Zellzykluskontrolle und Tumorentstehung

1. Zellzykluskontrolle und Tumorentstehung Katja Arndt, 29.11.2005

2. Eukaryotischer Zellzyklus G2 = gap (ca. 4 h) Wachstum, Kontrolle und Korrektur Mitose und Cytokinese: Trennung der Chromatiden Teilung der Zelle • G1 = gap (mind. 9-12 h) • Zellwachstum • Entscheidung: • Zellteilung • G0 Phase • Differenzierung zwei Schwester-Chromatide S = DNA Synthese (7-10 h) Verdopplung der 46 Chromosomen Apoptose (Zelltod)

3. Kontrollstellen im Zellzyklus M-Restriktionspunkt G1-Restriktionspunkt Alle Chromosomen an Spindel angeheftet? Umgebung günstig? Verfügbarkeit von Substraten für Protein und DNA Synthese? G2-Restriktions- punkt DNA repliziert? Umgebung günstig? zwei Schwester-Chromatide Apoptose (Zelltod)

4. Regulation durch Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen • Cyclin-dependent Kinase (CDK): • hoch konserviert. • phosphorylieren Proteine. • Aktivierung durch Cycline und Dephosphorylierung. • Deaktivierung durch CDK-Inhibitoren und Phosphorylierung.

5. Regulation des Zellzyklus Rb E2F Wachstumsfaktoren z.B. Plättchen-Wachstumsfaktor PDGF, Epidermaler Wachstumsfaktor EGF, Fibroblasten Wachstumsfaktor FGF, Insulinähnliche Wachstumsfaktoren IGF-I, IGF-II Rb: Retinoblastomprotein; "Ruhebringer“ Tumorsuppressor E2F: Transkriptionsfaktoren

6. Regulation des Zellzyklus Rb Cyclin A Cyclin B E2F CDK1 CDK1 P P Rb P E2F Cyclin A CDK2 Zerfall Kernlamina Reorganisation Cytoskelett Wachstumsfaktoren Ubiquitinylierung Degradation Wachstumsfaktor unabhängig ! DNA Synthese Stimulation Inhibition stimuliert Zellzyklus inhibiert Zellzyklus

7. Inhibitoren von Cyclin-CDKs CIP: CDK Inhibitor-Protein • P21 wichtig für Reaktion auf DNA Schäden • P27 hemmt G1-Cyclin/CDKs und reguliert damit G0 G1 Übergang • Immunmediator Interleukin-2 P27 Zellteilung von Leukozyten • Immunmediator TGF-β P27 Stopp von Virusvermehrung • Kontaktinhibitoren P27 Wachstumshinderung INK4: Inhibitor der CDK4 • P16 Tumorsuppressor • Viele Tumore zeigen zwei mutierte P16 Allele

8. Regulation des Zellzyklus Rb Cyclin A Cyclin B E2F CDK1 CDK1 P P Rb P E2F Cyclin A CDK2 Zerfall Kernlamina Reorganisation Cytoskelett Wachstumsfaktoren INK4 P16 Ubiquitinylierung Degradation CIP P21,P27 DNA Synthese Stimulation Inhibition stimuliert Zellzyklus inhibiert Zellzyklus

9. DNA Schaden Cyclin B Cyclin CDK1 CDK P53 Tumorsuppressor, "Wächter des Genoms" • DNA Schaden bewirkt P53 vermittelten • Zellzyklus-Arrest: G1-S- und S-G2-Übergang (P21) • Einleitung der Apoptose (Zelltod) • Steuerung von P53 durch Konzentrationsänderung und Phosphorylierung. P21 G1-Arrest CIP G2-Arrest P21 aktiv p53 CIP Seneszenz P16 Apoptose INK

10. Regulation des Zellzyklus Rb Cyclin A Cyclin B E2F CDK1 CDK1 P P Rb P E2F Cyclin A CDK2 Zerfall Kernlamina Reorganisation Cytoskelett Wachstumsfaktoren INK4 DNA Schäden P16 Ubiquitinylierung Degradation p53 CIP P21,P27 Apoptose DNA Synthese Stimulation Inhibition stimuliert Zellzyklus inhibiert Zellzyklus

11. Tumorsuppressor Gene — Proto-Onkogene Tumorsuppressor Gene alle Gene, die das Zellwachstum NEGATIV beeinflussen z.B. Rb, p53, P16 (INK) Proto-Oncogene alle Gene, die das Zellwachstum POSITIV beeinflussen. z.B. Ras, Cyclin D, CDK4 • In Tumoren ist meistens eine der Komponenten des P16 – CyclinD/CDK4 - Rb Weges verändert.

12. Tumorsuppressor Gene — Proto-Onkogene Proto-oncogen: eine Mutation ist ausreichend. Tumor-suppressorgen: zwei Mutation sind nötig.

13. Retinoblastom Protein • Rb Protein normalerweise in hoher, konstanter Konzentration in Zellen • erbliche Vorbelastung: • Träger haben ein gesundes Allel und ein mutiertes Allel. • durch Defekt des gesunden Allels wird kein funktionales Rb Protein hergestellt. • tritt in der Regel bei Sinneszellen der Netzhaut auf: Retinoblastom. • Rb in mehr als 60% aller beim Menschen auftretenden Tumoren deletiert oder inaktiviert. normales Rb Gen Mutation am Rb locus

14. Entwicklung eines Darmtumors Tumor = unkontrolliertes Wachstum gutartiges (benignes) oder bösartiges (malignes) Wachstum

15. Erworbene Fähigkeiten bösartiger Tumore • Tumorzellen synthetisieren Wachstumsfaktoren • Wachstumsfaktor-Rezeptoren immer aktiv p53 Rb, TGF-β, CDK4 p53 Rb, p53, P16 (INK4), Ras Hanahan & Weinberg (2000). Cell 100, 57-70.

16. Tumortherapie • Chirurgische Entfernung des Tumors • Strahlentherapie • Chemotherapie • DNA Schäden: z.B. Alkylantien, Platinanaloga, Antibiotika • Mitosehemmer (pflanzliche Alkaloide) • Anti-Metabolite (z.B. Purin-, Pyrimidinanaloga) • Antikörper • Kinasehemmer • "Oncolytische Viren": z.B. Papillomavirus; großes T antigen von SV40 "Onkolytische Viren": vermehren sich nur in Zellen mit defektem Rb bzw. p53

17. Zusammenfassung • Zellkontrollpunkte: G1, G2, M • Kontrolle über Cycline und Cyclin-abh. Kinasen (CDK) • weitere Kontrolle über CDK-Inhibitoren (CIP, INK) • Rb und p53 wirken als Tumorsuppressor und sind in den meisten Tumoren verändert (beide Allele). • Proto-Oncogene können durch Mutation oder veränderte Regulation zu Oncogenen werden (ein Allel). • Zur Entstehung maligner Tumore sind mehrere Ereignisse erforderlich, die eine autonome Vermehrung bewirken. • Chemotherapeutika greifen an verschiedenen Stellen im Zellzyklus ein.

18. Literatur Bücher: • Löffler & Petrides: Biochemie & Pathobiochemie, Springer Verlag, 7. Auflage, 2003. • Horn, et al.: Biochemie des Menschen, Thieme Verlag, 3. Auflage, 2005. • Alberts et al.: Molekularbiologie der Zelle, Wiley-VCH, 4. Auflage, 2003. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books) • Lodish et al.: Molecular Cell Biology, W.H. Freeman & Co, 5. Auflage, 2004. (http://bcs.whfreeman.com/lodish5e/) • Campbell & Reece: Biology, Benjamin-Cummings, 7. Auflage, 2004. Artikel: • Insight "Cell Division and Cancer" (2004). in Nature 432:7015, 293-338. • Hanahan & Weinberg (2000). Cell 100, 57-70. Vorlesung: http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka/lehre/dat/Zellzyklus_Tumor.ppt