Summary. Streszczenie. well known SNPs in SOD1, SOD2, CAT, GPX1 and GPX4 genes and genetic susceptibility to cancer.

Transkrypt

1 ANNALES ACADEMIAE MEDICAE STETINENSIS ROCZNIKI POMORSKIEJ AKADEMII MEDYCZNEJ W SZCZECINIE 2013, 59, 2, Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka Polymorphisms in the oxidative stress-related genes and cancer risk Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie al. Powstańców Wlkp. 72, Szczecin Kierownik: prof. dr hab. n. med. Joanna Bober Summary Oxidative damage induced by the generation of reactive oxygen species (ROS) is thought to be related to human cancer aetiology. Oxidative stress can result in DNA damage, including oxidized bases, formation of DNA adducts and DNA strand breaks, as well as lipid peroxidation, protein modification, membrane disruption and mitochondrial damage. The effect of reactive oxygen species is balanced by the antioxidant action of nonenzymatic antioxidants (e.g. vitamins A, C, E, glutathione and flavonoids), as well as antioxidant enzymes. There are three main types of antioxidant defence enzymes: superoxide dismutases, catalase and glutathione peroxidases. A variety of cancer cells are known to have lower antioxidant enzyme activity when compared with their normal counterparts. Many studies have examined genetic variation in the genes coding for these enzymes and their relationship to cancer risk. Only a few genetic variants (single nucleotide polymorphisms SNPs) in genes related to antioxidant defence were found to be associated with breast, prostate, lung, pancreatic, colorectal and bladder cancer. However, the results from these have been contradictory. Moreover, it is believed that environmental as well as genetic factors are implicated in the development of cancers, and consequently it is important to assess both genetic (including gene gene association) and non genetic (e.g. diet, supplementation, smoking and alcohol consumption) variability in the activities of defence enzymes in relation to cancer. In this review we focus on the biological function of antioxidant defence enzymes, and relationships between well known SNPs in SOD1, SOD2, CAT, GPX1 and GPX4 genes and genetic susceptibility to cancer. K e y w o r d s: cancer risk genetic polymorphism oxidative stress antioxidant enzymes. Streszczenie Jedną z przyczyn powstawania nowotworów złośliwych u ludzi są uszkodzenia oksydacyjne powstające na skutek kumulacji reaktywnych form tlenu (RFT) w komórce. W wyniku stresu oksydacyjnego dochodzi nie tylko do zmian w obrębie DNA, ale również do peroksydacji lipidów, modyfikacji białek, zaburzeń w strukturze błony cytoplazmatycznej oraz uszkodzeń mitochondriów. Równowaga pomiędzy wytwarzaniem a unieszkodliwianiem RFT jest utrzymywana dzięki nieenzymatycznej (np. wit. A, C i E, glutation, flawonoidy) oraz enzymatycznej barierze antyoksydacyjnej. Wyróżnia się trzy główne klasy enzymów biorących udział w obrononie antyoksydacyjnej: dysmutazy ponadtlenkowe, katalazę i peroksydazy glutationowe. Komórki nowotworowe często wykazują obniżony poziom enzymów antyoksydacyjnych w porównaniu z ich prawidłowymi odpowiednikami. Wielu badaczy podjęło próbę oceny związku zmian konstytucyjnych w genach obrony antyoksydacyjnej z ryzykiem rozwoju nowotworów złośliwych. Zidentyfikowano kilka wariantów polimorficznych związanych ze zwiększoną lub obniżoną predyspozycją do rozwoju nowotworu, w tym raka piersi, prostaty, płuc, trzustki, jelita grubego

2 Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka 19 i pęcherza moczowego. Jednakże uzyskane wyniki często pozostają względem siebie sprzeczne. Ponadto, oprócz czynników genetycznych duże znaczenie w kształtowaniu ryzyka zachorowania na raka mają czynniki środowiskowe. Dlatego też pełna analiza związku enzymów obrony antyoksydacyjnej z etiologią nowotworów złośliwych powinna obejmować ocenę zmian genetycznych (w tym interakcji między genami) oraz czynników pozagenetycznych, takich jak dieta, suplementacja antyoksydantów, palenie papierosów czy spożywanie alkoholu. Niniejsza praca poglądowa koncentruje się na biologicznej funkcji poszczególnych enzymów antyoksydacyjnych i aktualnej wiedzy na temat asocjacji pomiędzy znanymi zmianami polimorficznymi w genach SOD1, SOD2, CAT, GPX1 i GPX4 a predyspozycją do rozwoju raka. H a s ł a: ryzyko rozwoju raka polimorfizmy genetyczne stres oksydacyjny enzymy antyoksydacyjne. Wstęp Pod względem częstości nowotwory złośliwe stanowią drugą (po chorobach serca) przyczynę zgonów w Polsce. Statystyki wykazują, iż co czwarty mężczyzna (25,9%) i co piąta kobieta (22,9%) w Polsce umierają z powodu choroby nowotworowej [1]. Geneza nowotworów związana jest z mutacjami DNA w komórce, które powodują jej niekontrolowany podział. Mutacje takie mają najczęściej charakter somatyczny i dotyczą tylko guza. Jednakże oprócz mutacji somatycznych istnieją zmiany genetyczne o charakterze konstytucyjnym, które zwiększają ryzyko zachorowania na nowotwór u ich nosicieli. Zmiany konstytucyjne dotyczą wszystkich komórek organizmu (również komórek germinalnych), a tym samym mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie. Często nowotwory we wczesnym stadium zaawansowania nie wywołują żadnych symptomów klinicznych lub są one mało charakterystyczne i słabo wyrażone, przez co zwykle bagatelizowane przez osoby chore. Tymczasem, jak powszechnie wiadomo, im szybsze rozpoznanie nowotworu złośliwego, tym większe szanse na jego wyleczenie. Coraz większy nacisk kładzie się zatem na rozwój metod diagnostyki przesiewowej, w tym testów genetycznych, których celem jest wyodrębnienie grupy osób z dziedziczną predyspozycją do zachorowania na nowotwór określonego narządu. Świadomość nosicielstwa wadliwego wariantu genu umożliwia wcześniejszą i lepszą kontrolę niedopuszczenie do rozwoju nowotworu poprzez odpowiednią profilaktykę, czy też wcześniejszą detekcję i skuteczniejsze leczenie w przypadku, gdy proces kancerogenezy już się rozpoczął. Jedną z przyczyn powstawania mutacji w komórkowym DNA jest jego uszkodzenie przez reaktywne formy tlenu (RFT). Wśród najważniejszych aktywnych form tlenu wyróżnić można: rodnik hydroksylowy (*OH), tlen singletowy ( 1 O 2 ), anionorodnik ponadtlenkowy (O* ) i nadtlenek wodoru (H 2 O 2 ). Podwyższone stężenie RFT może być przyczyną uszkodzenia istotnych dla komórki układów: białek, lipidów i kwasów nukleinowych [2]. Reaktywne formy tlenu powstają w organizmie w wyniku naturalnych przemian metabolicznych (takich jak reakcje redukcji i utleniana w łańcuchu oddechowym) i odgrywają kluczową rolę w wielu procesach fizjologicznych. Są one bowiem odpowiedzialne za odtwarzanie źródeł energii w postaci adenozyno 5 trifosforanu, transport tlenu przez hemoglobinę, fagocytozę drobnoustrojów, aktywację cytochromu P450, neutralizację substancji toksycznych, apoptozę, regulację ekspresji genów i procesów naprawczych w komórkach oraz proliferację [2, 3]. Z drugiej strony zachwianie równowagi pomiędzy tworzeniem a unieszkodliwianiem reaktywnych form tlenu i przekroczenie określonych ich stężeń w organizmie skutkuje zjawiskiem tzw. stresu oksydacyjnego, który odpowiada za powstawanie wielu chorób cywilizacyjnych, takich jak: cukrzyca, choroby neurodegeneracyjne, choroby układu krążenia, uszkodzenie mięśnia sercowego i niektórych struktur oka [4, 5, 6]. Reaktywne formy tlenu mogą odpowiadać ponadto za inicjację i progresję procesu nowotworowego [3]. W wyniku stresu oksydacyjnego dochodzić może do modyfikacji nukleotydów, rozerwania wiązań fosfodiestrowych łączących nukleotydy, wytwarzania nieprawidłowych połączeń pomiędzy łańcuchami DNA lub DNA i białkami, tworzenia miejsc bezpurynowych czy też aktywacji niektórych protoonkogenów (np. c FO S, c M YC, H R AS ) i/lub inaktywacji genów supresorowych [7]. Liczbę uszkodzeń DNA przez endogenne RFT w przeciętnej komórce człowieka ocenia się na 104 w ciągu doby. Pomimo tego, że w prawidłowo funkcjonujących komórkach uszkodzenia te są usuwane przez wewnątrzkomórkowe systemy naprawcze, mogą także stanowić potencjalne źródło transformacji nowotworowej [2]. Reaktywne formy tlenu są unieszkodliwiane przez antyoksydacyjną barierę enzymatyczną. Dysmutaza ponadtlenkowa katalizuje rozkład anionorodnika ponadtlenkowego do H 2 O 2 i O 2. W kolejnych reakcjach nadtlenek wodoru jest redukowany przez peroksydazę glutationową i katalazę do wody [2]. Komórki nowotworowe często wykazują obniżony poziom enzymów antyoksydacyjnych w porównaniu z ich prawidłowymi odpowiednikami [8, 9, 10]. Drugą linią obrony przed RFT są substancje nieenzymatyczne o właściwościach antyoksydacyjnych (np. wit. A, C, E, glutation i flawonoidy). Niewłaściwa dieta uważana jest za jeden z ważniejszych zewnętrznych czynników warunkujących zwiększone ryzyko zachorowania na raka [7]. Zmiany polimorficzne w genach kodujących enzymy chroniące komórkę przed pojawieniem się stresu oksydacyjnego mogą wpływać na poziom ryzyka zachorowania na nowotwory złośliwe. Obecna wiedza o wpływie zmian w genach obrony antyoksydacyjnej na ryzyko rozwoju raka jest niedostateczna. Zidentyfikowanie markerów genetycznych jednoznacznie definiujących zwiększone ryzyko zachorowania na raka pozwoliłoby na opracowanie testów molekularnych o znaczeniu diagnostycznym.

3 20 Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober Gen SOD1 Gen SOD1 (OMIM ) zlokalizowany jest na długim ramieniu chromosomu 21 (21q22.11). Obejmuje 9308 pz genomowego DNA, z czego 964 pz stanowią sekwencje kodujące (5 eksonów) wyznaczające enzym antyoksydacyjny cynkowo miedziową dysmutazę ponadtlenkową (dysmutazę ponadtlenkową 1; Cu ZnSOD, SOD1) [11]. Enzym SOD1 jest złożoną ze 155 aminokwasów metaloproteiną o masie cząsteczkowej ok. 32 kda. W swej strukturze zawiera jony cynku i miedzi. Cynk nadaje białku wysoką stabilność oraz odporność na fizyczne i chemiczne czynniki denaturujące, zaś pełniąca rolę katalityczną miedź jest niezbędna do efektywnego usuwania anionorodnika ponadtlenkowego. Cynkowo miedziowa dysmutaza ponadtlenkowa występuje głównie w cytoplazmie komórek oraz w niektórych organellach wewnątrzkomórkowych. Jej obecność stwierdzono m.in. w jądrach, lizosomach, peroksysomach i mitochondriach [12]. Pomimo iż gen SOD1 ulega stałej ekspresji, ilość wytwarzanego mrna może się diametralnie zmieniać w zależności od zaistniałych czynników mechanicznych, chemicznych i biologicznych. Wśród czynników wpływających na poziom syntetyzowanego białka wymienia się: szok termiczny, promieniowanie UVB i X, metale ciężkie, nadtlenek wodoru, ozon, tlenek azotu, kwas arachidonowy, środki chemiczne (β naftoflawon, t butylo hydrochinon, jodoacetamid, 2,3,7, 8 tetrachlorodibenzo p dioksyna czy fenobarbital), a także hipoksję i leki przeciwnowotworowe [13]. W obrębie genu SOD1 wykryto 110 mutacji, z których większość jest wiązana z występowaniem stwardnienia zanikowego bocznego (amyotrophic lateral sclerosis ALS), znanego również jako choroba Lou Gehriga. Stwardnienie zanikowe boczne to nieuleczalna, postępująca choroba neurodegeneracyjna, która prowadzi do trwałego uszkodzenia neuronów ruchowych w obrębie rdzenia kręgowego i pnia mózgu. Mutacje w genie SOD1 odnotowuje się u 2% pacjentów z ALS i 10 15% chorych z rodzinną postacią ALS [14]. Dane literaturowe wskazują jednoznacznie na związek genu SOD1 z transformacją nowotworową tkanek. W doświadczeniach na myszach Elchuri i wsp. [15] wykazali większą częstość rozwoju raka wątroby u myszy pozbawionych genu SOD1 (knockout) w porównaniu z myszami typu dzikiego (z normalną ekspresją genu). U myszy niewytwarzających dysmutazy ponadtlenkowej 1 nie obserwowano żadnych anomalii rozwojowych, jednakże charakteryzowały się one znacznie krótszym czasem życia i zwiększonym występowaniem zmian nowotworowych w wątrobie. W komórkach wątroby obserwowano narastające uszkodzenia w obrębie cytoplazmy, jądra i mitochondriów. Wykazano spadek ilości cytoplazmatycznej akonitazy, zwiększony poziom 8 oxo dg i F2 izoprostanów, obniżenie działalności peroksydazy glutationowej i ilości puryn. Wraz z wiekiem zwierząt spadała ponadto aktywność manganowej dysmutazy ponadtlenkowej i anhydrazy węglanowej III. Równolegle do zmian biochemicznych w komórkach wątroby wzrastała ekspresja genów kodujących białka zaangażowane w mechanizmy naprawy DNA (APEX 1, CCND1, CCND3, C M ET ). Obserwacje te potwierdzili Busuttil i wsp. [16], którzy wykazali, iż u myszy pozbawionych genu SOD1 dochodzi do nagromadzenia mutacji DNA w komórkach wątroby i nerek, co prowadzi często do przerostu nowotworowego tychże narządów. Z drugiej strony obserwowana w komórkach rakowych nadekspresja genu SOD1 może przyczyniać się do większej stabilności guza w warunkach stresu oksydacyjnego [17]. Ważną rolę dysmutazy ponadtlenkowej 1 w przeżywalności komórek nowotworowych potwierdzają wyniki badań Blandera i wsp. [18]. Autorzy ci udowodnili, iż interferencja RNA genu SOD1 indukuje śmierć komórek nowotworowych HeLa, podczas gdy normalne komórki ludzkich fibroblastów reagują jedynie nasileniem procesów starzenia komórkowego. Badania Yi i wsp. [19] obejmujące populację chińską wykazały, że nosiciele zmiany G7958A (rs ) w genie SOD1 mają 3 krotnie zwiększone ryzyko zachorowania na raka żołądka w porównaniu do osób z dwoma prawidłowymi allelami genu (OR = 3,01; 95% CI = 1,83 4,95). Z kolei brak związku omawianego polimorfizmu z ryzykiem raka żołądka odnotowali Han i wsp. [20]. Należy jednak nadmienić, iż analizy przeprowadzone przez ten zespół dotyczyły populacji koreańskiej. Badania nad rakiem piersi nie wykazały istotnych różnic pomiędzy występowaniem 5 oznaczanych polimorfizmów genu SOD1: IVS3 251A>G (rs ), IVS2+192T>G (rs ), IVS4+474C>T (rs ), 6415T>C (rs202445) i G7958A w grupie badanej i kontrolnej [21, 22]. Dotychczas nie stwierdzono również związku zmiany IVS3-251A>G z rakiem prostaty [23]. Gen SOD2 Gen SOD2 (OMIM ) położony jest na długim ramieniu chromosomu 6 w pozycji 6q25.3. Składa się on z pz. 6 sekwencji kodujących (1022 pz) wyznacza manganową dysmutazę ponadtlenkową (dysmutazę ponadtlenkową 2; MnSOD, SOD2) [11]. Manganowa dysmutaza ponadtlenkowa jest zbudowanym z 223 aminokwasów homotetramerem z masą cząsteczkową każdej z podjednostek wynoszącą ok. 23 kda. W centrum aktywnym enzymu znajdują się jony manganu [13]. Manganowa dysmutaza ponadtlenkowa występuje głównie w macierzy mitochondrialnej. Niewielkie jej ilości znajdują się również w przestrzeniach zewnątrzkomórkowych i peroksysomach [24]. Dysmutaza ponadtlenkowa 2 odgrywa kluczową rolę w promocji komórkowego różnicowania i kancerogenezie. Stanowi ona nie tylko ważną linię obrony przeciwko nadtlenkom powstającym w procesie fosforylacji tlenowej, ale jest również niezbędna do prawidłowego funkcjonowania tkanek poprzez utrzymanie integralności enzymów mitochondrialnych wrażliwych na bezpośrednią inaktywację przez RFT. Jak wykazały badania

4 Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka 21 na myszach, inaktywacja genu SOD2 prowadzi do zwyrodnienia układu nerwowego, uszkodzenia serca, akumulacji lipidów w wątrobie i mięśniach szkieletowych oraz ciężkiej kwasicy metabolicznej i ma skutek śmiertelny [25]. W stosunku do zmian nowotworowych gen SOD2 wykazuje działanie supresorowe: zmniejsza zdolność rozsiewu komórek guza, wydłuża czas podziału komórkowego oraz całkowicie hamuje lub co najmniej opóźnia formowanie się guza [26]. Najczęściej analizowanym polimorfizmem genu SOD2 jest zmiana typu missense Val16Ala (rs4880). Polega ona na tranzycji 47T>C, efektem której jest substytucja waliny (GTT) na alaninę (GCT) w kodonie 16 genu. Zmiana ta jest usytuowana w obrębie sekwencji sygnałowej MTS (mitochondrial targeting sequence), odpowiedzialnej za kierowanie powstałego białka MnSOD do mitochondrium [27]. Shimoda Matsubayashi i wsp. [28] uważają, iż rodzaj aminokwasu w sekwencji MTS determinuje strukturę drugorzędową białka, a tym samym może mieć wpływ na lokalizację enzymu w komórce i jego transport do mitochondrium miejsca jego biologicznego wykorzystania. Przypuszcza się, iż struktura α helisy (α h e li x), niezbędna do prawidłowego transportu białka, jest charakterystyczna dla Ala- MnSOD, zaś obecność waliny warunkuje strukturę β kartki (β sh e e t), która cechuje się gorszymi parametrami przenikania do macierzy mitochondrialnej. Prekursor białka Val MnSOD ulega częściowemu zatrzymaniu w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i w mniejszym stopniu niż prekursor Ala MnSOD przekształca się w biologicznie czynny homotetramer [29]. Zaburzenia w transporcie dysmutazy ponadtlenkowej 2 mogą skutkować brakiem pełnej obrony przed RFT w mitochondrium i w konsekwencji utlenianiem białek i lipidów oraz powstawaniem mutacji w mitochondrialnym DNA [27]. W większości typów pierwotnych nowotworów złośliwych obserwuje się wyraźny spadek aktywności MnSOD. Gen SOD2 powszechnie uważany jest za supresorowy jak wykazały bowiem badania, zwiększona ilość białka MnSOD może hamować proliferację i wzrost guza [26]. Z drugiej jednak strony wysoka produkcja H 2 O 2 przez Ala MnSOD może, zwłaszcza przy braku skutecznego działania ze strony peroksydazy glutationowej, katalazy czy białek naprawy DNA, wykazywać efekt rakotwórczy. Ocenia się, że Ala MnSOD ma ok % wyższą aktywność niż Val MnSOD [29]. Wysoki poziom H 2 O 2 związany z nadekspresją SOD2 odnotowano m.in. w komórkach raka prostaty [30]. Ponadto skuteczna obrona przed RFT może paradoksalnie zmniejszyć zdolność komórek do ulegania innym mechanizmom ochronnym, takim jak apoptoza, a tym samym pozwalać na wzrost i proliferację zmutowanych komórek [31]. Polimorfizm Val16Ala opisywano u osób chorych na progerię i z objawami przedwczesnego starzenia [27]. Wykazano, iż osoby (zwłaszcza kobiety) z homozygotycznym wariantem 47CC cechuje zwiększona podatność rozwoju sporadycznej postaci schorzenia neuronów motorycznych [32], zaś z genotypem 47TT częściej zapadają na sporadyczną postać idiopatycznej kardiomiopatii rozstrzeniowej [33]. Liczni badacze wskazują też na związek zmiany Val16Ala z rozwojem nowotworów. Pierwsze doniesienie pochodzi z 1999 r., kiedy to Ambrosone i wsp. [31] opisali istnienie asocjacji pomiędzy nosicielstwem zmienionego allela a zwiększonym ryzykiem rozwoju raka piersi (OR = 1,8; 95% CI = 0,9 3,6). Te i kolejne badania pozwoliły na wyodrębnienie grupy kobiet z najwyższym ryzykiem zachorowania na raka piersi. Wśród nich znajdują się: kobiety w wieku przedmenopauzalnym z homozygotycznym układem 47CC (OR = 4,3; 95% CI = 1,7 10,8) [31] oraz kobiety w wieku postmenopauzalnym stosujące estrogenową terapię zastępczą, będące jednocześnie nosicielkami co najmniej jednego zmienionego allela (OR = 2,5; 95% CI = 1,3 4,8) [34]. Na wzrost ryzyka rozwoju raka piersi u kobiet z niekorzystnym genotypem 47CC wpływa ponadto wysoki BMI, stosowanie doustnych środków antykoncepcyjnych oraz długoletnie palenie papierosów [34, 35, 36]. Właściwa dieta, bogata w antyoksydanty, pomaga obniżyć ryzyko rozwoju raka piersi [31]. Obecność alaniny w kodonie 16 genu SOD2 (genotyp 47CC i/lub 47TC) wiąże się ponadto ze zwiększonym ryzykiem zachorowania na raka prostaty [23], zwłaszcza raka prostaty o wysokim stopniu morfologicznej złośliwości [37], raka płuc [38, 39] i raka jajnika [40]. Inne badania wskazują na powiązanie genotypu 47TT i/lub 47TC ze wzrostem ryzyka rozwoju nowotworów, w tym raka piersi [41], płuc [42], pęcherza moczowego [43] i trzustki [44]. Wiele danych literaturowych nie potwierdza związku zmiany Val16Ala ze zwiększonym ryzykiem rozwoju nowotworów. Metaanaliza obejmująca 7366 pacjentów ze zdiagnozowanym nowotworem złośliwym i 9102 osób zdrowych, oparta na 13 publikacjach, wykazała brak asocjacji pomiędzy homozygotycznym układem 47CC a zwiększonym ryzykiem rozwoju raka (OR = 1,02; 95% CI = 0,91 1,14), w tym raka piersi (OR = 0,98; 95% CI = 0,90 1,07) [45]. Nie można wykluczyć, iż zwiększone ryzyko zachorowania na nowotwory u nosicieli zmiany Val16Ala jest wynikiem interakcji z innymi czynnikami genetycznymi oraz środowiskowymi. Cox i wsp. [46] wykazali, że samo nosicielstwo zmiany Val16Ala nie predysponuje do rozwoju nowotworów piersi. Cytowani autorzy odnotowali bowiem, iż kobiety, które obok genotypu SOD2 47CC posiadają w układzie homozygotycznym zmianę Pro198Leu w genie GPX1, niemal dwukrotnie częściej chorują na raka tego narządu (OR = 1,87; 95% CI = 1,09 3,19). Inne badania wykazały blisko dwukrotnie większe ryzyko raka prostaty (OR = 1,97; 95% CI = 1,33 2,91) u nałogowych palaczy będących nosicielami zmiany SOD2 Val16Ala i posiadających dwa rzadkie allele Ala234 w genie selenoproteiny P (SEPP1) [47] oraz 3 krotnie większe ryzyko rozwoju raka tego narządu (OR = 3,0; 95% CI = 1,37 7,02) u mężczyzn z genotypem 47CC i niskim poziomem likopenu w surowicy krwi [48]. Udowodniono, iż niski poziom enzymów antyoksydacyjnych i dieta uboga w antyoksydanty u nosicieli zmiany Val16Ala zwiększa ryzyko rozwoju raka prostaty [23, 49] i raka piersi w młodym wieku [31, 35].

5 22 Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober Drugim funkcjonalnym polimorfizmem genu SOD2 o potencjalnym znaczeniu w kancerogenezie jest substytucja izoleucyny na treoninę w kodonie 58 (Ile58Thr, rs ), spowodowana tranzycją cytozyny na tyminę w pozycji 339 (339C>T) [50]. Zmiana ta wpływa na stabilność tetrameru, redukuje ilość białka i 3 krotnie obniża jego aktywność enzymatyczną [26]. Tefik i wsp. w badaniu obejmującym 155 mężczyzn ze zdiagnozowanym złośliwym nowotworem prostaty i 195 osób zdrowych nie wykazali związku pomiędzy polimorfizmem Ile58Thr a ryzykiem raka prostaty [51]. Paz y Miño i wsp. odnotowali z kolei zwiększoną częstość omawianej zmiany w grupie chorych z rakiem pęcherza moczowego w porównaniu do osób zdrowych, jednakże różnica ta okazała się nieistotna statystycznie (OR = 2,1, p > 0,05) [52]. Dotychczasowy brak informacji o powiązaniu polimorfizmu Ile58Thr z ryzykiem rozwoju nowotworów może wynikać przede wszystkim z rzadkości występowania genotypu 339TT, a tym samym braku mocy statystycznej prowadzonych badań populacyjnych. Gen CAT Gen CAT (OMIM ) znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 11 w pozycji 11p13. Składa się z pz genomowego DNA, z których sekwencje kodujące (13 ekso nów) zajmują 2291 pz, wyznaczając białko zbudowane z 528 aminokwasów [11]. Kodowana przez gen CAT katalaza (CAT) jest hemoproteiną o podwójnej aktywności katalazowej (katalizuje reakcję dysproporcjonowania nadtlenku wodoru) i peroksydazowej (utlenia metanol, etanol, mrówczan, azotyny, chinony i inne związki będące donorami wodoru). Katalaza jest homotetramerem złożonym z czterech podjednostek. Każda z nich posiada układ hemowy z centralnie położonym jonem żelaza Fe 3+ i związana jest zwykle z jedną cząsteczką NADPH [2, 24, 53]. Jony Fe 3+ uczestniczą w dwuetapowej reakcji dysproporcjonowania H 2 O 2 do H 2 O i O 2, zaś NADPH pełni prawdopodobnie rolę czynnika stabilizującego cząsteczkę enzymu i jest odpowiedzialny za utrzymanie jego aktywności katalitycznej [54]. Konwersja H 2 O 2 do H 2 O i O 2 z udziałem katalazy zachodzi dwuetapowo. Etap pierwszy obejmuje redukcję nadtlenku wodoru do wody z udziałem Fe 3+ układu hemowego enzymu. W wyniku eliminacji po jednym elektronie z żelaza oraz pierścienia porfirynowego powstaje forma oksyferrylowa żelaza i rodnik kationowy porfiryny, czyli tzw. związek I (Por + Fe 4+ = O). Drugi etap polega na utlenianiu przez związek I kolejnej cząsteczki nadtlenku wodoru, w wyniku czego powstaje tlen cząsteczkowy i woda, a żelazo układu hemowego powraca do stanu wyjściowego, czyli na 3. stopień utlenienia (reakcja 1 i 2) [53, 55]: 3+ 1) katalaza (Por Fe ) + H 2 O 2 związek I (Por + Fe 4+ = O) + H 2 O + 2) związek I (Por Fe 4+ = O) + H 2 O 2 katalaza (Por Fe 3+ ) + H 2 O + O 2. Katalaza jest jednym z najszybciej działających enzymów ludzkiego organizmu w ciągu sekundy jedna jej cząsteczka rozkłada ok cząsteczek H 2 O 2. Inhibitorami aktywności katalazy jest szereg związków chemicznych, w tym CuSO 4, cyjanek potasu, azydek sodu i inne reagujące z grupą hemową białka. Specyficznym inhibitorem katalazy jest 3 amino 1,2,4 triazol [2]. Największe stężenie enzymu obserwuje się w erytrocytach, hepatocytach, błonach śluzowych, komórkach nabłonka nerkowego i szpiku kostnego. Katalaza znajduje się głównie w peroksysomach. Niewielkie jej ilości wykazano w mitochondriach, retikulum endoplazmatycznym oraz w cytoplazmie komórki [56]. Obniżona aktywność katalazy sprzyja rozwojowi wielu chorób związanych ze stresem oksydacyjnym, takich jak: miażdżyca, cukrzyca, żółtaczka, zapalenie płuc, gruźlica, choroby neurodegeneracyjne, alergie oraz nowotwory [57, 58, 59]. Spadek aktywności enzymu o 50% nosi nazwę hipokatalazemi, zaś poniżej 10% wartości prawidłowych akatalazemii. Obie te jednostki chorobowe spowodowane są rzadkimi mutacjami o charakterze patogennym w obrębie genu CAT (IVS4+5G>A, IVS7+5G>T, 358delT, 138insGA, 79insG, Arg354His) i mają charakter dziedziczny. Objawiają się one owrzodzeniami podudzi i błony śluzowej jamy ustnej, skłonnością do wczesnego wypadania zębów, martwicą języka i migdałków [58]. Jak wykazano w badaniach na myszach, redukcja aktywności enzymatycznej katalazy w przebiegu akatalazemii i hipotalazemii może być przyczyną rozwoju raka sutka [60]. Wśród zmian polimorficznych w obrębie genu CAT na szczególną uwagę zasługuje substytucja cytozyny na tyminę w pozycji 330 w regionie promotora genu (330C>T, rs ), której obecność zmienia aktywność enzymatyczną kodowanego białka [61, 62]. Obecność tyminy w pozycji 330 promotora genu CAT wpływa na niską aktywność enzymu i wiąże się ze zwiększonym ryzykiem zapadalności na choroby związane ze stresem oksydacyjnym, jak nadciśnienie [63], albinizm [64] czy nowotwory złośliwe [65, 66, 67]. Spadek aktywności katalazy u osób z genotypem 330CT szacuje się na ok. 29% względem homozygot 330CC (p = 0,002). Osoby z genotypem 330TT wykazują spadek aktywności katalazy o ponad 36% (p = 0,02) w stosunku do osób z genotypem 330CC. Powyższa asocjacja jest szczególnie silna u kobiet i osób rasy kaukaskiej. W wymienionych grupach u homozygot 330TT obserwuje się spadek aktywności enzymatycznej białka odpowiednio o ok. 46% (p = 0,01) i 40% (p < 0,0001) w stosunku do homozygot 330CC. Wiek i palenie papierosów zdają się nie wpływać dodatkowo na zależność genotypu CAT i poziomu aktywności katalazy [61]. Interesująca jest natomiast zależność pomiędzy ilością spożywanych warzyw i owoców oraz genotypem a poziomem aktywności katalazy. Ahn i wsp. [61] zaobserwowali spadek aktywności enzymu wraz ze wzrostem ilości konsumowanych warzyw i owoców u osób z genotypem 330CT i TT. Aktywność katalazy w grupie osób o najwyższym współczynniku spożywania tych naturalnych źródeł egzogennych antyoksydantów,

6 Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka 23 u których wykryto co najmniej jeden zmieniony allel T, była o 35% mniejsza niż w porównywalnej grupie osób z homozygotycznym wariantem genu CAT 330CC (p = 0,003). Autorzy sugerują, iż osoby z genotypem CAT 330CT lub TT są bardziej wrażliwe na regulację aktywności enzymatycznej katalazy przez czynniki zewnętrzne, takie jak dieta, niż osoby z wysoką aktywnością enzymu (z genotypem CAT 330CC) [61]. Antyoksydanty pokarmowe mogą redukować poziom H 2 O 2, a tym samym utrzymywać ekspresję genu CAT na niższym poziomie [68]. Opublikowane w 2005 r. wyniki badań Ahna i wsp. [65] oparte na analizie DNA ponad tysiąca kobiet ze zdiagnozowanym rakiem piersi dowodzą, iż homozygotyczny wariant genu CAT 330CC, związany z wysoką aktywnością katalazy, redukuje ryzyko rozwoju raka tego narządu o 17% w stosunku do genotypów 330CT i TT (OR = 0,83; 95% CI = 0,69 1,00). Dodatkową ochronę zapewnia duże spożycie owoców (OR = 0,71; 95% CI = 0,54 0,92), szczególnie w przypadku kobiet niestosujących dodatkowej suplementacji diety witaminami o właściwościach antyoksydacyjnych (OR = 0,59; 95% CI = 0,38 0,89). Obserwacja ta potwierdza i podkreśla istotną rolę świeżych warzyw i owoców w profilaktyce antynowotworowej. Związku samego genotypu CAT z ryzykiem raka piersi nie potwierdziły badania Quick i wsp. [67]. Wymienieni autorzy wykazali natomiast dodatnią korelację pomiędzy stosowaniem hormonalnej terapii zastępczej (HTZ) a ryzykiem rozwoju raka piersi u postmenopauzalnych kobiet (OR = 1,39; 95% CI = 1,11 1,75). Zależność ta była szczególnie silna u pacjentek z genotypem CAT 330CT lub TT (OR = 1,88; 95% CI = 1,29 2,75). Zgodnie z wynikami uzyskanymi przez cytowanych badaczy, w grupie najwyższego ryzyka znajdują się kobiety posiadające co najmniej jeden zmieniony allel T i będące w trakcie HTZ (OR = 2,01; 95% CI = 1,35 2,99), przyjmujące w trakcie swojego życia HTZ przez okres co najmniej 5 lat (OR = 2,32; 95% CI = 1,50 3,59) i ze zdiagnozowanym estrogenozależnym (ER dodatnim) rakiem piersi (OR = 2,26; 95% CI = 1,46 3,49). Podsumowując, metabolizm estrogenów zawartych w preparatach HTZ przyczynia się do powstawania RFT i u kobiet z wariantem genu CAT związanym z niską aktywnością enzymatyczną może skutkować rozwojem raka piersi. U mężczyzn zaś homozygotyczny wariant CAT 330TT związany jest z 2 krotnym wzrostem ryzyka rozwoju raka prostaty przed 65. r.ż. (OR = 2,0; 95% CI = 0,97 3,95) [66]. Gen GPX1 Gen GPX1 (OMIM ) jest zlokalizowany na krótkim ramieniu chromosomu 3 (3p21.31). Obejmuje zaledwie 1181 pz genomowego DNA, z których 902 pz stanowią sekwencje kodujące (2 eksony), wyznaczające złożoną z 204 aminokwasów peroksydazę glutationową 1 (cgpx, GPX1) [11]. Peroksydaza glutationowa 1 jest homotetramerem z masą cząsteczkową każdej z podjednostek wynoszącą ok kda. Należy do grupy selenoperoksydaz enzymów zawierających selen w postaci selenocysteiny w centrum aktywnym; katalizuje w komórce reakcję redukcji nadtlenków nieorganicznych (H 2 O 2 ) i niektórych organicznych (w tym nadtlenków kwasów tłuszczowych), przy udziale zredukowanego glutationu jako koenzymu [69, 70]. Obecna w centrum aktywnym enzymu selenocysteina, umożliwia dwuelektronowe utlenienie glutationu bez uwalniania wolnego rodnika tiylowego glutationu. Największe ilości tego białka znajdują się w erytrocytach, hepatocytach i komórkach nerek [2]. Jak wykazano w badaniach na myszach [71], gen GPX1 ma kluczowe znaczenie w ochronie tkanek przed utleniającymi czynnikami stresowymi. Co ciekawe, w warunkach bez stresu myszy pozbawione genu GPX1 rozwijają się prawidłowo, są zdrowe, nie tracą na wadze i mają prawidłowy fenotyp [71]. Przypuszcza się, iż brak białka jest kompensowany wysoką aktywnością pozostałych enzymów z rodziny peroksydaz glutationowych. Sytuacja ulega zmianie w warunkach stresu oksydacyjnego. Brak genu GPX1 powoduje, iż myszy stają się bardziej wrażliwe na działanie utleniających bodźców stresowych i w porównaniu z normalnymi osobnikami znacznie częściej dochodzi u nich do rozwoju zmian patologicznych oraz śmierci [72]. Żadna inna selenoproteina ani zwiększona podaż żywieniowych antyutleniaczy, takich jak wit. E, nie są w stanie zastąpić obecności prawidłowego genu GPX1 w warunkach zwiększonej produkcji RFT [69]. Aktywność białka GPX1 zależy m.in. od diety, stylu życia i czynników genetycznych. Wysoką aktywność enzymatyczną obserwuje się u osób spożywających duże ilości warzyw i owoców [73, 74] oraz przyjmujących suplementy selenu [75], a niską u czynnych palaczy [75, 76]. Wśród czynników genetycznych największe znaczenie zdaje się mieć występowanie zmiany GPX1 Pro200Leu (rs ). Powyższy polimorfizm jest zmianą typu missense i polega na tranzycji 599C>T, co skutkuje substytucją proliny (CCC) na leucynę (CTC) w kodonie 200 genu. Wpływ samego polimorfizmu na poziom aktywności GPX1 nie jest jednoznaczny. Zgodnie z wynikami Ravn Harena i wsp. [75] aktywność katalityczna białka obniża się o 5% (p = 0,0003) z każdą dodatkową kopią zmienionego allela. Zależności tej nie potwierdzają jednak inni badacze [77, 78]. Nie można wykluczyć, iż nie tyle sam polimorfizm, ile zależna od niego odpowiedź organizmu na zewnętrzne czynniki stresowe i/lub antyoksydacyjne kształtuje końcowy poziom aktywności enzymatycznej peroksydazy glutationowej 1. Za słusznością tego poglądu przemawiają wyniki opublikowane przez Hu i wsp. [79] oraz Ravn Harena i wsp. [75]. Zgodnie z nimi białko GPX1 z proliną w pozycji 200 ulega silniejszej aktywacji w wyniku stymulacji selenem [79] lub alkoholem [75] i jest mniej wrażliwe na negatywne działanie dymu papierosowego niż adekwatne białko z leucyną. Ravn Haren i wsp. [75] zaobserwowali tylko niewielki, statystycznie nieistotny spadek aktywności białka u palących kobiet, posiadających genotyp 599CC lub CT (odpowiednio:

7 24 Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober 0,83 U/g Hb, p = 0,72 i 2,87 U/g Hb, p = 0,25), a znaczny u kobiet z homozygotycznym wariantem genu GPX1 599TT ( 12,55 U/g Hb, p = 0,008). Niska aktywność GPX1 w erytrocytach jest charakterystyczna dla przebiegu wielu chorób nowotworowych [77, 80, 81], co stanowi bezpośredni dowód na powiązanie zaburzeń w ekspresji opisywanego białka z procesem kancerogenezy. Niestety, rola samego wariantu GPX1 Pro- 200Leu w kształtowaniu ryzyka rozwoju raka nie jest już tak jednoznaczna. Dane literaturowe podają przeciwstawne informacje. Wyniki niektórych badań przemawiają za powiązaniem polimorfizmu ze zwiększonym ryzykiem rozwoju nowotworów złośliwych [52, 75, 79, 82, 83], podczas gdy inne wskazują na jego działanie protekcyjne [76, 77, 83, 84]. Analizy przeprowadzone przez Paz y Miño C i wsp. [52] wykazały, że nosiciele opisywanego polimorfizmu mają blisko 4 krotnie zwiększone ryzyko rozwoju raka pęcherza moczowego w porównaniu do osób z genotypem 599CC (OR = 3,8, p < 0,001). Ravn Haren i wsp. [75] odnotowali, iż nosicielstwo co najmniej jednego zmienionego allela Pro200Leu powoduje 1,43 krotny (95% CI = 1,07 1,92) wzrost ryzyka rozwoju raka piersi u kobiet po menopauzie w odniesieniu do kobiet z homozygotycznym układem typu dzikiego (599CC). Zależności tej nie potwierdziły przeprowadzone na większej liczbie przypadków analizy Knighta i wsp. [85], Coxa i wsp. [86] oraz Cebrian i wsp. [21]. Wymienieni badacze nie wykazali wpływu nosicielstwa zmiany GPX1 Pro- 200Leu na ryzyko rozwoju raka piersi. W raku prostaty obecność wariantu polimorficznego zdaje się mieć działanie ochronne. Arsova Sarafinovska i wsp. [77] stwierdzili, iż mężczyźni z heterozygotycznym układem 599CT cechują się znacznie niższym ryzykiem zachorowania na raka prostaty niż homozygoty 599CC (OR = 0,38; 95% CI = 0,20 0,75), zwłaszcza po przekroczeniu 65. r.ż. (OR = 0,30; 95% CI = 0,12 0,72). Odmienne wyniki uzyskali Choi i wsp. [66]. Cytowani autorzy, przeprowadzając analizy molekularne na grupie mężczyzn palących papierosy i/lub narażonych na działanie azbestu, nie wykazali związku występowania zmiany Pro200Leu w genie GPX1 z ryzykiem rozwoju raka prostaty. Hansen i wsp. [74] wykazali wzrost ryzyka zachorowania na raka jelita grubego u osób z genotypem 599TT spożywających alkohol (OR = 1,45; 95% CI = 1,17 1,81) lub palących papierosy (OR = 2,56; 95% CI = 0,99 6,61). Sam polimorfizm, przy braku powyższych nałogów, nie korelował z ryzykiem rozwoju raka jelita grubego [74, 87]. Liczne publikacje dokumentują powiązanie polimorfizmu GPX1 Pro200Leu z ryzykiem rozwoju raka płuc. Ratnasinghe i wsp. [82] odnotowali zwiększoną częstość zmiany typu missense u mężczyzn rasy kaukaskiej z rakiem płuc zdiagnozowanym w wieku lat, palących co najmniej 5 papierosów dziennie (OR = 1,8; 95% CI = 1,2 2,8 dla genotypu 599CT; OR = 2,3; 95% CI = 1,3 3,8 dla genotypu 599TT vs. 599CC). Z kolei Raaschou Nielsen i wsp. [76] opisali związek wariantu kodującego leucynę z obniżeniem ryzyka rozwoju raka płuc (IRR = 0,75; 95% CI = 0,54 1,05 dla genotypu 599CT; IRR = 0,60; 95% CI = 0,35 1,05 dla genotypu 599TT vs. 599CC). Asocjacja ta była szczególnie silna dla płaskonabłonkowego gruczolaka (squamous cell adenoma) i gruczolakoraka płuc (adenocarcinoma), dla kobiet i osób w młodszym wieku (50 60 lat vs lat). Jednakże te same badania wykazały, iż negatywne działanie takich czynników ryzyka, jak palenie papierosów czy spożywanie alkoholu, jest szczególnie silnie zaznaczone właśnie u osób z homozygotycznym wariantem 599TT. Odmiennych obserwacji dokonali Yang i wsp. [83]. Zgodnie z ich wynikami wyższe ryzyko rozwoju raka płuc wśród palaczy wiąże się z homozygotycznym wariantem 599CC, a nie CT/TT (OR = 3,3; 95% CI = 1,3 8,4), choć osoby niepalące z genotypem 599CC charakteryzują się niższym od populacyjnego ryzykiem rozwoju raka płuc. Cytowani autorzy stwierdzili bowiem statystycznie nieistotny spadek ryzyka rozwoju raka płuc u homozygot 599CC przed 50. r.ż (OR = 0,6; 95% CI = 0,3 1,2) i silny, statystycznie istotny u pacjentów powyżej 80. r.ż. (OR = 0,12; 95% CI = 0,02 0,7). Rosenberger i wsp. [84] wykazali znaczącą redukcję ryzyka raka płuc u nosicieli zmiany GPX1 Pro200Leu (OR = 0,6; 95% CI = 0,4 0,8). Najsilniejsze działanie protekcyjne omawianego polimorfizmu odnotowano w grupie osób palących (OR = 0,3; 95% CI = 0,1 0,8). Grupę badaną stanowili pacjenci z rakiem płuc zdiagnozowanym przed 51. r.ż. Poziom ryzyka rozwoju nowotworów złośliwych związany z obecnością polimorfizmu GPX1 Pro200Leu może być ponadto dodatkowo modulowany przez inne zmiany germinalne, np. EPHX1 Tyr113His (rs ) [84] czy SOD2 Val16Ala (rs4880) [46, 88]. Gen GPX4 Gen GPX4 (OMIM ) położony jest na krótkim ramieniu chromosomu 19 (locus 19p13.3). Składa się z 7 eksonów, które wyznaczają sekwencję aminokwasową białka peroksydazy glutationowej wodoronadtlenków fosfolipidów (peroksydaza glutationowa 4; PHGPX, GPX4) [11]. Peroksydaza glutationowa wodoronadtlenków fosfolipidów występuje w postaci trzech izomerycznych form: cytoplazmatycznej, mitochondrialnej i błonowej (jej obecność stwierdzono zarówno w błonie komórkowej, jak i jądrowej); mrna dla wszystkich 3 form GPX4 powstaje na bazie tej samej nici matrycowej DNA, ale różne sekwencje promotorowe oraz odmienne miejsca startu translacji prowadzą do powstania odmiennych transkryptów i w konsekwencji produktów białkowych o różnej długości aminokwasowej [89]. Podobnie jak GPX1, peroksydaza glutationowa 4 zawiera w centrum aktywnym resztę selenocysteiny z atomem selenu zamiast siarki, jednakże jako jedyna z peroksydaz jest monomerem (pozostałe mają budowę tetrameryczną) i ma zdolność redukowania wodoronadtlenków fosfolipidów. Masa cząsteczkowa GPX4 wynosi zaledwie kda. Jak wykazały badania na myszach, brak tego enzymu

8 Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka 25 w organizmie ma skutek śmiertelny [89]. Peroksydaza glutationowa wodoronadtlenków fosfolipidów reaguje z H 2 O 2 i szerokim spektrum wodoronadtlenków lipidów, w tym utlenowanych pochodnych cholesterolu [69, 70]. Nadekspresja GPX4 zwiększa odporność na szkodliwe działanie stresu oksydacyjnego, hamuje apoptozę i nierzadko proliferację komórek rakowych [90]. Tkanki zmienione nowotworowo wykazują niską ekspresję tego białka [91]. W sekwencji niekodującej 3 UTR genu GPX4 odpowiedzialnej za włączenie selenu do łańcucha aminokwasowego białka w postaci selenocysteiny wykryto zmianę polimorficzną, której obecność zmienia aktywność enzymatyczną kodowanego białka. Zmianą tą jest tranzycja cytozyny na tyminę w pozycji 718 genu GPX4 (718C>T, rs713041) [92]. Bermano i wsp. [93] w badaniach na liniach komórkowych Caco 2, transfekowanych konstruktami będącymi połączeniem sekwencji kodujących genu dejodynazy jodotyroniny typu 1 (IDI) z GPX4 3 UTR 718C lub T, zaobserwowali wyższą aktywność genu reporterowego w komórkach z wariantem 718C genu GPX4 niż w komórkach z wariantem 718T. Aktywność wariantu 718C była istotnie wyższa zarówno w warunkach prawidłowego, jak i obniżonego stężenia selenu, z drugiej strony wariant ten okazał się być bardziej wrażliwy na spadek poziomu selenu niż wariant z tyminą. Brak różnic w poziomach mrna powstałych na bazie konstruktów I DI GPX4 718T i I DI GPX4 718C pozwala przypuszczać, iż polimorfizm w rejonie 3 UTR genu GPX4 wpływa na wbudowywanie selenu raczej na etapie translacji niż transkrypcji [93]. Wyniki badań z ostatnich lat wskazują na powiązanie omawianej zmiany z takimi jednostkami chorobowymi, jak wrzodziejące zapalenie jelita grubego czy rak jelita grubego [91, 93]. Asocjacja ta jest trudna do wytłumaczenia. Wykazano bowiem, iż nadekspresja GPX4 hamuje działanie enzymów procesu zapalnego, w tym: 5, 12, 15 lipoksygenazy (5, 12, 15 LOX) i cykloksygenazy 2 (COX 2) oraz aktywację czynnika NFκB [91]. Można byłoby zatem przypuszczać, iż wysoka aktywność GPX4 związana z obecnością cytozyny w pozycji 718 genu GPX4 jest czynnikiem zmniejszającym ryzyko rozwoju stanów zapalnych. Tymczasem u osób z genotypem GPX4 718CC stwierdza się większe ilości leukotrienów, które powstają w szlaku 5 lipoksygenazy (wzrost o 36% względem genotypu 718TT i o 44% względem genotypu 718CT) i są mediatorami procesów zapalnych w organizmie [92]. Niewykluczone zatem, że to nie układ GPX4 718, CC lecz TT jest genotypem warunkującym spadek ryzyka zachorowania na choroby o charakterze zapalnym, w tym nowotwory. Potwierdzeniem tej hipotezy są wyniki analiz molekularnych Bermano i wsp. [93], zgodnie z którymi nosicielstwo co najmniej jednego zmienionego allela 718C>T wykazuje istotne działanie ochronne przed inicjacją procesu nowotworowego w tkance jelita grubego (OR = 0,60; 95% CI = 0,37 0,96). Asocjację tę stwierdzono we wszystkich grupach wiekowych, zarówno u mężczyzn, jak i u kobiet. Wyniki były istotne statystycznie (p < 0,05). Opisywany polimorfizm był też przedmiotem badań nad dziedziczną predyspozycją do rozwoju raka piersi. Analizy przeprowadzone na licznej grupie pacjentek (n = 4474) przez Cebrian i wsp. [21] nie wykazały żadnego związku zmiany 718C>T z ryzykiem raka piersi. Z kolei Udler i wsp. [94] stwierdzili, że nosicielstwo zmienionego allela 718C>T jest związane ze statystycznie istotnym wzrostem ryzyka śmierci z powodu zdiagnozowanego raka piersi (HR = 1,27; p = 0,0001). Podsumowanie Ocena zmian polimorficznych w pojedynczych genach związanych ze stresem oksydacyjnym w kontekście kształtowania ryzyka zachorowania na nowotwory złośliwe jest często trudna do interpretacji. Działalność enzymów obrony antyoksydacyjnej polegająca na unieszkodliwianiu reaktywnych form tlenu jest ściśle powiązana z czynnikami zewnętrznymi, dlatego pełna analiza związku enzymów obrony antyoksydacyjnej z etiologią nowotworów złośliwych powinna obejmować zarówno ocenę zmian genetycznych (w tym interakcji między genami), jak i pozagenetycznych czynników ryzyka, takich jak dieta, suplementacja antyoksydantów, palenie papierosów czy spożywanie alkoholu. Piśmiennictwo 1. Didkowska J., Wojciechowska U., Tarkowski W., Zatoński W. : Nowotwory złośliwe w Polsce w 2005 roku. Wyd. Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej Curie, Warszawa Bartosz G. : Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie. PWN, Warszawa Weinberg F., Chandel N.S. : Reactive oxygen species dependent signaling regulates cancer.cell Mol Life Sci. 2009, 66 (23), Halliwell B. : Role of free radicals in the neurodegenerative diseases: therapeutic implications for antioxidant treatment. Drugs Aging. 2001, 18 (9), Izzotti A., Bagnis A., Saccà S.C. : The role of oxidative stress in glaucoma. Mutat Res. 2006, 612 (2), Nogueira J.B. : Air pollution and cardiovascular disease. Rev Port Cardiol. 2009, 28 (6), Kalisz O., Wolski T., Gerkowicz M., Smorawski M. : Reaktywne formy tlenu (RTF) oraz ich rola w patogenezie niektórych chorób. Ann Univ Mariae Curie Sklodowska. 2007, 62 (1), Bostwick D.G., Alexander E.E., Singh R., Shan A., Qian J., Santella R.M. et al.: Antioxidant enzyme expression and reactive oxygen species damage in prostatic intraepithelial neoplasia and cancer. Cancer. 2000, 89 (1), Li S., Yan T., Yang J.Q., Oberley T.D., Oberley L.W. : The role of cellular glutathione peroxidase redox regulation in the suppression of tumor cell growth by manganese superoxide dismutase. Cancer Res. 2000, 60 (14), Oberley T.D. : Oxidative damage and cancer. Am J Pathol. 2002, 160 (2), CHIP Bioinformatics Tools, ( ). 12. Wong P.C., Waggoner D., Subramaniam J.R., Tessarollo L., Bartnikas T.B., Culotta V.C. et al.: Copper chaperone for superoxide dismutase is essential to activate mammalian Cu/Zn superoxide dismutase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000, 97 (6),

9 26 Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober 13. Zelko I.N., Mariani T.J., Folz R.J. : Superoxide dismutase multigene family: a comparison of the CuZn SOD (SOD1), Mn SOD (SOD2), and EC SOD (SOD3) gene structures, evolution, and expression. Free Radic Biol Med. 2002, 33 (3), Rosen D.R., Siddique T., Patterson D., Figlewicz D.A., Sapp P., Hentati A. et al.: Mutations in Cu/Zn superoxide dismutase gene are associated with familial amyotrophic lateral sclerosis. Nature. 1993, 362 (6415), Elchuri S., Oberley T.D., Qi W., Eisenstein R.S., Jackson Roberts L., van Remmen H. et al.: CuZnSOD deficiency leads to persistent and widespread oxidative damage and hepatocarcinogenesis later in life. Oncogene. 2005, 24 (3), Busuttil R.A., Garcia A.M., Cabrera C., Rodriguez A., Suh Y., Kim W.H. et al.: Organ specific increase in mutation accumulation and apoptosis rate in CuZn superoxide dismutase deficient mice. Cancer Res. 2005, 65 (24), Rao A.K., Ziegler Y.S., McLeod I.X., Yates J.R., Nardulli A.M. : Effects of Cu/Zn superoxide dismutase on estrogen responsiveness and oxidative stress in human breast cancer cells. Mol Endocrinol. 2008, 22 (5), Blander G., de Oliveira R.M., Conboy C.M., Haigis M., Guarente L. : Superoxide dismutase 1 knock down induces senescence in human fibroblasts. J Biol Chem. 2003, 278 (40), Yi J.F., Li Y.M., Liu T., He W.T., Li X., Zhou W.C. et al. : Mn SOD and CuZn SOD polymorphisms and interactions with risk factors in gastric cancer. World J Gastroenterol. 2010, 16 (37), Han L., Lee S.W., Yoon J.H., Park Y.G., Choi Y.J., Nam S.W. et al. : Asso ciation of SOD1 and SOD2 single nucleotide polymorphisms with susceptibility to gastric cancer in a Korean population. APMIS. 2013, 121 (3), Cebrian A., Pharoah P.D., Ahmed S., Smith P.L., Luccarini C., Luben R. et al.: Tagging single nucleotide polymorphisms in antioxidant defense enzymes and susceptibility to breast cancer. Cancer Res. 2006, 66 (2), Oestergaard M.Z., Tyrer J., Cebrian A., Shah M., Dunning A.M., Ponder B.A. et al.: Interactions between genes involved in the antioxidant defence system and breast cancer risk. Br J Cancer. 2006, 95 (4), Kang D., Lee K.M., Park S.K., Berndt S.I., Peters U., Reding D. et al. : Functional variant of manganese superoxide dismutase (SOD2 V16A) polymorphism is associated with prostate cancer risk in the prostate, lung, colorectal, and ovarian cancer study. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2007, 16 (8), Gałecka E., Jacewicz R., Mrowicka M., Florkowski A., Gałecki P. : Enzymy antyoksydacyjne budowa, właściwości, funkcje. Pol Merkuriusz Lek. 2008, 25, 147, Li Y., Huang T.T., Carlson E.J., Melov S., Ursell P.C., Olson J.L. et al. : Dilated cardiomyopathy and neonatal lethality in mutant mice lacking manganese superoxide dismutase. Nat Genet. 1995, 11 (4), Zhang H.J., Yan T., Oberley T.D., Oberley L.W. : Comparison of effects of two polymorphic variants of manganese superoxide dismutase on human breast MCF 7 cancer cell phenotype. Cancer Res. 1999, 59 (24), Rosenblum J.S., Gilula N.B., Lerner R.A. : On signal sequence polymorphisms and diseases of distribution. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996, 93 (9), Shimoda Matsubayashi S., Matsumine H., Kobayashi T., Nakagawa Hattori Y., Shimizu Y., Mizuno Y.: Structural dimorphism in the mitochondrial targeting sequence in the human manganese superoxide dismutase gene. A predictive evidence for conformational change to influence mitochondrial transport and a study of allelic association in Parkinson s disease. Biochem Biophys Res Commun. 1996, 226 (2), Sutton A., Khoury H., Prip Buus C., Cepanec C., Pessayre D., Degoul F.: The Ala16Val genetic dimorphism modulates the import of human manganese superoxide dismutase into rat liver mitochondria. Pharmacogenetics. 2003, 13 (3), Lim S.D., Sun C., Lambeth J.D., Marshall F., Amin M., Chung L. et al. : Increased Nox1 and hydrogen peroxide in prostate cancer. Prostate. 2005, 62 (2), Ambrosone C.B., Freudenheim J.L., Thompson P.A., Bowman E., Vena J.E., Marshall J.R. et al.: Manganese superoxide dismutase (MnSOD) genetic polymorphisms, dietary antioxidants, and risk of breast cancer. Cancer Res. 1999, 59 (3), van Landeghem G.F., Tabatabaie P., Beckman G., Beckman L., Andersen P.M.: Manganese containing superoxide dismutase signal sequence polymorphism associated with sporadic motor neuron disease. Eur J Neurol. 1999, 6 (6), Hiroi S., Harada H., Nishi H., Satoh M., Nagai R., Kimura A. : Polymorphisms in the SOD2 and HLA DRB1 genes are associated with nonfamilial idiopathic dilated cardiomyopathy in Japanese. Biochem Biophys Res Commun. 1999, 261 (2), Mitrunen K., Sillanpää P., Kataja V., Eskelinen M., Kosma V.M., Benhamou S. et al.: Association between manganese superoxide dismutase (MnSOD) gene polymorphism and breast cancer risk. Carcinogenesis. 2001, 22 (5), Cai Q., Shu X.O., Wen W., Cheng J.R., Dai Q., Gao Y.T. et al. : Genetic polymorphism in the manganese superoxide dismutase gene, antioxidant intake, and breast cancer risk: results from the Shanghai Breast Cancer Study. Breast Cancer Res. 2004, 6 (6), Egan K.M., Thompson P.A., Titus Ernstoff L., Moore J.H., Ambrosone C.B.: MnSOD polymorphism and breast cancer in a population- based case control study. Cancer Lett. 2003, 199 (1), Woodson K., Tangrea J.A., Lehman T.A., Modali R., Taylor K.M., Snyder K. et al.: Manganese superoxide dismutase (MnSOD) polymorphism, alpha tocopherol supplementation and prostate cancer risk in the alpha tocopherol, beta carotene cancer prevention study (Finland). Cancer Causes Control. 2003, 14 (6), Wang L.I., Miller D.P., Sai Y., Liu G., Su L., Wain J.C. et al. : Manganese superoxide dismutase alanine to valine polymorphism at codon 16 and lung cancer risk. J Natl Cancer Inst. 2001, 93 (23), Zienolddiny S., Campa D., Lind H., Ryberg D., Skaug V., Stangeland L.B. et al.: A comprehensive analysis of phase I and phase II metabolism gene polymorphisms and risk of non small cell lung cancer in smokers. Carcinogenesis. 2008, 29 (6), Olson S.H., Carlson M.D., Ostrer H., Harlap S., Stone A., Winters M. et al.: Genetic variants in SOD2, MPO, and NQO1, and risk of ovarian cancer. Gynecol Oncol. 2004, 93 (3), Bergman M., Ahnström M., Palmebäck Wegman P., Wingren S. : Polymorphism in the manganese superoxide dismutase (MnSOD) gene and risk of breast cancer in young women. J Cancer Res Clin Oncol. 2005, 131 (7), Zejnilovic J., Akev N., Yilmaz H., Isbir T. : Association between manganese superoxide dismutase polymorphism and risk of lung cancer. Cancer Genet Cytogenet. 2009, 189 (1), Hung R.J., Boffetta P., Brennan P., Malaveille C., Gelatti U., Placidi D. et al.: Genetic polymorphisms of MPO, COMT, MnSOD, NQO1, interactions with environmental exposures and bladder cancer risk. Carcinogenesis. 2004, 25 (6), Wheatley Price P., Asomaning K., Reid A., Zhai R., Su L., Zhou W. et al. : Myeloperoxidase and superoxide dismutase polymorphisms are associated with an increased risk of developing pancreatic adenocarcinoma. Cancer. 2008, 112 (5), Bag A., Bag N. : Target sequence polymorphism of human manganese superoxide dismutase gene and its association with cancer risk: a review. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2008, 17 (12), Cox D.G., Tamimi R.M., Hunter D.J. : Gene x Gene interaction between MnSOD and GPX 1 and breast cancer risk: a nested case control study. BMC Cancer. 2006, 6, Cooper M.L., Adami H.O., Grönberg H., Wiklund F., Green F.R., Rayman M.P.: Interaction between single nucleotide polymorphisms in selenoprotein P and mitochondrial superoxide dismutase determines prostate cancer risk. Cancer Res. 2008, 68 (24),

10 Polimorfizm genów obrony antyoksydacyjnej a ryzyko rozwoju raka Mikhak B., Hunter D.J., Spiegelman D., Platz E.A., Wu K., Erdman J.W. Jr, Giovannucci E.: Manganese superoxide dismutase (Mn- SOD) gene polymorphism, interactions with carotenoid levels and prostate cancer risk. Carcinogenesis. 2008, 29 (12), Li H., Kantoff P.W., Giovannucci E., Leitzmann M.F., Gaziano J.M., Stampfer M.J. et al.: Manganese superoxide dismutase polymorphism, prediagnostic antioxidant status, and risk of clinical significant prostate cancer. Cancer Res. 2005, 65 (6), Akyol O., Canatan H., Yilmaz H.R., Yuce H., Ozyurt H., Sogut S. et al. : PCR/RFLP based cost effective identification of SOD2 signal (leader) sequence polymorphism (Ala 9Val) using NgoM IV: a detailed methodological approach. Clin Chim Acta. 2004, 345 (1 2), Tefik T., Kucukgergin C., Sanli O., Oktar T., Seckin S., Ozsoy C. : Manganese superoxide dismutase Ile58Thr, catalase C 262T and myeloperoxidase G 463A gene polymorphisms in patients with prostate cancer: relation to advanced and metastatic disease. BJU Int. 2013, 112 (4), Paz y Miño C., Muñoz M.J., López Cortés A., Cabrera A., Palacios A., Castro B. et al.: Frequency of polymorphisms pro198leu in GPX 1 gene and ile58thr in MnSOD gene in the altitude Ecuadorian population with bladder cancer. Oncol Res. 2010, 18 (8), Nicholls P., Fita I., Loewen P.C. : Enzymology and structure of catalases. In: Advances in inorganic chemistry. Eds: A.G. Sykes, G. Mauk. Academic Press, New York 2001, 51, Vetrano A.M., Heck D.E., Mariano T.M., Mishin V., Laskin D.L., Laskin J.D.: Characterization of the oxidase activity in mammalian catalase. J Biol Chem. 2005, 280 (42), Chelikani P., Carpena X., Fita I., Loewen P.C. : An electrical potential in the access channel of catalases enhances catalysis. J Biol Chem. 2003, 278 (33), Hunt C.R., Sim J.E., Sullivan S.J., Featherstone T., Golden W., Von Kapp Herr C. et al.: Genomic instability and catalase gene amplification induced by chronic exposure to oxidative stress. Cancer Res. 1998, 58 (17), Góth L., Eaton J.W. : Hereditary catalase deficiencies and increased risk of diabetes. Lancet. 2000, 356 (9244), Góth L., Rass P., Páy A. : Catalase enzyme mutations and their association with diseases. Mol Diagn. 2004, 8 (3), Korotkina R.N., Matskevich G.N., Devlikanova A.S., Vishnevskii A.A., Kunitsyn A.G., Karelin A.A.: Activity of glutathione metabolizing and antioxidant enzymes in malignant and benign tumors of human lungs. Bull Exp Biol Med. 2002, 133 (6), Ishii K., Zhen L.X., Wang D.H., Funamori Y., Ogawa K., Taketa K. : Prevention of mammary tumorigenesis in acatalasemic mice by vitamin E supplementation. Jpn J Cancer Res. 1996, 87 (7), Ahn J., Nowell S., McCann S.E., Yu J., Carter L., Lang N.P. et al. : Associations between catalase phenotype and genotype: modification by epidemiologic factors. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2006, 15 (6), Bastaki M., Huen K., Manzanillo P., Chande N., Chen C., Balmes J.R. et al.: Genotype activity relationship for Mn superoxide dismutase, glutathione peroxidase 1 and catalase in humans. Pharmacogenet Genomics. 2006, 16 (4), Zhou X.F., Cui J., DeStefano A.L., Chazaro I., Farrer L.A., Manolis A.J. et al.: Polymorphisms in the promoter region of catalase gene and essential hypertension. Dis Markers. 2005, 21 (1), Casp C.B., She J.X., McCormack W.T. : Genetic association of the catalase gene (CAT) with vitiligo susceptibility. Pigment Cell Res. 2002, 15 (1), Ahn J., Gammon M.D., Santella R.M., Gaudet M.M., Britton J.A., Teitelbaum S.L. et al.: Associations between breast cancer risk and the catalase genotype, fruit and vegetable consumption, and supplement use. Am J Epidemiol. 2005, 162 (10), Choi J.Y., Neuhouser M.L., Barnett M., Hudson M., Kristal A.R., Thornquist M. et al.: Polymorphisms in oxidative stress related genes are not associated with prostate cancer risk in heavy smokers. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2007, 16 (6), Quick S.K., Shields P.G., Nie J., Platek M.E., McCann S.E., Hutson A.D. et al.: Effect modification by catalase genotype suggests a role for oxidative stress in the association of hormone replacement therapy with postmenopausal breast cancer risk.cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2008, 17 (5), Tate D.J. Jr, Miceli M.V., Newsome D.A. : Phagocytosis and H 2 O 2 induce catalase and metallothionein gene expression in human retinal pigment epithelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1995, 36 (7), Arthur J.R. : The glutathione peroxidases. Cell Mol Life Sci. 2000, 57 (13 14), Imai H., Nakagawa Y. : Biological significance of phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (PHGPx, GPx4) in mammalian cells. Free Radic Biol Med. 2003, 34 (2), Ho Y.S., Magnenat J.L., Bronson R.T., Cao J., Gargano M., Sugawara M. et al.: Mice deficient in cellular glutathione peroxidase develop normally and show no increased sensitivity to hyperoxia. J Biol Chem. 1997, 272 (26), de Haan J.B., Bladier C., Griffiths P., Kelner M., O Shea R.D., Cheung N.S. et al.: Mice with a homozygous null mutation for the most abundant glutathione peroxidase, Gpx1, show increased susceptibility to the oxidative stress inducing agents paraquat and hydrogen peroxide. J Biol Chem. 1998, 273 (35), Dragsted L.O., Pedersen A., Hermetter A., Basu S., Hansen M., Haren G.R. et al.: The 6 a day study: effects of fruit and vegetables on markers of oxidative stress and antioxidative defense in healthy nonsmokers. Am J Clin Nutr. 2004, 79 (6), Hansen R.D., Krath B.N., Frederiksen K., Tjønneland A., Overvad K., Roswall N. et al.: GPX1 Pro(198)Leu polymorphism, erythrocyte GPX activity, interaction with alcohol consumption and smoking, and risk of colorectal cancer. Mutat Res. 2009, 664 (1 2), Ravn Haren G., Olsen A., Tjønneland A., Dragsted L.O., Nexø B.A., Wallin H. et al.: Associations between GPX1 Pro198Leu polymorphism, erythrocyte GPX activity, alcohol consumption and breast cancer risk in a prospective cohort study. Carcinogenesis. 2006, 27 (4), Raaschou Nielsen O., Sørensen M., Hansen R.D., Frederiksen K., Tjønneland A., Overvad K. et al.: GPX1 Pro198Leu polymorphism, interactions with smoking and alcohol consumption, and risk for lung cancer. Cancer Lett. 2007, 247 (2), Arsova Sarafinovska Z., Matevska N., Eken A., Petrovski D., Banev S., Dzikova S. et al.: Glutathione peroxidase 1 (GPX1) genetic polymorphism, erythrocyte GPX activity, and prostate cancer risk. Int Urol Nephrol. 2009, 41 (1), Forsberg L., de Faire U., Marklund S.L., Andersson P.M., Stegmayr B., Morgenstern R.: Phenotype determination of a common Pro Leu polymorphism in human glutathione peroxidase 1. Blood Cells Mol Dis. 2000, 26 (5), Hu Y.J., Diamond A.M. : Role of glutathione peroxidase 1 in breast cancer: loss of heterozygosity and allelic differences in the response to selenium. Cancer Res. 2003, 63 (12), Abiaka C., Al Awadi F., Al Sayer H., Gulshan S., Behbehani A., Farghally M.: Activities of erythrocyte antioxidant enzymes in cancer patients. J Clin Lab Anal. 2002, 16 (4), Dursun H., Bilici M., Uyanik A., Okcu N., Akyüz M. : Antioxidant enzyme activities and lipid peroxidation levels in erythrocytes of patients with oesophageal and gastric cancer. J Int Med Res. 2006, 34 (2), Ratnasinghe D., Tangrea J.A., Andersen M.R., Barrett M.J., Virtamo J., Taylor P.R. et al.: Glutathione peroxidase codon 198 polymorphism variant increases lung cancer risk. Cancer Res. 2000, 60 (22), Yang P., Bamlet W.R., Ebbert J.O., Taylor W.R., de Andrade M. : Glutathione pathway genes and lung cancer risk in young and old populations. Carcinogenesis. 2004, 25 (10), Rosenberger A., Illig T., Korb K., Klopp N., Zietemann V., Wölke G. et al.: Do genetic factors protect for early onset lung cancer? A case control study before the age of 50 years. BMC Cancer. 2008, 8, 60.

11 28 Anna Janicka, Jolanta Szymańska-Pasternak, Joanna Bober 85. Knight J.A., Onay U.V., Wells S., Li H., Shi E.J., Andrulis I.L. et al. : Genetic variants of GPX1 and SOD2 and breast cancer risk at the Ontario site of the Breast Cancer Family Registry. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2004, 13 (1), Cox D.G., Hankinson S.E., Kraft P., Hunter D.J. : No association between GPX1 Pro198Leu and breast cancer risk. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2004, 13 (11 Pt 1), Hansen R., Saebø M., Skjelbred C.F., Nexø B.A., Hagen P.C., Bock G. et al.: GPX Pro198Leu and OGG1 Ser326Cys polymorphisms and risk of development of colorectal adenomas and colorectal cancer. Cancer Lett. 2005, 229 (1), Sutton A., Nahon P., Pessayre D., Rufat P., Poiré A., Ziol M. et al. : Genetic polymorphisms in antioxidant enzymes modulate hepatic iron accumulation and hepatocellular carcinoma development in patients with alcohol induced cirrhosis. Cancer Res. 2006, 66 (5), Imai H., Hirao F., Sakamoto T., Sekine K., Mizukura Y., Saito M. et al.: Early embryonic lethality caused by targeted disruption of the mouse PHGPx gene. Biochem Biophys Res Commun. 2003, 305 (2), Heirman I., Ginneberge D., Brigelius Flohé R., Hendrickx N., Agostinis P., Brouckaert P. et al.: Blocking tumor cell eicosanoid synthesis by GP x 4 impedes tumor growth and malignancy. Free Radic Biol Med. 2006, 40 (2), Brigelius Flohé R., Kipp A. : Glutathione peroxidases in different stages of carcinogenesis. Biochim Biophys Acta. 2009, 1790 (11), Villette S., Kyle J.A., Brown K.M., Pickard K., Milne J.S., Nicol F. et al. : A novel single nucleotide polymorphism in the 3 untranslated region of human glutathione peroxidase 4 influences lipoxygenase metabolism. Blood Cells Mol Dis. 2002, 29 (2), Bermano G., Pagmantidis V., Holloway N., Kadri S., Mowat N.A., Shiel R.S. et al.: Evidence that a polymorphism within the 3 UTR of glutathione peroxidase 4 is functional and is associated with susceptibility to colorectal cancer. Genes Nutr. 2007, 2 (2), Udler M., Maia A.T., Cebrian A., Brown C., Greenberg D., Shah M. et al.: Common germline genetic variation in antioxidant defense genes and survival after diagnosis of breast cancer. J Clin Oncol. 2007, 25 (21),