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 } rzerzuty } proliferacja bez przerzutów nowotwór łagodny 3

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

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 } otworniak (teratoma) - nowotwór złośliwy komórek zarodkowych (pluripotencjalnych) } Glejak (glioma) - nowotwór złośliwy komórek glejowych 5

6 Etapy rozwoju nowotworu } Inicjacja aktywacje onkogenów, zmiany ekspresji } romocja utrwalenie zmian genetycznych, destabilizacja genomu } rogresja namnażanie in situ } Inwazja angiogeneza, przełamanie błony podstawnej, infiltracja, wejście do krwiobiegu } rzerzuty 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 Wzrost guza Komórka inwazyjna

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

11 rogresja raka szyjki macicy 11 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice 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 } 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 13

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 rzyczyną jest często zaburzenie kaskady sygnału wzrostu (czynniki wzrostu) 14 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice 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 (HV, 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 HV) 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, rentice Hall, 2005

19 rotoonkogeny 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, Rb } znanych ~10 20 B. Lewin, Genes VII, Oxford University ress

21 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 RD 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->STO p53

22 rzykłady zaburzeń w nowotworach } Aktywacja onkogenów } Inaktywacja supresorów nowotworów (antyonkogenów) } Zaburzenia naprawy DNA/stabilności genomu } Aktywacja telomerazy 22 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice Hall, 2005

23 Zmiany w raku piersi (ER-) Ras Ras Mutacja aktywująca Wzrost ekspresji TEN p21 Mutacja inaktywująca Spadek ekspresji roliferacja Naprawa DNA Kontrola cyklu Apoptoza' Inwazja i przerzuty HER2 Grb2 Sos Ras Wnt BRCA1/2 p53 I 4,5 2 I3K I 3,4,5 3 MTA3 Mi-2 HDAC1 Raf MEK1/2 p21 TEN MTA1 ERK1/2 rzeżycie Snail CyclinD1 Apoptoza E-Cadherin β-catenin ELK1A1 c-myc TCF Egr1 uszkodzenia DNA G2 M S G1 Cyt WD40WD40 WD40 Cyt Cyt Cas 9 Cas 9 Cyt Cas 9 WD40 Cyt WD40WD40 Cyt Cyt Acetylacja histonów i ekspresja genów

24 Zmiany w ostrej białaczce szpikowej Ras Mutacja aktywująca TEN Mutacja inaktywująca rolifercja/przeżycie Flt3 Kit Grb2 Sos Ras Raf MEK1/2 ERK1/2 I3K DK KB rzeżycie ELK1 A1 STAT 3 STAT 3 RUNX1-' CBFA2T1 CBFB-' MYH11 CEBA

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

26 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) } rowadzi to do transformacji nowotworowej } W komórkach nowotworowych ponowna aktywacja telomerazy 26 Denchi, DNA Repair 8 (2009)

27 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) 27

28 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. } olimorfizmy } Mutacje upośledzające działanie mitochondriów } Dryf, czy dobór? 28

29 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) 29

30 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) HNCC } Mutacje zmieniające profil metaboliczny } np. SDH 30

31 HNCC } Dziedziczny rak jelita grubego niezwiązany z polipowatością (HNCC), zespół Lyncha } 5% wszystkich raków jelita grubego } Mutacje utraty funkcji różnych genów (6) związanych z naprawą DNA, najczęściej systemem MMR 31 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice Hall, 2005

32 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) 32

33 Retinoblastoma } Rzadki (1/15 000) nowotwór siatkówki u dzieci } } } Łatwy w leczeniu (95% przeżycia) pod warunkiem wczesnej diagnozy ostać sporadyczna (55%) i dziedziczna (45%) ostać dziedziczna mutacje genu Rb } białko prb antyonkogen, kontrola cyklu komórkowego } } 33 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

34 Genetyka nowotworów dziedzicznych } Z reguły mutacje antyonkogenów lub systemów naprawy DNA } Mutacje utraty funkcji recesywne na poziomie komórki } oba allele nieaktywne w komórkach nowotworowych } Ale dziedziczą się (wzór rodowodu) jak cechy dominujące 34

35 Teoria dwóch uderzeń } Knudson (1971) badania nad siatkówczakiem } Do rozwoju nowotworu potrzebna inaktywacja obu alleli supresora nowotworów } Odziedziczenie 1 zmutowanego allelu silnie zwiększa prawdopodobieństwo 35

36 Rb w regulacji cyklu 1 Cyclin B? Cyclin B Cdk1 Rb Cdc2 Rb CCNB E2F1 CDC2 CNA DHFR TK1 Rb Rb E2F M CCNE CCNA CCNB E2F1 CDC2 CNA DHFR TK1 HDAC AAAAA E2F G2 Cyclin D Cdk4 HDAC Cyclin D G1 Cell Cycle Cdk6 Cyclin A Cdk2 Rb Rb S CCNB E2F1 CDC2 CNA DHFR TK1 E2F E2F AAAAA Cyclin E Cdk2 Rb E2F CCNE CCNA AAAAA CCNE CCNA AAAAA

37 Genetyka nowotworów - podsumowanie Onkogeny Supresory nowotworów Geny naprawy DNA Liczba zmutowanych alleli w komórce Typ mutacji 1 (dominujące) 2 (recesywne) 2 (recesywne) neomorfy, hipermorfy nullomorfy, hipomorfy nullomorfy, hipomorfy ochodzenie 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 Linia płciowa i soma U człowieka embrion płci żeńskiej oddziela komórki linii płciowej (oocyty) w 15 tygodniu od zapłodnienia (dochodzi wtedy do ostatecznej mejozy). 41

42 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) 42

43 Teorie starzenia } Bierne } długość życia determinowana przez wydajność systemów naprawiających uszkodzenia i im zapobiegających } Czynne } istnieją mechanizmy ograniczające długość życia (programowane starzenie) } jeżeli tak, to musiał je wyselekcjonować dobór naturalny 43

44 Mechanizmy starzenia się organizmu } Bierne } stopniowe nagromadzanie uszkodzeń w komórkach, prowadzące do utraty funkcji narządów i systemów } DNA, białka, lipidy } kolagen (starzenie się skóry) } aktywnie usuwane (apoptoza programowana śmierć komórki) komórki z uszkodzonym DNA } jedna z głównych przyczyn reaktywne formy tlenu (ROS) } Czynne (programowane) } regulowane mechanizmy ograniczające długość życia } poza pojedynczymi przypadkami słabo udokumentowane 44

45 Ewolucja starzenia się i śmierci Teoria Weismanna: Organizmy muszą starzeć się i umierać by zwolnić miejsce dla kolejnych pokoleń i zapewnić ewolucję gatunku roblemy: } teleologia dobór nie planuje na przyszłość } dobór grupowy (mutant, który by się nie starzał osiągnął by przewagę) } u wielu gatunków liczebność populacji nie osiąga górnej granicy 45

46 rogram czy przypadek? } Większość organizmów w naturze nie dożywa granicznego wieku } Starzenie jako efekt uboczny } disposable soma ciało jednorazowego użytku } po wydaniu (i ew. odchowaniu) 46 potomstwa organizm spełnił swoją rolę, dobór nie będzie równoważył kosztów sprawniejszego zapobiegania uszkodzeniom

47 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 } Synteza teorii klasycznych } Nie wyklucza mechanizmów aktywnych 47

48 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 48

49 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 49

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

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

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

53 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 53

54 Ograniczenie pokarmowe } CR (caloric restriction) } wydłuża życie u organizmów modelowych (Drosophila, C. elegans, mysz) } sprzeczne wyniki u ludzi } ostulowany 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 54 Jeff Miller, University of Wisconsin - Madison

55 Ograniczenie kaloryczne } Ograniczenie kalorii przyjmowanych w pokarmie jest częstym sposobem wydłużenia życia (od nicieni po ssaki) } Koszt obniżona wydolność rozrodcza 55

56 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 56

57 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 57

58 rogerie } Choroby genetyczne o fenotypach przypominających starzenie } Nie ma wszystkich objawów starzenia: progeria to nie jest przyspieszone starzenie 58

59 rogeria 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) LoS Biology Vol. 3/11/ e395 59

60 Objawy starzenia w HGS } 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 } roblemy z układem krążenia i oddechowym } Osteoporoza

61 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 61

62 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 62

63 Zespół Wernera rzyczyna: mutacje genu WRN kodującego helikazę DNA z rodziny RecQ } Normalny rozwój w dzieciństwie. } rzedwczesne starzenie rozpoczyna się wraz z wiekiem dojrzewania. } Niski wzrost, owrzodzenia, zwapnienia, siwienie włosów, cukrzyca. } acjenci dożywają średnio 47 lat. } rzyczyną śmierci z reguły choroba nowotworowa, albo schorzenia sercowo-naczyniowe. } Nie występuje neurodegeneracja, problemy z prostatą, nadciśnienie