Genetyka cz owieka 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 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 nie ma dowodów u człowieka 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 307-355 NES 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
DBD 100-300 TAD 1 1-43 4D 307-355 RD 40-92 CRD 356-393 TAD 2 44-60 NES 11-27 NLS 369-375 NLS 379-384 DBD 300 100 E285K ureter, bladder, eyes E285ins palate R283 gum R283del bones NES 340-351 R342X peritoneum, kidney R342L nerves R337C peritoneum, kidney, bones Q331X pharynx Q331ins bones Q317X colon, tonge, pharynx K305X sinuses, mouth K305R lips 301del adrenal gland NLS 303-323 89del' head&neck,' larynx' 89S' bladder A84G' lips,' pharynx' A84V' mouth,' brain E68X liver E68G kidney A76del nasal cavity, pharynx W53X head&neck pharynx, brain 47L nasal cavity, bones S46del bones R175H colon G154V mouth S46del bones W91X head&neck, soft tissue, bladder W91C bladder K132R respitatory system, palate K132N kidney C135Y neuronal C135F neuronal, eyes, sinuses A138del palate, ovary A138V lymph nodes W146X gallbladder, pharynx, bones 151S endocrine glands, tonsils 151H palate, vulva 152L gum, vulva, tongue 152S kidney G154V mouth T155N palate, pharynx R156 bones R156H testis, lips V157F thymus, larynx, lung R158H gallbladder, lung R158L thymus, lung A159 thyroid A161T spinal cord, meninges Y163C parotid gland V173L vulva, thyroid V173M salivary glands, lips R175H colon, breast, stomach, head&neck, heart, respiratory system C176F sinuses, neuronal C176Y testis 177L tongue, skin H179R vagina H179Y head&neck, testis Q192X ureter, eyes H193R kidney, uterus H193L pyriform sinus L194R uterus, gum, lymph nodes I195T uterus, palate R196X tongue, colon R213X tonsils, bones R213 eyes V216M peritoneum, sinuses, pharynx V216A ureter Y220C head&neck, heart, small intestine Y234C tonsils Y234N bones, eyes Y236C lips Y234H eyes M237I palate, testis, bones N239D gallbladder N293S uterus C238Y neuronal S241F eyes, lips, bones S241C uterus C242F eyes, lips C242Y bone C242S tonsils G245S heart, vulva, rectum G245D tonsils, mouth G245V small intestine M246V sinuses M246I lips G244S gallbladder G244C kidney G244D uterus R248Q ureter, small intestine, heart, uterus R248W uterus, tongue, skin R248L lung, larynx, tonsils V272M small intestine V272del testis R273H nasopharynx, ovary, thyroid R273C brain, prostate, cervix R273L heart, brain,lung C275Y bones C275F tongue 278L kidney, lip, skin 278S eyes, skin R249S lung, liver R249M lung, palate R249G bones, sinuses D281E pharynx, uterus, tongue D281H kidney, bones, gum R282W stomach, colon, esophagus, head&neck, tongue, bones E286K neuronal, skin Frequency of mutation: >600 60-600 <60 R280K ureter, gallbladder, bladder R280T small intestine, ureter, bladder F270L gallbladder, stomach G266E ureter G266R peritoneum E258K ureter, lips, peritoneum 250L colon, tongue, bones 250del bones Y205C uterus, pharynx Y205H tonsils Mutacje p53 w nowotworach
rzyk ady zaburzeń w nowotworach Aktywacja onkogenów Inaktywacja supresorów nowotworów (antyonkogenów) Zaburzenia naprawy DNA/stabilności genomu Aktywacja telomerazy 23 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice Hall, 2005
WD40 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 Wnt HER2 Grb2 Sos Ras BRCA1/2 p53 I3K I 4,5 2 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 WD40 WD40 Cyt Cyt Cas 9 Cas 9 Cas 9 Cyt WD40 Cyt WD40 Cyt WD40 Cyt Acetylacja histonów i ekspresja genów
Zmiany w ostrej bia aczce 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 27 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) 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 Mutacje te często obserwuje się w postaci homoplazmatycznej dryf, czy dobór? 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) 30
Dziedziczne zespo y 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 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 32 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, rentice Hall, 2005
Zespó 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) 33 http://p53.free.fr/database/p53_cancer/p53_germline.html
Retinoblastoma Rzadki (1/15 000) nowotwór siatkówki u dzieci Łatwy w leczeniu (95% przeżycia) ostać sporadyczna (55%) i dziedziczna (45%) ostać dziedziczna mutacje genu Rb białko prb antyonkogen, kontrola cyklu komórkowego 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
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
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) 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 39
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 40
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 41
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 45
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 46 Jeff Miller, University of Wisconsin - Madison
rogerie Choroby genetyczne o fenotypach przypominających starzenie Nie ma wszystkich objawów starzenia: progeria to nie jest przyspieszone starzenie 47
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 48
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 50
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 51
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