EPIGENETISCHE VERANDERINGEN IN KANKER: NIEUWE TARGETS VOOR THERAPIE

Transcriptie

1 FACULTEIT GENEESKUNDE EN GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN Academiejaar EPIGENETISCHE VERANDERINGEN IN KANKER: NIEUWE TARGETS VOOR THERAPIE Gertjan VAN STEENBERGHE Promotor: dr. Ir. J. Hoebeeck Scriptie voorgedragen in de 2 de Master in het kader van de opleiding tot MASTER IN DE GENEESKUNDE

2

3 FACULTEIT GENEESKUNDE EN GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN Academiejaar EPIGENETISCHE VERANDERINGEN IN KANKER: NIEUWE TARGETS VOOR THERAPIE Gertjan VAN STEENBERGHE Promotor: dr. Ir. J. Hoebeeck Scriptie voorgedragen in de 2 de Master in het kader van de opleiding tot MASTER IN DE GENEESKUNDE

4 De auteur(s) en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Datum (handtekening student (en)) (handtekening promotor) (Naam student) (Naam promotor)

5 INHOUDSTAFEL Inhoud I. ABSTRACT... 1 II. INLEIDING... 2 III. METHODOLOGIE... 5 IV. RESULTATEN Epigenetica Covalente mechanismen DNA-methylatie: Histonmodificaties: Niet-covalente mechanismen Nucleosoomhermodellering: Epigenetica, het milieu en ziekte-etiologie Concrete rol van epigenetica in specifieke ziektebeelden Kankerepigenetica Het epigenetisch kankermodel versus het genetisch kankermodel Epigenetische uitschakeling van genen ( gensilencing ) De kankerstamcelhypothese MicroRNA s en epigenetica: een geval apart De chemische regulatie van epigenetische modificaties: mogelijkheden tot ontwikkeling van nieuwe therapieën voor kanker Algemeen Covalente mechanismen DNA-methylatie: Histon deacetylatie: Histon acetylatie: Histon (lysine/arginine) methylatie: Histon (lysine/arginine) demethylatie: Histon fosforylatie: Histon defosforylatie: Poly (ADP-ribosyl)atie en de-poly(adp-ribosyl)atie: Ubiquitinylatie en sumoylatie: Niet-covalente mechanismen Nucleosoomhermodellering: V. DISCUSSIE VI. REFERENTIELIJST... 56

6 I. ABSTRACT Inleiding: Kanker is een kwaadaardige aandoening die wordt gekenmerkt door een ongecontroleerde celgroei, waarbij lokaal tumoren ontstaan, die in geval van maligniteit omliggende weefsels kunnen infiltreren en zich kunnen verspreiden over ons gehele lichaam. Met de ontdekking en de intensieve studie van epigenetische verschijnselen werd de afgelopen jaren een nieuwe deur geopend voor het vervaardigen van nieuwe therapeutische technieken die als aanvulling (of naar de toekomst toe misschien zelfs als vervanging) kunnen dienen bij de tegenwoordige conventionele behandelingsmodaliteiten. Methodologie: Uitgaande van twee reviews met algemene informatie betreffende epigenetica, werden na raadpleging van hun referentielijsten extra artikels bekomen. Verder werd ook gebruik gemaakt van de database PubMed en (weliswaar in mindere mate) van Web of Science. Promotor J. Hoebeeck stelde eveneens verschillende artikels ter beschikking. Resultaten: Na een uiteenzetting over algemeen geldende epigenetische principes werd dieper ingegaan op de functionele rol die epigenetische wijzigingen spelen in het kankerproces. Epigenetische modificaties dragen samen met genetische wijzigingen bij tot carcinogenese, waarbij zij een fundamentele rol spelen in kankerinitiatie en kankerprogressie. Het epigenetisch kankermodel stelt dat een genmutatie is vereist voor kankerinitiatie, maar dat de kans dat een kanker zich verder ontwikkelt afhangt van de aanwezigheid van epigenetische wijzingen. Doorgedreven analyse van de modificatiepatronen blijkt een veelbelovend middel om in de toekomst kankers (eventueel vroegtijdig) te diagnosticeren en eveneens hun prognose in te schatten. Gedetailleerde beschrijvingen van de niet-covalente (nucleosoomhermodellering) en covalente (DNA-methylatie en histonmodificatie) mechanismen van epigenetische veranderingen laten duidelijk zien dat er heel wat potentieel zit vervat in de ontwikkeling van epigenetische farmaca voor de strijd tegen kanker. Deze farmaca werken immers veel gerichter en specifieker in op hun doelwit, waardoor er de impact ervan op het menselijk lichaam ook heel wat minder intens is dan bij cytostatica en bestralingen. Discussie: Het farmaco-epigenomisch veld is vooral in de laatste jaren fel verbeterd en uitgebreid. Oude medicijnen werden herontdekt voor nieuwe toepassingen en nieuwe moleculen gericht op epigenetische enzymen werden ontwikkeld. Met de ontwikkeling van dergelijk nieuwe epigenetische medicijnen die steeds specifieker worden, blijkt epigenetische therapie steeds meer en meer een effectieve en waardevolle aanvulling te zijn op chemotherapie en chemopreventie. Het is echter van belang op te merken dat we ons nog maar in een heel vroeg stadium bevinden. Met uitzondering van enkele geneesmiddelen reeds goedgekeurd voor gebruik door de Amerikaanse Food and Drug Administration, bevinden overige epigenetische farmaca zich nog in het pre-klinisch bewijsniveau. Het immense potentieel ervan kan en mag echter niet miskend worden. 1

7 II. INLEIDING Op 14 april 2003 werd het persbericht de wereld ingestuurd dat het Menselijk Genoomproject (HGP; Human Genome Project) zijn doelstelling bereikt had: 99% van het menselijk genoom was, met een nauwkeurigheid van 99,99%, berekend. De oorspronkelijke doelstelling van het project bestond erin op een zo nauwkeurig mogelijke manier circa alle 3 miljard basenparen in het menselijk genoom te bepalen, alsook alle genen in deze sequenties te identificeren. Lang werd gedacht dat met de kennis van de volledige sequencing van het humaan genoom de moleculaire gebeurtenissen geassocieerd aan het ontstaan van ziektes makkelijk zouden worden ontrafeld. Ondertussen is echter duidelijk dat de etiologie van vele menselijke pathologieën (waaronder kanker) niet volledig kan worden begrepen door simpelweg op zoek te gaan naar allerlei genetische varianten in de menselijke DNA-sequentie. Eén enkel humaan genoom codeert ongeveer genen, waarmee het moet in staat zijn om gen expressie patronen te programmeren voor meer dan 200 verschillende celtypes en voor verschillende ontwikkelingsstadia ervan. Na jarenlang wetenschappelijk onderzoek kwam en onderzoekers tot het inzicht dat er nog een bijkomende laag informatie vervat zit in de genoomsequentie. Meer bepaald, een laag informatie die verder rijkt dan de kennis vervat in de vier basen adenine, thymine, guanine en cytosine (de bouwstenen van het DNA). Als illustratie hiervan kunnen we iets vanzelfsprekend als het aangezicht bekijken. Huid, ogen en tanden zien er allemaal heel anders uit, maar bevatten exact dezelfde genetische informatie. Hieruit leiden we af dat deze extra laag informatie dus in staat is de genfunctie significant te wijzigen en zij blijkt dan ook noodzakelijk voor een correcte genexpressie. Deze bijkomende genetische wijzigingen worden bereikt door middel van zogenaamde epigenetische modificaties, die samen het menselijk epigenoom constitueren. Op het einde van de 19 e eeuw kwam August Weissmann tot het inzicht dat onze genetische informatie opgeslagen ligt in de kern van een cel. Hij geloofde dat alle cellen starten met dezelfde informatie, waarna ze materiaal verliezen bij hun deling en specialisatie. Hans Spemann ging hier grotendeels mee akkoord maar beweerde dat cellen geen informatie verliezen, maar die alleen maar uitschakelen. Reeds in 1942, nog een tiental jaar voor de beschrijving van de DNA-structuur door Watson en Crick, introduceerde Conrad Waddington de termen epigenetica en epigenetisch landschap. (Zie figuur 1) Hij beschouwde ontwikkeling en erfelijkheid als een wisselwerking tussen de genetische informatie en de omgeving waarin het individu leeft. Met zijn omschrijving van epigenetica bedoelde hij het fenotype, als resultante van de interactie tussen het genotype en de omgeving. Waddingtons definitie verwijst naar wat we vandaag ontwikkelingsbiologie noemen. 2

8 Het is pas echter vanaf de jaren 90 dat men ten volle beseft dat niet alleen onze DNA sequentie bepalend is voor onze biologische verschijning (het fenotype). Vanaf dat moment werd er intensief aandacht geschonken aan epigenetische verschijnselen en epigenetisch onderzoek.hierbij ontstaat dan ook de moderne definitie van epigenetica zoals we die vandaag kennen: De studie van erfelijke veranderingen in de werking van het genoom, die plaatsvinden zonder wijzigingen in de DNA reeks. (Definitie volgens het Epigenome Network of Excellence.) Figuur 1: Voorstelling van het epigenetisch landschap volgens Waddington. Deze visuele metafoor stelt de menselijke ontwikkeling voor, waarbij een cel (voorgesteld door een balletje) verschillende toegelaten paden kan volgen, met op het einde verschillende mogelijk eindtoestanden. Bron: Goldberg et al., Epigenetische modificaties zijn erfelijk en kunnen naar dochtercellen overgebracht worden tijdens de celdelingen. Belangrijker is echter het feit dat ze de mogelijkheid geven om cellen te herprogrammeren, wat cruciaal is in de context van ontwikkeling en differentiatie. Karakteristiek voor deze epigenetische veranderingen is dat ze de chromatine structuur wijzigen zonder ook maar iets aan de DNA-sequentie zelf te veranderen.toch stelt dit hen in staat om op een doorslaggevende manier de genexpressie te beïnvloeden. Belangrijk op te merken is ook dat deze modificaties omkeerbaar zijn, wat meteen de basis vormt van diverse therapeutische ontwikkelingen. Dit relatief jong luik in de genetica (men heeft het eerder herontdekt ) heeft sterke implicaties inzake het begrijpen van pathologie en dan vooral op het domein van kanker en tumorigenese, waar deze epigenetische veranderingen de laatste jaren immense belangstelling hebben verkregen. Zoals vele biologische processen kunnen epigenetische wijzigingen immers ook ten prooi vallen aan foute regulatie, waardoor een waaier aan verschillende pathologieën kunnen ontstaan. Aangezien epigenetische processen mitotisch overerfbaar zijn, kunnen ze dezelfde (oorzakelijke) rol spelen als de genetische wijzingen bij de ontwikkeling van ziektes zoals bijvoorbeeld kanker. 3

9 Deze scriptie focust zich op het domein van de epigenetica en de implicaties die de epigenetica heeft ten aanzien van kanker. Meer bepaald: hoe zij de basisinzichten van de ontwikkeling van tumoren heeft gewijzigd, welke concrete rol zij speelt in die ontwikkeling en hoe deze epigenetische modificaties ook een totaal nieuwe deur hebben geopend voor het vervaardigen van nieuwe therapeutische technieken die als aanvulling (of naar de toekomst toe misschien zelfs als vervanging) kunnen dienen bij de tegenwoordige conventionele behandelingsmodaliteiten. De basisconcepten van evolutionaire mutaties op niveau van het genoom zijn eveneens geldig voor epigenetische events. (Namelijk dat de meeste kiemlijnmutaties onbelangrijke deleties zijn en dat mutaties aanleiding kunnen geven tot uitselectie van specifiek eigenschappen die een evolutief voordeel bieden.) In vergelijking met de mutaties in somatische cellen komen epigenetische modificaties echter veel meer voor. Wijzigingen in genexpressie geïnduceerd door epigenetische aanpassingen die zorgen voor bijvoorbeeld een cellulair groeivoordeel, kunnen dan ook uitgeselecteerd worden. Dit kan leiden tot een progressieve oncontroleerbare (tumorale) groei. Kortom, als gevolg van hun mitotische overerfbaarheid kunnen epigenetische veranderingen samenwerken met genetische wijzingen om zo een kanker verder te laten groeien 4

10 III. METHODOLOGIE Als uitgangspunt bij de zoektocht naar literatuur werd allereerst gebruik gemaakt van twee reviewartikels die mij door dr. Ir. J. Hoebeeck ter beschikking werden gesteld (Bernstein et al., 2007; Jones en Baylin, 2007). Op basis van de referentielijsten van beide artikels werd interessante literatuur teruggevonden met betrekking tot de kernconcepten van de (kanker)epigenetica. De meeste overige artikels werden bekomen door gebruik te maken van van de database PubMed. De eerste zoektochten waren gebaseerd op termen zoals mammal, epigenetics, epigenome. Door de hierbij gevonden artikels te limiteren tot de reviews, kwam hier een vrij mooie selectie naar voor die de geschiedenis en de functionele rol van de epigenetica bij de mens bondig illustreerden. Door combinaties van extra termen in te geven zoals cancer epigenomics, DNA methylation, histon modification en nucleosome remodeling, microrna and cancer in te geven, kwamen artikels naar voor die in meer detail de epigenetische processen illustreerden, waarbij ook af en toe artikels die onderdeel waren van een nog lopend onderzoek. Extra zoektermen werden ook gehaald uit de reeds gevonden artikels zelf, waardoor meer informatie kon worden gevonden over de onderwerpen cancer stem cells, epigenetics and diseases, epigenetics and the environment. Voor het bekomen van informatie omtrent de therapeutische mogelijkheden werden naast de reeds verkregen informatie uit de eerder bekomen artikels extra artikels gevonden door combinaties in te geven van volgende zoektermen: epigenetic therapies, cancer therapies, future epigenetic medication. Verder werd op PubMed ook regelmatig gebruik gemaakt van de functie Related citations, waarbij steeds een reeks artikels verwant aan de oorspronkelijke keuze worden getoond. De uiteindelijke verwerking en ordening van de referenties werd voltooid met behulp van het programma EndNote. Tot slot werden ook enkele websites geraadpleegd, waar algemene informatie en informatie omtrent de ontdekkingsgeschiedenis van het epigenetica domein kon worden teruggevonden: en 5

11 IV. RESULTATEN 1. Epigenetica. Epigenetische modificaties vallen te herleiden tot 3 grote categorieën: DNA-methylatie, Histon- modificatie en nucleosoomhermodellering. 1.1 Covalente mechanismen DNA-methylatie: DNA-methylatie is de enzymatische covalente additie van een methylgroep aan een cytosine. Bij zoogdieren gebeurt DNA-methylatie bijna exclusief in CpG dinucleotiden (Smith et al., 2007). CpG dinucleotiden vindt men verspreid over het genoom als afzonderlijke dinucleotide sequenties maar men vindt ze ook samengeclusterd in zogenaamde CpG eilanden. De meeste CpGs in het humane genoom zijn gemethyleerd (ongeveer 70-80% op het totaal van 2.8 x 10 7 ) (Goll en Bestor, 2005). Paradoxaal genoeg zijn de CpG rijke eilanden (die dikwijls geassocieerd zijn met promotorsequenties) hoofdzakelijk niet gemethyleerd (Bird, A.P., 1986). Methylatie in andere dinucleotiden dan CpG (nl. CG en CNN) heeft een functionele rol in planten, maar of dit ook een functionele rol speelt in het menselijk genoom is momenteel nog onduidelijk (Chan et al., 2005). De methylatie reactie wordt gemedieerd door DNA-methyltransferases (DNMTs) waarbij de methylgroep afkomstig is van de donor S-adenosylmethionine (SAM). De reactie resulteert uiteindelijk in 5-methylcytosine (5-meC). De novo methylatie (methylatie van sequenties die voordien geen enkele methylgroep bezaten) wordt gekatalyseerd door DNMT3a en DNMT3b (Smith et al., 2007). Zij zorgen voor DNA-methylatie tijdens de vroege embryonale ontwikkeling, terwijl zogenaamde onderhoudsmethylatie gebeurt door DNMT1. Dit enzyme kopieert tijdens de celdeling de methylatie patronen van de parentale DNA-streng naar nieuwgesynthetiseerd dochter DNA waarbij de parentale streng DNA dus eigenlijk fungeert als de methylatie sjabloon (Smith et al., 2007). DNMT1 heeft een zekere specificiteit die gericht is op hemi-gemethyleerde CpG dinucleotiden (DNA waarvan slechts 1 streng gemethyleerd is). Cytosine methylatie patronen worden dus zonder enige twijfel doorgegeven via dit enzyme tijdens de DNA-replicatie fase van de celdeling (Bernstein et al., 2007). 6

12 Methylatiepatronen worden vastgelegd in de vroege embryonale periode waarbij de eerste methylaties van het DNA reeds gebeuren in de eerste paar celdelingen na de bevruchting. Hierna volgt de novo methylatie van specifieke CpG sites door DNMT3a en DNMT3b tot de blastocyt zich implant (Holliday en Pugh, 1975). Interactie tussen de novo methylatie en demethylatie bij elke daaropvolgende celdeling resulteert in een heterogeen methylatie patroon per molecule (Warnecke en Clark, 1999). Falen van de onderhoudsmethylatie is echter mogelijk en gebeurt per celdeling in ongeveer 5% van de CpG sites (Riggs et al., 1998). Vreemd genoeg worden de CpG eiland en allelspecifieke methylaties ook in afwezigheid van DNMT1 onderhouden (Rhee et al., 2000). De oorsprong van deze DNA-methylatie patronen is echter nog steeds een raadsel. Heel eigenaardig is ook het feit dat ondanks de hoge expressie van DNMT3a en 3b in vroeg embryonale cellen, (wanneer met andere woorden de meeste de novo methylatie plaatsvindt), vele CpG eilanden steeds ongemethyleerd blijven, ondanks hun rijkdom aan target sites (Clark, 2007). Ofwel is het merendeel van het genoom standaard gemethyleerd en worden Cpg eilanden strategisch weerhouden van methylatie, ofwel wordt globale methylatie gedirigeerd door bijkomende factoren zoals aan chromatine gassocieerde proteïnen (Bird, 2002; Zhu et al., 2006). DNA-methylatie op zich onderdrukt of activeert niet rechtstreeks de transcriptie. Het stuurt echter wel de manier waarop verschillende proteïnen worden samengebracht bij de vorming van chromatine. Het is dan weer de toestand van het chromatine dat de functionele status van een gen bepaalt (Clark, 2007). Chromatine wordt gevormd door nucleosomen. Een nucleosoom is eigenlijk de oplossing die onze cellen in de loop der evolutie hebben gevonden op het praktische organisatieprobleem om een groot genoom te laten passen in een kleine nucleus en tegelijkertijd het DNA voldoende te toegankelijk te houden voor regulerende factoren. Er moet immers bijna twee meter DNA in elke nucleus verpakt worden. Elk nucleoseoom is opgebouwd uit korte segmenten DNA van 147 baseparen die rond een octameer van proteïnen, de zogenaamde histonen, gewikkeld zijn, (twee van elk: H2A, H2B, H3, H4). Nucleosomen worden onderling van elkaar gescheiden door korte stukjes linker-dna. Deze herhalingen van nucleosomen worden uiteindelijk in chromatine georganiseerd. Chromatine van transcriptioneel inactief DNA ( heterochromatine ) kent een heel dense conformatie samen met een strakke histonbinding en is geassocieerd met genomische regio s die slechts laatijdig gerepliceerd worden tijdens de S-fase van de celcyclus. Transcriptioneel actief DNA wordt gekenmerkt door chromatine in een open conformatie ( euchromatine ) met een zwakkere histonbinding en zal vroeg in de S-fase worden gerepliceerd. Deze dynamisch wisselende structuur van chromatine wordt gecontroleerd door reversibele epigenetische patronen waaronder o.a. DNA-methylatie (Jenuwein en Allis, 2001; Turner, 2002). 7

13 In het algemeen zijn lage methylatie niveaus (hypomethylatie) geassocieerd zijn met hoge genactiviteit en zullen hoge methylatie niveaus zorgen voor genuitschakeling. CpG-eilanden zijn zoals reeds gezegd normaal ongemethyleerd en vormen doelwitten voor de proteïnen die ongemethyleerde CpGs binden en zo gentranscriptie initiëren. De open structuur van chromatine rondom ongemethyleerde CpG-eiland promotersequenties faciliteert de toegang van andere proteïnen die transcriptie bespoedigen. Wanneer dergelijke CpG-eilanden echter gemethyleerd zijn, is het chromatine dicht op elkaar gepakt en verhindert zijn structuur zo genexpressie. Gemethyleerde CpGs zijn dus geassocieerd met inactief DNA en zorgen voor een stabiel, overerfbaar stilleggen van de transcriptie Histonmodificaties: De structuur van het chromatine wordt naast methylatie ook bepaald door posttranslationele covalente modificaties. Combinaties van deze modificaties zijn ook mogelijk en dit resulteert uiteindelijk in de zogenaamde histoncode. De posttranslationele histonmodificaties beslaan een uitgebreid aanbod aan mogelijkheden (meer dan 100): acetylatie, methylatie, fosforylatie, ubiquinatie, Deze vinden hoofdzakelijk plaats op specifieke posities binnenin de amino-terminale histonstaarten, die net genoeg uit de compacte eenheid uitsteken om contact te kunnen maken met DNA, andere histonen of proteïnen (Bernstein et al., 2007). Deze modificaties zorgen ervoor dat de toegankelijkheid van het DNA voor transcriptiefactoren wordt gewijzigd en zetten de deur open voor proteïne-interacties die mee de uiteindelijke structuur van het chromatine zullen bepalen (Rodenhiser en Mann, 2006). Algemeen kunnen we zeggen dat acetylatie van een histonstaart geassocieerd is met actieve genen en ongemethyleerde CpG eilanden terwijl deacetylatie van een histonstaart geassocieerd is met zogenaamde silent genes (uitgeschakelde genen) en gemethyleerde CpG eilanden (Clark, 2007). Zo verkeert heterochromatine (de inactieve vorm) meestal in hypogeacetyleerde toestand en is deze geassocieerd met heterochromatine proteïne 1 (HP1), terwijl euchromatine (de actieve vorm) veelal geacetyleerd is (Cheung en Lau, 2005). De acetylgroep is negatief geladen en balanceert zo de basische natuur van de histonstaarten. Hierdoor binden zij minder sterk aan het DNA en wordt chromatine toegankelijker tijdens de transcriptie (Gilbert et al., 2004). Het staat alleszins vast dat kleine wijzigingen grote gevolgen kunnen hebben in transcriptionele activiteit. Veel van deze modificaties blijven echter nog steeeds niet goed begrepen, maar de lysine-acetylatie en -methylatie zijn de laatste jaren het best bestudeerd. Lysine-acetylatie correleert bijna altijd met toegankelijk chromatine en transcriptionele activiteit terwijl lysinemethylatie verschillende effecten kan hebben, afhankelijk van welk residu wordt gemodificeerd. Deze modificatie kan zowel zorgen voor transcriptionele activatie als repressie (Bernstein et al., 2007). 8

14 Histonmodificaties kunnen elkaar ook beïnvloeden en interageren met DNA-methylatie aan de hand van proteïnecomplexen die binden aan gemodificeerde histonen of gemethyleerde cytosines. Histonmodificaties kunnen er ook voor zorgen dat andere proteïnen (enzymes) naar specifieke regionen in het genoom aangetrokken worden. Zo worden geacetyliseerde lysines herkend door bromodomeinen binnenin de nucleosoomhermodelleringscomplexen en zullen proteïnen met chromodomeinen binden aan gemethyleerde lysine residu s (Sims et al., 2005). Lysine kan tot 3 methylgroepen bezitten. Deze methyl-status kan een invloed hebben op de binding van een chromodomein. Deze zogenaamde histongeassocieerde proteïnen zijn eveneens betrokken bij de regulatie van gentranscriptie (Fischle et al., 2003). Een subset van deze histonmodificaties worden ook epigenetisch overgeërfd. Dit bleek onder andere het geval bij gisten, waar ondanks de afwezigheid van DNA-methylatie, interacties tussen H3K9, gemethyleerde histonen en het Swi6 chromodomein hun heterochromatische status behielden na de celdeling. Blijkbaar gebeurt dit aan de hand van een positief feedbackmechanisme (Grewal en Moazed, 2003). Histonen segregeren willekeurig tijdens de celdeling, waardoor ieder dochterchromosoom normaal gezien dezelfde gewijzigde histonen zal overerven. Deze gemodificeerde status zal zich dan lokaal verspreiden naar nieuw gevormde histonen. Verschillende multiproteïnecomplexen van chromatine hebben complementaire bindings en modificatie activiteit waardoor ze bijdragen tot het epigenetische onderhoud van de modificatiepatronen (Groth et al., 2007; Bernstein et al., 2007). CpG proteïnen echter dissociëren van de chromosomen tijdens de mitose. Hoe deze dan na de celdeling terug naar hun target sites gebracht worden is nog niet volledig duidelijk. Eén hypothese veronderstelt dat een fysieke interactie tussen CpG-complexen en gemethyleerde histonen binnenin het chromatine hiervoor zorgt, maar helemaal zeker is dit niet (Bernstein et al., 2007; Henikoff et al., 2004). 9

15 Figuur 2: Bron: Rodenhiser en Mann, Deel A: Schematische voorstelling van de epigenetische modificaties. DNA strengen worden rond een octameer van histonen gewonden, met vorming van een nucleosoom. Deze nucleosomen worden vervolgend georganiseerd in chromatine. Vervolgens ondergaat dit chromatine modificaties ter hoogte van de histonen en methylatie van het DNA. Gecombineerd vormen deze wijzigingen een uniek epigenetisch patroon dat de organisatie van de chromatine en expressie van de genen reguleert. Deel B: Schematische voorstelling van de reversibele wijzigingen in chromatine-organisatie die de genexpressie beïnvloeden: transcriptie is mogelijk wanneer de chromatine zich in een open confirmatie ( switched on ) bevindt en de transcriptie wordt belemmerd wanneer het chromatine gecodenseerd is ( switched off ). De witte cirkeltjes stellen ongemethyleerde cytosines voor, de rode cirkeltjes zijn dan weer gemethyleerde cytosines. 10

16 1.2 Niet-covalente mechanismen Nucleosoomhermodellering: Naast bovenvermelde covalente mechanismen (DNA-methylatie en histonmodificaties) bestaan er ook niet-covalente mechanismen zoals nucleosoomhermodellering die een extra dimensie geven aan de variabiliteit van de chromatinestructuur. Zogenaamde chromatinehermodelleringsfactoren wijzigen de interacties tussen DNA en de histonen waardoor nucleosomaal DNA een stuk toegankelijker wordt voor interacties met andere proteïnen. Ze zorgen voor een verplaatsing, verwijdering of herstructurering van een nucleosoom (Becker en Hörz, 2002). Nucleosoomhermodelleringsfactoren zijn eiwitcomplexen die twee tot twaalf verschillende subeenheden kunnen bezitten. Een fundamenteel kenmerk van deze complexen is dat ze de energie, nodig voor de hermodellering, halen uit de hydrolyse van ATP. In zoogdieren zijn er ongeveer 30 genen die coderen voor die ATPase subeenheid. De onderliggende mechanismen van het ATPase proces blijven echter nog steeds een obscuur gegeven (Goldberg et al., 2006). Er bestaan momenteel vier verschillende families van hermodelleringscomplexen. Alle vier hebben ze, door aanwezigheid van unieke geassocieerde subeenheden en unieke domeinen binnen hun katalyische eenheid, gespecialiseerde doelstellingen. Alle hermodelleringscomplexen delen wel vijf basiseigenschappen: Ten eerste bezitten ze een grote affiniteit voor het nucleosoom die verder gaat dan het DNA, als tweede bevatten ze domeinen die covalente histonmodificaties herkennen, ten derde beschikken ze over een gelijkaardig DNA-afhankelijk ATPase-domein alsook over proteïnen die dit ATPase-domein reguleren en tot slot hebben ze ook domeinen of proteïnen waarmee ze met bijvoorbeeld transcriptiefactoren een interactie aangaan (Clapier en Cairns, 2009). De eerste is de SWI/SNF familie van hermodelleringscomplexen. Ze werden oorspronkelijk gezuiverd uit Saccharomyces cerevisiae en bestaan uit 8 tot 14 subeenheden. Deze familie kent vele activiteiten maar heeft geen rol in de opbouw van chromatine (Mohrmann en Verrijzer, 2005). De ISWI familie van hermodelleringscomplexen werd oorspronkelijk gezuiverd uit Drosophila melanogaster en de complexen bezitten 4 tot 8 subeenheden. De meerderheid van deze complexen promoot chromatine opbouw en onderdrukt transcriptie, maar bepaalde complexen kunnen ook net het omgekeerde doen. Dit hangt af van de aanwezige subeenheden (Corona en Tamkun, 2004). Als derde is er de NuRD/Mi- 2/CHD familie van hermodelleringscomplexen, die voor het eerst gezuiverd werd uit Xenopus laevis en opgebouwd is uit 1 tot 10 subeenheden. Sommige complexen uit deze familie stimuleren transcriptie terwijl andere eerder repressief optreden. Deze variabiliteit vloeit voort uit de diversiteit aan chromodomeinen (Marfella en Imbalzano, 2007). 11

17 De INO80 familie van hermodelleringscomplexen vormt de vierde familie. Zij werden voor het eerst gezuiverd uit S. Cerevisiae en bezitten meer dan 10 subeenheden. De functies zijn velerlij. Zo promoten zij onder andere transcriptie en DNA-herstel (Bao en Shen, 2007). De chromatine hermodelleringscomplexen heffen de inhibitie op die een nucleosoom uitoefent op transcriptie, DNAherstel etc. door een structuurverandering in de nucleosomen te veroorzaken (Goldberg et al., 2007). Het resultaat zorgt voor een soort van vloeiende staat van het chromatine, waarbij de globale DNA organisatie wordt behouden, maar waarbij individuele DNA-segmenten voorbijgaand kunnen blootgesteld worden aan interagerende factoren (Becker en Hörz, 2002). In de meest rudimentaire omschrijving van nucleosoomhermodellering wordt deze activiteit dus gedefinieerd als een proces dat de interacties tussen histonen en DNA binnen een nucleosoom wijzigt op een ATP-afhankelijke wijze. Normaal gezien zal hierbij de toegankelijkheid van nucleosomaal DNA verhogen zodat proteïnen kunnen interageren met DNA-sequenties die voorheen niet beschikbaar waren. Op deze manier kunnen processen zoals DNA-replicatie, DNA-herstel en DNArecombinatie correct uitgevoerd worden (Clapier en Cairns, 2009). ATP-afhankelijke chromatinehermodellering is natuurlijk slechts één van de vele aspecten van DNA-regulatie. Associatie met de posttranslationele histonmodificaties zorgt voor een geïntegreerd en complex mechanisme van genactivatie en genuitschakeling. 12

18 2. Epigenetica, het milieu en ziekte-etiologie. DNA-methylatiepatronen kennen een heel grote variatie en kunnen wijzigen na nutritionele veranderingen en blootstelling aan milieugebonden factoren. Zo kan een lage inname van methionine en folaat de methioninesignaaltransductieweg, die zorgt voor de transfer van methylgroepen naar het DNA, grondig verstoren met hypomethylatie van het genoom en verregaande klinische effecten tot gevolg (Ulrey et al., 2005). Folaatdeficientië is bijvoorbeeld geassocieerd met kanker, atherosclerose en defecten van de neurale buis bij foetussen (Waterland en Jirtle, 2004; Zaina et al., 2005). Hier past echter de opmerking dat een dergelijke hypogemethyleerde status reversibel is en dat folaatsubstitutietherapie in staat is om de DNA-methylatie terug te brengen naar normale niveaus (Ingrosso et al., 2003). Tegenwoordig zal men zwangere vrouwen dan ook preventief folaatsupplementen toedienen om ieder riscico op intra-uteriene complicaties in de kiem te smoren (Persad et al., 2002). Schadelijke stoffen aanwezig in het milieu zoals metalen (cadmium, lood, nikkel) of aromatische koolwaterstoffen kunnen ook het genoom destabiliseren en kunnen zelfs het cellulair metabolisme wijzigen of eventueel beide doen. Veelal zijn deze contaminanten te vinden in besmet drinkwater, sigarettenrook of komen mensen ermee in contact op hun werk. Het epigenoom is vooral vatbaar voor dysregulatie door deze externe factoren tijdens de gestatieperiode, bij de neonatale ontwikkeling, in de puberteit en op hoge leeftijd (Rodenhiser en Mann, 2006). Hoewel wijzigingen van het epigenoom dus eender wanneer kunnen optreden, situeert de meest delicate periode zich echter tijdens de embryogenese. Tijdens dit proces is het tempo van DNA-synthese namelijk heel hoog en worden de gedetailleerde DNA-methylatiepatronen die nodig zijn voor een normale weefselontwikkeling vastgelegd (Weidman et al., 2007). Als concreet en historisch relevant voorbeeld beschouwen we de stof diethylstilbestrol (DES). Deze stof werd heel erg berucht nadat ze van 1946 tot 1974 werd voorgeschreven aan zwangere vrouwen om de kans op herhaling van een miskraam te verkleinen. Studies verricht met het DES op in utero muizen onthulden hypomethylatie in de oestrogeenresponsieve lactoferrinepromotor. Uit humane epidemiologische gegevens blijkt dat individuen die tijdens de eerste 3 maanden van de zwangerschap in utero blootgesteld werden aan DES een hogere incidentie vertoonden van reproductieve stoornissen en een zeldzame kanker van de vagina (clear cell adenocarcinoma). Verhoogde incidentie van verschillende ziekten bleek ook op te duiken bij de kleindochters en kleinzonen van vrouwen blootgesteld aan deze stof, wat meteen suggestief is voor epigenetische transgenerationele overerving (Newbold et al., 2006; Prins, 2008). 13

19 Niet iedereen reageert echter op een gelijkaardige manier op wijzigingen in hun dieet of contact met contaminanten. De mate waarin deze factoren een doorslaggevende rol kunnen spelen in de algemene gezondheid, hangt af van voorafbestaande genetische variaties die de gevoeligheid van mensen ten aanzien van zulke externe invloeden bepalen. Op deze manier kunnen bepaalde personen een genetische predispositie bezitten voor epigenetische veranderingen en hun effecten (Ergul et al., 2003; Semenza et al., 2003). Het is echter belangrijk in gedachten te houden dat we hier te maken hebben met een zeer complexe interactie tussen epigenetica, het milieu en genetische individialiteit die kan zorgen voor een verhoogd risico op epigenetisch gedetermineerde ziekten, maar dit niet per definitie altijd zal doen. Het geheel van de interactie kan ook voor heel wat andere effecten zorgen en strikte eenduidigheid bestaat hier niet. Zo zou het 677CT -polymorfisme van het methyleentetrahydrofolaat (MTHFR) zorgen voor een verhoogde prevalentie van borstkanker en colorectale kanker na wijzigingen in dieet en alcoholconsumptie. Andere studies suggereren dat het 677TT-genotype dan weer zorgt voor een risicodaling van 40% voor borstkanker bij postmenopausale vrouwen die hormoonvervangende therapie gebruiken. Dit ter illustratie van de complexiteit van het gegeven (Le Marchand et al., 2004). Een speciale vermelding waard, is de rol die epigenetica speelt bij ouder worden. Ouder worden betekent een aanpassing van het epigenoom en het proces is geassocieerd met zowel DNA-methylatie als DNA-demethylatie (Richardson, 2003). Fraga en Esteller (2007) kwamen tot de vaststelling dat het verouderingsproces karakteristiek gepaard gepaard gaat met een daling in globale CpG-methylatie gecombineerd met hypermethylatie van specifieke regionen (meestal promotorregionen). Gezien dergelijke epigenetische veranderingen zouden zorgen voor een gewijzigde genexpressie wordt er actueel gezocht naar potentieel functionele relaties tussen specifieke epigenetische veranderingen en de pathologie van veelvoorkomende ouderdomsziekten Het is al geweten dat leeftijdsgebonden stijgingen van DNA-promotormethylaties zich voordoen in genen die een rol spelen bij kanker zoals bijvoorbeeld IGF2, Versican en PAX (Issa, 2000). Deze leeftijdsgebonden epigenetische verschillen worden het best geïllustreerd door onderzoek van het epigenoom bij monozygotische tweelingen. In een onderzoek naar de globale -en genspecifieke verschillen in DNA-methylatie en histonacetylatie van 50 monozygotische tweelingen kwam men tot de conclusie dat deze tweelingen op jonge leeftijd epigenetisch heel sterk op elkaar geleken, maar dat zij op oudere leeftijd significante verschillen in DNA-methylatie vertoonden. Deze verschillen bleken ook meer uitgesproken te zijn bij tweelingen die een totaal andere levensstijl hadden gekend (Fraga et al., 2005). Dit benadrukt nogmaals de rol die omgevingsfactoren spelen in de vormgeving van het epigenoom en toont ook aan dat onze epigenetische handtekening een heel dynamische entiteit is. 14

20 Het is dan ook geen verassing dat een verstoring van de delicate epigenetische balans door externe stimuli een factor is die bijdraagt tot de ontwikkeling van velerlei ziekten zoals kanker, autoimmuniteits -en inflammatoire stoornissen (Wilson, 2008). 15

21 3. Concrete rol van epigenetica in specifieke ziektebeelden. Storingen in de DNA-methylatie patronen en histonmodificaties kunnen leiden tot congenitale aandoeningen en systemische syndromen maar zij kunnen ook leiden tot een predispositie voor het verwerven van kankers of neurodegeneratieve ziekten. Alvorens toe te spitsen op de ziekte die centraal staat in deze scriptie, lijkt het me gepast om het principe te illustreren aan de hand van enkele andere ziekten die kunnen ontstaan onder de invloed van epigenetische defecten. Allereerst zijn er stoornissen van de genomische imprinting. Onder normale omstandigheden wordt de meerderheid van de automosomale biallelische genen gelijkwaardig tot expressie gebracht uit zowel het materneel als paterneel allel. Er zijn echter verschillende humane biallelische genen gekend waarin de expressie van één parentaal allel (dat van de moeder of dat van de vader) wordt onderdrukt in sommige cellen. Dit proces noemt men allelische exclusie. De sequenties van beide parentale allelen zijn echter volkomen normaal. Veelal is deze repressie willekeurig, maar soms is ze dat niet. Zo wordt in sommige gevallen steeds het paterneel overgeërfd allel onderdrukt en in andere steeds het materneel allel. Dit proces staat gekend als imprinting. Genomische imprinting zorgt er voor dat genen zich herinneren of zij van de moeder of de vader overgeërfd werden om vervolgens slechts 1 van beide allelen uit te drukken (Waggoner, 2007). Genomische imprinting kan dus gedefinieerd worden als de ouderspecifieke, monoallelische expressie van een gen. Sleutelprocessen in de regulatie van imprinting zijn allel-specifieke DNA-methylatie en histonmodificaties. Wijzigingen hierin kunnen voor een waaier aan pedriatische aandoeningen en ontwikkelingsstoornissen zorgen waarbij een abnormaal fenotype ontstaat ten gevolge van de afwezigheid van de paternele of maternele kopie of ten gevolge van de deregulatie van zo n gen. Dit komt bijvoorbeeld voor bij het syndroom van Angelman, Prader-Willi en Beckwith-Wiedemann (BWS) (Egger et al., 2004) Veranderingen in acetylatie en methylatie zijn nodig om DNA-recombinatie, dat nodig is om een aangepaste immuunrespons teweeg te brengen tegen een specifiek antigen, door te laten gaan (Wilson et al., 2005). Verlies van epigenetische controle over dit proces draagt bij tot de ontwikkeling van immuungerelateerde ziekten zoals bijvoorbeeld lupus erythemathosus (Richardson, 2003; Oelke en Richardson, 2004). Epigenetische fouten hebben eveneens een oorzakelijke rol in het ontstaan van psychiatrische, autistische en neurodegeneratieve stoornissen. Zo wordt er gespeculeerd dat DNA-wijzigingen in de DNMT genen een rol spelen in schizofrenie en gemoedsstoornissen: DNMT1 wordt immers selectief tot overexpressie gebracht in de GABA interneuronen van een schizofreen brein (Abdolmaleky et al., 2004; Rodenheiser en Mann, 2006). 16

22 Ook in onze inflammatoire responsen speelt epigenetische regulatie een grote rol en kan er dus heel wat fout lopen. Macrofagen reageren op de aanwezigheid van lipopolysacchariden (LPS) maar bij persisterende aanwezigheid van LPS worden de macrofagen kortstondig hyporesponsief. Tijdens deze hyporesponsieve toestand ontstaan twee patronen van macrofagaire chromatinemodificatie: één groep genen die verantwoordelijk is voor de productie van inflammatoire molecules (TNF, IL-6) wordt tijdelijk inactief. Een tweede groep genen, die verschillende antimicrobiële effectoren bevat, blijft klaar voor activatie. Deze status wordt gereguleerd door modificaties in de histonen die respectievelijk geassocieerd zijn met deze twee functionele groepen van genen. Het praktische nut hiervan is dat de tijdelijke inactivatie van de eerste groep genen ervoor zorgt dat er geen bijkomende pathologie ontstaat ten gevolge van een overmatig inflammatoir antwoord terwijl de tweede groep actieve genen nog steeds in staat is een antimicrobiële werking uit te voeren en zo het menselijk lichaam te beschermen tegen infectie (Foster et al., 2007; Wilson, 2008). In zulke dynamische en complexe regulatie kan een verstoring van de onderliggende epigenetische mechanismen leiden tot het ontstaan van stoornissen in onze inflammatoire respons. Eigenaardig genoeg resulteren vele van de epigenetische abnormaliteiten in chromosomale wijzigingen en leerstoornissen. Zo zorgen mutaties in het ATRX gen voor wijzigingen in het methylatiepatroon van ribosomaal DNA en Y-specifieke repeats, resulterend in het ATR-X syndroom (X-gebonden alfa-thalassemie-mentale-retardatie). Fragiel X syndroom ontstaat wanneer een bepaalde CGG repeat uitbreidt en de novo gemethyleerd wordt, waardoor het gen in zijn geheel uitgeschakeld wordt. Dit zorgt voor een zichtbaar fragiele site op het X chromosoon (Tufarelli et al., 2003). Het ICF-syndroom (Immunodeficiency, centromeric region instability and facial anomalies) wordt veroorzaakt door mutaties in het DNMT3b gen, dat, zoals reeds eerder vermeld, codeert voor een enzym met een essentiële functie in het tot stand brengen van DNA-methylatie patronen (Okano et al., 1999; Egger et al., 2004). Patiënten sterven doorgaans ten gevolge van recurrente respiratoire en gastro-intestinale infecties. Het feit dat alle bovenvermelde ziekten grootschalige chromosomale anomalieën vertonen, is een aanwijzing dat epigenetische mechanismen een centrale rol vertolken in de architectuur van chromosomen. 17

23 4. Kankerepigenetica. 4.1 Het epigenetisch kankermodel versus het genetisch kankermodel. Om een bredere duiding te geven aan de relatie die mogelijks bestaat tussen de epigenetica van kanker en de etiologie van kanker (met andere woorden of de epigenetische veranderingen die detecteerbaar zijn bij kanker ook verantwoordelijk zijn voor het onstaan ervan) wordt best een definiërende omschrijving uiteengezet van wat epigenetische wijzigingen nu exact inhouden. Hieronder worden de eigenschappen die alle epigenetische wijzigingen met elkaar gemeenschappelijk hebben even op een rijtje gezet (Feinberg, 2004): 1) Integenstelling tot genetische mutaties zijn ze mogelijks reversibel. 2) Ze kunnen een effect uitoefenen op genen vanop afstand, waarbij de grootte van het effect afneemt naarmate de afstand van het gen tot de epigenetische wijzigingspunt. 3) Ze kunnen een effect uitoefenen op groepen van genen die dicht bij elkaar liggen. 4) Ze komen in grote aantallen voor. 5) Ze kunnen op hun beurt gewijzigd worden onder invloed van het milieu. Het mechanisme van al deze eigenschappen is gebaseerd op chromatinewijzigingen met o.a. histon modificaties, methylatie van cytosine in het DNA, de (her)schikking van de nucleosomen,... Het is reeds duidelijk dat epigenetische wijzigingen (zowel overgeërfd, spontaan als geïnduceerd door milieufactoren) significante moleculaire wijzigingen zijn die voorafgaan aan de vorming van neoplasmata. (Zie figuur 3) Meer nog, deze epigenetische veranderingen kunnen potentieel meer schade aanrichten dan nucleotide mutaties aangezien hun effect op regionale chromatine zich kan verspreiden en zodoende meerdere genetische loci kan aantasten. Hypomethylatie over het gehele genoom is één van de eerste gebeurtenissen die zich afspeelt bij de ontwikkeling van kanker (Grønbæk et al., 2007). Het epigenetisch model van kanker spreekt het genetisch model niet tegen, maar zij vullen elkaar aan. Om evenwel de nuances tussen elk van beide duidelijk te maken plaatsen we ze even naast elkaar. Het genetisch model van kanker stelt dat de ziekte veroorzaakt wordt door mutaties in genen. De verklaring voor kankermechanismen wordt hierbij dan ook gezocht in mutaties, deleties, genamplificatie,... Dit verklaart de meeste familiale syndromen van neoplasie, alsook het principe van kankerinitiatie. 18

24 Echter, slechts weinig genmutaties blijken verantwoordelijk voor de progressie van kanker. Het is moeilijk om bijvoorbeeld een specifiek metastatisch gen te identificeren, waarbij dit gen gemuteerd is in de metastasen, maar niet in de primaire tumor. Het genetisch model stelt ons wel in staat om te screenen op vroege maligniteiten door middel van bloedonderzoek ed. Het epigenetisch model stelt dat epigenetische genwijzigingen bijdragen tot carcinogenese en tumorgroei. Hierbij gaat men ter verklaring van de mechanismen van kanker op zoek naar methylaties, chromatinemodificaties en imprinting fouten die allen verband houden met veranderingen in de expressie van genen. Familiale kankersyndromen, met uitzondering van het Beckwith-Wiedemann syndroom, worden niet geassocieerd met epigenetische wijzigingen. Naast hun bijdrage tot de carcinogenese, bestaan er ook epigenetische wijzigingen die specifiek geassocieerd zijn met het activeren of uitschakelen van genen die tumorinvasie en tumormetastase bevorderen. Zo bevordert hypomethylatie van CA9 kanker van de niercel (Cho et al., 2001) en draagt hypermethylatie van de tumorsupressorgenen RB, P16 en VHL bij tot het ontstaan van o.a. longkanker (Herman et al., 1994; Merlo et al., 1995; Luo et al., 1998). Samengevat kan men de epigenetica van kanker beschouwen als een vorm van dysregulatie. De wijzigingen die kunnen optreden zijn onder andere globale en individuele hypomethylatie en hypermethylatie, chromatinemodificaties en een gewijzigde genomische imprinting. Epigenetische wijzigingen kunnen fundamenteel een rol spelen in 2 processen: kankerinitiatie en kankerprogressie. Wat hun rol bij kankerinitiatie betreft is het mogelijk dat epigenetische en genetische veranderingen op elkaar inwerken op een manier zodat het effect van genetische mutaties bepaald kan worden door voorafgaande epigenetische fouten. Zo zouden genetische en epigenetische modificaties een complementaire rol spelen in de ontwikkeling van kanker. De voorafgaande epigenetische wijzingen potentiëren als het ware de mutaties in de genen (Christofori et al., 1995; Harrington et al., 1994; Feinberg, 2004). Dit model verklaart ook de leefdtijdsafhankelijke risicostijging van bepaalde kankers. Zoals reeds geweten stapelen we bij het ouder worden, steeds meer mutaties op in ons lichaam, als gevolg van onze blootstelling aan de externe wereld. Dit principe wordt de leeftijdsafhankelijkheid van cumulatieve mutaties genoemd (DePinho en Wong, 2003). Dit zou echter een onvolledige visie kunnen zijn. Ter illustratie: APC of adenomatosis polyposis coli staat geclassificeerd als een tumorsuppressorgen. Mutaties van dit APC-gen worden teruggevonden in bijna alle colonadenoma s. Dit is een heel sterk argument voor een causaal verband tussen dergelijke mutatie en het ontstaan van colonadenoma s. Echter, bij afwezigheid van een epigenetische bijdrage is de frequentie van voorkomen van deze colorectale tumor enorm laag. 19

25 Waarschijnlijk hebben de epigenetische wijzingen een modulerende functie waarbij het effect van de genmutatie volledig afhangt van de voorafgaande epigenetische veranderingen of waarbij zij zorgen voor een uitbreiding van het aantal doelwitcellen voor de genmutatie, met een stijging van het risico op nog meer APC-inactivatie in het colon tot gevolg (Feinberg, 2003). Hieruit volgt een belangrijk punt: een genmutatie is vereist voor kankerinitiatie, maar de probabiliteit dat een kanker zich ontwikkelt hangt af van de aanwezigheid van epigenetische wijzingen. (Zie tabel 1) Epigenetische wijziging Mutatie Kankerprobabiliteit Ja Ja Hoog Ja Neen Geen Nee Ja Laag Neen Neen Geen Tabel 1: De hypothetische (en vereenvoudigde) interactie tussen epigenetica en genetica bij normale kankerincidentie. Dit belangrijke element van het model helpt de leeftijdsafhankelijkheid van kanker op een meer complete manier verklaren. Naarmate we ouder worden, neemt het aantal epigenetische fouten toe, waardoor de probabiliteit op progressie van de kanker na een initiele genmutatie eveneens groter wordt. Ter conclusie kunnen we stellen dat het epigenetisch model van kanker complementair is aan het genetisch model en dat het helpt om een verklaring te bieden aan tumorprogressie en het effect van milieugebonden carcinogenen. Het concept van epigenetische dysregulatie helpt ons de activatie van genen die tumorinitiatie en invasie promoten alsook de activatie van latente virale oncogenen en de uitschakeling van tumorsuppressorgenen beter te begrijpen. 20

26 Figuur 3: Schematische voorstelling van de pathogenese van humane kankers. Genetische of epigenetische veranderingen op zich kunnen de vorming van een tumor initiëren. Sporadische kankers (ongeveer 90-95% van het totaal aantal kankers) vertonen bijna altijd zowel genetische als epigenetische defecten, waarbij deze mechanismen eveneens met elkaar interageren. Epigenetische wijzigingen kunnen genetische defecten veroorzaken en omgekeerd. Afhankelijk van het tumortype zal elk mechanisme het meest actief zijn in de vroege of late ontwikkeling van de tumor of eventueel zelfs een continue activiteit kennen. Bron: Brena en Costello,

27 4.2 Epigenetische uitschakeling van genen ( gensilencing ). Figuur 4: Genuitschakeling in normale cellen, met een wisselwerking tussen nucleosoomhermodellering, DNA-methylatie en histonmodificaties en hun benodigde enzymes. Fysiologisch gezien is genuitschakeling van vitaal belang bij ontwikkeling en differentiatie. Bron: Jones en Baylin, Recente vorderingen inzake de studie van kankerepigenetica leidde tot de realisatie dat silencing (genuitschakeling) een onderdeel vormt van globale epigenomische wijzigingen in kanker. Genuitschakeling speelt zowel een rol in bijvoorbeeld het normale verouderingsproces (Zie figuur 4) als bij de ontwikkeling van ziekten ten gevolge van de dysregulatie van het proces. Een sleuteleigenschap van silencing is de mogelijkheid om zich progressief te verspreiden over genomische regio s. Aangezien epigenetische uitschakeling mitotisch overerfbaar is, kunnen zij dezelfde rol spelen en dezelfde selectieve veranderingen ondergaan als genmutaties in de ontwikkeling van kanker. Dezelfde concepten die gelden voor kiemlijnmutaties (namelijk dat mutaties kunnen zorgen voor een specifiek voordeel ten aanzien van een evoluerende populatie) gelden eveneens voor epigenetische veranderingen. Wijzigingen in genexpressie (ten gevolge van epigenetische wijzigingen) die zorgen voor een cellulair groeivoordeel, worden uitgeselecteerd met progressieve ongecontroleerde tumorgroei tot gevolg (Feinberg et al., 2006; Jones en Baylin, 2007). Zoals reeds eerder vermeld betekent dit dat epigenetische veranderingen kunnen samenwerken met genetische veranderingen om zo de evolutie van een kanker te bewerkstelligen. De oorzaak hiervan vinden we terug in hun mitotische overerfbaarheid. De hoge mate van stabiliteit van de mitotische overerving gecombineerd met de progressieve manier waarop silencing gebeurt, zorgen ervoor dat pathologisch uitschakeling van genen die celgroei controleren een essentieel onderdeel vormt van het ontstaan en de ontwikkeling van een humane kanker (Jones en Baylin, 2007). 22