24.2 Proto-Oncogenes and Tumor-Supressor Genes

1. 24.2 Proto-Oncogenes and Tumor-Supressor Genes • To store klasser gener spiller en viktig rolle i induksjon av kreft; proto-oncogener og tumor suppressor gener. Disse koder for mange typer proteiner som har funksjon i cellevekst(syv typer) og celleformering. • De syv typene proteiner som deltar i kontroll av cellevekst: • Vekstfaktorer, overekspresjon av Myc og Bcl-2 • Vekstfaktor reseptorer, ofte tyrosin-kinase koblede reseptorer • Signal-transduksjon proteiner; Ras • Transkripsjons faktorer • Pro- eller anti-apoptotiske proteiner, f.eks mutasjon i Fas • Celle syklus kontroll proteiner; p53, p16, Rb og APC • DNA reparasjons proteiner • Mutasjoner i klasse I-IV forårsaker generelt en økning i aktive dominante oncogener. Klasse VI er hovedsakelig tumor supressorer, mutasjon i disse øker faren for at mutante celler utvikler seg til tumor celler. Klasse VII mutasjoner øker kraftig faren for mutasjoner i de andre klassene.

2. Gain-of-function mutasjoner konverterer proto-oncogener til oncogener: • Et oncogen  proteiner  transformasjon i cellekultur eller indusere kreft i animalske celler. • Det finnes bare et fåtall kjente oncogener som i sin normale form (proto-oncogen) koder proteiner som deltar i cellulære vekst kontrollerende spor. Ras (proto-oncogen) er et eksempel; koder et signaltransduksjons protein. RasD er mutant form og fører til ukontrollert vekst signal. RasD hydrolyserer GTP mye tregere enn ras. • Konversjon/aktivering av proto-oncogen involverer vanligvis en ”gain-of-function” mutasjon, deles inn i tre mekanismer: • Punktmutajon i et proto-oncogen som resulterer i et ”fungerende”(constituitively acting) protein produkt. • Lokalisert reduplisering (gen amplifikasjon) av en DNA sekvens som inneholder et proto-oncogen, fører til overekspresjon av det kodede proteinet. • Kromosomal translokasjon som fører er vekst-reguleringsgen under kontroll av en annen promotor og gir dermed upassende ekspresjon av genet. • Gain-of-function mutasjoner som konverterer proto-oncogener til oncogener er dominante, dvs mutasjon i bare det ene allelet er nødvendig for induksjon av kreft.

3. Virus kan være kreftfremkallende • Peyton Rous 1911 (Nobelprisen i 1966) • Bindevevstumor fra kylling inneholdt et virus (Rous sarcoma virus, RSV) • Retrovirus • RNA revers-transkriberes til DNA og inkorporeres i vertscellens genom • har normale gener som koder for virusets strukturproteiner og revers-transkriptasen • i tillegg har transformerende retrovirus et v-src-gen som er nødvendig for kreftutvikling, et oncogen • Normale celler har et gen som ligner, proto-oncogenet c-src • viser at et retrovirus kan ha transformert proto-oncogener fra normale celler som ved mutasjon har blitt omformet til en oncogen • finnes mange slike koblinger der et viralt oncogen dominerer over et cellulært proto-oncogen og fører til en akselerert funksjon

4. Sent-virkende retrovirus • mangler oncogen • DNA transkribert fra retrovirus integreres tilfeldig i cellens kromosomer • aktiverer c-Myc som medierer til økt produksjon av proteiner involvert i cellesyklusen • tar tid å utvikle tumor pga at • -integrasjon forekommer sjelden i nærheten av c-myc • -flere mutasjoner må til • innsatt proviralt DNA kan fungere som promoter eller enhancer Oncogen effekt både ved at produksjon av normalt c-Myc øker og at uttrykket av c-myc, vanligvis nedregulert når cellen skal differensiere, ikke responderer på nedregulerende signaler; cellen vil isteden DNA replikeres og dele seg

5. Mange DNA-virus inneholder onkogener • De fleste dyrecellene som infiseres av små DNA-viruser, som SV40, drepes, men noen få integrerer sitt virale DNA inn i verts-celle genomet. • Selv om disse cellene overlever infeksjonen, blir de permanent transformert fordi det virale DNA inneholder en eller flere onkogener. • I motsetning til retrovirale onkogener, som er derivert fra normale cellulære gener som har ingen funksjon for viruset, er onkogenene til DNA viruset integrerte deler av det virale genomet som trengs for viral replikasjon.

6. ”Loss-of-function” mutasjoner i Tumor-Suppressorgener er onkogent • Tumor-suppressor gener koder vanligvis for protein som på en eller annen måte hemmer celleformering. • Som regel koder tumor-suppressor gener for fem protein-klasser: - Intracellulære proteiner, som p16 cyclin-kinase inhibitor, som regulerer fremgang i et spesifikt trinn i cellesyklus. - Reseptorer for utskilte hormoner (f.eks. Tumor derivert vekst faktor β) som har som funksjon å hemme celleformering. - ”checkpoint” kontroll proteiner, som stopper cellesyklus dersom DNA er ødelagt eller kromosomer er unormale. Eks: p53

7. - - Proteiner som fremmer apoptose. Eks: Bax - Enzymer som deltar i DNA reparasjon. Mutasjoner i gener som koder for DNA-reparasjons enzymer -og som gjør at disse mister sin funksjon- fremmer hemming av andre tumor-suppressor gener samt aktivering av onkogener. • Siden det vanligvis er nok at en kopi av tumor-suppressor genet kontrollerer cellevekst, må begge allelene av tumor-supressor genet være fjerna eller inaktivert for at tumor utvikling fremmes.

8. Arvelige og sporadiske mutasjoner i tumor-suppressor gener • Mange tumor-suppressor gener er identifisert gjennom analyse av familier med anlegg for spesifikke typer kreft. • Arv av en mutant allel av et tumor-suppressor gen, øker sannsynligheten for utvikling av en bestemt type tumor til nesten 100%. • Retinoblastoma er et klassisks eksempel. Her dreier det seg om arv av en defekt kopi av RB genet (fig. 8.7a). En somatisk mutasjon som omfatter 13q14 i det normale allelet i en heterozygot celle, er tilstrekkelig for at cellen gir opphav til tumorer i retina.

9. Arvelige og sporadiske mutasjoner i tumor-suppressor gener • Ved sporadisk retinoblastoma har man arvet to normale RB allel, der hver av de har blitt utsatt for tap-av-funksjon mutasjon i en retinal celle (fig. 8.7b). Det betyr at to separate somatiske mutasjoner, der begge alleler i en bestemt celle blir inaktivert, er krevd for å produsere en homozygot Rb-/Rb- retinal celle. • Ca halvparten av barna der en av foreldrene er affektert får sykdommen. Retinoblastoma arves som et autosomalt dominant trekk (fig. 24.12)

10. Hvordan kan retinoblastoma trekk arves dominant hvis delesjonen av RB genet er ressesiv for villtype RB+ allel? • Organisme nivå: Hundretusener av de retinale cellene er heterozygote for delesjonen. Det er stor sannsynligheten for at det i minst en av disse, vil inntreffe en skade RB+ allel som følge av en genetisk begivenhet. • Nivå enkelt celle: En celle med bare en kopi av RB+ produserer nok funksjonelt protein til å fungere som normalt. Dermed er RB delesjonen ressesiv til RB+. Proteinet genet produserer er med å regulere cellesyklus. På den måten hjelper proteinet til med å forhindre celler i å bli kreftceller, derav tumor-suppressor gen.

11. Arvelige mutasjoner i tumor-suppressor gener • Eksempler på andre krefttyper med arvelige anlegg: - Brystkreft, der tumor-suppressor genet er BRCA1 - Melanomas, der tumor-suppressor genet er p16 - Tykktarmskreft, der tumor-suppressor genet er APC

12. Tap av heterozygositet av tumor-supressor generLoss of heterozygosity (LOH) * En celle som inneholder et normalt & et mutant allel av et tumor-supressorgen vil være fenotypisk normal. *Tap av heterozygositet kan forekomme ved to ulike mekanismer: Missegregering eller Mitotisk rekombinasjon

13. Missegregation(nondisjunction) • Om dannelsen av mitotiske spindler er defekt, kan de duplikerte kromosomene i metafasen segregere i en 3:1 ratio • Dattercellen som mottar 3 kromosomer av samme type vil som oftest miste èn. Det kan gi en celle som er homozygot for det mutante tumor-supressor genet. • Pot.tumordannelse

15. Mitotisk rekombinasjon • Mitotisk rekombinasjon mellom et villtype-kromosom & et mutant kromosom vil ofte føre til at èn av dattercellene inneholder 2 kopier av det mutante genet, og ingen av vill-typen.  Potensiell tumordannelse

16. Kap.24.3 Oncogene mutasjoner som påvirker celle proliferasjon • Ulike eksempler på onkogene mutasjoner i gener som koder for: • Vekstfaktorer (sjeldent fenomen) • Virus-kodede aktivatorer • Vekstfaktor-reseptorer • -Signal-transduksjons proteiner • -Transkripsjonsfaktorer

17. Virus-kodede aktivatorer for vekstfaktor-reseptorer fungerer som onkogener Hos mus er et retrovirus, SFFV (Spleen focus-forming virus), påvist å gi en økning av erytrocytter i en tilstand der virus koder for et glykoprotein, gp55, en ligand for aktivering av EPO reseptorer på erytroide celler. Binding av gp55 gir proliferering av disse celler i fravær av Epo ligand. I kombination med andre mutasjoner kan dette tilslutt føre til erythroleukemi.

18. Aktiverende mutasjoner eller overuttrykking av vekst-faktor reseptorer kan transformere celler. Flere typer mutasjoner fører til produksjon av konstant aktive reseptorer, som overfører vekst signal i fravær av normale ligander. Her2 reseptoren (en RTK) kan forandres til et onkoprotein ved èn enkel punktmutasjon, der valin endres til glutamin i transmembranregionen. Dette fører til dimerisering av reseptorproteiner i fravær av normal ligand. Delesjon av store deler av det ekstacellulære ligandbindingsete i EGF (epidermal growth factor) reseptoren fører til konstant aktivering av protein kinase. Mutasjoner som gir over-ekspresjon av normale reseptorer kan også være onkogene. Dette gjør at celler blir stimulert til vekst ved konsentrasjoner som ellers er for lav til celledeling av normale celler. Et eksempel er overuttrykk av Her2 i human brystkreft.

19. Ved en type kromosomal translokasjon erstatter ikke-muskulært tropomyosin Trks ekstracellulære del. Dette fører til et dimerisert intracellulært onkoprotein, slik at protein kinasen ikke står under kontroll av NGF (Nerve Growth Factor) og blir en konstant aktivert kinase. Trk onkoprotein lokaliseres til cytosol istedet for plasma membranen som for normalt Trk.

20. Mange onkogener koder for aktive signal-transduksjonsproteiner I mange typer tumorer (colon,mammae,leukemi) er Ras blitt konstant aktivt grunnet en substitusjon av glycin i posisjon 12 slik at vi får en liten forandring i den tre dimensjonale strukturen. Denne mutasjonen vil føre til en reduksjon i proteinets GTPase aktivitet, en såkalt gain of function mutasjon. Resultatet er en amplifisering av vidre signaler over lengre tid. Sekundært får man mer uttrykk av transkripsjons faktorer. En loss of function-mutasjon i NF1-genet gir det samme resultatet, men her er GAP GTPase delen av enzymet ut av funksjon. Dette fører til at Ras opprettholder sin aktivitet, selv om det er i sin normale form.

21. I KML (kronisk myelogen leukemi) finner vi det typiske Philadelfia Kromosomet der vi har fått en translokasjon som fusjonerer en del av bcr genet med en del av c-abl genet som koder for en protein-tyrosin kinase. Dette fører til konstant Abl kinase aktivitet. Gjennom Bcr segmentet blir Bcr-Abl onkogenet lokalisert i cytosol. Det kimeriske proteinet binder til mange intracellulære signal-transduksjons proteiner og fosforylerer dem i fravær av vekstfaktorer. Dette er proteiner som Abl nornalt sett ikke aktiverer.

22. Et annet onkogen som koder for konstant aktivt cytosolisk protein-kinase er src (c-src). Normalt blir dette proteinet regulert av reversibel fosforylering og påfølgende defosforylering av Tyr 527 . Src onkogen med kontinuerlig kinase aktivitet mangler ofte dette tyrosinet, og trenger ikke aktivering via fosfatase.

23. Unormalt uttrykk av nukleære transkripsjonsfaktorer kan indusere transformasjon Mange onkogener koder for transkripsjonsfaktorer. Proto onkogenene Jun og Fos koder for proteiner som assosierer og danner den heterodimere transkripsjonsfaktoren AP1. AP1 binder til en DNA sekvens som man finner i promotorer og enhancere i mange vekststimulerende gener. Et måte for cellen å regulere levetiden for transkripsjonsfaktorer på er å gi dem et instabilt mRNA som f.eks. c-myc. Ved Burkitts-lymfom skjer en translokasjon slik at c-myc havner under enhanceren av Ab genet.

24. En kreftcelle kan… • produsere egen vekststimulerende ligand • overuttrykke vekstfaktorer • translokere membranbundet eller nukleært kinase til cytosolisk • endre aktiviteten til ras • Transkripsjonsfaktorer kan feil-lokaliseres og havne under andre promotorer/enhancere, også mer aktive promotorer.

25. Generell oppsummering Kreftceller har et fundementalt avvik i celleoppførsel. De fleste celletyper i kroppen kan gi opphav til ondartede kreftceller. Kreftceller kan multiplisere i fravær av vekst fremmende faktorer som er nødvendig for proliferasjon i normale celler og er motstandsdyktig mot signaler som normalt programmerer celle død apoptose. Dominante gain of function mutasjoner i protoonkogener og resessive loss of function mutasjoner i tumor supressor gener er onkogene. Blant proteiner som kodes for av protoonkogener er positivt-virkende vekst faktorer og deres reseptorer, signal transduksjons proteiner, transkripsjonsfaktorer og celle cyklus kontroll proteiner. En aktiverende mutasjon i et eller begge alleler i et proto-onkogen kan endre det til et onkogen, som kan indusere transformasjon i cellekulturer eller kreft hos pattedyr.

26. Det er 7 typer proteiner som deltar i cellevekst-kontroll Mutasjoner som endrer strukturen eller uttrykk av proteiner i klasse I til IV gir generelt opphav til dominant aktive onkogener. Klasse VI proteiner fungerer hovedsakelig som tumor suppressor gener. Klasse VII mutasjoner øker betydelig sjansen for mutasjoner i de andre klassene.

27. Feil-ekspresjon av veksfaktorer kan autostimulere celle-proliferasjon • - Sjeldent fenomen at onkogener oppstår fra gener som koder for vekst faktorer. • -sis onkogen koder for en type PDGF( platelet derived growth factor) som kan autostimulere til proliferasjon av celler som normalt uttrykker PDGF reseptorer.