Βιοχημική και μοριακή μελέτη των γλυκοζαμινογλυκανών και των ενζύμων μεταβολισμού τους στον καρκίνο

Abstract

Sulfated glycosaminoglycans are important molecules of the extracellular matrix. Their biosynthesis is accomplished by the contribution of many different enzymes which have distinct roles. The most important enzymes in the chondroitin/ dematan sulfate biosynthesis are chondroitin synthases, glycosyltransferases, sulfotransferases and dermatan sulfate epimerase (DSE). Chondroitin synthases possess dual role containing two different active sites: One adding glucuronic acid and one adding N-acetylgalacosamine in the non-reducing end of a synthesizing chain. In parallel, sulfotransferases modify the newly-synthesized chains by adding sulfate in certain positions. The chondroitin synthases are CHSY1, CHSY2 (CHPF) and CHSY3. The glycosyltransferase acting in chondroitin is CSGlcA-T. Prior to sulfation, dermatan sulfate epimerase converts glucuronic acid to iduronic. The main sulfotransferases are C4ST1, D4ST1 and CHST3. CHST3 and C4ST1 acting mainly in chondroitin whereas D4ST1 acts mainly in dermatan. It was observed that the various glycosaminoglycans undergo many alterations in quantitative and qualitative terms. These alterations seem to contribute in cancer development and progression as well as in cancer phenotype. The deep understanding of the mechanisms which lead in glycosaminoglycan changes is of great importance. The study focuses in the variation of the levels of the chondroitin / dermatan polymerizing and modifying enzymes in healthy and cancerous tissues (both macroscopically normal and pathological specimens) in colorectal and laryngeal cancer.RT-PCR analysis was carried out to determine the expression of these enzymes after RNA isolation. For Western blotting tissue samples were subjected to sequential extraction with PBS, 4 M guanidine hydrochloride and 4 M guanidine hydrochloride – 1% Triton X-100. For epigenetic studies, methylation-specific PCR was carried out after DNA isolation. Furthermore, we have examined the levels of other molecules (decorin, versican isoforms and miR124) to find out if their presence can be correlated with the obtained enzymes’ profile. In colorectal samples, chondroitin synthase I expression was higher in the adjacent normal tissue of the benign tumors. In healthy tissues and benign tumors the enzyme was expressed in trivial amounts. In cancer, its expression was high at early stages. In laryngeal samples, chondroitin synthase I was expressed mainly in the pathologic samples and to a lower extent in the healthy specimens. Trivial amounts of the enzyme were detected in the pathologic samples. Chondroitin polymerizing factor was found to be elevated in colorectal cancer in the pathologic specimens compared to macroscopically normal. Furthermore, its mRNA levels had the tendency to elevate progressively with cancer stage in the pathologic specimens. In healthy samples and the adjacent normal specimens of the benign tumors its expression was trivial. In contrast in laryngeal samples the enzyme was elevated in the healthy tissues. In colorectal tissues CSGlcA-T expression was increased in adenomas (in the pathological parts) and in advanced stages of the disease. In the middle stages its expression is relatively suppressed and the tumors possess the same amount of the enzyme with the adjacent macroscopically normal tissue. No significant differences between macroscopically normal and pathologic specimens were observed at the levels of chondroitin-6-sulfotransferase and chondroitin synthase III in both laryngeal and colorectal cancer. Besides, in healthy larynx the specified enzymes were expressed intensively compared to cancer but the opposite profile was obtained in colon. In colorectal cancer, dermatan-4-sulfotransferase mRNA levels were in decreasing amounts in both macroscopically normal and cancerous tissues but its protein levels were constant in cancer. In laryngeal samples D4ST1 was expressed mainly in the healthy tissues but the oppοsite profile was obtained for colorectal samples. The CpG island near the promoter region of the D4ST1 gene in both colorectal and laryngeal cancer was fully unmethylated therefore it did not affect the enzyme expression another regulatory mechanism(s) should be considered. C4ST1 levels were trivial in healthy tissues and pre-cancerous situations in colon samples. In advanced stages C4ST1 was expressed about at the same levels in both normal and cancerous specimens. Its promoter was heavily methylated in the pathologic specimens but the unmethylated allele was not intense possibly due to semimethylation. In laryngeal tissues, C4ST1 gene expression was very low in healthy specimens and increased in patients' specimens. Its expression seemed to be controlled via methylation of a CpG island, since hypomethylation of the gene was observed in the pathologic samples compared to the macroscopically normal samples RT-PCR analysis indicated that in colorectal cancer dermatan sulfate epimerase mRNA levels were elevated in the pathologic specimens in the advanced stages. ...

Οι θειωμένες γλυκοζαμινογλυκάνες είναι σημαντικά μόρια του εξωκυττάριου χώρου που επιτελούν σημαντικές διεργασίες. Η βιοσύνθεσή τους επιτυγχάνεται με τη συμμετοχή πολλών ενζύμων που έχουν διάφορους ρόλους. Τα κυριότερα ένζυμα που βιοσυνθέτουν θειική χονδροϊτίνη/ δερματάνη είναι οι συνθάσες χονδροϊτίνης, οι γλυκοσυλοτρανσφεράσες, οι σουλφοτρανσφεράσες και η επιμεράση της θειικής δερματάνης. Οι συνθάσες χονδροϊτίνης έχουν διττό ρόλο, γιατί έχουν δύο ενεργά κέντρα: Το ένα προσθέτει γλυκουρονικό οξύ και το άλλο Ν-ακετυλογαλακτοζαμίνη στο μη αναγωγικό άκρο μιας νεοσυντιθέμενης αλυσίδας. Παράλληλα, οι σουλφοτρανσφεράσες προσθέτουν θειικά σε συγκεκριμένες θέσεις ενώ η επιμεράση μετατρέπει κατάλοιπα γλυκουρονικού σε ιδουρονικό πριν συμβεί θείωση του δισακχαρίτη. Οι συνθάσες χονδροϊτίνης είναι οι εξής: CHSY1, CHSY2 (CHPF) και CHSY3. Η γλυκουρονυλοτρανσφεράση θειικής χονδροϊτίνης είναι η CSGlcA-T. Οι κυριότερες σουλφοτρανσφεράσες είναι οι C4ST1, D4ST1 και CHST3. Η μελέτη των ενζύμων αυτών στον καρκίνο είναι εξαιρετικού ενδιαφέροντος, γιατί έχει βρεθεί ότι οι γλυκοζαμινογλυκάνες συμμετέχουν στην ανάπτυξη του καρκίνου. Έχει παρατηρηθεί ότι οι γλυκοζάμινογλυκάνες υφίστανται ποιοτικές και ποσοτικές μεταβολές στους διάφορους καρκίνους. Οι μεταβολές αυτές φαίνεται να συμβάλλουν τόσο στην ανάπτυξη του καρκίνου όσο και στον φαινότυπό του. Η κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν στις μεταβολές των γλυκοζαμινογλυκανών είναι πολύ σημαντική. Η μελέτη επικεντρώθηκε στις μεταβολές που υφίστανται τα παραπάνω ένζυμα στον καρκίνο του παχέος εντέρου και του λάρυγγα. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: RT-PCR ανάλυση έπειτα από απομόνωση ολικού RNA, Western blotting ύστερα από διαδοχική εκχύλιση με PBS, υδροχλωρική γουανιδίνη και υδροχλωρική γουανιδίνη Triton-X100 για τη διερεύνηση της έκφρασης των γονιδίων, μεθυλοειδική PCR (MSP) για τη διερεύνηση των επιγενετικών μηχανισμών μετά από απομόνωση DNA και μέτρηση της δραστικότητας C-4 σουλφοτρανσφεράσης με χρήση αποθειωμένης δερματάνης ως υπόστρωμα. Στα δείγματα του παχέος εντέρου, η έκφραση της συνθάσης χονδροϊτίνης Ι ήταν υψηλότερη στα πρώτα στάδια του καρκίνου. Επίσης, ήταν αρκετά υψηλή στα μακροσκοπικά φυσιολογικά δείγματα που είναι παρακείμενα στους καλοήθεις όγκους. Στους τελευταίους και στους υγιείς ιστούς δεν υπήρχε σημαντική έκφραση του ενζύμου. Όσον αφορά τον λάρυγγα η έκφραση ήταν υψηλή στα παθολογικά δείγματα και ελαφρώς χαμηλότερη στα υγιή. Τα φυσιολογικά δείγματα δεν παρουσίαζαν σημαντική έκφραση του ενζύμου. Ο παράγοντας πολυμερισμού της χονδροϊτίνης, είχε υψηλότερη έκφραση στα παθολογικά δείγματα σε σχέση με τα φυσιολογικά στον καρκίνο του παχέος εντέρου. Επίσης, φαίνεται να αυξανόταν στα παθολογικά δείγματα με το στάδιο του καρκίνου. Η έκφρασή του στους υγιείς ιστούς και στους παρακείμενους μακροσκοπικά φυσιολογικούς ιστούς των αδενωμάτων ήταν περιορισμένη. Αντίθετα, στα λαρυγγικά δείγματα η έκφρασή του ήταν αυξημένη στους υγιείς ιστούς. Η γλυκουρονυλoτρανσφεράση θειικής χονδροϊτίνης είχε περιορισμένη και σταθερή έκφραση στα πρώτα στάδια του καρκίνου του παχέος εντέρου αλλά στα ανώτερα στάδια αυξανόταν στα παθολογικά δείγματα. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις στη έκφραση των γονιδίων συνθάση χονδροϊτίνης ΙΙΙ και 6-σουλφοτρανσφεράση θειικής χονδροϊτίνης στον καρκίνο του παχέος εντέρου ή του λάρυγγα. Παρόλο αυτά, στον υγιή λάρυγγα τα δύο αυτά ένζυμα εκφράζονταν περισσότερο από τον καρκίνο. Το αντίθετο ισχύει για το υγιές παχύ έντερο που παρουσίαζε περιορισμένη έκφραση των δύο αυτών γονιδίων σε σχέση με τον καρκίνο. Τα επίπεδα mRNA της C-4 σουλφοτρανσφεράσης της θειικής δερματάνης στον καρκίνο του παχέος εντέρου φαίνεται να μειώθηκαν με το στάδιο του καρκίνου αλλά τα επίπεδα της πρωτεΐνης ήταν σταθερά. Στην υγιή κατάσταση το ένζυμο υποεκφραζόταν αλλά το αντίθετο ίσχυε για τα λαρυγγικά δείγματα. Επίσης, η περιοχή του υποκινητή του γονιδίου που εξετάστηκε παρέμενε πλήρως αμεθυλίωτη τόσο στα λαρυγγικά όσο και στα δείγματα του παχέος εντέρου κάτι που σημαίνει ότι πιθανώς δεν υπάρχει ρύθμιση της έκφρασης με μηχανισμό μεθυλίωσης του υποκινητή. Τα επίπεδα mRNA της επιμεράσης της θειικής δερματάνης ήταν αυξημένα στα παθολογικά δείγματα στα ανώτερα στάδια του καρκίνου του παχέος εντέρου. Η έκφραση αυτή φαίνεται να επηρεάζεται από τη μεθυλίωση του υποκινητή του γονιδίου. Στα λαρυγγικά δείγματα δεν έγινε ανίχνευσή της στα φυσιολογικά δείγματα παρά μόνο στα παθολογικά και σε μικρότρο βαθμό στα υγιή. Σε ορισμένα τουλάχιστον παθολογικά λαρυγγικά δείγματα φαίνεται να υπάρχει υπομεθυλίωση του υποκινητή του γονιδίου. ...