Genetyka człowieka II. Genetyka nowotworów, starzenie

Transkrypt

1 Genetyka człowieka II Genetyka nowotworów, starzenie 1

2 Nowotwory podstawy genetyczne 2

3 Choroba nowotworowa Niekontrolowana proliferacja Przerzuty proliferacja bez przerzutów nowotwór łagodny 3

4 R Nowotwory są klonalne Komórka prawidłowa Pierwsza mutacja Druga mutacja Trzecia mutacja Kolejne mutacje Komórki nowotworowe

5 Nie każdy nowotwór to rak Rak (carcinoma) nowotwór złośliwy tkanki nabłonkowej Mięsak (sarcoma) - nowotwór złośliwy tkanki nienabłonkowej (włókniakomięsak, kostniakomiesak itp.) Chłoniak (lymphoma) - nowotwór złośliwy układu chłonnego białaczka z zajęciem szpiku Potworniak (teratoma) - nowotwór złośliwy komórek zarodkowych (pluripotencjalnych) Glejak (glioma) - nowotwór złośliwy komórek glejowych 5

6 Etapy rozwoju nowotworu Inicjacja aktywacje onkogenów, zmiany ekspresji Promocja utrwalenie zmian genetycznych, destabilizacja genomu Progresja namnażanie in situ Inwazja angiogeneza, przełamanie błony podstawnej, infiltracja, wejście do krwiobiegu Przerzuty wtórne ogniska 6

7 Kancerogeneza Seria kolejnych wydarzeń aktywacja proliferacji onkogeny dezaktywacja mechanizmów kontrolnych (antyonkogenów) destabilizacja genomu dalsze mutacje uniknięcie senescencji związanej ze skróceniem telomerów, aktywacja telomerazy zmiana profilu metabolicznego zmiany w mtdna dalsze zmiany przy rozwoju guza, angiogeneza, przerzuty itp. Dodatnie sprzężenie zwrotne mutacje zaburzające kontrolę cyklu mogą destabilizować genom, zwiększając prawdopodobieństwo kolejnych zaburzeń of Txtwriter Inc.

8 Inicjacja i progresja raka nabłonek prawidłowy Mutacje transformacja nowotworowa proliferacja in situ Komórka prawidłowa Komórka stransformowana

9 Inwazja raka Rak in situ Dalsze mutacje Komórka prawidłowa Komórka stransformowana Komórka inwazyjna Wzrost guza

10 Rak - przerzuty Oporność na hipoksję Utrata cech nabłonkowych Zdolność ruchu Komórka prawidłowa Komórka stransformowana Komórka inwazyjna Komórka przerzutująca

11 Progresja raka szyjki macicy 11 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

12 Nowotwory - genetyka Mutacje somatyczne zaburzenie genetyczne, ale nie dziedziczne karcynogeny zwiększają częstość mutacji Wirusy onkogenne Genetyczne czynniki ryzyka (asocjacje) Dziedziczone zespoły podatności na określone nowotwory 12

13 Zarys genetyki nowotworów 13 Genetyczna kontrola podziałów komórki integracja wielu warstw i sygnałów Czynniki regulacji dodatniej - protoonkogeny nowotworom sprzyjają mutacje neomorficzne i hipermorficzne np. czynniki wzrostu i ich receptory, elementy szlaków przekazywania sygnału (np. kinazy białkowe, białka G), czynniki transkrypcyjne znanych ~ 100 Czynniki regulacji ujemnej antyonkogeny (supresory nowotworów) nowotworom sprzyjają mutacje nullomorficzne i hipomorficzne np. p53, Rb, znanych ~10 Czynniki stabilności genomu naprawa DNA, kontrola rekombinacji Nowotwór jest procesem mikroewolucyjnym komórki konkurują o zasoby organizmu

14 Zaburzenia kontroli cyklu komórkowego Komórki spoczynkowe faza G0 Komórki dzielące się cykl z 3 punktami kontrolnymi Większość odróżnicowanych komórek wchodzi w G0 Komórki nowotworowe nie wchodzą w G0 Przyczyną jest często zaburzenie kaskady sygnału wzrostu (czynniki wzrostu) 14 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

15 Teoria wirusowa i teoria mutacyjna Wirusy onkogenne (np. retrowirusy) niosą geny zwane onkogenami Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami Mechanizm molekularny jest często ten sam mutacje w genach kodujących czynniki regulacji zmieniają protoonkogen w onkogen allele onkogenne mogą być przenoszone przez wirusy 15

16 Wirusy onkogenne Retrowirusy (RNA) niosące zmutowany onkogen pochodzenia genomowego efekt ten sam, jak przy mutacji protoonkogenu Wirusy DNA (HPV, EBV, adenowirus itp.) kodują białka interferujące z kontrolą podziałów aktywują kaskady sygnalizacyjne (np HBx wirusa zapalenia wątroby C) inaktywują antyonkogeny (np. E6 i E7 wirusa HPV) 16

17 Jak adenowirus manipuluje komórką 17

18 Retrowirusy onkogenne Występują u wielu zwierząt, ale praktycznie nie u człowieka wyjątki HTLV-1 i 2 (Human T-cell Leukemia Virus) rzadkie formy białaczek, bardzo długi czas od infekcji do rozwoju choroby XMRV (Xenotropic murine leukemia virus-related virus) rak prostaty (niepotwierdzone) Niekiedy wirus nie przenosi onkogenu v-onc, wystarcza działanie silnego promotora wirusowego na geny gospodarza (np. HTLV-1) 18 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

19 Protoonkogeny i onkogeny czynniki dodatniej kontroli podziałów onkogen allel zmutowany nowotworom sprzyjają mutacje neomorficzne i hipermorficzne powodujące aktywację np. czynniki wzrostu i ich receptory, elementy szlaków przekazywania sygnału (np. kinazy białkowe, białka G), czynniki transkrypcyjne negatywne regulatory apoptozy znanych ~ Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)

20 Antyonkogeny Czynniki negatywnej kontroli podziałów nowotworom sprzyjają mutacje nullomorficzne i hipomorficzne - inaktywujące np. p53, prb znanych ~10 20 B. Lewin, Genes VII, Oxford University Press

21 p53 rozpoznaje uszkodzenia DNA, zaburzenia cyklu, hipoksję aktywuje szlaki naprawy DNA hamuje proliferację w punkcie kontrolnym G1/S inicjuje apoptozę 21

22 p53 Mutacje p53 w większości nowotworów Do pełnej inaktywacji wymagana mutacja obu alleli Mutacja jednego allelu może zwiększyć ryzyko dalszych mutacji białko jest tetramerem 22

23 Mutacje p53 Frequency of mutation in cancer: ~80% missense nonsense ~10% ~9% frameshift S46del bone R249S lung, liver K305X sinuses, mouth Q331ins bone NES TAD TAD PRD DBD NLS D NES NLS CRD NLS Missense R249S Arg->Ser p53 p53 p53 p53 2 Frameshift S46del c T>del p53 3 Frameshift Q331ins c G>ins p53 p53 p53 p53 p53 p53 p53 p53 4 Nonsense K305X Lys->STOP p53

24 Przykłady zaburzeń w nowotworach Aktywacja onkogenów Inaktywacja supresorów nowotworów (antyonkogenów) Zaburzenia naprawy DNA/stabilności genomu Aktywacja telomerazy 24 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

25 WD40 Zmiany w raku piersi (ER-) Ras Ras Mutacja aktywująca Wzrost ekspresji PTEN p21 Mutacja inaktywująca Spadek ekspresji Proliferacja Wnt HER2 Grb2 Sos Ras Raf MEK1/2 ERK1/2 Naprawa DNA BRCA1/2 Kontrola cyklu p53 p21 CyclinD1 PI 4,5 P 2 Apoptoza' PI3K PTEN PI 3,4,5 P 3 Przeżycie Inwazja i przerzuty MTA1 MTA3 Mi-2 HDAC1 Snail Apoptoza E-Cadherin β-catenin ELK1AP1 c-myc TCF Egr1 uszkodzenia DNA G2 M S G1 Cyt WD40 WD40 Cyt Cyt Cas 9 Cas 9 Cyt Cas 9 WD40 Cyt Cyt WD40WD40 Cyt Acetylacja histonów i ekspresja genów

26 Zmiany w ostrej białaczce szpikowej Ras Mutacja aktywująca PTEN Mutacja inaktywująca Prolifercja/przeżycie Flt3 Kit Grb2 Sos Ras Raf MEK1/2 ERK1/2 PI3K PDK PKB Przeżycie ELK1 AP1 STAT 3 P P STAT 3 RUNX1-' CBFA2T1 CBFB-' MYH11 CEBPA

27 Jasnokomórkowy rak nerki rozwój naczyń Utrata funkcji Ub VHL E3' Ligase Proline Hydroxylase HIF-1β Ub Ub HIF-1α HIF-1α HIF-1α Hipoksja HIF-1β HIF-1α VEGF HIF-1β HIF-1α Proteasom (degradacja białka)

28 Telomery a nowotwory W komórkach z defektywnym szlakiem odpowiedzi na uskzodzenia DNA (np. defekty p53) komórki ze skróconymi (lub uszkodzonymi) telomerami wciąż się dzielą Efektem są rearanżacje chromosomów (fuzje, translokacje) Prowadzi to do transformacji nowotworowej W komórkach nowotworowych ponowna aktywacja telomerazy 28 Denchi, DNA Repair 8 (2009)

29 Dwa oblicza telomerów Telomery chronią przed uszkodzeniami DNA i zaburzeniami chromosomów, które mogą prowadzić do nowotworzenia, ale... Aktywność telomerazy unieśmiertelnia komórki (aktywna w 90% nowotworów) 29

30 Mutacje mtdna w nowotworach Komórki nowotworowe charakteryzują się przejściem z metabolizmu tlenowego (oddychanie) na beztlenowy (glikoliza) efekt Warburga (1936, 1956) W komórkach nowotworowych często obserwowane są mutacje somatyczne nie występujące w prawidłowej tkance tego samego pacjenta. Polimorfizmy Mutacje upośledzające działanie mitochondriów Dryf, czy dobór? 30

31 Mitochondria a nowotwory Mutacje w genach kodujących podjednostki dehydrogenazy bursztynianowej kompleksu II (SDHB, SDHC, SDHD) w dziedzicznych nowotworach guzy chromochłonne nadnerczy i nerwiaki przyzwojowe (u heterozygot homozygoty rozwijają ciężkie dysfunkcje neurologiczne) 31

32 Dziedziczne zespoły podatności na określone nowotwory heterozygotyczne mutacje antyonkogenów p53 zespół Li-Fraumeni Rb retinoblastoma (siatkówczak) Mutacje genów związanych z naprawą DNA i rekombinacją BRCA1, BRCA2 w raku piersi (~10% przypadków) HNPCC Mutacje zmieniające profil metaboliczny np. SDH 32

33 HNPCC Dziedziczny rak jelita grubego niezwiązany z polipowatością (HNPCC), zespół Lyncha 5% wszystkich raków jelita grubego Mutacje utraty funkcji różnych genów (6) związanych z naprawą DNA, najczęściej systemem MMR 33 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

34 Zespół Li-Fraumeni Rzadki (~60 rodzin w USA, ok. 400 osób) Dziedziczony jako cecha dominująca Liczne nowotwory w wieku dziecięcym Mutacje p53 (heterozygota 85-90% ryzyko nowotworu) 34

35 Retinoblastoma } Rzadki (1/15 000) nowotwór siatkówki u dzieci } } } Łatwy w leczeniu (95% przeżycia) pod warunkiem wczesnej diagnozy Postać sporadyczna (55%) i dziedziczna (45%) Postać dziedziczna mutacje genu Rb } białko prb antyonkogen, kontrola cyklu komórkowego } } 35 W dzielących się komórkach hamuje przejście G1/S przy uszkodzonym DNA i aktywuje apoptozę W komórkach spoczynkowych blokuje wyjście z G0, ale nie aktywuje apoptozy

36 Teoria dwóch uderzeń Knudson (1971) badania nad siatkówczakiem Do rozwoju nowotworu potrzebna inaktywacja obu alleli supresora nowotworów Odziedziczenie 1 zmutowanego allelu silnie zwiększa prawdopodobieństwo 36

37 Genetyka nowotworów - podsumowanie Onkogeny Supresory nowotworów Geny naprawy DNA Liczba zmutowanych alleli w komórce 1 (dominujące) 2 (recesywne) 2 (recesywne) Typ mutacji neomorfy, hipermorfy nullomorfy, hipomorfy nullomorfy, hipomorfy Pochodzenie mutacji Najczęściej somatyczne Somatyczne lub odziedziczone Somatyczne lub odziedziczone Mechanizm działania Szlaki aktywacji podziału komórki Hamowanie podziałów, apoptoza Utrzymywanie stabilności genomu 37

38 38 Starzenie i progerie

39 Starzenie Gromadzenie się uszkodzeń na poziomie komórek (senescencja) i organizmu w miarę upływu czasu Wzrost prawdopodobieństwa śmierci w miarę upływu czasu 39

40 Starzenie się komórek U wielokomórkowców rozmnażających się płciowo są dwie grupy komórek somatyczne - budują organizm, ale nie są przekazywane potomstwu) linii płciowej tworzą gamety, ich genom przekazywany potomstwu Komórki somatyczne mają ograniczoną liczbę podziałów tzw. granica Hayflicka wyjątek komórki macierzyste (granica zniesiona lub bardzo odsunięta) August Weismann ( ) 40

41 Gromadzenie uszkodzeń Nieuniknione (prawa fizyki) Ważnym czynnikiem jest metabolizm tlenu Systemy naprawiające i zapobiegające uszkodzeniom molekularne (naprawa DNA, białek itp.) komórkowe (usuwanie komórek nowotworowych, zainfekowanych przez wirusy) na poziomie organizmu układ odpornościowy odnawianie się tkanek gojenie się ran behawior (mycie, usuwanie pasożytów) 41

42 Teorie starzenia Bierne długość życia determinowana przez wydajność systemów naprawiających uszkodzenia i im zapobiegających Czynne istnieją mechanizmy ograniczające długość życia jeżeli tak, to musiał je wyselekcjonować dobór naturalny 42

43 Program czy przypadek? Większość organizmów w naturze nie dożywa granicznego wieku Dobór naturalny nie selekcjonował długiego życia osobnika zależy od tego, jak prawdopodobny wielokrotny rozród Starzenie jako efekt uboczny disposable soma ciało jednorazowego użytku po wydaniu (i ew. odchowaniu) potomstwa organizm spełnił swoją rolę, dobór nie będzie równoważył kosztów sprawniejszego zapobiegania uszkodzeniom 43

44 Współczesna synteza disposable soma Kluczem jest gospodarka zasobami Utrzymanie funkcji (powstrzymywanie starzenia) jest kosztowne Rozród jest kosztowny Na utrzymywanie funkcji nie przeznacza się więcej zasobów, niż jest to niezbędne nie inwestuje się w niepotrzebną trwałość Nie wyklucza mechanizmów aktywnych 44

45 Oblicza starzenia Replikacyjne ograniczenie zdolności podziałów Nie odgrywa istotnej roli w starzeniu u organizmów wielokomórkowych Obserwowane w komórkach w hodowli granica Hayflicka Telomery Obserwowane u jednokomórkowców (drożdże) Chronologiczne uszkodzenia komórek uszkodzenia oksydacyjne apoptoza uszkodzenia macierzy zewnątrzkomórkowej 45

46 Telomery a starzenie Komórki somatyczne mają ograniczoną liczbę możliwych podziałów granica Hayflicka Komórki linii płciowej dzielą się bez orgraniczeń Granica Hayflicka związana jest ze skracaniem się telomerów Aktywacja telomerazy wystarcza do unieśmiertelnienia i umożliwienia nieograniczonych podziałów Limitująca jest ekspresja białkowej podjednostki telomerazy (htert), składnik RNA wyrażany konstytutywnie 46

47 Wallace DC; Annu. Rev. Genet : Wolnorodnikowa teoria starzenia Uszkodzenia mitochondriów przez ROS Mutacje punktowe i rearanżacje mtdna Amplifikacja Aktywacja mptp Śmierć komórki zmutowanego mtdna Młodość Wiek średni Starość Senescencja

48 Mitochondria a starzenie Długowieczność może zależeć od sprawności łańcucha oddechowego i enzymów usuwających wolne rodniki Poszukiwania korelacji długowieczności z określonymi polimorfizmami mtdna, haplogrupami Nadekspresja katalazy w mitochondriach myszy transgenicznych przedłuża ich życie

49 Model mysi POLG Mutacja POLG (mitochondrialna polimeraza DNA) Brak aktywności korekcyjnej wysoka częstość mutacji Trifunovic et al. (2004) Nature 27:357

50 Sirtuiny Deacetylazy białek (histonów) zależne od NAD Regulują (SIR2) starzenie u różnych organizmów Zwiększona aktywność wydłuża życie drożdży (replikatywne), C. elegans, Drosophila U ssaków różne, sprzeczne wyniki mogą hamować apoptozę i promować nowotwory mogą chronić przed neurodegeneracją i cukrzycą Resweratrol (czerwone wino) aktywuje Sir2 in vitro wydłuża życie drożdży, C. elegans, Drosophila brak jasnych dowodów u ssaków, ale może wydłużać życie myszy 50

51 Ograniczenie pokarmowe CR (caloric restriction) wydłuża życie u organizmów modelowych (Drosophila, C. elegans, mysz) sprzeczne wyniki u ludzi Postulowany mechanizm stosunek NAD/NADH obfitość pokarmu obniża poziom NAD, który jest aktywatorem sirtuin ale są też inne, niezależne od sirtuin mechanizmy (np. mitochondrialny) CR pełna dieta 51 Jeff Miller, University of Wisconsin - Madison

52 Ograniczenie kaloryczne Ograniczenie kalorii przyjmowanych w pokarmie jest częstym sposobem wydłużenia życia (od nicieni po ssaki) Koszt obniżona wydolność rozrodcza 52

53 Rachunek kosztów i zysków Wiele badań potwierdza koncepcję disposable soma Ujemna korelacja między długowiecznością a sukcesem reprodukcyjnym w obrębie gatunku wyselekcjonowane w laboratorium linie owadów i nicieni ujemna korelacja między długowiecznością a liczbą potomstwa u ludzi w badaniach populacyjnych gatunki semeleparyczne 53

54 Nieśmiertelność człowieka?? Za wiele aspektów starzenia się odpowiadają uszkodzenia w komórkach, które nie są odnawiane (np. neurony) Ograniczenie zdolności podziałów komórek somatycznych to ważny mechanizm chroniący przed nowotworami rak choroba nieśmiertelnych komórek Koszt usuwania uszkodzeń wzrasta z wiekiem Wydłużenie życia po ustaniu reprodukcji człowiek jest i tak wyjątkiem 54

55 Progerie Choroby genetyczne o fenotypach przypominających starzenie Nie ma wszystkich objawów starzenia: progeria to nie jest przyspieszone starzenie 55

56 Progeria Hutchinsona-Gilforda Bardzo rzadka (1/ urodzeń), dominująca Mutacje laminy A białko strukturalne jądra kom. Eriksson et al. (2003) Nature 423:293-8 Scaffidi et al. (2005) PLoS Biology Vol. 3/11/ e395 56

57 Objawy starzenia w HGPS Zanik podskórnej tkanki tłuszczowej Łysienie Wydatne oczy i nos Nieproporcjonalnie mała żuchwa Opóźnione ząbkowanie Gruszkowaty tułów Cienkie kończyny z wydatnymi stawami Niski wzrost i waga Problemy z układem krążenia i oddechowym Osteoporoza

58 Różnice w porównaniu ze starzeniem U pacjentów płci męskiej nie ma problemów z prostatą Nie ma zwiększonej częstości nowotworów czy zaćmy. Rzadko występuje wysokie ciśnienie i cukrzyca Nie ma neurodegeneracji, demencji, choroby Alzheimera 58

59 Inne choroby typu progerii Z reguły defekty naprawy DNA, stabilności genomu Tylko niektóre objawy starzenia (najbliższy zespół Wernera) tzw. progerie segmentalne Często w powiązaniu z nowotworami 59

60 Zespół Wernera Przyczyna: mutacje genu WRN kodującego helikazę DNA z rodziny RecQ Normalny rozwój w dzieciństwie. Przedwczesne starzenie rozpoczyna się wraz z wiekiem dojrzewania. Niski wzrost, owrzodzenia, zwapnienia, siwienie włosów, cukrzyca. Pacjenci dożywają średnio 47 lat. Przyczyną śmierci z reguły choroba nowotworowa, albo schorzenia sercowonaczyniowe. Nie występuje neurodegeneracja, problemy z prostatą, nadciśnienie