Biologia molekularna nowotworów

1. Biologia molekularna nowotworów SKN Onkologii Klinicznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Ewa Dopierała Bartosz Spławski

2. 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.

3. Karcinogeneza • W rozwoju nowotworu bardzo ważną rolę odgrywają predyspozycje genetyczne, które można podzielić na: • Predyspozycje silne • Predyspozycje słabe

4. 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.

5. 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.

6. Etapy karcinogenezy

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Mechanizmy inicjacji i promocji

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Dziękujemy za uwagę 