261 likes | 592 Views
Biologia molekularna nowotworów. SKN Onkologii Klinicznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu. Ewa Dopierała Bartosz Spławski. Etapy karcinogenezy.
E N D
Biologia molekularna nowotworów SKN Onkologii Klinicznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Ewa Dopierała Bartosz Spławski
Etapy karcinogenezy • Transformacją nowotworową (karcinogenezą) nazywamy przekształcenie się komórki prawidłowej w nowotworową. Jest to złożony proces, w którym wyróżnia się następujące etapy: • Inicjacja – pojawia się pojedyncza mutacja, która zazwyczaj powstaje pod wpływem karcinogenu (może się też utworzyć spontanicznie). • Promocja – wieloetapowy rozwój klonu komórkowego, zawierającego mutację nabytą w procesie inicjacji. • Progresja – nieodwracalny etap, prowadzący do powstania nowotworu. Polega on głównie na pojawianiu się kolejnych zaburzeń molekularnych, przede wszystkim zmian w kariotypie.
Karcinogeneza • W rozwoju nowotworu bardzo ważną rolę odgrywają predyspozycje genetyczne, które można podzielić na: • Predyspozycje silne • Predyspozycje słabe
Predyspozycje silne Związane są z dziedziczonymi od rodziców mutacjami w genach supresorowych i genach kodujących składowe systemu naprawy DNA. Wiąże się to z wcześniejszym wystąpieniem choroby – proces transformacji ulega skróceniu o kilka – kilkanaście lat.
Predyspozycje słabe • Związane są z osobniczym polimorfizmem genetycznym. W genomie człowieka występują co najmniej 2 klasy genów, w których obrębie zróżnicowanie może być przyczyną skłonności do zachorowania na różne choroby, w tym nowotworowe. Są to: • Geny mutatorowe, kodujące składowe systemu naprawy DNA. • Geny detoksykacyjne, kodujące składowe systemów usuwania substancji toksycznych z komórki.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Zaburzenia w transmisji sygnałów wzrostu. • Większość komórek organizmu znajduje się w fazie spoczynkowej cyklu komórkowego. • Synteza DNA i przebieg cyklu podziałowego w komórce są sterowane przez klasę genów zwanych protoonkogenami. • Mutacja protoonkogenu prowadzi do zwiększonej lub trwałej aktywności tego genu (zmutowany protoonkogen jest nazywany onkogenem), a w konsekwencji nieograniczonej zdolności do dzielenia się.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Utrata zdolności do rozpoznawania sygnałów hamujących wzrost. • Ten rodzaj regulacji ma na celu powstrzymanie komórek przed proliferacją oraz utrzymanie ich w fazie spoczynkowej. • Sygnały hamujące wzrost są kodowane przez klasę genów supresorowych transformacji nowotworowej – w skrócie genów supresorowych. • W normalnych warunkach produkty tych genów chronią komórkę przed transformacją nowotworową.
Mechanizmy inicjacji i promocji • W nowotworach często obserwuje się utratę funkcji obu alleli genu supresorowego: jedna kopia zostaje uszkodzona (mutacja), a druga wyeliminowana wskutek utraty regionu chromosomu, w którym znajduje się dany gen supresorowy (utrata heterozygotyczności – loss of heterozygisity) • Utrata ekspresji genu supresorowego prawie zawsze prowadzi do transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Zaburzenia w systemach naprawy DNA. • Odrębną grupę genów, których uszkodzenie predysponuje do rozwoju nowotworu, stanowią tzw. geny mutatorowe. Produkty tych genów uczestniczą w naprawie uszkodzonego DNA. • Znaczenie zaburzeń w systemach naprawczych wykazano najdobitniej na przykładzie systemu błędnie sparowanych zasad. • W trakcie replikacji DNA raz na 105 – 106 nukleotydów powstaje błąd. Błędy te są usuwane przez system naprawy błędnie sparowanych zasad.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Składowe tego systemu są kodowane przez geny MSH2, MSH6, MLH1, PMS1 i PMS2. • Jeżeli wystąpi mutacja któregoś z tych genów, to jego produkt nie rozpoznaje źle sparowanych zasad lub rozpoznaje je w ograniczonym zakresie. • Prowadzi to do narastania liczby mutacji rozproszonych w sposób przypadkowy po całym genomie, a więc w także w protoonkogenach i genach supresorowych. • Ponadto mutacja w jednym z genów sprzyja pojawianiu się mutacji w kolejnym genie mutatorowym. Powoduje to lawinowe narastanie niestabilności genetycznej komórki i sprzyja transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Zjawiska epigenetyczne w procesie transformacji nowotworowej. • Do tej kategorii należy zaliczyć te zmiany w obrębie materiału genetycznego, które prowadzą do wyciszenia aktywności transkrypcyjnej genów bez zmiany ich sekwencji. • Zmiany epigenetyczne są wynikiem zaburzeń w wewnętrznych mechanizmach związanych z odczytywaniem zawartej w genomie informacji.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Najczęściej obserwowaną zmianą epigentyczną jest metylacja w obrębie promotora genów. Grupa metylowa jest przyłączana do cytozyny w obrębie dwunukleotydów CpG. • Obecność grup metylowych w promotorze uniemożliwia wiązanie czynników transkrypcyjnych, a zatem i transkrypcję DNA – w komórce brak będzie genu, którego promotor uległ metylacji. • W komórkach nowotworowych wiele genów ma zmetylowany promotor, m. in.: BRCA1, P16, GST.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Druga często obserwowana zmiana epigenetyczna związana jest z dostępnością transkrypcyjną materiału genetycznego. • Dzięki precyzyjnej regulacji możliwe jest zarówno wyciszenie, jak i aktywacja określonych genów. • Acetylacja i metylacja w określonych pozycjach histonów ułatwia aparatowi transkrypcyjnemu dostęp do nici DNA. • Natomiast deacetylacja histonów powoduje kondensację chromatyny i zamyka dostęp aparatowi transkrypcyjnemu. • Brak prawidłowej regulacji w dostępności chromatyny może skutkować zaburzeniem równowagi metabolicznej i sprzyja procesom transformacji.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Regulacja cyklu komórkowego. • W kontroli prawidłowości przebiegu cyklu komórkowego istotną rolę odgrywają produkty 2 genów supresorowych: TP53 i RB1. • Białka te kontrolują bezpośrednio punkty restrykcyjne, czyli są odpowiedzialne za przejścia z faz spoczynkowych do fazy syntezy DNA i fazy podziałowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Białko TP53 zawiera m. in. sekwencje umożliwiające wiązanie się z DNA oraz domenę transaktywacyjną (aktywującą ekspresję genów), dzięki czemu TP53 czynnikiem transkrypcyjnym dla wielu genów, w tym również tych, które hamują cykl komórkowy, uczestniczą w naprawie DNA i w procesie apoptozy. • Białko RB1 należy do rodziny białek transportujących, zwanych też pocket protein. Mają 2 „kieszenie”: A i B. • Regulacja cyklu komórkowego, w szczególności przejścia przez punkt restrykcyjny G1/S, jest możliwa dzięki wiązaniu i uwalnianiu czynników transkrypcyjnych fazy G1, które wiążą się z kieszenią A. • Z kieszenią B jest związany m. in. enzym dostępności chromatyny dla aparatu transkrypcyjnego, zwany deacetylazą histonu.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Fosforylacja białek a cykl komórkowy. • Fosforylacja białek jest jednym z najistotniejszych procesów regulujących aktywność metaboliczną komórki. • Zaburzenia w procesie fosforylacji stanowią najpoważniejszą grupę przyczyn zmian w przebiegu regulacji cyklu komórkowego, prowadzące w konsekwencji do zaburzeń proliferacji, a co za tym idzie – sprzyjają transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Nabywanie nieograniczonego potencjału podziałowego. • Jedną z charakterystycznych cech komórek nowotworowych jest nieśmiertelność, czyli zdolność do nieskończonej liczby podziałów. Oznacza to, że w komórkach nowotworowych autonomiczny program ograniczający potencjał proliferacyjny jest wyłączony lub poważnie uszkodzony. • Proces ograniczania potencjału podziałowego wydaje się związany zarówno z aktywnością onkogenów (np. RAS) jak i genów supresorowych (m. in. TP53 i RB), które należą do najczęściej uszkodzonych w komórkach nowotworowych.
Mechanizmy inicjacji i promocji • Apoptoza. • Jednym z wyróżników transformacji nowotworowej jest zanik zdolności komórki do umierania. Może być ona spowodowana różnymi czynnikami. • Jednym z najczęstszych jest uszkodzenie genu TP53. Produkt tego genu jest m. in. czynnikiem transkrypcyjnym dla genów BAX czy FAS/APO1, których produkty są promotorami procesu apoptozy. • Nieprawidłowe białko TP53 nie może spełniać swojej funkcji biologicznej i zatrzymywać cyklu komórkowego oraz nie może uruchamiać procesów naprawy DNA. • Powoduje to powstawanie nowych populacji komórek z różnymi mutacjami i aberracjami i prowadzi do szybkiej selekcji komórek o fenotypie nowotworowym.
Mechanizmy progresji • Nabywanie zdolności do unaczynienia guza • Komórki nowotworowe nawarstwiają się i oddalają od najbliższego naczynia krwionośnego. Niedostatek składników odżywczych, czynników wzrostu i tlenu powoduje zatrzymanie się guza na etapie nowotworu in situ (10⁶-10⁷ komórek, wielkość 1-2 mm). Taki stan równowagi może trwać latami. • Proces neoangiogenezy w obrębie nowotworu umożliwia dalszy jego rozrost.
Mechanizmy progresji • Nabywanie zdolności do tworzenia nacieków i przerzutów • Jest miarą złośliwości nowotworu i jedną z głównych przyczyn niepowodzeń leczenia. • Guzy przerzutowe są na ogół trudne do zlokalizowania i bardziej oporne na leczenie. • W tkankach prawidłowych komórki ściśle do siebie przylegają. Związane jest to m. in. ze zmniejszeniem lub brakiem ekspresji kadheryny E i zwiększeniem ekspresji kadheryny N. Za efekt zakotwiczenia odpowiedzialne są integryny i lamininy.
Mechanizmy progresji • Komórki nowotworowe w fazie progresji charakteryzuje częściowa utrata właściwości adhezyjnych. Struktura guza ulega rozluźnieniu. • Jeśli komórki nowotworu zawierają dużo enzymów proteolitycznych (głównie mataloproteinaz) i nabywają zdolność do niszczenia błony podstawnej, to mogą się przedostać do najbliższego naczynia krwionośnego lub chłonnego. • Na każde „wędrujące naczyniem” 10⁵- 10⁶ komórek przeżywa 1- 10. Po przylgnięciu do ściany śródbłonka wydostają się na zewnątrz i próbują zasiedlić nowe mikrośrodowisko ( obcą tkankę lub węzeł wartowniczy). Jeśli warunki będą sprzyjające, nastąpi replikacja DNA i podział. Rozpocznie się proces rozwoju przerzutu.
Mechanizmy progresji • Geny promujące inwazyjność to przed wszystkim te, których produkty białkowe odpowiadają za oddziaływania między różnymi typami komórek, adhezję komórkową, procesy wydzielania oraz zwiększoną zdolność do hydrolizy macierzy zewnątrzkomórkowej i błony podstawnej (migracja komórek). • Geny hamujące inwazyjność to przede wszystkim te, których produkty odpowiedzialne są za regulację między tymi typami komórek, regulację wydzielania oraz te, których produkty białkowe są białkowymi inhibitorami enzymów hydrolitycznych.