Úloha proteínu HSF1 v nádorovej transformácii

Súhrn

Východiská:

Transkripčný faktor HSF1 je esenciálny regulátor stresovej odpovede, ktorá slúži k rýchlej adaptácii organizmov na nepriaznivé podmienky, akými sú napr. zvýšená teplota alebo oxidatívny stres. HSF1 reguluje expresiu veľkého množstva génov primárne kódujúcich proteíny tepelného šoku (heat shock proteins – HSPs). Ide prevažne o molekulárne chaperóny, ktoré umožňujú udržiavať natívnu konformáciu proteínov, zabraňujú ich degradácii a podieľajú sa na odstraňovaní denaturovaných proteínov. K základným predstaviteľom molekulárnych chaperónov patria proteíny HSP70 a HSP90. Stresová odpoveď je vysoko konzervovaná u všetkých eukaryotických organizmov. HSF1 je ako hlavný regulátor tejto odpovede zapojený do množstva fyziologických procesov (ribozómová biogenéza, translácia, transkripcia, bunkový cyklus, metabolizmus) a patologických stavov (neurodegeneratívne poruchy, akými sú napr. Parkinsonova alebo Alzheimerova choroba). Zvýšená expresia HSF1 bola pozorovaná v rozvinutých štádiach ľudských nádorov (karcinóm prostaty, prsníka, kolorektálny karcinóm aj.), v ktorých koreluje s ich agresivitou a zlou prognózou pre pacienta. HSF1 ovplyvňuje množstvo procesov zapojených v karcinogenéze, a preto predstavuje významný diagnostický a prognostický marker. Dnes je predmetom výskumu pre potenciálnu protinádorovú terapiu. V súčasnosti je známych niekoľko inhibítorov HSF1, u ktorých zostáva objasniť molekulárne mechanizmy ich pôsobenia, potvrdiť špecifitu k HSF1, netoxicitu v zdravých tkanivách a ich účinnosť v zabíjaní cieľových nádorových buniek.

Cieľ:

Tento prehľadový článok sa zameriava na transkripčný faktor HSF1, zhrňuje základné mechanizmy jeho regulácie a aktivácie, úlohu HSF1 počas malígnej transformácie a možné protinádorové využitie nízkomolekulárnych inhibítorov HSF1 aktivity.

Kľúčové slová:

HSF1 transkripčný faktor – molekulárne chaperóny – bunkový stres – transformácia nádorov – rakovina

Úvod

Objav transkripčného faktora HSF1 predchádzali pozorovania zmeny štruktúry chromozómov a zvýšená expresia špecifických proteínov po vystavení bunky stresovým podmienkam. Taliansky genetik Feruccio Ritossa v roku 1962 publikoval, že v podmienkach zvýšenej teploty alebo vplyvom Dinitrofenolu (Dinitrophenol – DNP) dochádza u Drosophily k rozvoľneniu niektorých špecifických oblastí chomozómov [1]. Pozorovanie rozvoľnenia štruktúry, pripisované transkripčne aktívnym miestam, viedlo k identifikácii proteínov tepelného šoku (heat shock proteins – HSPs). Prvá zmienka o zvýšenej syntéze týchto proteínov po vystavení buniek Drosophily stresovým podmienkam vyvolaným tepelným šokom bola publikovaná v roku 1974 [2]. Odvtedy zaznamenal výskum stresovej odpovede významný posun. Bolo odhalené, že mnohé HSPs  slúžia ako molekulárne chaperóny, ktoré umožňujú udržiavať natívnu konformáciu proteínov, zabraňujú ich degradácii a podieľajú sa na odstraňovaní denaturovaných proteínov v podmienkach proteotoxického stresu [3]. Všeobecne sa o nich dá povedať, že sa svojou aktivitou podieľajú na udržiavaní proteínovej homeostázy (proteostázy), a sú preto pre život eukaryotických organizmov nevyhnutné.

Expresia génov HSPs je regulovaná vysoko konzervovanou skupinou transkripčných faktorov tepelného šoku (heat shock transcription factors – HSFs). U Saccharomyces cerevisiae a Drosophila melanogaster bol charakterizovaný jediný, esenciálny HSF [4]. U stavovcov bolo popísaných niekoľko HSFs (HSF1-5, HSFY a HSFX) a niekoľko ďalších bolo popísaných u rastlín [5]. U väčšiny organizmov sú HSF gény exprimované konštitutívne, a preto sa vyvinulo množstvo mechanizmov, ktoré regulujú aktivitu HSF na úrovni proteínu [5].

HSF1

HSF1 je hlavný regulátor odpovede tepelného šoku. Úlohu transkripčného regulátora sprostredkováva cez väzbu na tzv. elementy tepelného šoku (heat shock element – HSE) – konzervované úseky promótorov cieľových génov [6]. HSF1 je známy ako transkripčný aktivátor chaperónov a ko-chaperónov, ktorý zohráva dôležitú úlohu v základných fyziologických procesoch, akými sú regulácia energetického metabolizmu, bunkové delenie alebo starnutie [7]. So zníženou expresiou HSF1 sú spojené niektoré patofyziologické deje, medzi ktoré patria neurodegeneratívne poruchy, ako napr. Parkinsonova a Alzheimerova choroba [8]. Na druhej strane, pokročilé štádiá rozličných typov nádorov sú spojené s jeho zvýšenou expresiou [9].

Štruktúra a aktivácia HSF1

K pochopeniu mechanizmov aktivácie HSF1 na molekulárnej úrovni je nevyhnutné detailné poznanie jeho štruktúry. HSF1 sa skladá z niekoľkých funkčných domén, ktoré sú naprieč eukaryotickými druhmi vysoko konzervované. Ľudský proteín HSF1 je usporiadaný do 4 funkčných domén s celkovou dĺžkou 529 aminokyselín (obr. 1). Na N-konci sa nachádza DNA väzbová doména (DNA-binding domain – DBD) [10], ktorá je zodpovedná za stabilizáciu oligomérnej štruktúry HSF1 a za väzbu na promótor cieľových génov. Za DBD sa nachádza trimerizačná doména, ktorá obsahuje krátke hydrofóbne opakovania (hydrophobic repeat – HR-A/B) majúce funkciu tzv. leucinového zipsu. Nasledujúce domény zahŕňajúce regulačnú doménu (RD), krátky hydrofóbny úsek (HR-C)  a C-koncovú transaktivačnú doménu (TAD) sú cieľom pre kinázy/fosfatázy, ktoré kontrolujú úroveň aktivácie HSF1 prostredníctvom posttranslačných modifikácií (PTM) [11].

Komplexnosť stresovej odpovede dotvárajú okrem PTM aj iné regulačné mechanizmy. V bazálnych podmienkach nestresovaných buniek sa HSF1 nachádza v jadre a cytoplazme v neaktívnej monomérnej konformácii v interakcii so chaperónovými komplexmi HSP70 a HSP90. V tomto stave vykazuje HSF1 nízku afinitu k cieľovým úsekom DNA. Po vystavení proteotoxickému stresu HSF1 formuje trimér prostredníctvom HR-A a HR-B domén, ktorý sa akumuluje v jadre, kde sa následne viaže na HSE motívy v promótoroch cieľových génov [11,12] (obr. 2).

HSF1 je priamy senzor stresu, ktorý reaguje na rôzne stresové podmienky rozvoľnením monomérnej konformácie a formovaním stabilnej trimérnej konformácie. Otázkou dodnes zostáva mechanizmus brániaci spontánnej trimerizácii HSF1. Existujú tri modely, ktoré môžu byť za túto represiu zodpovedné.

Prvý model predstavuje intramolekulárna interakcia medzi hydrofóbnymi oblasťami HR-A/B a HR-C. Vystavením buniek zvýšenej teplote dochádza k rozvoľneniu tejto štruktúry, a tým aj k uľahčeniu prechodu HSF1 do energeticky výhodnejšieho stavu (trimérna konformácia). Tento mechanizmus bol podporený prácou popisujúcou purifikovaný rekombinantný proteín HSF1 ako priamy senzor zvýšenej teploty [13]. Práca však nevysvetľuje mechanizmus jeho priamej aktivácie pri odlišných typoch stresu.

Ďalší možný mechanizmus predstavuje väzba HSF1 s molekulárnymi chaperónmi, ktoré stabilizujú monomérnu konformáciu. Vplyvom HSP90 inhibítorov alebo iného proteotoxického stresu dochádza k disociácii HSF1 z komplexu molekulárnych chaperónov, k jeho trimerizácii a následnej aktivácii [14]. Po uplynutí stresu vedie zvýšená hladina voľných chaperónov k spätnoväzbovej inaktivácii HSF1 [15–17].

V bezstresových podmienkach predstavuje HSF1 monomérny fosfoproteín, ktorý je fosforylovaný na niekoľkých serínových zvyškoch [18]. PTM preto môžu prezentovať ďalší mechanizmus schopný ovplyvňovať úroveň aktivácie HSF1 v odlišných stresových podmienkach.

Väzba na DNA

Trimér HSF1 sa viaže na konzervované, kanonické oblasti HSE, ktoré sa nachádzajú v promótoroch veľkého množstva génov asociovaných so stresom. Štruktúra HSE sa môže mierne líšiť medzi jednotlivými génmi. HSE oblasti predstavujú invertované repetície s nGAAn sekvenciou (nTTCn|nGAAn|nTTCn|nGAAn), kde „n“ predstavuje ľubovoľný nukleotid. Každá DNA väzbová doména trimérneho HSF1 rozpoznáva jednu nGAAn sekvenciu, pričom tri striedavo orientované DBD domény sú nevyhnutné pre stabilnú väzbu HSF1 na DNA [7].

Posttranslačné modifikácie

Tvorba trimérnej konformácie, ktorá umožňuje DNA väzbovú aktivitu nezabezpečuje úplnú transkripčnú aktivitu. HSF1 preto podlieha PTM, ktoré zahŕňajú fosforylácie, acetylácie a sumoylácie. Medzi najlepšie preskúmané fosforylácie patria fosforylácie serínových zvyškov S121 (MK2) [19], S303 (GSK3) [20], S307 (ERK) [21] a S363 (PKC) [22], ktoré potláčajú aktivitu HSF1 a fosforylácie S230 (CaMKII) [23], S320 (PKA) [24] a S326 (mTORC1) [25], ktoré naopak podporujú transaktivačnú kapacitu HSF1. Ďalšie PTM, akými sú acetylácia a sumoylácia, sa podieľajú po uplynutí stresu na miere a dĺžke stresovej odpovede [26] (obr. 2).

Génová regulácia

Dôležitou charakteristikou stresovej odpovede je rýchlosť, akou bunka dokáže odpovedať na vzniknuté podnety prostredníctvom zvýšenej expresie adaptačných proteínov. Aktivácia HSF1 musí preto predstavovať veľmi rýchly proces. Aktivovaný HSF1 je lokalizovaný na cieľových promótoroch už niekoľko sekúnd po tepelnom šoku. Promótory génov HSPs sú prispôsobené k rýchlej aktivácii tým, že obsahujú neaktívnu RNA polymerázu II, ktorá sa nachádza približne 20 bp od počiatku transkripcie [27]. Vzájomná interakcia HSF1 s pozitívnym transkripčným elongačným faktorom 1 (p-TEFb) umožňuje naviazanie p-TEFb na cieľové promótory a P-TEFb následne sprostredkováva fosforyláciu C-koncovej domény RNA polymerázy II spojenú s aktiváciou, a tým spoločne s HSF1 zahajuje transkripciu [28].

Úloha HSF1 počas malígnej transformácie

Proteínová homeostáza je v nádorových bunkách často narušená dysregulovanou proteosyntézou, nerovnováhou proteínov spôsobenou aneuploídiou a nadmernou expresiou onkogénov.

To, že malígna transformácia je proces silno asociovaný s proteotoxickým stresom, podporujú pozorovania zvýšenej aktivity HSF1 u rozličných typov ľudských nádorov, akými sú napr. nádory prostaty [29], prsníka (breast cancer – BC) [30], kolorektálny karcinóm (colorectal carcinoma – CRC) [31], orálny skvamózny karcinóm [17] alebo hepatocelulárny karcinóm [32]. Zvýšená hladina HSF1 koreluje s agresivitou onkologického ochorenia, pozitívne ovplyvňuje invazivitu a rozvoj metastáz a je spojená so zlou prognózou pre pacienta [33]. Dôležitosť HSF1 v procese karcinogenézy podporuje znížené riziko tvorby nádorov u HSF1 deficientných myší, ktorých rast bol indukovaný mutáciou p53, onkoproteínom Ras alebo chemickými mutagénmi [33]. V ľudských nádorových líniách vedie utíšenie HSF1 k zníženej proliferácii a k zníženému prežívaniu bunkových kultúr [33]. Prvým vysvetlením tohoto fenoménu bolo, že HSF1 podporuje malignitu prostredníctvom expresie proteínov HSPs. Štúdie zamerané na interakcie HSF1 s chromatínom však ukázali, že HSF1 riadi počas malígnej transformácie odlišnú skupinu génov ako počas stresovej odpovede [9]. Aj napriek výraznej podpore karcinogenézy však HSF1 nepredstavuje klasický onkoproteín, pretože v ľudských nádoroch neboli pozorované žiadne somatické mutácie HSF1 a ani nadmerná expresia HSF1 neviedla k malígnej transformácii, ako je to v prípade iných onkoproteínov, akým je napr. Ras [33]. HSF1 podporuje karcinogenézu tým, že sa zúčastňuje na fyziologických procesoch, na ktorých sa stali nádorové bunky závislé.

HSF1 a HSPs

HSPs predstavujú skupinu molekulárnych chaperónov umožňujúcich udržiavať proteínovú homeostázu počas stresových podmienok [34]. Niektoré podtypy BC, nádorov prostaty či hrubého čreva sú spojené so zvýšenou expresiou týchto chaperónov, predovšetkým však HSP27, HSP70 a HSP90 [31,35]. Hoci za ich expresiu zodpovedá primárne HSF1, nie vždy bola pozorovaná asociácia medzi zvýšenou expresiou HSPs a HSF1. Podporuje to hypotézu, že HSF1 nespúšťa v nádorových bunkách klasickú stresovú odpoveď, ale reguluje expresiu iba niektorých špecifických HSPs a to v závislosti od typu a štádia ochorenia [9]. Napríklad u agresívnych HER2+ nádorov prsníka je knock-out HSF1 spojený so zníženou expresiou HSP27 a HSP70. U HER2+ myší viedol následne knock-out HSF1 k zníženej karcinogenéze prsníka, ako aj k zníženému výskytu pľúcnych metastáz [36,37]. Jednou z možností protinádorového efektu delécie HSF1 je práve znížená expresia týchto chaperónov. Keďže množstvo klientských proteínov HSPs predstavujú silné onkoproteíny, ich stabilizácia pomocou chaperónov je pre nádorové bunky nesmierne dôležitá. Okrem toho zvýšená proliferácia nádorových buniek spojená so zvýšenou produkciou proteínov kladie vysoké nároky na mechanizmy kontrolujúce kvalitu proteínov. HSPs hrajú preto v týchto procesoch nezastupiteľnú úlohu závislú na aktivite HSF1.

Jedným z klientov HSP70 je napr. proapoptický proteín p53. HSP70 interaguje s mutovaným p53 rovnako dobre ako s wild type p53 [38]. V prípade mutácie chaperón HSP70 stabilizuje mutovaný p53 a tým umožňuje propagáciu jeho onkogénnych vlastností.

Ďalším dôležitým chaperónom so zvýšenou expresiou u mnohých typov ľudských nádorov je HSP27. Zvýšená hladina HSP27 často koreluje s rezistenciou k chemoterapeutikám a so zlou prognózou [39]. HSP27 sa podieľa na regulácii prestavby aktínových filamentov počas bunkového pohybu. HSF1 tak môže prostredníctvom indukcie expresie a fosforylácie HSP27 podporovať migráciu a invazivitu nádorových buniek [32].

Tretím dôležitým chaperónom, ktorý sa zúčastňuje nádorovej transformácie, je HSP90. Jeho expresia je rovnako ako u predchádzajúcich chaperónov regulovaná aktivitou HSF1. HSP90 pri procese karcinogenézy stabilizuje viacero onkogénnych klientov, akými sú proteínkináza B (PKB), inhibičný faktor migrácie makrofágov (MIF) alebo samotný HSF1 [35].

V CRC bola hladina mRNA pre HSF1 zvýšená u 86 % pacientov. Zvýšená hladina HSF1 v CRC koreluje so zvýšenou expresiou chaperónov HSP27 a HSP90 a ko-chaperónu BAG-3. BAG-3 stabilizuje hladinu anti-apoptických členov rodiny Bcl-2 a tým umožňuje bunkám CRC prežiť aj v pro-apoptických podmienkach [40].

HSF1 a signálne dráhy

Vznik nádora, epiteliálno-mezenchymálna tranzícia (EMT), zvýšená migrácia a invazivita, výskyt metastáz alebo vznik rezistencie k apoptóze sú následkom mutácií, ktoré vedú k deregulácii signálnych dráh a metabolizmu bunky. HSF1 zohráva centrálnu úlohu v množstve signálnych dráh, ktoré sa zúčastňujú týchto procesov (obr. 3).

p53 a Ras

Tumor supresor TP53 a onkogén Ras sú dva najčastejšie mutované gény v ľudských nádoroch. V modelových myších organizmoch s mutáciou p53 bol pozorovaný zvýšený výskyt lymfómov, pričom simultánna delécia HSF1 a p53 viedla k poklesu tvorby lymfómov [33]. Dai et al ukázali, že delécia HSF1 dramaticky znižuje tvorbu nádorov u myší nesúcich dominantne negatívnu mutáciu génu Tp53. Naproti tomu, HSF1+/+ a HSF1+/– myši nesúce dominantne negatívnu mutáciu génu Tp53 mali vyvinuté široké spektrum nádorov, zahŕňajúcich lymfómy, sarkómy aj karcinómy. Poukazuje to na významnú úlohu HSF1 pri p53 indukovanej karcinogenéze, ktorá bola potvrdená aj pri ďalších onkogénoch. Proteíny Ras ako aj PDGF-B sú silné mitogénne transduktory, ktorých aktivita vedie k nadmernému deleniu buniek. Myšie embryonálne fibroblasty (MEFs) s deléciou HSF1 však dokážu odolávať Ras-mediovaným mitogénnym signálom [33].

HSF1 a HIF-1

Jedným z možných následkov nadmernej proliferácie neoplázií je vznik nedostatočne vaskularizovaných hypoxických oblastí charakteristických zníženou hladinou kyslíka v nádorovom tkanive. Kľúčovým regulátorom hypoxickej odpovede je transkripčný faktor HIF-1 (hypoxia-inducible factor 1), ktorý po vytvorení heterokomplexu pozostávajúceho z podjednotiek HIF-1α a HIF-1β reguluje expresiu cieľových génov cez väzbu na špecifické responzivné elementy (hypoxia response element – HRE) sekvencie v DNA [41]. Adaptácia na hypoxiu je však okrem aktivácie HIF-1α podmienená viacerými faktormi všeobecne asociovanými so stresovou odpoveďou, akými sú napr. aktivácia dráhy opravujúcej poškodenie DNA, alebo antioxidačnej odpovede [42–44]. U viacerých eukaryotických organizmov bola počas hypoxie pozorovaná aj výrazne zvýšená expresia HSPs, ktorých expresia nebola spájaná s reguláciou HIF-1 [45,46], avšak sa ukázala ako dôležitá pre prežívanie v podmienkach so zníženou hladinou kyslíka. To poukazuje na dôležitosť aktivácie HSF1 signálnej dráhy počas hypoxickej odpovede [47,48]. Naopak Baird et al na modeli Drosophily melanogaster pozorovali po knock-oute HIF-1 výrazne zníženú expresiu HSPs spojenú s nižším prežívaním po vystavení hypoxii a reoxygenácii. Tieto pozorovania naznačujú, že HIF-1 signálna dráha by mohla regulovať aj expresiu HSPs, ktoré sú zapojené do fyziologickej odpovede na stres spôsobený nedostatkom kyslíku [49]. Na druhej strane bolo popísané, že chaperónová aktivita HSP70 a HSP90 je potrebná pre stabilizáciu HIF-1, a je teda kritická pre adaptáciu na hypoxiu a oxidatívny stres [50,51]. Môže teda aktivita HSF1 nepriamo regulovať hypoxickú signálnu dráhu cez expresiu HSPs stabilizujúcich HIF-1? Na myšom modeli progenitorových buniek kostnej drene spôsobil knock-out HSF1 nedostatočnú mieru angiogenézy asociovanej s utlmením HIF-1 signálnej dráhy [52]. Prepojenie medzi signálnymi dráhami regulovanými transkripčnými faktormi HIF-1 a HSF1 je z hľadiska protinádorovej terapie zaujímavým, avšak nie úplne objasneným fenoménom, ktorý si zasluhuje ďalšie skúmanie.

HSF1 a PI3K-AKT-mTOR

Receptor HER2 je okrem nádorov vaječníkov a žalúdka asociovaný hlavne so zvýšenou agresivitou ľudského BC [37,53]. Nadmerná expresia HER2 spôsobuje jeho spontánnu, na ligande nezávislú dimerizáciu, ktorá vedie k aktivácii signálnej dráhy PI3K/AKT [54]. Dráha PI3K-AKT-mTOR (mammalian target of rapamycin) je zapojená do regulácie rastu, prežívania a apoptózy a je často deregulovaná v ľudských nádoroch [55–57]. V HER2+ nádoroch prsníka je mTOR zodpovedný za konštitutívnu fosforyláciu HSF1 na S326, expresiu HSPs a stabilizáciu HSP90 klientov, akými sú napr. MIF, AKT, mutovaný p53 alebo samotný HSF1, ktoré podporujú rast HER2+ nádorových buniek [25,35]. V prítomnosti metabolického stresu AMP-aktivovaná proteínkináza (AMPK) dokáže potláčať aktivitu komplexu mTORC1 [58]. Týmto sa metabolický stres podieľa nepriamo na inaktivácii HSF1. EMT je bunkový proces podporujúci tvorbu metastáz [59]. Jedným z hlavných iniciátorov EMT je regulačný faktor Slug [60]. Prostredníctvom signalizácie HER2-PI3K-AKT-mTOR aktivovaný HSF1 je schopný indukovať expresiu proteínu Slug, podporovať EMT a podieľať sa na zvyšovaní malignity HER2+ nádorov [61].

HSF1 a energetický  metabolizmus

Aby nádorové bunky spĺňali zvýšené nároky na rast a proliferáciu, je u nich výrazne zosilnený príjem živín, najmä glukózy [62]. Zdravé bunky sa spoliehajú primárne na mitochondriálnu oxidatívnu fosforyláciu na generovanie energie potrebnej pre bunkové procesy. Naproti tomu nádorové bunky často využívajú aeróbnu glykolýzu. Tento jav sa nazýva „Warburgov efekt“ a je pre nádorové bunky charakteristický [62,63]. Tie metabolizujú glukózu za vzniku pyruvátu, ktorý je však prostredníctvom zvýšenej katalytickej aktivity laktátdehydrogenázy A (LDH-A) redukovaný na laktát, a to aj v prítomnosti kyslíka (obr. 4). V porovnaní s oxidatívnou fosforyláciou ide o energeticky nevýhodný proces, a preto nádorové bunky zvyšujú príjem glukózy a stávajú sa „závislé na cukre“. Nádorové bunky majú tiež zvýšenú aktivitu LDH-A a utíšenie LDH-A u nich vyvoláva oxidatívny stres a inhibuje progresiu nádora [64,65].

Štúdie interakcie HSF1 s chromatínom ukázali, že cicavčí HSF1 sa zúčastňuje na regulácii energetického metabolizmu [33,66]. Napríklad knock-out HSF1 u myších embryonálnych fibroblastov spôsobil, že sa tieto bunky ľahšie adaptovali na podmienky s nízkou glukózou a mali zníženú aktivitu LDH-A [33]. V HER2+ BC závisí aktivita LDH-A od HSF1, ktorý sa viaže na promótor génu LDHA a spúšťa jeho expresiu. Naopak knock-out HSF1 v týchto bunkách spôsobuje inhibíciu expresie génu LDHA, zníženú glykolýzu a chybný rast buniek [67].

HSF1 a AMPK

AMPK je hlavný senzor metabolického stresu, ktorý hrá dôležitú úlohu pri udržiavaní energetickej rovnováhy. Zvýšením pomeru adenozínmonofosfát (adenosine monophosphate – AMP) / adenozíntrifosfát (adenosine triphosphate – ATP) v podmienkach metabolického stresu dochádza prostredníctvom fosforylácie Thr172 k aktivácii AMPK [68]. Phospho-AMPK (P-AMPK) sa následne účastní na potláčaní procesov, ktoré spotrebovávajú ATP, akými sú napr. proteosyntéza alebo produkcia lipidov [68]. V podmienkach nedostatku ATP a zníženej proteosyntézy nie je pre bunku výhodné udržiavať vysokú expresiu chaperónov, ktorá je závislá od ATP [69]. P-AMPK preto v týchto podmienkach fosforyluje HSF1 na S121, inaktivuje ho a tým znižuje expresiu HSPs [70]. Zhou et al pozorovali v nádoroch pankreasu potlačenú aktivitu tumor-supresoru AMPK, ktorá korelovala so zlou prognózou pacientov. Knock-out AMPK v pankreatických nádorových líniách je asociovaný so zvýšenou aktivitou HSF1 a podporuje invazivitu a migráciu týchto buniek v miere závislej na HSF1 [70,71]. Identifikácia HSF1 ako substrátu AMPK poukazuje na vzťah medzi metabolickým a proteotoxickým stresom, čo by mohlo byť zaujímavé z hľadiska protinádorovej terapie. Príkladom možnej terapie zameranej na signalizáciu AMPK-HSF1 je metformín, ktorý je celosvetovo používaný k liečbe diabetes mellitus 2. typu. Metformín účinkuje ako metabolický stresor, ktorý inhibuje mitochondriálny dýchací reťazec, zvyšuje pomer AMP/ATP a tým sa podieľa na AMPK sprostredkovanej inhibícii HSF1 [58,72].

HSF1 ako cieľ protinádorovej terapie

Vďaka zvýšenej aktivite a expresii HSF1 a ním regulovaných chaperónov v nádorových bunkách predstavuje HSF1 potenciálny cieľ protinádorovej terapie. Znížená aktivita HSF1 v nádorových bunkách vedie k poklesu proliferácie a ku zvýšenej miere apoptózy [33]. Nízkomolekulárne inhibítory HSF1 by tak mohli byť potenciálne využívané ako súčasť protinádorovej terapie. Inhibítory HSF1 sa dajú rozdeliť na dve skupiny:

1. Tzv. nepriame inhibítory, ktorých aplikácia zamedzí vzniku podmienok aktivujúcich HSF1. Podľa súčasných poznatkov je HSF1 aktivovaný v podmienkach zvýšenej expresie proteínov alebo následkom ich agregácie. Všeobecne teda platí, že podmienky destabilizujúce proteostázu indukujú aktiváciu HSF1 [73]. Naopak podmienky znižujúce produkciu proteínov vyvolané napr. inhibíciou translácie (cykloheximid, rocaglamid), inhibíciou mTOR a aktiváciou AMPK (salycilát) môžu slúžiť k inaktivácii HSF1. Skupinu spomenutých inhibítorov proteosyntézy teda môžeme klasifikovať ako nepriame inhibítory HSF1.
2. Druhú skupinu reprezentujú inhibítory, ktoré potláčajú expresiu HSPs priamo cez väzbu na HSF1. Hovoríme teda o priamych inhibítoroch, ktoré zahŕňajú napr. KRIBB11,  AptHSF-RA1 alebo I_HSF115. Sľubné výsledky prinieslo testovanie inhibítora KRIBB11, ktorý v rôznych nádorových bunkových líniách znižuje proliferáciu a v myších modeloch znižuje rast nádorov, a to bez straty ich telesnej hmotnosti. KRIBB11 pôsobí prostredníctvom reverzibilnej väzby na HSF1, ktorou brání väzbe p-TEFb, nevyhnutného pre aktiváciu RNA polymerázy II, a zahájenie transkripcie [74]. Odlišným mechanizmom pôsobí RNA aptamér AptHSF-RA1, ktorý sa viaže na DNA väzbovú doménu HSF1, čím zamedzuje jeho naviazaniu na promótorové oblasti HSPs. U bunkovej línie HeLa bolo po transfekcii AptHSF1-RA1 oproti kontrolným vzorkám pozorované 9-násobné zvýšenie mortality v bunkovej kultúre [75,76]. I_HSF115 je ďalším priamym inhibítorom HSF1, ktorý ovplyvňuje priamo jeho transaktivačnú funkciu. ATF1/CREB reguluje stresom-indukovanú odpoveď tepelného šoku pomocou tvorby transkripčného komplexu s HSF1 a umožňuje tak nasadnutie HSF1 na cieľové promótory. I_HSF115 sa viaže na DNA väzbovú doménu HSF1 a výrazne znižuje interakciu HSF1-ATF1 [77]. Predpokladá sa preto, že I_HSF115 interferuje s formovaním transkripčných komplexov nevyhnutných pre zahájenie HSF1-sprostredkovanej transkripcie.

Záver

HSF1 je transkripčným faktorom dvoch tvárí. Na jednej strane sa obecne podieľa na ochrane bunky pred proteotoxickým stresom, ale zároveň napomáha nádorovým bunkám prispôsobiť sa zvýšeným nárokom vyvolaných malígnou transformáciou. Všeobecne sa dajú jeho onkogénne úlohy rozdeliť na:

• a) reguláciu proteínov HSPs, ktoré ako molekulárne chaperóny stabilizujú veľké množstvo klientských proteínov esenciálnych pre prežitie nádorových buniek (napr. mutovaný p53);
• b) zapojenie v množstve signálnych dráh (AMPK, PI3K-AKT-mTOR), ktoré sú zodpovedné za proliferáciu, EMT, invazivitu, alebo migráciu;
• c) reguláciu energetického metabolizmu, ktorý predstavuje charakteristickú črtu nádorových buniek. Zvýšená hladina HSF1 koreluje so zvýšenou agresivitou onkologického ochorenia a so zlou prognózou pre pacienta. Vďaka jeho pleiotropnej úlohe je HSF1 nielen významným diagnostickým a prognostickým markerom, ale aj zaujímavým potenciálnym cieľom protinádorovej  terapie.

Práca bola podporená projektom MŠMT – NPU I – LO1413.

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do biomedicínských časopisů.

Mgr. Oliver Šimončík

Regionální centrum aplikované molekulární onkologie

Masarykův onkologický ústav

Žlutý kopec 7 656 53 Brno

e-mail: oliver.simoncik@mou.cz

Přijato: 10. 8. 2018