Фосфатаза PTEN

PTEN (phosphatase and tensin homolog, фосфатаза и гомолог тензина)- белок, кодируемый геном PTEN, участвует в регуляции клеточного цикла, является опухолевым супрессором, функционирует как фосфатаза. Мутации в гене PTEN приводят к развитию опухолей, что обнаруживается во многих новообразованиях. Белок, кодируемый этим геном, является фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат-3-фосфатазой. Что отражено в этом сложном названии? Белок содержит тензин- подобный домен в качетстве каталитической части и является белковой тирозиновой фосфатазой. В отличие от других белковых тирозиновых фосфатаз, этот белок преимущественно дефосфорилирует фосфоинозитидные субстраты. Снижает внутриклеточный уровень фосфотидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PIP3), а также подавляет сигнальный путь Akt/протеинкиназы B.
Белок PTEN содержит фосфатазный домен и C2-домен: фосфатазный домен содержит активный сайт связывания, который и осуществляет ферментативную функцию белка, C2-домен осуществляет прикрепление к фосфолипидной мембране. PTEN взаимодействует с мембрано-связанным PIP3 и дефосфорилирует его.
PTEN является частью сигнального пути, который останавливает клеточное деление и индуцирует апоптоз. Это предотвращает бесконтрольный рост клеток и развитие онкологического процесса. Есть данные о том, что PTEN участвует в миграции и адгезии клеток.
При развитии опухолей, мутациях и делециях PTEN белок теряет свою ферментативную активность, что приводит к пролиферации клеток и снижению гибели клеток. Генетическая инактивация PTEN отмечается при глиобластоме, раке матки, раке простаты, а снижение активности PTEN отмечается при раке легких, раке груди и мн. др.
Потеря PTEN чаще всего сопровождается активацией фосфоинозитол-3-киназы.

Главная функция PTEN- супрессия опухолевого роста. Нарушение его функционирования приводит к развитию онкологических процессов. PTEN является антагонистом фосфоинозитол -3-киназы (PI3K). Исследованиями роли PI3K и PTEN в развитии онкологических заболеваний занимаются в Ludwig Institute for Cancer Research Ltd (LICR). Этот исследовательский институт объединяет ученых из ведущих научных центров.
Многие из известных опухолевых супрессоров и онкогенов участвуют в сигнальных путях, регулируемых PI3K. Усиление PI3K-сигнала проявляется в увеличении накопления липидных вторичных посредников, усилении сигнала и трансформации клеток (превращение нормальных клеток в раковые).
Нарушение регуляции PI3K происходит двумя путями. Первый- усиление PI3K-сигнала за счет активных мутаций, увеличения числа копий генов и гиперэкспрессии PI3K или рецепторов, активирующих PI3K. Например, мутации, которые активируют рецептор эпидермального фактора роста (EGF), гиперэкспрессия которого обычно наблюдается при раке, повышают уровень липидных продуктов PI3K. PI3Kтакже активируется онкогеном Ras, который мутирует приблизительно в 25% раковых клеток. Показано, что Ras- зависимая активация PI3K важна для некоторых клеточных процессов, приводящих к трансформации клеток.
Потеря опухолевого супрессора, фосфатазы PTEN, наблюдаемая в клетках агрессивных опухолей мозга, матки, рака груди и меланом,- это второй путь. PTEN подавляет рост опухолевых клеток. Потеря PTEN из-за делеции гена или инактивирующей мутации очень распространена в опухолевых клетках.
Эти обширные исследования могут помочь в поиске средств от рака.

PTEN участвует в регуляции клеточного цикла, пролиферации клеток, хемотаксисе, апоптозе, старении, мышечном сокращении, ответе на повреждении ДНК, ангиогенезе и определении полярности клеток, а также в патогенезе многих заболеваний, в том числе диабета, аутизма и всех онкологических заболеваний.
Роли нарушения сигнального пути PTEN в развитии рака посвящен обзор Keniry M и Parsons R из Institute for Cancer Genetics and Herbert Irving Comprehensive Cancer Center, Columbia University (статья).
Как мы уже говорили PTEN преимущественно дефосфорилирует фосфоинозитидные субстраты, снижает внутриклеточный уровень фосфотидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PIP3). Другими словами PTEN отщепляет фосфат от PIP3, превращая его в PIP2. В нормальных клетках в покое уровень PIP3 очень низок, он увеличивается при усилении сигнализации ростовых факторов. Потеря PTEN приводит к повышению уровня PIP3, что имитирует стимуляцию ростовыми факторами. PIP3 индуцирует продвижение клетки по клеточному циклу, усиливает выживаемость и увеличивает размер клетки. Гиперэкспрессия PTEN приводит к аресту клеточного цикла, индукции апоптоза и маленькому размеру клеток.
PTEN подвергается пост-трансляционным модификациям (фосфорилирование, ацетилирование, окисление, убиквитинилирование, а также расщепление каспазами), что изменяет уровень фосфатазной активности, влияет на встраивание PTEN в молекулярные комплексы, на локализацию в клетке и на стабильность белка. Эти модификации имеют значение при раке.
При исследованиях на мышах было выявлено, что гомозиготы по делеции PTEN (т.е. при полном отсутствии гена) погибали от пороков развития экто-, мезо- и энтодермы. Гетерозиготность по этой делеции (ген есть только на одной из хромосом) приводит к возникновению новообразований в простате, щитовидной железе, прямой кишке, лимфатической системе, молочных железах и матке, что сопровождалось экспрессией онкогенов и потерей опухолевых супрессоров, что свидетельствует о генетических взаимодействиях между ними. Недавно было раскрыто одно подобное взаимодействие- делеция PTEN (гомозиготная или гетерозиготная) в сочетании с экспрессией ErbB2 (HER2) приводила к развитию рака молочной железы.
Сигнальный путь PTEN:

Нарушение работы сигнального пути PTEN является универсальным механизмом развития опухолей и включает в себя не только нарушения регуляции самой PTEN, но и фосфоинозитол-3-киназы (PI3K) (см. компас, посвященный роли фосфоинозитол-3-киназы в старении). Усиление сигнализации PTEN/PI3K с рецепторов факторов роста, активированное мутациями, наблюдается при опухолях. Также при подобных нарушениях химиотерапия часто бывает недостаточно эффективной.


Все вышеизложенное дает представление о важности изучения PTEN и всей огромной сети опухолевых супрессоров и онкогенных путей. Исследование механизмов возникновения и развития опухолей при нарушениях функционирования сигнального пути PTEN позволит разработать более эффективные средства химиотерапии онкологических заболеваний.

При нарушении функционирования PTEN (например, при делеции) развиваются опухолевые процессы, но и происходит репродуктивное старение- делеция PTEN вызывает преждевременную активацию примордиальных фолликулов в яичниках.
Яичники состоят из стромы (соединительной ткани) и коркового вещества, в котором находятся фолликулы в разных стадиях развития (примордиальный, первичный, вторичный, третичный фолликулы) и регресса (атретические тела, белые тела). До рождения корковое вещество содержит около 7 млн. фолликулов, которые называются примордиальными. Они содержат незрелые яйцеклетки в состоянии покоя. К рождению количество фолликулов снижается до 2 млн., а к пубертатному периоду-до 300 тыс. и только 400 из них достигнут стадии овуляции. "Пробуждение" клеток происходит под действием различных факторов- гормонов, ростовых факторов. Когда пул примордиальных фолликулов израсходован наступает менопауза.
Шведские ученые из Department of Medical Biochemistry and Biophysics, Umeå University обнаружили, что делеция PTEN вызывает преждевременную активацию примордиальных фолликулов (статья). Таким образом, пул примордиальных фолликулов оказывается исчерпанным еще в раннем репродуктивном периоде., приводя к преждевременному недостаточности яичников (POF). На основании этого был сделан вывод, что сигнальный путь PTEN/PI3K регулирует активацию фолликулов через контроль роста яйцеклеток.

Прочитать по теме:
Биология развития. Старение яичника связано с сигнальным путем PTEN.

PTEN участвует в развитии возраст- ассоциированных заболеваний, например, заболеваний желудочно- кишечного тракта. С возрастом защитные свойства слизистой оболочки ЖКТ ухудшаются, что увеличивает возможность повреждения. Группа ученых из Department of Medicine, VA Long Beach Healthcare System and the University of California, Irvine под руководством профессора Andrzej S. Tarnawski изучает механизмы, приводящие к возникновению возрастных заболеваний ЖКТ (статья). Для исследований они использовали крыс возрастом 3 и 24 месяца, измеряли кровоток в слизистой оболочке, визуализировали проявления гипоксии в слизистой оболочке, выявляли экспрессию EGR-1 и PTEN, оценивали апоптоз и экспрессию каспаз и сурвивина. Кроме того, оценивалась чувствительность слизистой оболочки молодых и старых крыс к повреждению этанолом и как выключение PTEN влияет на эту восприимчивость.
К тому же, для того,чтобы оценить значимость выключения PTEN для человека, исследователи анализировали экспрессию PTEN и сурвивина у молодых и пожилых людей.
В результате у старых крыс (по сравнению с молодыми) обнаруживались: снижение кровотока в слизистой оболочке ЖКТ на 60%, выраженная гипоксия, повышение уровня мРНК и белка PTEN и EGR-1, повышение экспрессии каспаз (проапоптотических ферментов) , снижение сурвивина и 6-кратное усиление апоптоза; подавление PTEN снижало чувствительность к повреждению этанолом.
У пожилых людей (по сравнению с молодыми) наблюдалось значительное повышение экспрессии PTEN, в то время как экспрессия сурвивина была снижена. Повышение экспрессии PTEN происходит компенсаторно, для того чтобы поврежденные, старые, трансформированные клетки (которых с возрастом в организме становится все больше) могли быть удалены, войдя в апоптоз.
Эти результаты складываются в картину старения ЖКТ и помогают понять механизмы этого процесса.

PTEN не только сам участвует в развитии различных заболеваний, но и связанные с ней белки также вносят свой вклад, например, митохондриальный белок PINK1 участвует в развитии болезни Паркинсона. Болезнь Паркинсона (БП)- нейродегенеративное заболевание, связанное с дисфункцией митохондрий. Нарушение функций митохондриального белка PINK1 (PTEN-индуцированная киназа 1) связано с семейными формами БП, но связь PINK1 с функционированием митохондрий пока неясна. Ученые Gautier CA, Kitada T и Shen J из Harvard Medical School провели исследования, в результате которых было выяснено, что делеция PINK1 в зародышевых клетках мышей приводит к нарушениям в митохондриях (статья). Исследование стриатума PINK-делетированных мышей в 3-4 и 24 месяца не показало изменений ультраструктуры и числа митохондрий, хотя число увеличенных митохондрий выборочно повышалось. В митохондриях PINK-дефицитных мышей была снижена активность фермента аконитазы, связанной с циклом Кребса. Активность дыхания в митохондриях клеток коры мозга PINK-дефицитных мышей была снижена в возрасте 2 лет по сравнению с контрольной группой мышей, что свидетельствует о том, что старение усиливает нарушения в функционировании митохондрий этих мышей. Кроме того, дефекты дыхания в митохондриях PINK-дефицитных мышей могут индуцироваться клеточным стрессом, например, воздействие перекиси водорода или тепловой шок. Эти данные свидетельствуют о том, что PINK1 млекопитающих важна для функционирования митохондрий и обеспечивает защиту от стресса, а также участвует в патогенезе нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Паркинсона.

Для нормального функционирования организма нужен баланс действия PTEN, т.к. при ее инактивации развивается рак, а при активации- старение и апоптоз.
1) Каковы пути регуляции активности PTEN?
2) Как модификации PTEN влияют на ее активность?
3) Какова роль PTEN в старении отдельных систем и тканей, в том числе и в репродуктивном старении?
4) Как сделать химиотерапию более эффективной, зная о роли  PTEN в развитии опухолей?
5) Как можно воздействовать на PTEN в терапевтических целях при лечении возраст-ассоциированных заболеваний?
К сожалению о PTEN, механизмах ее функционирования, регуляцию и вовлечение в патологические процессы известно не очень много. Мы надеемся, что уже в ближайшем будущем ответы на эти вопросы будут получены, а вместе с ними и средства от рака, болезней и старения.

18 января 2009 года