Genetyka człowieka II Genetyka nowotworów, starzenie 1
Nowotwory podstawy genetyczne 2
Choroba nowotworowa } Niekontrolowana proliferacja } rzerzuty } proliferacja bez przerzutów nowotwór łagodny 3
Nowotwory są klonalne Komórka prawidłowa ierwsza mutacja Druga mutacja Trzecia mutacja Kolejne mutacje Komórki nowotworowe R
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
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
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 7 1998-2008 of Txtwriter Inc.
Inicjacja i progresja raka nabłonek prawidłowy Mutacje transformacja nowotworowa proliferacja in situ Komórka prawidłowa Komórka stransformowana
Inwazja raka Rak in situ Dalsze mutacje Komórka prawidłowa Komórka stransformowana Wzrost guza Komórka inwazyjna
Rak - przerzuty Oporność na hipoksję Utrata cech nabłonkowych Zdolność ruchu Komórka prawidłowa Komórka stransformowana Komórka inwazyjna Komórka przerzutująca
rogresja raka szyjki macicy 11 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice Hall, 2005
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
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
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
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
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
Jak adenowirus manipuluje komórką 17
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
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 ~ 100 19 Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)
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
Mutacje p53 Frequency of mutation in cancer: ~80% missense nonsense ~10% ~9% frameshift S46del bone R249S lung, liver K305X sinuses, mouth Q331ins bone NES 11-27 TAD 1 1-43 TAD 2 44-60 RD 40-92 DBD 100-300 NLS 303-323 4D NES 307-355 340-351 NLS 369-375 CRD 356-393 NLS 379-384 1 Missense R249S Arg->Ser p53 p53 p53 p53 2 Frameshift S46del c.12060 T>del p53 3 Frameshift Q331ins c.14754 G>ins p53 p53 p53 p53 p53 p53 p53 p53 4 Nonsense K305X Lys->STO p53
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
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
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
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)
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) 1118 1126
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
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
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
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
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
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 http://p53.free.fr/database/p53_cancer/p53_germline.html
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
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
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
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
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 Starzenie i progerie
Starzenie } Gromadzenie się uszkodzeń na poziomie komórek (senescencja) i organizmu w miarę upływu czasu } Wzrost prawdopodobieństwa śmierci w miarę upływu czasu 39
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 (1834-1914) 40
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
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
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
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
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
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 http://gslc.genetics.utah.edu/features/telomeres/images/factors_in_aging.gif
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
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
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
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. 2005. 39:359 407
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
Model mysi OLG } Mutacja OLG (mitochondrialna polimeraza DNA) } Brak aktywności korekcyjnej wysoka częstość mutacji Trifunovic et al. (2004) Nature 27:357
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
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
Ograniczenie kaloryczne } Ograniczenie kalorii przyjmowanych w pokarmie jest częstym sposobem wydłużenia życia (od nicieni po ssaki) } Koszt obniżona wydolność rozrodcza 55
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
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
rogerie } Choroby genetyczne o fenotypach przypominających starzenie } Nie ma wszystkich objawów starzenia: progeria to nie jest przyspieszone starzenie 58
rogeria Hutchinsona-Gilforda } Bardzo rzadka (1/8 000 000 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
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 http://www.unc.edu/courses/2004spring/engl/012/070/90424/
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
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
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