Enflamasyon ve yaygın kromozomal anormallikler arasındaki yeni bağlantı, çeşitli maligniteleri tedavi etmek için yeni stratejiler ortaya koymaktadır.
Normal hücrelerde olduğu gibi, her bir kromozomun iki kopyasına sahip olmak yerine, kanser hücrelerinde bir ila beş ya da altı kopya bile bulunabilir; ve bazen kromozom parçaları kendi başlarına, bir veya birden fazla kopya halinde bulunur. Bu tür genomik kaosa neden olan fenomen, kromozomal kararsızlık (CIN) olarak bilinir. Kanser araştırmacıları ve klinisyenler, uzun süredir CIN’i ileri ve metastatik kanserlerin ayırt edici özelliği olarak takdir etmişlerdir.
Onkologları hayal kırıklığına uğratacak şekilde, CIN ile kanserleri hedef alan iyi bir tedavi yoktur. Hastalar basitçe birkaç tur sistemik kemoterapi ve radyasyon alabilirler. Metastazları tedavi etmek için mevcut tek seçenek, diğer yan etkilerin yanı sıra bazen hafıza kaybı veya diğer bilişsel eksikliklerle sonuçlanan nörolojik toksisite riski taşıyan beyne radyasyon verilmesi de vardır.
Bir hücre biyoloğu için bu bir ikilemdir. Normal hücrelerdeki kromozomların mitoz sırasında iki yavru hücre arasında nasıl eşit olarak dağıldığını biliyoruz. Süreç o kadar karmaşık ve o kadar kontrolludur ki (birçok dokuda hücre bölünmesi aslına uygun ve günlük olarak gerçekleşir) evrimin hatasız gerçekleşmesini sağlamak için birden fazla yedekleme mekanizması tasarlamıştır. Nadiren de olsa hataların meydana geldiği durumlarda, anormal kromozom sayılarına sahip hücreler hızla temizlenir. Ama kanser farklıdır. Tümör hücreleri kromozomal anormalliklere oldukça toleranslıdır ve bu tür büyük ölçekli genomik değişiklikler genellikle hastalığın ilerlemesi ile el ele gider. Yine de, CIN’in kanser ilerlemesini ve metastazı teşvik etmede aktif bir rol oynayıp oynamadığı belirsizliğini koruyor.
Birkaç yıl önce, kanserin ilerlemesini CIN’in mi yönlendirdiğini yoksa bunun sadece ayrı bir fenomen olup olmadığını belirlenmeye çalışıldı. Çeşitli metastatik, kromozomal olarak kararsız kanser hücrelerini genetik olarak manipüle edildi ve taşıdıkları diğer genetik anormallikleri etkilemeden CIN seviyeleri düşürüldü. İlginç bir şekilde, CIN’i kaybeden kanser hücreleri de yayılma yeteneklerini kaybetti. Şaşırtıcı bir şekilde, CIN’in kalıcı ve için için yanan iltihaplanma oluşturarak kanserin yayılmasını desteklediği bulundu. Bu hücrelerin nihayetinde birincil (primer) tümörün bulunduğu bölgeden kurtulmasını ve uzak organları kolonize etmesini sağlayan, vücudun kendi bağışıklık tepkisidir.
2018’de Nature‘da yayınlanan bu bulgu, kararsız olma eyleminin kanserin evrimleşme yeteneği için kritik öneme sahip olduğunu gösterdi. Aynı zamanda bir fırsattı: CIN-ful kanserleri tedavi etmek için anormal kromozomlu hücrelere yol açan süreçleri hedefleyebilir miyiz? Genomu bir şekilde kararlı yaparak veya kronik enflamasyon CIN nedenlerini hafifleterek metastazı durdurabilir miyiz? Anormal kromozom sayılarına sahip hücreleri temizlemek için bağışıklık sistemini yeniden eğitebilir miyiz?
Bu kritik soruları ele almak için tek hücreli genomik, matematiksel modelleme ve klinik örneklemeyi birleştiren hücre biyolojisine dayanan disiplinler arası bir yaklaşım kullanıldı. Böyle entegre bir yaklaşımla, CIN’in kanser hücresi davranışını nasıl değiştirdiğini ve kanser ilerlemesini sürdürmek için uyarlanabilirliği nasıl desteklediğini anlayabiliriz. Ayrıca, kanser hücrelerinin CIN’i tolere etmesini sağlayan hücresel yolaklar ortaya çıkarılabilir ve bu yolakları terapötik fayda için hedefleyebiliriz.
Gözden kaçan bir kanser damgası
Araştırmacılar 2006’da ilk kanser genomlarını dizilediğinden beri, kanser oluşumunu destekleyen genetik değişiklikler hakkındaki anlayışımız istikrarlı bir şekilde gelişti. Yol boyunca, bilim adamları, bu sürücü genler (driver genes) engellenirse, tümörün kendi yerinde durdurulabileceği varsayımıyla, tümör ilerlemesinin bireysel genetik sürücülerini hedef alan terapiler geliştirdiler. Hastanın tümör DNA’sını dizileme, bizi hedefe yönelik bir tedaviye yönlendirecek bir genomik değişiklik ortaya çıkarmadığında, kişiselleştirilmiş onkolojinin sınırlamaları netleşir: Birkaç kişi için başarılı olsa da, ilerlemiş maligniteleri olan çoğu hasta için başarısı sınırlı kalır.
Hedefe yönelik bir tedavi uygulanabilir olsa bile, yalnızca ilk başta etkili olabilir. Bunun nedeni, kanserin evrimleşmesi ve çoğu zaman üzerine attığımız ilaçlardan kaçmanın yollarını bulmasıdır. Kanser hücrelerinin emrinde olan en güçlü silahlardan biri, kromozomlarını her bölündüklerinde rastgele karıştırmayı içeren CIN’dir. Kromozom ayrımındaki hatalar yayılır ve çoğalır. Bu, anöploidi olarak bilinen bir fenomen olan kromozomal kompozisyonlarında ve kopya sayılarında büyük miktarda heterojenliğe sahip bir kanser hücresi popülasyonu ile sonuçlanır. Gerçekten de, yüksek seviyelerde CIN ve anöploidi, birden fazla terapi turundan sonra nüksetmiş ve hastanın kanseri bir noktada terapi ile alt edilmiş olsa bile, tek bir mutasyona uğramış geni inhibe eden bir ilaca yanıt vermeyen gelişmiş tümörlerin özellikleridir.
Araştırmacılar on yıllardır anöploidinin insan kanserinin karakteristik bir özelliği olduğunu biliyorlardı, ancak 1997 yılına kadar kanser hücresi heterojenitesini teşvik etmede CIN’in rolünü gösterenediler. Bu çalışma, CIN’in her bir kromozomun kopya sayısını ve sonuç olarak bu kromozomlar üzerinde kodlanmış genlerin kopyalarını ayarlayarak kanser evrimini ve ilerlemesini aktif olarak besleme potansiyeline sahip olduğunun hemen anlaşılmasına yol açtı. Daha yakın tarihli bir çalışma, insan kanserlerinin, onkogenleri barındıran kromozomların sayısını en üst düzeye çıkararak ve tümör baskılayıcı genleri taşıyanları en aza indirerek gerçekten de uygunluklarını artırdığını ortaya koydu.
İnsan kanseri için önemine rağmen, CIN, yeni nesil dizilemenin yaygın olarak benimsenmesinin getirdiği metodolojik devrim sayesinde, laboratuvardaki genetik mutasyonlara arka planda kaldı. Bu gelişme, kanser araştırma topluluğunun dikkatini doğrudan tek tek genlerin kansere katkısına odakladı. Bu, tümör başlangıcı sırasında birçok genin oynadığı rol hakkındaki bilgimizi genişleten önemli keşiflere yol açtı. Ancak yaklaşım, büyük ölçekli kromozomal anormalliklerin etkisini ve bunların gen işlevini ve kanser hücresi davranışını nasıl etkileyebileceğini gözden kaçırdı. Toplu tümör örneklerinden saflaştırılmış DNA dizilimi, kromozomların tam genetik koduna çok daha ayrıntılı bir bakış sağlarken, bu taktik, DNA dizilerindeki değişikliklerin genomun genel yapısına nasıl uyduğuna dair bir harita sağlamaz.
Son on yılda araştırmacılar, büyük ölçekli kromozomal değişikliklere daha fazla ağırlık vermeye başladılar. CIN edinen kanserlerin artık kansere yol açan onkogene bağlı olmadığı ortaya kondu. Gerçekten de, araştırmacılar onkogen KRAS tarafından yönlendirilen akciğer kanserlerinin oluşumunu teşvik ettiğinde farelerde, genetik manipülasyonlar kullanılarak onkogen geri çekildiğinde tümör gerilemesi gözlemlediler. Bununla birlikte, bu gerileme etkisi, tümörler kromozomal olarak kararsız olacak şekilde daha da geliştirildiğinde ortadan kaldırıldı. Bu çalışmanın, kanserlerin, tanımı gereği KRAS gibi onkojenik sürücüleri engellemeyi amaçlayan hedefe yönelik tedavilere nasıl direnç kazanabileceğini anlamamız için önemli çıkarımları vardır .
CIN’in kanserdeki rolünü gösteren bu ve diğer çalışmalar sayesinde, kanser genomiği ve hücre biyolojisi alanlarını ayıran ayrım giderek aşınmıştır. Kromozomlar, teknolojik olarak gelişmiş genomik yaklaşımlar kullanılarak deşifre edilebilen genetik kodu taşırken, yaşam döngüleri ve segregasyonları sırasında
hücre bölünmesi temelde ışık mikroskobu altında nispeten yüksek çözünürlükle izlenebilen fiziksel bir süreçtir. Örneğin, mitoz sırasında ayrışma hatalarına uğrayan kromozomlar, birincil çekirdekten ayrı olarak mikro çekirdek adı verilen küçük DNA içeren yapılarda son bulur. Mikronükleus, kanser hücrelerini normal çevre dokularından ayıran benzersiz bir özellik olarak uzun zamandır takdir edilmektedir. Birden fazla grup, mikroçekirdekleri çevreleyen zarfların sıklıkla yırtıldığını, kromozomları sitoplazmaya döktüğünü, burada DNA’yı ve diğer proteinleri parçalayabilen enzimlere maruz kaldıklarını göstermiştir. Bu da kromozomların parçalanmasına yol açar.
Bu yaygın kromozomal kırılmaların ardından, bazı parçalar kaybolurken, diğerleri düzensiz veya yanlış yönelimde rastgele bir araya getirilerek yeni, oldukça anormal kromozomların doğuşuna yol açar. Bu süreç kromotripsis olarak bilinir ve araştırmacılar son zamanlarda bunu kanser ilerlemesini körükleyen kritik bir mekanizma olarak tanımladılar. Kromotripsis, kromozom sayılarındaki aşamalı değişikliklere ek olarak, tüm kromozomların bir kerede toptan yeniden düzenlenmesi yoluyla kanser için bir ikramiyeye yol açabilir. Bu şekilde kromotripsis, onkogenleri hızla çoğaltabilir ve tümör baskılayıcı genleri bertaraf edebilir. Artık bu sürecin onkogenleri kromozomun oldukça aktif bölgelerinin yanına yerleştirebileceğini ve kromozom dışı dairesel DNA oluşumunu teşvik edebileceğini de biliyoruz.
Kanserde kromozomal kaos uzun süredir tanınmasına rağmen, kromotripsin nasıl gerçekleştiğine dair anlayışımız, en son genomik ve en son mikroskopi tekniklerini birleştirilene kadar gerçekleşmedi. 2015 yılında, daha sonraki genomik analiz için kromozom ayrışma hatalarına dair kanıtlar gösteren tek tek kanser hücrelerinin yakalandığı mikroskopi tabanlı bir teknik geliştirildi. Araştırmacılar, Look-seq olarak adlandırdıkları bu yaklaşımı kullanarak, insan kanser genomlarında sıklıkla görülen karmaşık yeniden düzenleme modellerinin tek bir hücre döngüsü içinde ortaya çıkabileceğini gösterdiler.
| Mikronukleus Oluşum Mekanizmaları Hücre bölünmesi sırasında kromozom ayrımı sırasında mydana gelen çok sayıda hata, kromozomların gerçekte yanlış ayrılmasına sebep olmasa bile, mikroçekirdek oluşumuna yol açabilir. Bu olaylar birbirini dışlamaz veya bağımsız değildir, çünkü bunların her biri yalnızca kromozomal kaosu körüklemeye hizmet eder. | |
 | HATALI EKLER Bölünen bir hücrenin her bir kutbundan gelen mikrotübüller (iğ iplikleri) tek bir sentromere bağlandığında, bu kromozom diğerlerinin gerisinde kalır ve amaçlanan hücreye ulaşsa bile genellikle bir mikronükleus içinde kapsüllenir. |
 | ANÖPLİDİ Hatalı bir mikrotübül bağlanması veya başka bir nedenden dolayı yanlış ayrılma meydana gelirse, yanlış ayrılmış kromozom benzer şekilde kapsüllenebilir. Aksi takdirde, ortaya çıkan anöploid hücre, kromozom gecikmesi ve mikronukleus oluşumu açısından artan bir risk altındadır. |
 | KROMOZOMAL FÜZYONLAR Kısaltılmış veya kırılmış telomerler, kromozomları, disentrik kromozomlar olarak adlandırılan iki sentromerli kromozomlara yol açabilen füzyon olaylarına karşı savunmasız bırakabilir. Hücre bölündüğünde, mikrotübüller her iki santromere bağlanır ve genellikle disentrik kromozomları yavru hücrelere ayırır. Bu kırık kromozomlar, bozulmuş replikasyon nedeniyle hemen veya sonraki bir hücre bölünmesinden sonra mikroçekirdeklerde tutulabilir. |
Kararsızlık ve iltihaplanma
CIN’in kanser metastazındaki rolüne odaklanırken, CIN’in kanserin yayılmasını nasıl sağladığını şaşırtıcı olmuştur. Özellikle, CIN’li kanser hücrelerinin, iltihaplanma ile ilgili yolakların aktivasyonunu gösterdiği ve bu hücrelerin kanser metastazında yer aldığı bilinen birçok enflamatuar molekülü üretmesine ve salgılamasına neden olduğu gözlenmiştir. Bu kanser hücrelerinin laboratuarda kültürlendiği ve henüz hayvanlara verilmediği ve dolayısıyla herhangi bir bağışıklık hücresiyle karşılaşmadığı düşünüldüğünde, bu ilk başta şaşırtıcıydı. Peki bu iltihabın kaynağı neydi?
CIN’li hücrelerin sadece mikroçekirdek üstünlüğüne sahip olmadığı, aynı zamanda yırtılmış mikro çekirdekleri içerenlerin cGAS adı verilen bağışıklıkla ilgili bir enzimi barındırdığı gözlemlenmiştir. 2013 yılında keşfedilen cGAS, sitoplazmada çift sarmallı bir DNA sensörüdür. Böylece, mikro-çekirdeklerin parçalanmasının ve ardından kromozomların sitoplazmaya maruz kalmasının, hücrelerin istilacı bir patojenin DNA’sına tepki vermesiyle aynı şekilde bir tehlike sinyali olarak yorumlanıp yorumlanamayacağı merak edilmiştir. Kopmuş mikroçekirdeklerin güçlü aktivatörler olduğu bulunmuşyur. cGAS ve partner proteini STING, doğuştan gelen bağışıklık aktivasyonuna yol açar. Ancak, temizlenmeden önce sadece birkaç gün süren akut viral enfeksiyonun aksine, kanser hücresi sitoplazması sürekli olarak patlayan mikroçekirdeklere maruz kalır ve kalıcı (sürekli) yolak aktivasyonuna ve kronik enflamasyona yol açar.
Bu nedenle kanser hücrelerinin kendi avantajları için koruyucu bir bağışıklık yolu seçmiş olması gerekirdi. Doğuştan gelen bağışıklık sinyalinin aktivasyonu, ilk etapta birçok kanserin ortaya çıkmasını önleyerek erken tümör gelişimi sırasında koruyucu bir rol oynayabilirken, bir noktada tümör hücreleri bu korumaları geçersiz kılarlar, tümör büyümesi için CIN güdümlü enflamasyona tolerans geliştirirler ve bu yolakları kronik olarak kullanırlar. Kanser hücrelerinin devam eden enflamasyon seviyelerini sürdürme yeteneği, bir organdan diğerine yayılmaları için kritik öneme sahiptir. Bağışıklık hücreleri vücuttaki en hareketli hücre tiplerinden bazılarıdır; bir enfeksiyon veya yarayı algıladıktan sonraki saatler içinde, damar sisteminden geçebilir ve iltihaplı dokularda bulunan yüksek hidrostatik basınçlara karşı hareket ederek yaralanma bölgesine ulaşabilirler.
Kronik enflamasyon ve kanser arasındaki bağlantı iyi kurulmuştur. Aslında, ilk olarak Romalı ansiklopedist Aulus Cornelius Celsus tarafından tanımlanan tüm en önemli iltihap belirtileri (kızarma, sıcaklık, ağrı ve şişlik) kanser için geçerlidir ve çağlar boyunca klinisyenler tümörlere genellikle iyileşmeyen yaralar olarak atıfta bulunmuşlardır. Enflamatuar sinyalin kanser ilerlemesinde oynadığı rol henüz tam olarak aydınlatılamamıştır, ancak CIN gibi içsel genomik anormallikler kanserde devam eden enflamasyonla ilişkilendirilerek, CIN’in yalnızca genetik heterojenliği yönlendirmekle kalmayıp, aynı zamanda genetik dışındaki mekanizmalar yoluyla kanserin yayılmasını da tetiklediğini gösterilmiştir.
| Patlayan Mikronukleus Kanseri Nasıl Teşvik Eder? Mikronukleuslar, kromozomların sitoplazmaya dökülmesine neden olan, genellikle kırılan nükleer zarflara sahiptir. Orada, DNA’yı kaybolabilen, rastgele bağlanabilen veya dairesel ekstrakromozomal DNA olarak bilinen halkalar halinde ilmeklenebilen küçük parçalara parçalayan nükleazlarla karşılaşırlar. Kromo-tripsis olarak bilinen bu süreç, kanseri tetikleyebilen karmaşık yeniden düzenlemeler üretir. Aynı zamanda, sitoplazmada DNA’nın varlığı, viral enfeksiyona karşı bir bağışıklık savunma biçimi olarak geliştiği düşünülen cGAS-STING enflamatuar yolunu tetikler. cGAS enzimi, DNA’yı parçalanmış mikro çekirdekten bağlayarak 2’3′-siklik GMP-AMP’nin (cGAMP) oluşumunu katalize eder, bu da daha sonra STING’i ve akış-aşağı iltihabını aktive eder. Kanserde bol miktarda mikronükleus nedeniyle, kronik olarak aktive edildiğinde, bu enflamasyon tümör büyümesini ve metastazı tetikleyebilir.  |
Kromozomal kararsızlığı hedefleme
Kanser hücrelerinin aksine, normal hücreler kromozom ayrımındaki hataları tolere etmez. Anöploidi’nin metabolik ve mitokondriyal disfonksiyon dahil olmak üzere çoklu hücresel kusurların yanı sıra protein yanlış katlanmasının neden olduğu hücresel stres ile ilişkili olduğu gösterildi. Aslında, insanlar nihayetinde aneuploid hücrelerin temizlenmesine yol açan çeşitli mekanizmalar geliştirmiştir. Normal hücrelerin kromozom ayrışma hatalarına yanıt olarak, bir ana tümör baskılayıcı (tümör süpresör) p53’ü hızla aktive ettiğini ortaya çıkarılmıştır. Böylece gelecekteki hücre bölünmesini ve aneuploid hücrelerin yayılması durdurulur. Bu önemli önlemler, organizmanın genomik bütünlüğünü korumak için mevcuttur ve genellikle iyi çalışırlar. Ancak bunlar kanserde, genellikle ihlal edilirler. Kanser hücrelerinin CIN’in zararlı sonuçlarıyla nasıl başa çıktığını anlamak, önemli bir terapötik fırsatla sonuçlanabilir.
Gerçekten de, kanser hücrelerinin CIN’i tolere etme yeteneğini anlama ve baltalamaya yönelik artan bir ilgi olmuştur. Çok sayıda akademik grup yakın zamanda bu soruyu genetik taramalar kullanarak ele aldı ve bazıları, kaybı yüksek CIN seviyelerine sahip kanser hücreleri için seçici olarak öldürücü olan genleri ve hücresel süreçleri tanımladı. Böyle bir hedef, mitoz sırasında kromozom hareketinde rol oynayan ve CIN’li kanser hücrelerinde hücre bölünmesi için gerekli olan Kif18a adlı bir kinezin proteinidir. İlginç bir şekilde, fonksiyonel Kif18a’dan yoksun fareler minimal kusurlarla yaşayabilir, bu da bu kinezinin hedeflenmesinin gerçekten değerli ve güvenli bir terapötik olabileceğini düşündürmektedir.
Bir başka terapötik strateji, kanser hücrelerinin kronik enflamasyonla başa çıkmasını sağlayan hedeflerin inhibisyonudur. Örneğin ENPP1 kromozomal olarak kararsız kanser hücrelerinde çok fazla yapılır. ENPP1, kanser hücrelerinin dış yüzeyinde bulunan bir enzimdir; cGAS, tümör hücrelerinin sitoplazmasında DNA ile karşılaştığında üretilen cGAMP adlı bir bağışıklık uyarıcı metaboliti bozar. Sağlam bırakılırsa, cGAMP hücreler arasında yayılabilir ve güçlü bir antitümör bağışıklık tepkisi başlatabilir. Bu molekülü hücre dışı boşlukta parçalayarak kanser hücreleri, bağışıklık hücrelerinin CIN’den kaynaklanan iltihabı algılamasını engeller ve böylece onlara çok ihtiyaç duyulan koruma sağlar. Bu, yalnızca tümör hücrelerini bağışıklık sisteminin saldırısından korumakla kalmaz, aynı zamanda cGAMP’nin parçalanması nihayetinde adenosin adı verilen ve bağışıklık hücresi işlev bozukluğunu destekleyen ve kanser hücrelerinin göç etme yeteneğini artıran başka bir metabolit üretir.
Kromozomal instabilite ile bağlantılı hedeflenebilir yolları belirlemek, şimdiye kadar tedavi edilemez olarak kabul edilen bir kanser özelliğiyle mücadele etmek için terapötik olarak müdahale etme fırsatı yarattığından heyecan vericidir. CIN özellikle çekici bir ilaç hedefidir, çünkü yalnızca kanser hücrelerinde bulunur, yani CIN hedefli terapiler, kanser tedavisinin kutsal kâsesi olan normal hücreleri korurken kanser hücrelerini seçici olarak öldürmelidir.
Bilim Blogu: Zor Olanı Sormak! 