудочной железы представляет собой одну из наиболее агрессивных форм рака, 5-летняя выживаемость в этом случае составляет не более 5% [1, 2]. Одна из главных причин смертности — высокий уровень метастазирования, которое, как правило, наблюдается уже при постановке диагноза. При развитии протоковой аденокарциномы дифференцированные эпителиальные клетки приобретают недифференцированный фенотип, теряют эпителиальные маркеры, и раковые клетки поджелудочной железы становятся инвазивны, что приводит к высокой степени метастази-рования. Такие изменения происходят в результате процесса эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП) [3—5]. Одними из важных участников ЭМП являются белки семейства FOX.
Представители многочисленного семейства FOX (Forkhead-box) — ДНК-связывающие белки. Впервые гены, кодирующие белки семейства FOX, описаны у дрозофилы в 1989 г. и в настоящее время обнаружены и охарактеризованы у многих видов — от дрожжей до человека [6, 7]. В геномах млекопитающих обнаружено более 50 представителей семейства FOX, разделенных на 19 подклассов (A—S), различающихся по нуклеотидной последовательности [8, 9]. В своем составе белки этого семейства содержат консервативный forkhead-домен (FHD), состоящий из около 100 аминокислотных остатков. Впервые структура этого домена, также известная как Winged-helix-домен, была определена для белка FOXA3/HNF3gamma, позже было показано, что эта область более чем на 90% сходна для всех представителей семейства. Трехмерная структура FHD состоит трех N-концевых альфа-спиралей (H1-3), 3 бета-цепей и из двух похожих на крылья петель (W1-2) [10]. Этот домен
Для корреспонденции: Эиновьева Марина Валерьевна, канд.биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории структуры и функции генов человека Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, e-mail: [email protected]
играет основную роль в связывании молекул ДНК [11, 12]. Кроме того, в составе FHD обнаружен сайт ядерной локализации (у некоторых представителей семейства даже несколько), что свидетельствует об их роли в ядерном транспорте [13, 14]. Остальная часть белковой молекулы (вне FHD) различается у разных белков, и ее функции не до конца известны, предполагается участие этой области в белок-белковых взаимодействиях — связывании с транскрипционными активаторами или репрессорами и участии в репарации ДНК. За некоторым исключением белки семейства FOX связываются с молекулой ДНК как мономеры [10, 15]. В ряде случаев для регуляции транскрипции требуется участие двух белков семейства FoX, или взаимодействие с транскрипционными факторами других семейств, например SMAD3, STAT3 и HOXA5 [16]. Активность FOX-белков может регулироваться посттрансляционными модификациями, такими как фосфорилирование остатков серина, треонина или тирозина, ацетилирование лизина и рядом других. Представители семейства FOX являются эффекторами многих ключевых сигнальных путей, таких как Hedgehog, TGF-beta/SMAD, Wnt, IGF. Предполагается, что FOX-факторы могут служить молекулярными интеграторами внеклеточных сигналов [16]. Белки семейства FOX обнаружены практически во всех тканях, причем некоторые экспрессируются повсеместно, а транскрипция других строго тканеспецифична. Белки этого семейства играют центральную роль в эмбриональном развитии, в процессах регуляции дифференцировки различных клеток взрослых организмов и участвуют в процессах старения. Описано множество врожденных заболеваний, связанных с нарушениями в регуляции различных процессов с участием белков семейства FOX, исследована роль точечных мутаций в кодирующих их генах при развитии патологий, определено значение многих представителей белков FOX в процессах канцерогенеза.
В данном обзоре мы остановимся на рассмотрении только подсемейства FOXA и роли представителей этой группы в эмбриональном развитии и онкогенезе поджелудочной железы. Более подробно с функцией различных белков семейства FOX и их роли в развитии рака других органов можно ознакомиться в обзорах [16—23].
Подсемейство FoxA, значение пионер-факторов в регуляции процессов дифференцировки и пролиферации клеток
Подсемейство FOXA представлено у млекопитающих тремя белками — FOXA1, FOXA2 и FOXA3, которые известны также как HNF3 alpha, beta, gamma-ядерные факторы гепатоцитов. Белки подсемейства обнаружены практически у всех видов многоклеточных организмов. Эти представители семейства FOX являются пионер-факторами, т.е. относятся к классу транскрипционных факторов, способных напрямую связываться с целевыми участками ДНК в конденсированном хроматине, ре-моделируя его структуру и делая доступными для активации регулируемые гены [24—26]. Белки FOXA связываются как мономеры с консенсусной A(A/T)TRTT(G/T)
Рис. 1. Регуляция активности генов факторами FOXA. FOXA относятся к пионер-факторам, связывание которых открывает компактный хроматин в области энхансера, делая его доступным для других транскрипционных факторов, что приводит к индукции целевого гена. Н3К4те2 — коровый гистон Н3, с диметилированным 4 лизином; TF — транскрипционные факторы; Pdx1 — активируемый целевой ген.
RYTY последовательностью ДНК по подобию линкер-ных гистонов Н1 и Н5, в структуре которых обнаружена область, сходная с FНD [27]. Однако молекулы белков БОХА не содержат основных аминокислот, необходимых для компактизации хроматина. Благодаря этому, связываясь с нуклеосомами подобно линкерным гисто-нам, факторы БОХА открывают хроматин для посадки других транскрипционных факторов [12, 26, 27] (рис. 1). Роль БОХА в ремоделировании хроматина была подтверждена в экспериментах по исследованию процесса дифференцировки плюрипотентных клеток Р19. Было показано, что при связывании С-концевой части молекулы БОХА1 с коровым гистоном Н3 происходит димети-лирование 4 лизина гистона Н3 (Н3К4те2), в результате БОХА1 вытесняет линкерный гистон Н1 из компактного хроматина, делая доступным молекулу ДНК для других транскрипционных факторов [28, 29]. Способность БОХА ремоделировать гетерохроматин лежит в основе механизма, обеспечивающего инициацию транскрипционных каскадов при эмбриональном развитии и возникновении патологий. Примеры регуляции белками БОХА транскрипции генов при эмбриональном развитии и карциногенезе приведены в следующих разделах.
Роль пионер-фактора проявляется и при связывании БОХА с ядерными гормональными рецепторами [30]. Показано, что БОХА-факторы играют основную роль в активации генов глюкокортикоидных, андроге-новых и эстрогеновых рецепторов [31, 32]. Недавний широкий геномный анализ определил, что ядерные рецепторы связываются с факторами БОХА, сайты связывания БОХА1 и БОХА2 часто локализованы рядом с с/я-регуляторными элементами этих рецепторов и что они совместно регулируют активацию специфических генов [31, 33, 34]. Во взрослом организме БОХА играют
значительную роль в метаболизме, например регулируя глюконеогенез [35]. Белок БОХА1 играет значительную роль в регуляции андрогенного и эстрогенного сигнального путей в нормальных условиях и некоторых процессах гормонозависимого карциногенеза, например при раке молочной железы и простаты [36—39].
Роль белков подсемейства FOXA в эмбриональном развитии поджелудочной железы
Белки подсемейства БОХА как пионер-факторы вовлечены в регуляцию дифференцировки клеток на начальных этапах эмбрионального развития, в тот период, когда активируются гены, молчащие на более ранних этапах развития [26, 40]. Роль факторов БОХА в эмбриональном развитии поджелудочной железы хорошо изучена на модели мыши. Развитие поджелудочной железы у мышей начинается на 8,5—9 день (Е8,5—Е9) из дорсального выпячивания первичной кишки, в это же время начинается и экспрессия гена Pdx1, нокаут которого приводит к остановке развития органа. На стадиях Е13,5—Е14,5 формируются и развиваются протоковые области, клетки недифференцированного эпителия интенсивно пролифе-рируют. На стадии Е16,5 экзокринные ацинарные клетки отделяются от центральных протоков, а эндокринные клетки формируют структуры, подобные островкам. Полностью поджелудочная железа мышей формируется к 3-й неделе после рождения [41]. Зрелая поджелудочная железа состоит из двух морфологически и функционально различных частей — эндокринной и экзокринной. Эк-зокринная часть состоит из ацинарной и протоковой областей, в общей сложности составляющих 95—99% поджелудочной железы и продуцирующих пищеварительные ферменты. Зрелые эндокринные клетки локализуются в островках Лангерганса, изолированные клетки энтодер-мального происхождения, разбросаны между панкреатическими клетками экзокринного происхождения (рис. 2). Клеточная дифференцировка и морфогенез органов при эмбриональном развитии координируются и управляются взаимодействием различных компонентов, включая гены различных сигнальных путей. Кроме того, для активации работы специфичных для начала развития того или иного органов генов необходимо участие пионер-факторов для
Рис. 2. Схема развития клеток поджелудочной железы. Указаны стадии начала экспрессии факторов БОХА.
активации хроматина. Впервые было показано, что факторы FOXA могут открывать связанную с хроматином матрицу ДНК для других транскрипционных факторов в экспериментах in vitro по развитию печени мыши [42, 43]. Подобное влияние факторов FOXA наблюдается и на ранней стадии развития поджелудочной железы. Инициация развития поджелудочной железы, как и печени, контролируется мезодермальными ростовыми факторами FGF и TGF-beta [44, 45]. В то же время, если на ранних стадиях развития продукты генов Foxa1/2 отсутствуют в энтодерме первичной кишки, полностью блокируется развитие поджелудочной железы и печени. Активация генов развития поджелудочной железы (например, гена Pdx1) остается в этом случае нарушенной даже при добавлении индуктора развития FGF2. Но внесение любого из факторов FOXA (1 или 2) в энтодерму позволяет органу нормально развиваться [42, 46]. Экспрессия гена Foxa2 детектируется раньше, чем начинается развитие поджелудочной железы, уже на стадии гаструляции (Е6,5) в бороздке, из которой происходит аксиальная мезодерма, т.е. нотохорд [47]. Экспрессия Foxa1 становится заметной на более поздних стадиях развития примитивного бугорка в средней энтодерме эмбриона мыши и далее в вентральной пластинке нервной трубки, нотохорде и кишке. Позже других начинается экспрессия гена Foxa3, на стадии развития задней кишки [48]. В экспериментах с использованием нокаута генов было показано, что мыши Foxa2~'~ умирают в эмбриональном состоянии, так как эмбрионы теряют энтодерму кишечника и нотохорд, источник факторов сигнального пути Hedgehog, необходимый для формирования нейральной трубки [49, 50]. Предполагается, что если в это время активировать экспрессию гена Foxa1, развитие продолжится [33]. Мыши Foxa1-/- рождаются без видимых дефектов, но постнатально погибают на 3—4-й день, при этом наблюдается катастрофическая потеря циркулирующего глюкагона, что свидетельствует о регулирующей роли FOXA1 в гомеостазе глюкозы через альфа клетки. У мышей Foxa1-/- не наблюдается секреции инсулина в ответ на введение глюкозы. Foxa3~'~ мыши нормально развиваются, без морфологических дефектов, но наблюдается гипогликемия при голодании, самцы рождаются бесплодными, в печени таких мышей увеличена экспрессия генов Foxa1 и Foxa2, что свидетельствует об их компенсаторной функции [33]. Однако Foxa3 не компенсирует отсутствие двух других генов этого семейства, что связано со значительными различиями в аминокислотном составе вне FHD домена и с различиями в профиле связывания ДНК [51]. Факторы FOXA1 и FOXA2 совместно контролируют развитие и морфогенез как ацинарной области, так и области эндокринных островков поджелудочной железы [31]. Присутствие хоть одной аллели гена Foxa2 может полностью компенсировать полную потерю гена Foxa1 при развитии. Гены Foxa1 и Foxa2 могут компенсировать отсутствие друг друга или оба компенсировать потерю Foxa3. У взрослых мышей экспрессия генов Foxa1/2 обнаружена в разных тканях, имеющих как энто-, так и мезо- и эк-тодермальное происхождение [31, 52]. Все 3 гена подсемейства Foxa играют роль в поддержании гомеостаза глюкозы [35]. Экспрессия гена Foxa3 ограни-
чена сердцем, жировой тканью, яичниками, семенниками и происходящими из энтодермы печенью и пищеварительными органами [33]. Генетические модели показывают, что белки FOXA влияют на спецификацию поджелудочной железы как органа на дифференцировку разных типов ее клеток, а также регулируют функции зрелого органа [52—54]. Для решения вопроса, как эти белки регулируют различные мишени в зависимости от разных стадий развития, были проведены эксперименты с использованием хроматин-иммунопреципетации (ChIP) и эксперименты с использованием ChIP-on-Chip исследования [55, 56]. Было показано, что связывание белков FOXA с различными cis-регуляторными элементами зависит от стадии развития. Определено, что FOXA1/2 являются обязательными активаторами мастер гена развития поджелудочной железы — Pdx1 [31]. Pdx1 (pancreatic-duodenal homoeobox1) — транскрипционный фактор, главным образом экспрессирующийся в бета-клетках островков взрослых особей и играющий ключевую роль в развитии поджелудочной железы. Как указывалось выше, Pdx1 начинает экспрессироваться раньше гормональных генов, сразу после начала коммитирования области первичной кишки в направлении развития поджелудочной железы. Pdx1-/' мыши доживают до рождения, но погибают через несколько дней из-за отсутствия у них поджелудочной железы. У взрослого животного этот ген экспрессируется в эндокринных островках. Показано, что Pdx1 позитивно влияет как на экспрессию Glu2, так и на экспрессию инсулина, и при репрессии гена Pdx1 в бета клетках возникает диабет [57].
Анализ промотора и энхансера, контролирующего ген Pdx1 мыши, выявил консервативную последовательность для связывания белков FOXA, что говорит о роли этих факторов в регуляции транскрипционного сигнала [46, 58, 59]. При определении cis--регуляторных элементов гена Pdx1, определяющих и контролирующих его экспрессию на стадии развития поджелудочной железы, обнаружена область -2800-1600 пар оснований,
названная Area I-II-III, несущая сайты связывания для многих trans-активаторов, включая FOXA1/2 [59]. Позже была определена консервативная дистальная энхан-
Рис. 3. Взаимодействие факторов FOXA с регуляторными элементами мастер гена
Pdx1.
Прямоугольниками обозначены области промотора гена Pdx1. Ромбы — факторы FOXA1/2. При взаимодействии факторов FOXA1/2 с областями промотора Area I-IV инициируется экспрессии гена Pdx1 во всех клетках поджелудочной железы (а). Экспрессия гена происходит и при взаимодействии факторов FOXA1/2 только с Area IV, но только в ацинарных клетках (б). При ингибировании областей Area I-IV для взаимодействия с факторами FOXA1/2 блокируется экспрессия гена Pdx1 во всех клетках
поджелудочной железы (в).
серная область (-6520-6045 пар оснований), названная Area IV, способная контролировать развитие панкреатических клеток независимо от Area I-II-III и также имеющая сайт связывания факторов FOXA [60] (рис. 3). Было показано, что нормальное развитие экзокринных и эндокринных клеток поджелудочной железы наблюдается при связывании FOXA1/2 как в Area I-II-III, так и в дистальной области Area IV. Отсутствие факторов FOXA или ингибирование их связывания с регулятор-ными элементами полностью останавливает развитие как эндокринных, так и экзокринных клеток поджелудочной железы, а при нарушении связывания только с энхансерами Area I-II-III наблюдается развитие только ацинарных клеток. Следовательно, факторы FOXA играют ключевую роль в регуляции не только экспрессии гена Pdxl, но и в развитии поджелудочной железы в целом. Паттерны экспрессии генов FOXA у мышей и человека практически не различаются [61].
Роль факторов подсемейства FoxA
в онкогенезе поджелудочной железы
Все больше данных подтверждают мнение, что гены, играющие важную роль на начальных этапах эмбрионального развития того или иного органа, существенны и при развитии опухолей этих органов [62—65]. Для генов подсемейства FOXA было показано участие в карциногенезе ряда тканей, и в частности поджелудочной железы, однако механизмы влияния факторов FOXA на развитие опухолей до конца не изучены [66, 67]. В зависимости от типа или даже подтипа рака факторы FOXA могут быть как онкогенами, так и супрессорами. При разных типах рака экспрессия генов FOXA может увеличиваться, снижаться или не меняться вообще. Наиболее изучено значение факторов FOXA для гормонально-зависимых опухолей, таких как рак молочной железы и простаты [68]. Как было указано выше, FOXA взаимодействуют с ядерными гормональными рецепторами на ДНК и таким образом влияют на транскрипцию генов-мишеней при развитии опухоли.
При протоковой аденокарциноме поджелудочной железы показано, что FOXA1 и FOXA2 являются антоганистами ЭМП через позитивную регуляцию Е-кадгерина и поддержание эпителиального фенотипа. ЭМП — процесс, при котором клетки теряют эпителиальные характеристики и приобретают мезенхималь-ные свойства, впервые описанные при исследовании эмбрионального развития. ЭМП связан с ослаблением межклеточного взаимодействия и увеличением подвижности клеток, что наблюдается часто при поздних стадиях раковой прогрессии как прелюдия развития метастазов. Важным маркером эпителиального фенотипа является Е-кадгерин, экспрессия которого может подавляться различными факторами, например TWIST, SNAIL и ZEB. Было обнаружено, что белки FOXA1 и FOXA2 представлены в поджелудочной железе во всех типах нормальных клеток островков, на низком уровне в ацинарных и протоковых клетках, преимущественно локализуясь в ядрах, а также и в образцах хорошо дифференцированных раковых клеток, но эти белки не детектируются в недифференцированных инвазивных образцах раковых клеток. Потеря FOXA1 и FOXA2 при протоковой аденокарциноме индуцирует ЭМП, который играет существенную роль при развитии метастазов этого типа рака [66]. В экспериментах на культурах клеток показано, что нокаут сразу генов и FOXA1 и FOXA2 приводит к потере активности Е-кадгерина на 80%. Для восстановления полноценной экспрессии Е-кадгерина требуется наличие обоих FOXA1/2. Знание о компенсаторной роли FOXA2 при нокауте гена FOX41 при
эмбриональном развитии делает понятной совместную роль этих факторов при раке. Супрессия эндогенных генов FOXA1 и FOXA2 необходима для начала ЭМП, и восстановление их экспрессии может ингибировать ЭМП, индуцированный разными путями. При раковой прогрессии гены факторов FOXA1 и FOXA2 сами су-прессируются индукторами ЭМП, например TGF-beta, через метилирование промоторов FOXA. Это приводит к снижению уровня Е-кадгерина и других эпителиальных маркеров. Показано, что нокаут сразу и FOXA1 и FOXA2 вызывает более сильную супрессию Е-кадгерина, чем выключение только одного из этих генов. Сделано заключение, что супрессия FOXA1 и FOXA2 необходима и достаточна для активации ЭМП в для раковой прогрессии протоковой аденокарциномы [66]. При ЭМП происходит активация репрессора Е-кадгерина — SNAIL1, который может конкурировать с факторами FOXA, и критичным для ЭМП является соотношение этих факторов (SNAIL1 и FOXA). В недавно проведенном исследовании [69] была подтверждена роль факторов FOXA при ЭМП. Было показано, что экспрессия генов этих факторов наблюдается на начальной стадии развития протоковой аденокарциномы, когда высокодифференци-рованные клетки имеют эпителиальный фенотип. При развитии опухоли экспрессия генов FOXA падает, полное отсутствие экспрессии может свидетельствовать о неблагоприятном исходе. Влияние белков подсемейства FOXA на ЭМП подтверждено результатами, полученными при исследовании рака молочной железы и эмбрионального развития [21, 23]. В работе [70] использовали линии клеток рака молочной железы и печени. Была продемонстрирована тканевая специфичность регуляции активности генов фактором FOXA1, возможно, специфическое дифференциальное воздействие на гены этот фактор оказывает и при протоковой аденокарцино-ме поджелудочной железы.
Дальнейшие исследования участия представителей подсемейства FOXA в канцерогенезе поджелудочной железы могут прояснить механизм регуляции этого агрессивного рака и привести к идентификации мишеней белков FOXA для терапии. Особенно важно исследование их роли в метастазировании, так как именно метастазы чаще всего являются причинами высокой смертности при этом типе рака.
Заключение
С момента открытия семейство генов FOX расширилось как по количеству участников, так и по осознанию множественности выполняемых ими функций в процессе развития организма и его патологических изменений, таких как рак. Сотни работ посвящены характеристике, генетическому и функциональному анализу членов этого многочисленного семейства. Ясно, что это древний класс ДНК-связывающих факторов транскрипции с разнообразными функциями, хотя только немногие члены семейства не просто связываются с ДНК, а способны ремоделировать ее, играя роль пионерских факторов, позволяющих инициировать сложные регуляторные сети, дающие начало различным органам и тканям. Развитие высокопроизводительных методов структурного и структурно-функционального анализа выявили в геноме тысячи потенциальных сайтов связывания членов семейства FOX, однако мы сталкиваемся с трудностями в понимании, как они осуществляют свои специфические эффекты в данном месте и в данное время и какие другие факторы и сигнальные пути принимают участие в этом специфическом действии. Мы знаем, что FOX-белки являются неотъемлемыми компонентами онко-
генных и эмбриональных путей, но сталкиваемся с той же проблемой непонимания детальных механизмов этого участия. По-видимому, мы подошли к тому порогу, когда глобальное знание структурных элементов генома и контактов его продуктов друг с другом в различного рода модельных системах оказывается недостаточным для понимания конкретных функций отдельных генов, конкретных сигнальных путей в конкретном процессе — например, в раке поджелудочной железы. Наступление этого момента наиболее дальновидные исследователи предвидели еще в самом начале эры полногеномных исследований. «Геномные методы могут дать ключ к функциям генов, но информация, которую они обеспечивают, как правило, слишком скудна, чтобы быть убедительной. Эти ключи могут привести на путь открытия, только если за ним стоит кто-то с опытом и интуицией, чтобы различить направление, на которое они указывают. Только таким способом — ген за геном, процесс за процессом, исследователь за исследователем — мы достигнем цели «решения» организма» [71]. На примере FOX генов сейчас ясно видно, насколько были они правы в своем прогнозе. Необходимы интенсивные дополнительные исследования для понимания конкретной роли продуктов FOX генов в развитии и раке поджелудочной железы и путей их использования для диагностики и терапии.
Финансирование. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-5000131).
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сведения об авторах:
ФГБУН Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997, Москва;
Зиновьева Марина Валерьевна (Zinovyeva M.V) — канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. структуры и функций генов человека, e-mail: [email protected];
Кузьмич А.И. (Kuzmich A.I.) — канд. биол. наук, науч. сотр. лаб. структуры и функций генов человека;
Монастырская Г.С. (Monastyrskaya, G.S.) — канд. хим. наук, ведущий науч. сотр. лаб. структуры и функций генов человека;
Свердлов Е.Д. (Sverdlov E.D.) — д-р хим. наук, проф., акад. РАН, рук. лаб. структуры и функций генов человека.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Yachida S., Iacobuzio-Donahue C.A. Evolution and dynamics of pancreatic cancer progression. Oncogene. 2013; 32(45): 5253—60.
2. Yeo T.P. Demographics, epidemiology, and inheritance of pancreatic ductal adenocarcinoma. Semin. Oncol. 2015; 42(1): 8—18.
3. Reznik R., Hendifar A.E., Tuli R. Genetic determinants and potential therapeutic targets for pancreatic adenocarcinoma. Front. Physiol. 2014; 5: 87.
4. Satoh K., Hamada S., Shimosegawa T. Involvement of epithelial to mesenchymal transition in the development of pancreatic ductal ad-enocarcinoma. J. Gastroenterol. 2015; 50(2): 140—6.
5. Le N., Sund M., Vinci A. Prognostic and predictive markers in pancreatic adenocarcinoma. Dig. LiverDis. 2016; 48(3): 223—30.
6. Weigel D., Jurgens G., Kuttner F., Seifert E., Jackle H. The homeotic gene fork head encodes a nuclear protein and is expressed in the terminal regions of the Drosophila embryo. Cell. 1989; 57(4): 645—58.
7. Kaestner K.H. The hepatocyte nuclear factor 3 (HNF3 or FOXA) family in metabolism. Trends Endocrinol. Metab. 2000; 11(7): 281—5.
8. Katoh M. Human FOX gene family (Review). Int. J. Oncol. 2004; 25(5): 1495—500.
9. Hannenhalli S., Kaestner K.H. The evolution of Fox genes and their role in development and disease. Nat. Rev. Genet. 2009; 10(4): 233—40.
10. Clark K.L., Halay E.D., Lai E., Burley S.K. Co-crystal structure of
the HNF-3/fork head DNA-recognition motif resembles histone H5. Nature. 1993; 364(6436): 412—20.
11. Lehmann O.J., Sowden J.C., Carlsson P., Jordan T., Bhattacharya S.S. Fox's in development and disease. Trends Genet. 2003; 19(6): 339—44.
12. Cirillo L.A., Zaret K.S. Specific interactions of the wing domains of FOXA1 transcription factor with DNA. J. Mol. Biol. 2007; 366(3): 720—4.
13. Carlsson P., Mahlapuu M. Forkhead transcription factors: key players in development and metabolism. Dev. Biol. 2002; 250(1): 1—23.
14. Hancock W.W., Ozkaynak E. Three distinct domains contribute to nuclear transport of murine Foxp3. PLoS One. 2009; 4(11): e7890.
15. Tsai K.L., Sun Y.J., Huang C.Y., Yang J.Y., Hung M.C., Hsiao C.D. Crystal structure of the human FOXO3a-DBD/DNA complex suggests the effects of post-translational modification. Nucleic Acids Res. 2007; 35(20): 6984-94.
16. Benayoun B.A., Caburet S., Veitia R.A. Forkhead transcription factors: key players in health and disease. Trends Genet. 2011; 27(6): 224—32.
17. Jackson B.C., Carpenter C., Nebert D.W., Vasiliou V. Update of human and mouse forkhead box (FOX) gene families. Hum. Genom. 2010; 4(5): 345—52.
18. Halasi M., Gartel A.L. FOX(M1) news — it is cancer. Mol. Cancer Ther. 2013; 12(3): 245—54.
19. Katoh M., Igarashi M., Fukuda H., Nakagama H., Katoh M. Cancer genetics and genomics of human FOX family genes. Cancer Lett. 2013; 328(2): 198—206.
20. Lam E.W., Brosens J.J., Gomes A.R., Koo C.Y. Forkhead box proteins: tuning forks for transcriptional harmony. Nat. Rev. Cancer. 2013; 13(7): 482—95.
21. Zhang Z., Yang C., Gao W., Chen T., Qian T., Hu J. et al. FOXA2 attenuates the epithelial to mesenchymal transition by regulating the transcription of E-cadherin and ZEB2 in human breast cancer. Cancer Lett. 2015; 361(2): 240—50.
22. Zhao Y., Li Z. Interplay of estrogen receptors and FOXA factors in the liver cancer. Mol. Cell. Endocrinol. 2015; 418 (Pt 3): 334—9.
23. Zhu H. Forkhead box transcription factors in embryonic heart development and congenital heart disease. Life Sci. 2016; 144: 194—201.
24. Кузьмич А.И., Тюлькина Д.В., Виноградова Т.В., Свердлов Е.Д. Пионер-факторы транскрипции в нормальном развитии и канцерогенезе. Биоорганическая химия. 2015; 41(6): 636—43.
Kuz'mich A.I., Tyul'kina D.V., Vinogradova T.V., Sverdlov E.D. Pioneer transcription factors in normal development and carcinogenesis. Bioorganicheskaya khimiya. 2015; 41(6): 636—43. (in Russian)
25. Soufi A., Garcia M.F., Jaroszewicz A., Osman N., Pellegrini M., Zaret K.S. Pioneer transcription factors target partial DNA motifs on nu-cleosomes to initiate reprogramming. Cell. 2015; 161(3): 555—68.
26. Zaret K.S., Mango S.E. Pioneer transcription factors, chromatin dynamics, and cell fate control. Curr. Opin. Genet. Dev. 2016; 37: 76—81.
27. Lalmansingh A.S., Karmakar S., Jin Y., Nagaich A.K. Multiple modes of chromatin remodeling by Forkhead box proteins. Biochim. Biophys. Acta. 2012; 1819(7): 707—15.
28. Sekiya T., Muthurajan U.M., Luger K., Tulin A.V., Zaret K.S. Nu-cleosome-binding affinity as a primary determinant of the nuclear mobility of the pioneer transcription factor FoxA. Genes Dev. 2009; 23(7): 804—9.
29. Serandour A.A., Avner S., Percevault F., Demay F., Bizot M., Luc-chetti-Miganeh C. et al. Epigenetic switch involved in activation of pioneer factor FOXA1-dependent enhancers. Genome Res. 2011; 21(4): 555—65.
30. Bernardo G.M., Lozada K.L., Miedler J.D., Harburg G., Hewitt S.C., Mosley J.D. et al. FOXA1 is an essential determinant of ERalpha expression and mammary ductal morphogenesis. Development. 2010; 137(12): 2045—54.
31. Gao N., LeLay J., Vatamaniuk M.Z., Rieck S., Friedman J.R., Kaestner K.H. Dynamic regulation of Pdx1 enhancers by Foxa1 and Foxa2 is essential for pancreas development. Genes Dev. 2008; 22(24): 3435—48.
32. Belikov S., Holmqvist P.H., Astrand C., Wrange O. FoxA1 and glucocorticoid receptor crosstalk via histone H4K16 acetylation at a hormone regulated enhancer. Exp. Cell Res. 2012; 318(1): 61—74.
33. Kaestner K.H. The FoxA factors in organogenesis and differentiation. Curr. Opin. Genet. Dev. 2010; 20(5): 527—32.
34. Kerschner J.L., Gosalia N., Leir S.H., Harris A. Chromatin remodeling mediated by the FOXA1/A2 transcription factors activates CFTR expression in intestinal epithelial cells. Epigenetics. 2014; 9(4): 557—65.
35. Heddad Masson M., Poisson C., Guerardel A., Mamin A., Philippe J., Gosmain Y. Foxa1 and Foxa2 regulate alpha-cell differentiation,
glucagon biosynthesis, and secretion. Endocrinology. 2014; 155(10): 3781—92.
36. Nakshatri H., Badve S. FOXA1 as a therapeutic target for breast cancer. Expert Opin. Ther. Targets. 2007; 11(4): 507—14.
37. Kong S.L., Li G., Loh S.L., Sung W.K., Liu E.T. Cellular reprogramming by the conjoint action of ERalpha, FOXA1, and GATA3 to a ligand-inducible growth state. Mol. Syst. Biol. 2011; 7: 526.
38. Augello M.A., Hickey T.E., Knudsen K.E. FOXA1: master of steroid receptor function in cancer. EMBO J. 2011; 30(19): 3885—94.
39. Bernardo G.M., Keri R.A. FOXA1: a transcription factor with parallel functions in development and cancer. Biosci. Rep. 2012; 32(2): 113—30.
40. Xu C.R., Cole P.A., Meyers D.J., Kormish J., Dent S., Zaret K.S. Chromatin «prepattern» and histone modifiers in a fate choice for liver and pancreas. Science. 2011; 332(6032): 963—6.
41. Jorgensen M.C., Ahnfelt-Ronne J., Hald J., Madsen O.D., Serup P., Hecksher-Sorensen J. An illustrated review of early pancreas development in the mouse. Endocr. Rev. 2007; 28(6): 685—705.
42. Zaret K.S. Genetic programming of liver and pancreas progenitors: lessons for stem-cell differentiation. Nat. Rev. Genet. 2008; 9(5): 329—40.
43. Le Lay J., Kaestner K.H. The Fox genes in the liver: from organogenesis to functional integration. Physiol. Rev. 2010; 90(1): 1—22.
44. Deutsch G., Jung J., Zheng M., Lora J., Zaret K.S. A bipotential precursor population for pancreas and liver within the embryonic endo-derm. Development. 2001; 128(6): 871—81.
45. Bonal C., Herrera P.L. Genes controlling pancreas ontogeny. Int. J. Dev. Biol. 2008; 52(7): 823—35.
46. Lee C.S., Friedman J.R., Fulmer J.T., Kaestner K.H. The initiation of liver development is dependent on Foxa transcription factors. Nature. 2005; 435(7044): 944—7.
47. Sasaki H., Hogan B.L. Differential expression of multiple fork head related genes during gastrulation and axial pattern formation in the mouse embryo. Development. 1993; 118(1): 47—59.
48. Monaghan A.P., Kaestner K.H., Grau E., Schutz G. Postimplantation expression patterns indicate a role for the mouse forkhead/HNF-3 alpha, beta and gamma genes in determination of the definitive en-doderm, chordamesoderm and neuroectoderm. Development. 1993; 119(3): 567—78.
49. Weinstein D.C., Ruiz i Altaba A., Chen W.S., Hoodless P., Prezioso V.R., Jessell T.M. et al. The winged-helix transcription factor HNF-3 beta is required for notochord development in the mouse embryo. Cell. 1994; 78(4): 575—88.
50. Ang S.L., Rossant J. HNF-3 beta is essential for node and notochord formation in mouse development. Cell. 1994; 78(4): 561-74.
51. Motallebipour M., Ameur A., Reddy Bysani M.S., Patra K., Waller-man O., Mangion J. et al. Differential binding and co-binding pattern of FoXA1 and FoXA3 and their relation to H3K4me3 in HepG2 cells revealed by ChlP-seq. Genome Biol. 2009; 10(11): R129.
52. Friedman J.R., Kaestner K.H. The Foxa family of transcription factors in development and metabolism. CellMol. Life Sci. 2006; 63(19-20): 2317—28.
53. Lantz K.A., Kaestner K.H. Winged-helix transcription factors and pancreatic development. Clin. Sci. (Lond). 2005; 108(3): 195—204.
54. Chen C., Chai J., Singh L., Kuo C.Y., Jin L., Feng T. et al. Characterization of an in vitro differentiation assay for pancreatic-like cell development from murine embryonic stem cells: detailed gene expression analysis. Assay Drug Dev. Technol. 2011; 9(4): 403—19.
55. Lupien M., Eeckhoute J., Meyer C.A., Wang Q., Zhang Y., Li W. et al. FoxA1 translates epigenetic signatures into enhancer-driven lineage-specific transcription. Cell. 2008; 132(6): 958—70.
56. Eeckhoute J., Lupien M., Meyer C.A., Verzi M.P., Shivdasani R.A., Liu X.S. et al. Cell-type selective chromatin remodeling defines the active subset of FOXA1-bound enhancers. Genome Res. 2009; 19(3): 372—80.
57. Gao N., Le Lay J., Qin W., Doliba N., Schug J., Fox A.J. et al. Foxa1 and Foxa2 maintain the metabolic and secretory features of the mature beta-cell. Mol. Endocrinol. 2010; 24(8): 1594—604.
58. Ben-Shushan E., Marshak S., Shoshkes M., Cerasi E., Melloul D. A pancreatic beta -cell-specific enhancer in the human PDX-1 gene is regulated by hepatocyte nuclear factor 3beta (HNF-3beta), HNF-1alpha, and SPs transcription factors. J. Biol. Chem. 2001; 276(20): 17533—40.
59. Fujitani Y., Fujitani S., Boyer D.F., Gannon M., Kawaguchi Y., Ray M. et al. Targeted deletion of a cis-regulatory region reveals differential gene dosage requirements for Pdx1 in foregut organ differentiation and pancreas formation. Genes Dev. 2006; 20(2): 253—66.
60. Wiebe P.O., Kormish J.D., Roper V.T., Fujitani Y., Alston N.I., Zaret K.S. et al. Ptf1a binds to and activates area III, a highly conserved region of the Pdx1 promoter that mediates early pancreas-wide Pdx1 expression. Mol. Cell. Biol. 2007; 27(11): 4093—104.
61. Jennings R.E., Berry A.A., Strutt J.P., Gerrard D.T., Hanley N.A. Human pancreas development. Development. 2015; 142(18): 3126—37.
62. Kopantzev E.P., Monastyrskaya G.S., Vinogradova T.V., Zinovyeva M.V., Kostina M.B., Filyukova O.B. et al. Differences in gene expression levels between early and later stages of human lung development are opposite to those between normal lung tissue and non-small lung cell carcinoma. Lung Cancer. 2008; 62(1): 23—34.
63. Зиновьева М.В., Костина М.Б., Монастырская Г.С., Сасс А.В., Филюкова О.Б., Виноградова Т.В., и др. Генетические маркеры клеток общего предшественника легких и пищвода в развитии человека. Доклады РАН. 2015; 463(1): 106—11.
Zinov'yeva M.V., Kostina M.B., Monastyrskaya G.S., Sass A.V., Filyukova O.B., Vinogradova T.V. et al. Genetic markers for lung and esophagus common precursor cells in human development. Doklady RAN. 2015; 463(1): 203—8. (in Russian)
64. Muller M., Hermann P.C., Liebau S., Weidgang C., Seufferlein T., Kleger A. et al. The role of pluripotency factors to drive stemness in gastrointestinal cancer. Stem Cell Res. 2016; 16(2): 349—57.
65. Reichert M., Blume K., Kleger A., Hartmann D., von Figura G. Developmental pathways direct pancreatic cancer initiation from its cellular origin. Stem Cells Int. 2016; 2016: 9298535.
66. Song Y., Washington M.K., Crawford H.C. Loss of FOXA1/2 is essential for the epithelial-to-mesenchymal transition in pancreatic cancer. Cancer Res. 2010; 70(5): 2115—25.
67. Lam E.W., Gomes A.R. Forkhead box transcription factors in cancer initiation, progression and chemotherapeutic drug response. Front. Oncol. 2014; 4: 305.
68. Laganiere J., Deblois G., Lefebvre C., Bataille A.R., Robert F., Giguere V. From the Cover: Location analysis of estrogen receptor alpha target promoters reveals that FOXA1 defines a domain of the estrogen response. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005; 102(33): 11651—6.
69. Diaferia G.R., Balestrieri C., Prosperini E., Nicoli P., Spaggiari P., Zerbi A. et al. Dissection of transcriptional and cis-regulatory control of differentiation in human pancreatic cancer. EMBO J. 2016; 35(6): 595—617.
70. Zhang G., Zhao Y., Liu Y., Kao L.P., Wang X., Skerry B. et al. FOXA1 defines cancer cell specificity. ScmAdv. 2016; 2(3): e1501473.
71. Johnston M., Fields S. Grass-roots genomics. Nat. Genet. 2000; 24(1): 5—6.
Поступила 01.04.16
Zinovyeva M.V., Kuzmich A.I., Monastyrskaya, G.S., Sverdlov ED.
THE ROLE OF THE FOXA SUBFAMILY FACTORS IN THE EMBRYONIC DEVELOPMENT AND CARCINOGENESIS OF THE PANCREAS
Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation
The embryonic development and carcinogenesis are controlled by many transcription factors. The regulatory systems involved in embryogenesis of an organ are also involved in the tumor development in the same organ. FOX family proteins are transcription factors, which play a key role in these processes. The pioneering factors of the FOXA subfamily act at the very early stages of the embryonic development by interacting with condensed chromatin and thereby enabling the expression of the formerly silent important transcription factors. The role of these factors in tumor development is currently not fully elucidated, although recent studies indicate the important contribution of the FOXA subfamily proteins at the early stages of carcinogenesis. This review is restricted to the role of the FOXA factors in embryogenesis of the pancreas and their significance in the development of the pancreatic ductal adenocarcinoma. Keywords: FOX, FOXA, pancreas, pancreatic ductal adenocarcinoma, pioneer-factors
For citation: Zinovyeva M.V., Kuzmich A.I., Monastyrskaya, G.S., Sverdlov E.D. The Role of the FOXA Subfamily Factors in the Embryonic Development and Carcinogenesis of the Pancreas. Molekul-yarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya (Molecular Genetics, Microbiology and Virology) 2016; 34(3): 4-11 (Russian). DOI 10.18821/0208-0613-2016-34-3-98-103.
For correspondence: Marina V. Zinovyeva, PhD, researcher, Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, 117997, Moscow, Russia; E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Funding. This work was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 14-50-00131).
