Biologia molekularna nowotworów

SKN Onkologii Klinicznej
Uniwersytetu Medycznego
im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Biologia molekularna
nowotworów
Ewa Dopierała
Bartosz Spławski
Etapy karcinogenezy
 Transformacją nowotworową (karcinogenezą) nazywamy
przekształcenie się komórki prawidłowej w nowotworową. Jest
to złożony proces, w którym wyróżnia się następujące etapy:
 Inicjacja – pojawia się pojedyncza mutacja, która zazwyczaj
powstaje pod wpływem karcinogenu (może się też utworzyć
spontanicznie).
 Promocja – wieloetapowy rozwój klonu komórkowego,
zawierającego mutację nabytą w procesie inicjacji.
 Progresja – nieodwracalny etap, prowadzący do powstania
nowotworu. Polega on głównie na pojawianiu się kolejnych
zaburzeń molekularnych, przede wszystkim zmian w kariotypie.
Karcinogeneza
 W rozwoju nowotworu bardzo ważną rolę
odgrywają predyspozycje genetyczne, które
można podzielić na:
 Predyspozycje silne
 Predyspozycje słabe
Predyspozycje silne
 Związane są z dziedziczonymi od rodziców mutacjami
w genach supresorowych i genach kodujących
składowe systemu naprawy DNA.
 Wiąże się to z wcześniejszym wystąpieniem choroby –
proces transformacji ulega skróceniu o kilka –
kilkanaście lat.
Predyspozycje słabe
 Związane są z osobniczym polimorfizmem
genetycznym. W genomie człowieka występują co
najmniej 2 klasy genów, w których obrębie
zróżnicowanie może być przyczyną skłonności do
zachorowania na różne choroby, w tym
nowotworowe. Są to:
 Geny mutatorowe, kodujące składowe systemu
naprawy DNA.
 Geny detoksykacyjne, kodujące składowe systemów
usuwania substancji toksycznych z komórki.
Etapy karcinogenezy
Mechanizmy inicjacji i promocji
1. Zaburzenia w transmisji sygnałów wzrostu.
 Większość komórek organizmu znajduje się w fazie
spoczynkowej cyklu komórkowego.
 Synteza DNA i przebieg cyklu podziałowego w komórce
są sterowane przez klasę genów zwanych
protoonkogenami.
 Mutacja protoonkogenu prowadzi do zwiększonej lub
trwałej aktywności tego genu (zmutowany
protoonkogen jest nazywany onkogenem), a w
konsekwencji nieograniczonej zdolności do dzielenia się.
Mechanizmy inicjacji i promocji
2. Utrata zdolności do rozpoznawania sygnałów
hamujących wzrost.
 Ten rodzaj regulacji ma na celu powstrzymanie komórek
przed proliferacją oraz utrzymanie ich w fazie
spoczynkowej.
 Sygnały hamujące wzrost są kodowane przez klasę
genów supresorowych transformacji nowotworowej –
w skrócie genów supresorowych.
 W normalnych warunkach produkty tych genów chronią
komórkę przed transformacją nowotworową.
Mechanizmy inicjacji i promocji
 W nowotworach często obserwuje się utratę funkcji obu
alleli genu supresorowego: jedna kopia zostaje
uszkodzona (mutacja), a druga wyeliminowana wskutek
utraty regionu chromosomu, w którym znajduje się dany
gen supresorowy (utrata heterozygotyczności – loss of
heterozygisity)
 Utrata ekspresji genu supresorowego prawie zawsze
prowadzi do transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji
3. Zaburzenia w systemach naprawy DNA.
 Odrębną grupę genów, których uszkodzenie predysponuje do
rozwoju nowotworu, stanowią tzw. geny mutatorowe.
Produkty tych genów uczestniczą w naprawie uszkodzonego
DNA.
 Znaczenie zaburzeń w systemach naprawczych wykazano
najdobitniej na przykładzie systemu błędnie sparowanych
zasad.
 W trakcie replikacji DNA raz na 105 – 106 nukleotydów
powstaje błąd. Błędy te są usuwane przez system naprawy
błędnie sparowanych zasad.
Mechanizmy inicjacji i promocji
 Składowe tego systemu są kodowane przez geny MSH2,
MSH6, MLH1, PMS1 i PMS2.
 Jeżeli wystąpi mutacja któregoś z tych genów, to jego
produkt nie rozpoznaje źle sparowanych zasad lub
rozpoznaje je w ograniczonym zakresie.
 Prowadzi to do narastania liczby mutacji rozproszonych w
sposób przypadkowy po całym genomie, a więc w także w
protoonkogenach i genach supresorowych.
 Ponadto mutacja w jednym z genów sprzyja pojawianiu się
mutacji w kolejnym genie mutatorowym. Powoduje to
lawinowe narastanie niestabilności genetycznej komórki i
sprzyja transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji
Mechanizmy inicjacji i promocji
4. Zjawiska epigenetyczne w procesie transformacji
nowotworowej.
 Do tej kategorii należy zaliczyć te zmiany w obrębie
materiału genetycznego, które prowadzą do wyciszenia
aktywności transkrypcyjnej genów bez zmiany ich
sekwencji.
 Zmiany epigenetyczne są wynikiem zaburzeń w
wewnętrznych mechanizmach związanych z
odczytywaniem zawartej w genomie informacji.
Mechanizmy inicjacji i promocji
 Najczęściej obserwowaną zmianą epigentyczną jest
metylacja w obrębie promotora genów. Grupa
metylowa jest przyłączana do cytozyny w obrębie
dwunukleotydów CpG.
 Obecność grup metylowych w promotorze uniemożliwia
wiązanie czynników transkrypcyjnych, a zatem i
transkrypcję DNA – w komórce brak będzie genu,
którego promotor uległ metylacji.
 W komórkach nowotworowych wiele genów ma
zmetylowany promotor, m. in.: BRCA1, P16, GST.
Mechanizmy inicjacji i promocji
 Druga często obserwowana zmiana epigenetyczna związana
jest z dostępnością transkrypcyjną materiału genetycznego.
 Dzięki precyzyjnej regulacji możliwe jest zarówno wyciszenie,
jak i aktywacja określonych genów.
 Acetylacja i metylacja w określonych pozycjach histonów
ułatwia aparatowi transkrypcyjnemu dostęp do nici DNA.
 Natomiast deacetylacja histonów powoduje kondensację
chromatyny i zamyka dostęp aparatowi transkrypcyjnemu.
 Brak prawidłowej regulacji w dostępności chromatyny może
skutkować zaburzeniem równowagi metabolicznej i sprzyja
procesom transformacji.
Mechanizmy inicjacji i promocji
5.
Regulacja cyklu
komórkowego.
 W kontroli prawidłowości
przebiegu cyklu komórkowego
istotną rolę odgrywają produkty
2 genów supresorowych: TP53 i
RB1.
 Białka te kontrolują
bezpośrednio punkty
restrykcyjne, czyli są
odpowiedzialne za przejścia z faz
spoczynkowych do fazy syntezy
DNA i fazy podziałowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji
 Białko TP53 zawiera m. in.
sekwencje umożliwiające
wiązanie się z DNA oraz
domenę transaktywacyjną
(aktywującą ekspresję
genów), dzięki czemu TP53
czynnikiem transkrypcyjnym
dla wielu genów, w tym
również tych, które hamują
cykl komórkowy,
uczestniczą w naprawie
DNA i w procesie apoptozy.
 Białko RB1 należy do rodziny białek
transportujących, zwanych też
pocket protein. Mają 2 „kieszenie”: A
i B.
 Regulacja cyklu komórkowego, w
szczególności przejścia przez punkt
restrykcyjny G1/S, jest możliwa dzięki
wiązaniu i uwalnianiu czynników
transkrypcyjnych fazy G1, które
wiążą się z kieszenią A.
 Z kieszenią B jest związany m. in.
enzym dostępności chromatyny dla
aparatu transkrypcyjnego, zwany
deacetylazą histonu.
Mechanizmy inicjacji i promocji
6. Fosforylacja białek a cykl komórkowy.
 Fosforylacja białek jest jednym z najistotniejszych
procesów regulujących aktywność metaboliczną
komórki.
 Zaburzenia w procesie fosforylacji stanowią
najpoważniejszą grupę przyczyn zmian w przebiegu
regulacji cyklu komórkowego, prowadzące w
konsekwencji do zaburzeń proliferacji, a co za tym idzie
– sprzyjają transformacji nowotworowej.
Mechanizmy inicjacji i promocji
7. Nabywanie nieograniczonego potencjału podziałowego.
 Jedną z charakterystycznych cech komórek nowotworowych
jest nieśmiertelność, czyli zdolność do nieskończonej liczby
podziałów. Oznacza to, że w komórkach nowotworowych
autonomiczny program ograniczający potencjał proliferacyjny
jest wyłączony lub poważnie uszkodzony.
 Proces ograniczania potencjału podziałowego wydaje się
związany zarówno z aktywnością onkogenów (np. RAS) jak i
genów supresorowych (m. in. TP53 i RB), które należą do
najczęściej uszkodzonych w komórkach nowotworowych.
Mechanizmy inicjacji i promocji
8.
Apoptoza.
 Jednym z wyróżników transformacji nowotworowej jest zanik zdolności
komórki do umierania. Może być ona spowodowana różnymi
czynnikami.
 Jednym z najczęstszych jest uszkodzenie genu TP53. Produkt tego genu
jest m. in. czynnikiem transkrypcyjnym dla genów BAX czy FAS/APO1,
których produkty są promotorami procesu apoptozy.
 Nieprawidłowe białko TP53 nie może spełniać swojej funkcji biologicznej
i zatrzymywać cyklu komórkowego oraz nie może uruchamiać procesów
naprawy DNA.
 Powoduje to powstawanie nowych populacji komórek z różnymi
mutacjami i aberracjami i prowadzi do szybkiej selekcji komórek o
fenotypie nowotworowym.
Mechanizmy progresji
1.
Nabywanie zdolności do unaczynienia guza


Komórki nowotworowe nawarstwiają się i oddalają od najbliższego
naczynia krwionośnego. Niedostatek składników odżywczych,
czynników wzrostu i tlenu powoduje zatrzymanie się guza na
etapie nowotworu in situ (10⁶-10⁷ komórek, wielkość 1-2 mm). Taki
stan równowagi może trwać latami.
Proces neoangiogenezy w obrębie nowotworu umożliwia dalszy
jego rozrost.
Mechanizmy progresji
2. Nabywanie zdolności do tworzenia nacieków i
przerzutów



Jest miarą złośliwości nowotworu i jedną z głównych przyczyn
niepowodzeń leczenia.
Guzy przerzutowe są na ogół trudne do zlokalizowania i bardziej
oporne na leczenie.
W tkankach prawidłowych komórki ściśle do siebie przylegają.
Związane jest to m. in. ze zmniejszeniem lub brakiem ekspresji
kadheryny E i zwiększeniem ekspresji kadheryny N. Za efekt
zakotwiczenia odpowiedzialne są integryny i lamininy.
Mechanizmy progresji
 Komórki nowotworowe w fazie progresji charakteryzuje częściowa
utrata właściwości adhezyjnych. Struktura guza ulega rozluźnieniu.
 Jeśli komórki nowotworu zawierają dużo enzymów proteolitycznych
(głównie mataloproteinaz) i nabywają zdolność do niszczenia błony
podstawnej, to mogą się przedostać do najbliższego naczynia
krwionośnego lub chłonnego.
 Na każde „wędrujące naczyniem” 10⁵- 10⁶ komórek przeżywa 1- 10.
Po przylgnięciu do ściany śródbłonka wydostają się na zewnątrz i
próbują zasiedlić nowe mikrośrodowisko ( obcą tkankę lub węzeł
wartowniczy). Jeśli warunki będą sprzyjające, nastąpi replikacja DNA
i podział. Rozpocznie się proces rozwoju przerzutu.
Mechanizmy progresji
 Geny promujące inwazyjność to przed wszystkim te, których
produkty białkowe odpowiadają za oddziaływania między
różnymi typami komórek, adhezję komórkową, procesy
wydzielania oraz zwiększoną zdolność do hydrolizy macierzy
zewnątrzkomórkowej i błony podstawnej (migracja
komórek).
 Geny hamujące inwazyjność to przede wszystkim te, których
produkty odpowiedzialne są za regulację między tymi typami
komórek, regulację wydzielania oraz te, których produkty
białkowe są białkowymi inhibitorami enzymów
hydrolitycznych.
Dziękujemy za uwagę 