Mechanizmy powstawania nowotworów

Transkrypt

1 Porównanie umieralności* w roku 1950 i 2005 Mechanizmy powstawania nowotworów na osób ,8 211,1 180, ,9 183,8 Dr hab. med. Paweł Włodarski Choroby serca 46,6 Choroby naczyniowe * Dane z USA na podstawie statystyki American Cancer Society opublikowanych w ,1 20,3 Zapalenie płuc i grypa Nowotwory Choroby nowotworowe 2-ga po chorobach układu krążenia przyczyna zgonów W krajach wysoko rozwiniętych pierwsza! Najczęstsze nowotwory w Polsce (zachorowania w 2012): Mężczyźni: płuco gruczoł krokowy okrężnica pęcherz moczowy Kobiety: pierś okrężnica płuco trzon macicy Nowotwory Stała, nieregulowana proliferacja komórek oraz większa odporność na czynniki powodujące ich śmierć: Brak odpowiedzi na sygnały hamujące proliferację Unikanie odpowiedzi ze strony układu immunologicznego Wzrost klonalny guzów nowotworowych Transformacja nowotworowa Zaburzona równowaga pomiędzy działaniem białek pro-nowotorowych (onkogeny) i białek o działaniu przeciwstawnym (geny supresji nowotworów oraz geny naprawy DNA) Przyczyny są genetyczne, epigenetyczne infekcyjne i środowiskowe. Proces jest wielostopniowy! Do rozwoju potrzebna jest akumulacja wielu uszkodzeń co trwa niekiedy kilkadziesiąt lat. Vogelgram wg. Erica Fearona i Berta Vogelsteina (Cell. 1990;61(5):759-67) 1

2 3 klasy genów związanych z onkogenezą Protoonkogeny Antyonkogeny (geny supresji nowotworów, geny onkosupresorowe) Geny stabilizujące genom (geny naprawy DNA) Protoonkogeny Prawidłowe białka potrzebne do normalnego funkcjonowania komórki. Ich funkcją jest najczęściej związana ze zwiększoną szybkością podziałów komórkowych. Są to czynniki transkrypcyjne, czynniki kontrolujące replikację DNA, receptory i ich ligandy (czynniki wzrostowe), białka szlaków sygnałowych i regulatory cyklu komórkowego Ras (mutacje punktowe Ras są najczęstszą patologią aktywującą protoonkogeny) Src Myc (c-myc, N-Myc, L-Myc) EGFR (rak piersi) Cyklina D1 Mutacja punktowa: Protoonkogeny Nadmiernie aktywne białko Amplifikacja genu: Białko o prawidłowej aktywności produkowane w dużej ilości Translokacja chromosomalna: Białko o prawidłowej aktywności produkowane w dużej ilości Białko fuzyjne produkowane w dużej ilości Białko fuzyjne jest nadmiernie aktywne Protoonkogeny Mutacje aktywujące prowadzą do rozwoju nowotworów. Są to geny dominujące uszkodzenie jednego allelu prowadzi do rozwoju choroby. Mutacje na różnych poziomach drogi sygnałowej Niektóre geny podlegają pośredniej klasyfikacji, np. Myc: aktywuje apoprozę i antyonkogen p14 ARF, ale sam Myc jest tez protoonkogenem. Geny onkosupresorowe Hamują cykl komórkowy spowalniając tym samym częstość podziałów. p53 Rb (retinoblastoma) p16 INK4a NF1, NF2 APC Geny onkosupresorowe Progresja guza związana jest z uszkodzeniami inaktywującymi gen. Są to geny recesywne do utraty funkcji uszkodzone muszą być obie kopie genu, ale: Haploinsuficjencja Mutacje negatywnie-dominujące (dominantnegative) 2

3 Akumulacja zmutowanego p53 Geny Stabilizujące genom W czasie replikacji błędy pojawiają się w DNA z częstością 1:1Mbp Czynniki środowiskowe zwiększają częstość uszkodzeń (UV, gamma, X, środki alkilujące) Rak jelita grubego Rak piersi Czynnik Przykładowe związki Mechanizm Środki alkilujące Węglowodory aromatyczne Cyklofosfamid Chlorambucyl Sadze (dym tytoniowy, sadze kominowe) Addukty DNA Kroslinkowanie DNA Mutacje DNA Aminy i azydy Barwniki anilinowe Addukty DNA Azbesty Azbest Przewlekły stan zapalny pobudza proliferację i utrwala mutacje Promieniowanie UV Słońce Dimery pirymidynowe Promieniowanie jonizujące Promienie Rtg Promienie α, β, γ Przerwanie nici DNA Zamiana zasad Geny Stabilizujące genom Za naprawę uszkodzeń odpowiadają geny stabilizujące genom (geny naprawy DNA) ATM, ATR (AT) BRCA1, BRCA2 (Rak piersi, jajnika) MLH1, MSH2, MLH3, MSH6, PMS1, PMS, TGFBR2 (NHPCC) NBS1 (nibrin) Rad50 Podobnie jak geny supresji nowotworowej są to geny recesywne - uszkodzenie musi dotyczyć obu alleli Podsumowanie Oba allele genu ulegają ekspresji. Mutacje zwiększające funkcję (ang. gain of function) Nie ulegają utrwaleniu w genach supresorowych (poza dn) Wystarczy gdy dotyczą jednego allelu Protoonkogenach Podsumowanie c.d. AG Knudson jr. PNAS, 1971 Mutacje prowadzące do utraty funkcji (inaktywujące, ang. loss of function) Nie ulegają utrwaleniu w protoonkogenach (dlaczego?) W nowotworzeniu dotyczą obu alleli genów przeciwnowotworowych Skąd to wiemy? Jak może dojść do utraty obu alleli? Teoria dwóch uderzeń 3

4 Teoria dwóch uderzeń c.d.d. Telomeraza Enzym odbudowujący telomery Normalnie aktywny wyłącznie w czasie życia płodowego Utrata heterozygotyczności - LOH W przypadku mutacji jedego z alleli genu supresorowego drugi pełni funkcję Do transformacji potrzebne jest wyłączenie drugiego allelu (teroria dwóch uderzeń Alfreda Knudsona) Zazwyczaj pierwsze uszkodzenie jest mutacją (często dziedziczoną) a drugie ma charakter mutacji chromosomalnej (rozległa delecja). Prowadzi to do utraty całego allelu, zatem w komórce pozostaje tylko jedna kopia (uszkodzonego) genu nie jest już heterozygotą! Dziedziczne postaci nowotworów Dotyczą niektórych protoonkogenów np. KIT, PGDFRA Najczęściej genów stabilizujących genom ATM, BRCA1, BRCA2 Genów onkosupresorowych APC, Axin2, PTCH, p53, CDKN2a (p16ink4a i p16arf), NF1, NF2 Wrodzone predyspozycje do nowotworzenia Zespół Li-Faumeni Defekt genu p53 Występowanie wielu nowotworów, m.in.: mięsaków, raka piersi, białaczek, raka kory nadnerczy, guzów mózgu U połowy osób z zespołem, choroba nowotworowa ujawnia się przed 40 rokiem życia Wrodzone predyspozycje do nowotworzenia Polipowatość rodzinna jelita grubego Odpowiedzialny gen: APC (chromosom 5, mutacja germinalna; 30% mutacja de novo (postać wrodzona i sporadyczna) 1% raków jelita grubego Pacjenci rozwijają tysiące polipów (2. i 3. dekada życia) Średnia wieku zachorowania na raka j. grubego 39 lat Przed 45 rż 90% zachoruje na raka j. grubego Inne manifestacje choroby: inne nowotwory przewodu pokarmowego, zmiany siatkówki, guzy łagodne 4

5 Wrodzone predyspozycje do nowotworzenia HNPCC (zespół Lyncha) Mutacja germinalna w genach naprawy DNA : MLH1, MSH2, MLH3, MSH6, PMS1, PMS, TGFBR2, Do 5%raków jelita grubego U kobiet-rak endometrium Średni wiek zachorowania na raka j. grubego 44 lata Zazwyczaj proksymalna część okrężnicy Wrodzone predyspozycje do nowotworzenia Zespół Nijmegen Chroba jednogenowa, autosomalna recesywna, gen NBS1, (białko nibrin, wchodzące w skład kompleksu odpowiedzialnego za naprawę pęknięć dsdna) Przyczyna niestabilności chromosomalnej łamliwość chromosomów, wrażliwość na promieniowanie jonizujące Zespół występuje głównie w Polsce, Czechach i innych krajach środkowej i wschodniej Europy Rokowanie jest niepomyślne: przeżycie do 52 lat 1000x większa skłonność do zachorowań na nowotwory, przede wszystkim NHL i ALL 40% chorych przed 20.rż rozwinie NHL 4x wzrost ryzyka zachorowania na nowotwory u heterozygotycznych nosicieli! (haploinsuficjencja) co może być przyczyną ok. 2% zachorowań na nowotwory w Polsce) Inne mechanizmy utraty funkcji genu (fenokopie mutacji) Epigenetyczne metylacja wysp CG promotora zdrowego allelu; allel z mutacją ulega w tym czasie ekspresji kodując niefunkcjonalne białko p16 INK4a ponad 40% jest tak wyłączane np. w raku żołądka (mutacje 0-2%, LOH 0-10%) Inne mechanizmy utraty funkcji genu (fenokopie mutacji) Epigenetyczne Onkomiry mikrorna których ekspresja jest związana z rozwojem nowotworów mir 17 mir 19 mir 21 Antyonkomiry mir 143 mir 145 Inne mechanizmy utraty funkcji genu (fenokopie mutacji) Potranslacyjne wyłączanie funkcji białek Np. poprzez inaktywującą fosforylację Crosstalk pomiędzy szlakami sygnałowymi Inne zmiany genetyczne Translokacja chromosomów białka chimeryczne o zmienionej funkcji: T(9;22) przemieszczenie części genu c- Abl pod kontrolę promotora genu Bcr. Kariotyp Philadelphia Białko Bcr/Abl w przewlekłej białaczce szpikowej i ALL 5

6 Wirusy onkogenne Mechanizm onkogennego działania HPV Cross-talk szlaków sygnałowych HTLV1/2 (białaczka T-limfocytarna) EBV (chłoniak Burkitta, rak nosogardzieli) HBV i HCV (zapalenie i rak wątroby) HPV (rak szyjki macicy; szczepionka HPV kodują białka E6 i E7 hamujące p53 i Rb. Fenokopia mutacji tych genów! Oddziaływania pomiędzy różnymi szlakami sygnałowymi Terapia przyczynowa Podłożem rozwoju chorób nowotworowych są uszkodzenia DNA. Czy można te zmiany odwrócić? Terapia genowa Edytowanie DNA Terapia genowa Terapia genowa Terapia genowa jest metodą leczenia polegającą na wprowadzeniu do komórek prawidłowej kopii genu, którego defekt jest odpowiedzialny za rozwój choroby. wektory retrowirusowe oraz adenowirusowe, ale także wektory bazujące na lentiwirusach, wirusie opryszczki czy wirusach adenosatelitarnych. Liposomy. Zastosowania wciąż eksperymentalne, do terapii dziedzicznych chorób takich jak wrodzona ślepota, X-SCID, ADA-SCID 6

7 Strategie terapii genowej Lipidy kationowe Retrowirusy jako wektory Terapia genowa c.d. Strategia ex vivo i in vivo Ograniczenia w onkologii wynikają w głównej mierze z ograniczeń wektorów: Off-target effects Przedłużony czas działania Przypadkowa integracja może uszkodzić inne ważne geny J Bone Joint Surg Am, 2003 Mar; 85 (3) Edycja DNA Mechanizm edycji DNA z użyciem ZFP Naprawa mutacji (zmiana sekwencji genomowego DNA) ZNF-nukleazy TALEN Duże białka, trudne i kosztowne w przygotowaniu CRISPR/Cas9 Gaj T, Gersbach CA, Barbas CF 3rd.Trends Biotechnol Jul;31(7):

8 Mechanizm edycji DNA metodą TALEN Składowe kompleksu CRISPR-Cas9 PAM - Protospacer-adjacent motif CRISPR - Clustered regularly interspaced short palindromic repeats tracrrnas -Trans-activating CRISPR RNAs crrna CRISPR RNA Cas9 - endonukleaza sg-rna Gaj T, Gersbach CA, Barbas CF 3rd.Trends Biotechnol Jul;31(7): Mechanizm edycji DNA metodą CRISPR/Cas9 Koniec objaśnień 8