Serotonin beyin tümörlerinin büyümesinin kontrolünde doğrudan rol oynar.

Serotonin esas olarak bir nörotransmitter olarak bilinir. Bununla birlikte, bu molekül, örneğin hücresel ve hücre dışı proteinlere bağlanarak ve böylece onları serotoninleştirerek de reaksiyona girebilir. Daha önce, yalnızca DNA'yı paketleyen değil, aynı zamanda gen aktivitesini de düzenleyen ana kromatin proteinleri olan histonların da serotoninasyona duyarlı olduğu gösterilmişti. Serotonin ve gen ifadesi arasındaki ilişki henüz tam olarak anlaşılamamış ve altta yatan moleküler ve fizyolojik süreçler daha da az anlaşılmıştır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki araştırmacılar, serotoninin, temel transkripsiyon faktörlerinin ifadesini sınırlayarak ve bu tümörleri çevreleyen nöronların aktivitesini etkileyerek beyin tümörlerinin gelişimini düzenlediğini göstermiştir. Bu, kötü huylu tümörlerin korunması için böyle bir mekanizmayı tanımlayan ilk çalışmadır.

Kötü huylu tümörler için tedavi arayışlarında araştırmacılar yalnızca tümörün kendisini değil aynı zamanda onu çevreleyen sağlıklı dokuyu da inceliyorlar. Geçtiğimiz yıl Nature dergisi, glioblastomanın bir hastanın sinir yollarını değiştirdiğini, bilişsel sorunlara ve hayatta kalma oranının azalmasına yol açtığını gösteren bir çalışma yayınladı (S. Krishna ve ark., 2023. İnsan sinir devrelerinin glioblastoma yeniden modellenmesi hayatta kalma oranını azaltır ). Sinirsel aktivite ayrıca glioma hücre bölünme oranını da artırır (V. Venkataramani ve ark., 2019. Glioma hücrelerine glutamaterjik sinaptik girdi beyin tümörü ilerlemesini yönlendirir ). Benzer süreçlerin, beynin ventriküllerini kaplayan dönüştürülmüş hücrelerden oluşan bir tümör olan ependimomda meydana geldiği bulunmuştur.

Ependimom (özellikle pediatrik ependimom ), kemoterapiye dirençli agresif bir tümördür. Çocuklarda beş yıllık sağkalım ortalama %60'tır, ancak bu büyük ölçüde tümörün moleküler özelliklerine bağlıdır. En agresif varyantlardan birinin, kimerik bir ZFTA1-RELA genine sahip ependimom olduğu düşünülmektedir (ZR-FUS; C. Ng ve ark., 2023. Moleküler olarak açıklanmış pediatrik supratentoryal ZFTA- füzyonlu ependimomanın çok kurumlu retrospektif birleştirilmiş sonuç analizi ). Bu, bu hücrelerin DNA'sında, işlevleri yeterince anlaşılmamış bir çinko parmak proteini kodlayan ZFTA1 ve RELA genlerinin ve bir transkripsiyon faktörünün tek bir büyük protein olarak ifade edildiği anlamına gelir. Bu kimerik protein çeşitli kromatin faktörlerine bağlanır ve sinir hücrelerindeki tümör mekanizmalarını tetikleyen onkogenlerin transkripsiyonunu aktive eder.

Stephen C. Mack'in St. Jude Çocuk Araştırma Hastanesi'ndeki laboratuvarı, ZR-FUS ependimomunun moleküler mekanizmalarını uzun süredir inceliyor ve bu tümörün bir dizi fare modelini geliştiriyor. Benjamin Deneen'in Baylor Tıp Fakültesi'ndeki laboratuvarı ise sinir uyarılarının beyin tümörü hücreleriyle etkileşimini inceliyor. Birlikte, ruh hali, öğrenme ve tatminden bağırsak hareketliliğinin düzenlenmesi, rahim kasılmaları, bağışıklık ve diğerleri gibi fizyolojik olaylara kadar çeşitli süreçlerde rol oynayan bir nörotransmitter olarak bilinen serotoninin , ZR-FUS ependimom gelişiminin düzenlenmesinde bir şekilde rol oynadığı hipotezini öne sürdüler.

Onları bu fikre iten neydi? Gerçek şu ki, sadece birkaç yıl önce, araştırmacılar serotoninin diğer proteinlere bağlandığında ne yaptığını açıklayabildiler. Serotoninilasyon adı verilen bu olgu, 1950'lerin sonlarında tanımlanmıştır: monoamin nörotransmitterler (bir amino grubuna sahip nörotransmitterler: dopamin , serotonin, katekolaminler ) proteinlere bağlanabilir (D. Clarke vd., 1959. Aminlerin proteine ​​dahil edilmesi ). Doku transglutaminaz enzimi bu süreçte rol oynar. Sadece 30 yıl sonra, serotoninilasyonun trombositler tarafından kanın pıhtılaşması için önemli olduğu açıklığa kavuştu (G. Dale vd., 2002. Uyarılan trombositler, hücre yüzeyindeki prokoagülan proteinlerin tutulmasını artırmak için serotonin kullanır ).

Ancak, çekirdekte DNA paketlenmesinde ve işlevlerinin düzenlenmesinde rol oynayan temel proteinler olan histonlar konusu hâlâ cevapsızdı. Tipik olarak, bu tür modifikasyonlar ( metilasyon , asetilasyon, ubikitinasyon vb.) kromatin işlevini kontrol eder: zamanında gen ifadesini destekler ve DNA hasarı onarımı ve replikasyonuna katılırlar. Ancak serotoninin tam olarak ne işe yaradığını ancak 2019'da öğrendik (L. Farrelly ve ark., 2019. Histon serotonyasyonu, TFIID'nin H3K4me3'e bağlanmasını artıran izin verici bir modifikasyondur ).

Çinli ve Amerikalı araştırmacılar, serotoninin histon H3'ün glutamin-5'ine (H3Q5-ser, Şekil 2) bağlandığını göstermiştir. Bu amino asit kalıntısının yanında bir diğer önemli modifikasyon olan lizin-4 bulunur ve üç metil grubu içerir (H3K4me3). Bu modifikasyon, aktif olarak transkripsiyona uğrayan genlerin aktif promotörleri için bir belirteçtir. Bu iki modifikasyonun yakınlığı tesadüf değildir. Serotoninilasyonun, Transkripsiyon Faktörü II D (TFIID) protein kompleksinin H3K4me3 işaretli promotöre bağlanmasını kolaylaştırdığı ve gen transkripsiyonunu başlattığı ortaya çıkmıştır. Bu çift işaret, gen transkripsiyonunu daha da uyaran bir faktör görevi görür. Histon H3 serotoniliasyonu, serotonin üreten ana organlar olan beyin ve bağırsakta en belirgindir.

Araştırmacılar, ZR-FUS'lu ve ZR-FUS'suz ependimomalardaki gen ekspresyonu farklılıklarını karşılaştırdıklarında, ZR-FUS'un sinaps oluşumu ve nöronal fonksiyonla ilişkili genlerin aktivitesinde artışa yol açtığını buldular. Tümör artmış nöronal aktivite sergiledi. Bu gözlemleri doğrulamak için yazarlar DREADD (Tasarımcı İlaçlar Tarafından Yalnızca Aktifleştirilen Tasarımcı Reseptörleri) yöntemini kullandılar. Bu yöntem, nörobiyolojide beyindeki belirli nöronları spesifik olarak aktive etmek için en yaygın kullanılan yöntemdir. Bu, spesifik bir ilaç tarafından seçici olarak bağlanan reseptörleri kodlayan genetik yapıların beyne sokulmasıyla elde edilir. Bu durumda, yazarlar hM3Dq reseptörünü (insan muskarinik reseptörü 3'ün modifiye edilmiş bir versiyonu) kodlayan adeno ilişkili virüsleri ZR-FUS ependimoması olan yenidoğan farelerin beyinlerine enjekte ettiler. Reseptör nöronlarda eksprese edildi ve daha sonra nöronal aktivasyona yol açan klozapin N-oksit ile aktive edildi. Tümörle aynı yarımkürede nöronlar aktive edildiğinde aktif hücre proliferasyonu başladı (Şekil 3, c, d).

Ancak bunlar tüm yarımküreden nöronlardı. Bu tür yapıları daha hassas bir şekilde tanıtarak, örneğin serotonin salgılayan raphe çekirdeklerini aktive etmek mümkün olabilirdi. Tümör hücreleri bunu kendileri sentezleyemez, bu yüzden beyinde zaten mevcut olanı kullanırlar. Burada ise durum tamamen farklıydı: raphe çekirdekleri aktive olurken, yani daha fazla serotonin salgılarken, tümör küçüldü (Şekil 3, f, g). Benzer bir hM4Di reseptörü tanıtımıyla raphe çekirdekleri inhibe edildiğinde tümör büyümesi arttı (Şekil 3, i, j). Dolayısıyla yazarlar, özellikle ependimoma hücreleri serotonini emebildiği için, serotoninin tümör büyümesini sınırladığından emindiler.

Bir sonraki adımda, yazarlar histonlarla ilişkili serotoninin rolünü araştırdılar. Serotonin gen ifadesini etkileyebildiğine göre, ZR-FUS kimerik proteininin neden olduğu epigenetik değişikliklerle de ilişkili olabilir mi? İlginç bir şekilde, çift histon modifikasyonu H3Q5-ser seviyesi, insan ZR-FUS tümörlerinde diğer mutasyonlara sahip ependimomlara göre daha yüksekti. Ayrıca, tümörde çevre dokuya göre de daha yüksekti (Şekil 4, a, b, c).

Histon serotonyülasyonu ayrıca ZR-FUS ependimomunu taşıyan farelerin sağ kalımını da etkilemiştir. Yazarlar, farelerde glutamin 5-alanin ikamesi (H3.3-Q5A) ile histon H3.3'ü ifade etmişlerdir; bu modifikasyon serotonine dönüşmemiştir, ancak modifiye edilmiş histon kromatinin bir parçası haline gelir (Şekil 4, d). H3.3-Q5A mutasyonu olan 17 fareden yalnızca dördünde tümör gelişmiştir ve bu dört vakada bile serotonyülasyon seviyesi, vahşi tip H3.3 ifade eden kontrol hayvanlarından daha düşüktü (Şekil 4, e). Yazarlar, dorsal raphe çekirdeğinin nöronları tarafından salgılanan serotoninin tümör büyümesini azaltan etkisinin aksine, histon serotonyülasyonunun tümör ilerlemesini uyardığı sonucuna varmışlardır. Ayrıca, serotonini salgılayan nöronlar tarafından geri alımı engellenirse, yani mevcut serotonin miktarı artarsa, histon H3'ün serotonyülasyon seviyesi de azalır.

Bu farklılıkları açıklamak için araştırmacılar, histon serotonyülasyonundan hangi genlerin etkilendiğini incelediler. Kromatin immünopresipitasyonunu takiben dizileme (ChIP-seq) yöntemini kullandılar. H3Q5-ser'in açık kromatin bölgelerinde ve ZR-FUS kimerik proteininin DNA'ya bağlandığı bölgelerde bulunduğunu keşfettiler. DNA dizilerini analiz ettikten sonra, yazarlar ZR-FUS ependimomasının gelişiminde rol oynayan transkripsiyon faktörlerinin aynı bölgelerdeki DNA'ya bağlanabileceğini keşfettiler. Araştırmacıların hipotezi, H3Q5-ser ve ZR-FUS proteininin birlikte tümör oluşumu ve sürdürme faktörlerinin ekspresyonunu artırdığıydı.

Bu faktörleri tespit etmek için in vivo barkodlama taraması adı verilen bir yaklaşım kullanıldı. Her biri ek nükleotidlerden oluşan farklı bir "barkod" ile etiketlenmiş 38 aday transkripsiyon faktörünün genleri, PiggyBack transpozonuna eklendi. Bu transpozon, hücre genomuna entegre olarak kodlanmış geni ifade etme yeteneğine sahiptir. Transpozonlar, ZR-FUS ependimom taşıyan fare embriyolarına yerleştirildi. 70. günde, farelerden tümörler izole edildi ve her barkoddan gelen sinyal miktarı ölçüldü. Hücrelerin DNA'sında belirli bir barkod ne kadar sık ​​bulunursa, tümör oluşum sürecinden o kadar çok hücre sağ kurtuldu ve tümörde o kadar çok transkripsiyon faktörü mevcuttu (ancak bu, yazarlar tarafından kullanılmayan başka yöntemler kullanılarak da incelenebilirdi).

Dört transkripsiyon faktörü daha yaygındı: LHX2, LHX4, ETV5 ve KLF12 (Şekil 5a). Ancak, tümörde ayrı ayrı ifade edildiklerinde, yalnızca ETV5'in tümör büyümesini hızlandırdığı ve fare sağkalımını azalttığı ortaya çıktı (Şekil 5b). Tersine, bu genin nakavt edilmesi sağkalımı artırdı. Bu nedenle, ETV5, ZR-FUS ependimomda transkripsiyon süreçlerini düzenleyen ana protein olarak kabul edildi. Bu genin artan ifadesinin, genleri transkripsiyon için daha az erişilebilir hale getirdiği ortaya çıktı - bu bölgelerdeki kromatin, inaktif kromatinin H3K27me3 işareti olan lizin 27'deki trimetile histon H3 yerine, aktif kromatinin H3K27ac işaretini (lizin 27'de asetillenmiş histon H3) taşır. Transkripsiyon faktörünün kendisi, ortaya çıktığı gibi, transkripsiyonel baskılamada ve inaktif bir kromatin durumunun sürdürülmesinde rol oynayan çok sayıda proteine ​​bağlanır. Bu nedenle ZR-FUS ependimomunda transkripsiyon faktörü ETV5, transkripsiyon için DNA'nın kullanılabilirliğini azaltır.

"Kapatılan" genler arasında ilginç bir lokus Npy geniydi. Npy geni, sinirsel aktiviteyi düzenleyen ve davranışsal tepkilerde rol oynayan hücre dışı nöropeptid Y'yi kodlar. Daha önce birkaç farklı tümör bağlamında incelenmiş olmasına rağmen, ependimom gelişiminin düzenlenmesinde rol oynadığı ilk kez ortaya çıkmıştır. Npy olmadan, tümör etrafındaki sinaptik aktivite artar ve tümör büyümesini destekler. Ekspresyonunu geri kazandırmak hem sinirsel hiperaktiviteyi azaltabilir hem de ependimom büyümesini azaltabilir.

Artan ekspresyonla birlikte, ZR-FUS ependimomlu farelerin hayatta kalma oranı artmış ve tümör çevresindeki sinaptik aktivite azalmıştır. Böylece NPY, nöronal hiperaktiviteyi ve tümör büyümesini azaltır. ZR-FUS ependimomlarında, bu peptidin ekspresyonu inhibe edilerek aktif tümör hücresi bölünmesi desteklenir.

Özetle, yazarlar serotoninin yalnızca beynin sinaptik ağlarında değil, aynı zamanda posterior raphe çekirdeklerindeki nöronlar aracılığıyla ependimom büyümesini engellemede de önemli bir rol oynadığı sonucuna varmışlardır. Dahası, kortikal nöronal aktivite tümör gelişimini hızlandırır. Bu ilginç bir gözlemdir, çünkü daha önce konuşma ve duyusal bilgiler de dahil olmak üzere birçok sinirsel aktivitenin glioma büyümesine katkıda bulunduğu gösterilmiştir. Ancak ependimom durumunda, farklı nöron tipleri tümör ilerlemesini farklı şekilde düzenler.

Serotoninin yalnızca bir nörotransmitter değil, aynı zamanda gen aktivitesini doğrudan düzenleyen bir molekül olması, çeşitli hastalıkların anlaşılması açısından önemli çıkarımlar sunmaktadır. Antidepresanlar gibi serotonin fonksiyonunu düzenleyen ilaçların, yalnızca psikiyatrik rahatsızlıkların değil, diğer rahatsızlıkların da tedavisinin önemli bir parçası haline gelmesi mümkündür.

Kaynak: Hsiao-Chi Chen, Peihao He, Malcolm McDonald, Michael R. Williamson, Srinidhi Varadharajan, Brittney Lozzi, Junsung Woo, Dong-Joo Choi, Debosmita Sardar, Emmet Huang-Hobbs, Hua Sun, Siri M. Ippagunta, Antrix Jain, Ganesh Rao, Thomas E. Merchant, David W. Ellison, Jeffrey L. Noelbels, Kelsey C. Bertrand, Stephen C. Mack ve Benjamin Deneen. Histon serotonilasyonu ependimoma tümör oluşumunu düzenler // Doğa . 2024.DOI: 10.1038/s41586-024-07751-z.

Ekaterina Gracheva