Wykład 13 Regulacja cyklu komórkowego w odpowiedzi na uszkodzenia DNA Mechanizmy powstawania nowotworów
Uszkodzenie DNA Wykrycie uszkodzenia Naprawa DNA Zatrzymanie cyklu kom. Apoptoza
Źródła uszkodzeń DNA Endogenne uszkodzenia DNA: błędy powstające w czasie replikacji DNA, stres oksydacyjny Czyniki środowiskowe - egzogenne: promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie jonizujące gamma i X, mutageny chemiczne (zanieczyszczenie środowiska, palenie tytoniu)
Rodzaje uszkodzeń DNA Zablokowane widełki replikacyjne Alkilacja DNA Dimery TT Jednoniciowe fragmenty Jednoniciowe DNA pęknięcia Dwuniciowe złamania DNA
Rodzaje naprawy DNA u eukariontów Aktywność egzonukleolityczna w kierunku 3-5 polimerazy DNA Bezpośrednia naprawa uszkodzeń (reversion repair, RR) Naprawa niedopasowanych nukleotydów (Mismatch Repair, MR) Naprawa przez wycinanie zasad (Base Excision Repair, BER) Naprawa przez wycinanie nukleotydów (Nucleotide Excision Repair, NER) Niehomologiczne łączenie końców (Non-Homologous End Joining, NHEJ) Homologiczna rekombinacja (Homologous Recombination, HR)
Odpowiedź na uszkodzenia DNA Odpowiedź na uszkodzenia DNA Zablokowane widełki replikacyjne Jednoniciowe uszkodzenia Dwuniciowe złamania DNA Produkcja enzymów naprawy DNA Odwracalne zatrzymanie cyklu Stałe zatrzymanie cyklu lub śmierć
Białka odpowiedzi na uszkodzenia DNA Rpa1 Sensory Mediatory/Adaptory Kinazy przekazujące sygnał o uszkodzeniu do białek efektorowych Białka efektorowe
I etap odpowiedzi stanowi wykrycie miejsca uszkodzenia przez białka sensorowe
Struktura i funkcje kompleksu MRN Rozpoznanie dwuniciowego pęknięcia DNA Przytrzymywanie razem końców złamania Przyłączenie kinazy ATM i promowanie fosforylacji histonu H2A Obróbka końców: wyrównanie końców do połączenia na drodze NHEJ lub indukowanie tworzenia długich jednoniciowych końców dla homologicznej rekombinacji Niezbędny do przyłączania kompleksów przebudowujących chromatynę
Kompleks MRN oraz ufosforylowany histon H2A warunkują przyłącznie kohezyn w obrębie uszkodzonego DNA Domena kohezynowa wokół pęknięcia DNA ma wielkość 100 kb i pełni funkcję przytrzymywania blisko siebie końców złamania
II etap odpowiedzi obejmuje przyłączenie mediatorów oraz przyłączenie i aktywacja kinaz efektorowych
Rola kodu histonowego w wykryciu uszkodzenia DNA i jego naprawie Naprawa DNA Cykl komórkowy a. Przyłączenie ATM i fosforylacja H2AX b. Do ufosforylowanego H2A przyłączają się kompleksy przebudowujące chromatynę, a przyłączona kinaza ATR fosforyluje dalej H2AX oraz białka adaptorowe c. Histony w pobliżu złamania DNA są usuwane przez kompleksy przebudowujące chromatynę, które być może odsłaniają zmetylowaną resztę K79 histonu H3 d. Ufosforylowana seryna H2A i zmetylowana lizyna H3 są miejscami przyłączenia białek adaptorowych, które wzmacniają sygnał o uszkodzeniu DNA
Rola modyfikacji i przebudowy chromatyny w naprawie DNA Fosforylacja H2AX Przyłączanie kompleksów modyfikujących chromatynę do miejsca uszkodzenia Usunięcie histonów ułatwia przyłączanie białek szlaku odpowiedzi na uszkodzenia DNA i naprawę DNA Odtworzenie normalnej struktury chromatyny po zakończeniu naprawy
Rola modyfikacji i przebudowy chromatyny w naprawie DNA Przyłączenie ATM i fosforylacja H2AX Do ufosforylowanego H2A przyłączają się kohezyny oraz kompleks modyfikujący chromatynę NuA4; następuje acetylacja histonów Umożliwia to przyłączenie kompleksu INO80, który usuwa histony przy złamaniu DNA, aby mogły być utworzone regiony jednoniciowego DNA, co ułatwia przyłączanie białek szlaku odpowiedzi na uszkodzenia DNA i naprawę DNA Przyłączenie kompleksu TIP60 pozwala na usunięcie dimerów H2AX/H2B i wstawienie nieufosforylowanych histonów H2A wyłączenie sygnału i odtworzenie normalnej struktury chromatyny po zakończeniu naprawy
Zatrzymanie cyklu komórkowego na granicy G1/S w wyniku pęknięć DNA Szybka odpowiedź Późna odpowiedź
Mechanizm aktywacji transkrypcji przez p53 w odpowiedzi na uszkodzenia DNA Eksport z jądra Degradacja
Deaktywacja p53 po naprawie DNA lub indukcja senescencji (trwałe zatrzymanie cyklu kom.) albo indukcja apoptozy Degradacja Eksport z jądra Uszkodzenie DNA tetrameryzacja Fosforylacja Acetylacja (p300) DNA naprawione Uszkodzenie DNA nienaprawione Trwałe zatrzymanie podziałów lub apoptoza Deacetylacja
Regulacja apoptozy przez białko p53 Mechanizm zależny od transkrypcji: aktywacja ekspresji genów kodujących Bax, Bid, Puma, Noxa, Apaf-1, kaspazę 6, receptory śmierci Fas i DR5 lub hamowanie ekspresji, np. IAP Mechanizm niezależny od transkrypcji: szybka (wcześniej niż aktywacja transkrypcji) redystrybucja p53 do mitochondriów i promowanie uwolnienia cytochromu c do cytoplazmy poprzez tworzenie kompleksów z anty-apoptotycznymi białkami Bcl-2 i Bcl- XL oraz poprzez bezpośrednią aktywację pro-apoptotycznych białek Bax i Bak; p53 w podobny sposób może też działać w cytoplazmie
Odpowiedź na zatrzymanie widełek replikacyjnych Stabilizacja widełek Inhibicja późnych początków replikacji Zatrzymanie mitozy
Zatrzymanie mitozy w wyniku uszkodzeń DNA
Zatrzymanie cyklu komórkowego w mitozie w wyniku złamań DNA u drożdży Chk2 Sekuryna Separyna Wejście w anafazę Wyjście z mitozy Wejście w anafazę Wyjście z mitozy
Hiperproliferacyjny stres również aktywuje p53 w celu zatrzymania cyklu komórkowego lub indukcji apoptozy
Przyczyny powstawania i rozwój nowotworów Nowotwory to grupa złożonych chorób charakteryzujących się nienormalnym wzrostem liczby komórek Rozwój tej choroby to ewolucyjny proces spowodowany stopniową akumulacją mutacji genowych, które zwiększają aktywność białek regulacyjnych stymulujących proliferację oraz zmniejszają aktywność białek, które podziały komórek hamują
Nowotwór łamie podstawowe reguły tkankowe Każda komórka w tkance podlega ścisłej regulacji przez mechanizmy zewnętrzne jak i sygnały zewnątrzkomórkowe; komórki w danej tkance pozostają ściśle powiązane i nie przemieszczają się do innych tkanek Komórki nowotworowe przestają odpowiadać na sygnały zewnątrzkomórkowe, dzielą się kiedy nie powinny, nie umierają kiedy powinny oraz tracą kontakt z własną tkanką i przemieszczają się w inne miejsca
Źródła mutacji powodujących nowotwory Mutacje wrodzone (5-10%; głównie nowotwory u dzieci) Mutacje spontaniczne wynikające z błędów podczas replikacji, naprawy DNA, rozdziału chromosomów UV czy chemiczne karcynogeny przyspieszają tempo mutacji Zwykle potrzebne jest kilka dekad do akumulacji odpowiednich mutacji, które doprowadzą do powstania nowotworu Prawdopodobieństwo zachorowania na nowotwór rośnie z wiekiem człowieka Białaczka 2 mutacje Rak prostaty 30 mutacji Średnio od 6 do 10 mutacji
Ewolucja nowotworu: Mutacja w szlaku zależnym od mitogenu powodująca, że komórka dzieli się szybciej Mutacja powodująca hamowanie apoptozy Nowotwór łagodny Mutacja w szlaku hamującym proliferację Mutacja w białku odpowiedzi na uszkodzenia DNA powodująca niestabilność genomu Mutacja powodująca stabilizację telomerów Nowotwór złośliwy Angiogeneza i metastaza
Ewolucja nowotworu Komórki przedrakowe Komórki rakotwórcze Nienormalne podziały komórek indukowane przez onkogeny i inne czynniki Nienormalne podziały komórek U niekontrolowanie dzielących się komórek powstają uszkodzenia DNA w czasie replikacji Brak aktywacji odpowiedzi na uszkodzenia DNA i apoptozy Aktywacja odpowiedzi na uszkodzenia DNA Zatrzymanie podziałów lub śmierć Niestabilność genetyczna, przyspieszony rozwój raka
Anomalie chromosomowe w komórkach nowotworowych Kariotyp komórki normalnej Kariotyp komórki nowotworowej z raka piersi
Typy nowotworów Tkanka nabłonkowa rak (carcinoma) Tkanka łączna mięsak (sarcoma) Szpik kostny, śledziona białaczki (leukemia) Tkanka nerwowa (neuroblastoma)
Niekontrolowane podziały Zaburzenia dróg sygnałowych Mutacje punktowe Infekcje wirusowe Uszkodzenia DNA Wykrycie uszkodzenia Naprawa DNA Aktywacja tranksrypcji Zatrzymanie cyklu kom. Apoptoza Niestabilność genomu Nowotwór
(hiperaktywność) (utrata funkcji)
Szlak zależny od mitogenów oraz regulacja punktu kontrolnego G1/S są defektywne w większości typów nowotworów
Białka ARF i INK4A mają wspólny locus, który jest często zmutowany w komórkach nowotworowych
Angiogeneza jest niezbędna do wzrostu nowotworu
Angiogeneza jest niezbędna do wzrostu nowotworu
Metastaza czyli rozprzestrzenianie się nowotworów (przerzutowanie)
Metastaza czyli rozprzestrzenianie się nowotworów (przerzutowanie)
Leczenie nowotworów Profilaktyka Wczesne wykrywanie w stadium nowotworu łagodnego Chirurgiczne usunięcie guza częste odrastanie guza w tym samym miejscu Chemioterapia i radioterapia łatwo pojawia się oporność Specyficzne terapie (np. Gleevec, inibitor kinazy Abl, której nadaktywność powoduje chroniczną białaczkę mieloidalną)