GENETYCZNE PODSTAWY CHORÓB NOWOTWOROWYCH

1. Proces transformacji nowotworowej( karcinogenezy):

• genetycznie uwarunkowany

• wieloczynnikowy

• wielostopniowy

2. Nowotwory:

• 5-10% dziedziczne (dziedziczenie Mendlowskie- mutacje pojedynczych genów, pierwsza mutacja w gametach rodzica i jest obecna we wszystkich komórkach organizmu = konstytutywna, dośc niska średnia wieku wystapienia nowotworu, zmiany obustronne i wieloogniskowe, określony typ nowotworu,)

• 15% rodzinne (najprawdopodobniej wieloczynnikowy, nie prosty tor dziedziczenia, akumulacja )

• ~75% sporadyczne (spontaniczne, występujące przypadkowo, brak wystepowania w rodzinie, dość poźno, najczęściej jednostronne, jednoogniskowe)

3. Komórka nowotworowa:

• nieśmiertelna ( fenomen Hayflicka 50-60 cykli podziałowych) - przełamanie fenomenu na skutek aktywności telomerazy, która wydłuża telomery

• brak hamownia kontaktowego (reakcji komórek na bezpośrednie zetknięcie się ze sobą błonami; normalnie podczas kontaktu komórek dochodzi do zahamowania ich podziału; komórki zaczynają się różnicować) - proliferacja nowotworu nie podlega hamowaniu

• utrata kontroli nad cyklem komórkowym, zaburzenia apoptozy(powielanie uszkodzonego DNA gromadzenie mutacji)

• utrata adhezyjności (integryny, receptory laminin, kadheryny) przerzuty nowotworowe

• zaburzenie różnicowania

4.Zmiany

• wrodzone ~ nie każda wada wrodzona jest genetyczna lub dziedziczna

• genetyczne~ nie każda wada genetyczna jest wrodzona lub dziedziczna

• dziedziczne~ KAŻDA zmiana dziedziczna jest zmianą genetyczną

5. Zmiany genetyczne:

• aberracje chromosomowe (liczbowe, strukturalne)

• mutacje genów

• zmiany epigenetyczne ( np.zaburzenia metyzacji promotora)

• utrzymanie długości telomerów (wzrost aktywności telomerazy)

Zjawisko niestabilności genetycznej

→ zachodzi kumulacja zmian, czyli powstawanie coraz to nowych mutacji

→ powoduje dużą heterogenność

• Geny tzw. małego efektu - kodują białka biorące udział w naprawie DNA, kierują indywidualną podatnością organizmu na zmiany nowotworowe

• Geny tzw. dużego efektu - wywołują zmiany nowotworowe, które pojawiają się w wyniku kumulacji wadliwych genów w komórce

W procesie transformacji nowotworowej - kumulacja licznych zmian inf. genetycznej:

-nagromadzenie mutacji w genach podstawowych dla rozwoju nowotworu (protoonkogenach, genach supresorowych i mutatorowych)

-zmiany epigenetyczne w genach kodujących białkach odp. za wzrost,różnicowanie lub regulujących ich aktywność

Konieczne do transformacji nowotworowej jest wystąpienie od 3-6 niezależnych od siebie mutacji .

Zmiana w komórkach somatycznych dotyczy tylko tej linii komórek, które się wywodzą z komórki zmienionej.

W guzach litych występuje 1-3 dominujących klonów proliferacyjnych, inne to komórki ze zmianami wtórnymi, których jest mniej.

5. Etapy Transformacji nowotworowej:

• INICJACJA

- pierwsza, nieodwracalna, genetyczna i krytyczna mutacja

- zmiana zapoczątkowująca proces transformacji nowotworowej(krytyczna),

- zawsze ta zmiana informacji genetycznej jest nieodwracalna

- jest przekazywana do nastepnych generacji komórkowych (utrwalona w linii komórkowej)

- komórki tego klonu cechują się podwyższoną wrażliwością na czynniki mutagenne i mitogenne (są podatne na działanie promotorów i odpowiadającego na nie powieleniem)

- pierwsza inicjatorowa mutacja nie jest wystarczajaca do rozpoczęcia procesu transformacji nowotworowej

• PROMOCJA

- proliferacja komórek klonu obarczonych mutacją inicjatorową

- etap wywołany przez określone substancje

- etap przyspieszonego formowania guza.

- ten proces trwa długo (może trwać do 40 lat, w komórkach krwi do 7 lat),

- dochodzi do zwiekszenia ryzyka progresji zmiany ładodnej w zmianę złośliwą

- warunkuje powstanie zmian przednowotworowych

- etap odwracalny, często przy interwencji chirurgicznej.

• PROGRESJA

- kumulacja kolejnych mutacji w komórkach guza,

- nabycie przez komórki cech nowotworu (nieograniczony wzrost, podział, nieśmiertelność, zaburzenia różnicowania, brak hamowania kontaktowego i inne).

- pierwotnie łagodna zmiana transformuje do złośliwej.

Komórka → zmiana genetyczna → apoptoza

→ reperacja

→ tkwi w tkance prawidłowej→ (łagodna dysplazja) → proliferacja

→ poważna dysplazja → guz inwazyjny słabo zróżnicowany

Niektórzy autorzy wyodrębniają proliferację komórek, jako oddzielne stadium. Wydaje się jednak, że proliferacja, która jest jedną z podstawowych cech biologicznych komórek nowotworowych i zachodzi na wszystkich etapach procesu transformacji, powinna być traktowana jako kluczowa cecha biologiczna, niezbędna dla zmiany ewolucji (ryc.3).

Komórka prawidłowa		Inicjacja		Promocja			Progresja
		↓
		naprawa DNA		Guz łagodny			Guz złośliwy		Przerzuty
		lub			PROLIFERACJA
		apoptoza

Ryc.3. Schemat wielostopniowego procesu transformacji nowotworowej.

6. Geny zaangażowane w proces nowotworzenia:

• Protoonkogeny (onkogeny - stymulują proliferację komórek)

• Geny supresorowe nowotworów („stróże”-zatrzymują podzial komórki przy wykryciu zmian)

• Geny mutatorowe ( naprawa DNA, usuwają źle sparowane zasady w sekwencjach powtórzonych w genomie)

• Inne (np. geny naprawy DNA, enzymy metabolizujące chemiczne związki rakotwórcze)

ONKOGENY (znanych ok. 200)

• tak zwane geny nowotworowe

• są obecne we wszystkich komórkach organizmu w formie nieaktywnej, jako protoonkogeny lub c-onkogeny.

• sekwencje DNA, które nie uległy zmianą ewolucyjnym (takie same sekwencje znaleziono w wirusach, jaki i w komórkach organizmów wyższych, w tym u człowieka).

• są aktywne u człowieka w okresie embriogenez w życiu płodowym, a następnie ulegają inaktywacji (wyciszenieu)

• do dzisiaj nie zostały poznane mechanizmy zapoczątkowujące inaktywację protoonkogenów po okresie embriogenezy, ani mechanizmy biologiczne tej inaktywacji.

• kodują białka odpowiedzialne za proces proliferacji i różnicowania komórek:

• Czynniki wzrostowe

- HST (czynnik wzrostu fibroblastów) → rak żołądka

- SIS (podjednostka czynnika wzrostu z płytek) → glioma

• Receptory czynników wzrostowych

- PDGF (Platelet Derived Growth Factor) → rak mózgu i piersi

- erb-B (receptor for epidermal growth factor) →rak mózgu i piersi

- erb-B₂ (receptor for growth factor) → rak piersi, ślinianek i macicy

- RET (receptor kinazy tyrozynowej) → nowotwór tarczycy

• Wewnątrzkomórkowe czynniki przekształcające sygnały

- H-RAS (GTPaza) → rak okrężnicy, płuc, grasicy

- K-RAS (GTPaza) → czerniak, rak tarczycy, jelita grubego, AML

- Abl (kinaza białkowa) → PML, ALL

• Czynniki transkrypcyjne

- c-myc (aktywuje transkrypcje)→ białaczki, rak piersi, brzucha, płuc

- N-myc (białko wiążące DNA) →nerwiak, rak mózgu, rak płuc

- L-myc (białko wiążące DNA) →rak płuc

- c-jun →rak

• Białka kontrolujące proces replikacji DNA

- Bcl-2 (bialko blokujące smierć komórki) → chłoniak

- Bcl-1 (cyklina D1, stymulująca cykl komórkowy) → rak piersi, szyi, głowy

- MDM2 (antagonista p53) → mięsaki

• jeśli dojdzie do mutacji aktywującej protoonkogen w komórkach po zakończeniu embriogenezy, może on stac się okogenami, którego nieustannie aktywny produkt może doprowadzić do niekontrolowanego wzrostu i różnicowania się komóki

• mutacja taka może być zmianą pierwotną lub jedną z wielu mutacji biorących udział w transformacji nowotworowej.

Aktywacja protoonkogenów:

• Mutacje punktowe np. białka Ras( H-RAS, K-RAS, N-RAS)

• Translokacje chromosomowe np. c-abl/BCR

• Amplifikacja np. myc (N-MYC, L-MYC) →zwielokrotnienie liczny kopii genu i jego produktów białkowych

• protoonkogeny funkcjonują na poziomie komórki jako geny dominujące

• pojedyncza kopia zmutowanego allelu wystarcza do napędzenia nadprodukcji produktu białkowego

• jednak na poziomie organizmu funkcjonują jako geny recesywne

• mutacja pojedynczego genu nie prowadzi do transformacji nowotworowej

• często spotykane w nowotworach sporadycznych (mutacje somatyczne)

• bardzo rzadko ulegają mutacji w liniach zarodkowych , aby spowodować zespoły nowotworów dziedzicznych

GENY SUPRESOROWE („strażnicy genomu”) - znanych ok. 20

• zwane potocznie genami „anty-nowotworowymi”

• spełniają funkcje kontrolujące proces różnicowania i proliferacji komórkowej

• uczestniczą w szlakach regulujących cykl komórkowy

• dzięki działaniu tej grupy genów dochodzi do zwolnienia lub nawet zahamowania cyklu komórkowego komórek obarczonych mutacją, co pozwala na usunięcie zmiany przez systemy naprawcze komórek.

• jeśli uszkodzenie materiału genetycznego jest zbyt duże nie może zostać usunięte - geny supresorowe odgrywają ważna rolę w apoptozie - kontrolwanej śmierci komórki zwanej czasem „samobójczą śmiercią komórki”

• kodują białka różniąc się lokalizacją komórkową i funkcją :

• Czynniki transkrypcyjne

- p53 (indukuje zatrzymania cyklu lub apoptoze) → zespół Li-Fraumeni

- APC (interakcje z β-kateniną) → rodzinna polipowatość gruczolakowata

- WT1 (czynnik typu palca cynkowego) → guz Wilmsa (nerczak płodowy)

- VHL (reguluje elongację procesu transkrypcji) → choroba von Hippla-Lindaua (rak nerki)

• Inhibitory kinaz cyklinozależnych

- NF1 (zmniejsza aktywność bialka ras) → nerwiakowłókniakowatość typu 1(rak

mózgu, nerwow, bialaczka)

- RB1 ( hamuje cykl komórkowy, łaczy się z E2F) →siatkówczak, osteosarcoma

- p16 (inhibitor CDK) →czerniak rodzinny

• Aktywatory GTPazy

• Czynniki biorące udział w połączeniach między białkami szkieletu komórki a błonami komórkowymi

- NF2 (połaczanie) → nerwiakowłókniakowatość typu 2 ,rak mózgu i nerwów

• Czynniki biorące udział w naprawie uszkodzonego DNA

- BRCA1 (interakcja z białkiem naprawczym) →rodzinny rak piersi/jajnika

- BRCA2 (interakcja z białkiem naprawczym) →rodzinny rak piersi

• utrata aktywności genów supresorowych odgrywa bardzo ważną rolę w procesie transformacji nowotworowej

Inaktywacja supresorów:

• Delecja - podstawowy mechanizm

• Mutacje punktowe

• Zablokowanie aktywnego genu aktywnym białkiem wirusa

• Epigenetyczne metody np. metylacja promotora

Teoria dwóch uderzeń

• postawiona na podstawie badań epidemiologicznych

• komórka może zainicjować proces nowotworowy, tylko gdy zawiera 2 uszkodzone allele

• osoba dziedziczącą 1 zmutowany gen supresorowy potrzebuje tylko 1 dodatkowego uderzenia genetycznego , aby rozwinął się klon nowotworowy

• geny supresorowe funkcjonują na poziomie komórki jako geny recesywne,

• komórki heterozygotyczne nie zmieniają się w nowotworowe

• utrata funkcji obu kopii genu supresorowego prowadzi do niekontrolowanej proliferacji

• natomiast na poziomie organizmu zachowują się jak geny dominujące.

• choroba wystepuje zwykle u heterozygot

• jeśli mutacja wystapi w linii komórek rozrodczych to prowadzi do przekazania silnej predyspozycji do powstania nowotworu w sposób dominujący (tzw. pierwsze uderzenie) z 80% ryzykiem rozwoju nowotworu

• często spotykane w nowotworach dziedzicznych ale także sporadycznych

• bardzo często ulegają mutacji w liniach zarodkowych , aby spowodować zespoły nowotworów dziedzicznych

„gatekeepers” - stróże genomu

- hamują proliferację komórkową i/lub pobudzaja śmierć komórki w procesie apoptozy

- w punktach kontrolnych cyklu komórkowego,

- charakterystyczne dla danej tkanki (specyficzne tkankowo)

- ich inaktywacja predestynuje do rozwoju określonego typu nowotworu

- mutacje w tych genach prowadzą do rozwoju zarówno postaci dziedzicznych jak i sporadycznych nowotworów

„caretakers” - opiekunowie genomu,

- aktywują białka odpowiedzialne za naprawę DNA

- ich inaktywacja nie prowadzi w bezpośrednio do transformacji nowotworowej, ale jest przyczyną niestabilności genetycznej powodującej znaczne zwiększenie poziomu nowych mutacji

Zespoły zwiekszonej podatności na nowotwory dziedziczone autosomalnie recesywnie:

• Xeroderma pigmentosum

• Zespół Cockaynea

• Ataksja telangiectasia

• Zespól Blooma

• Anemia Fanconiego

Gen supre- sorowy

Komórka ulegająca transformacji

Protoonkogen komórkowy

^{mutacja `mutacja}

_{inaktywacja aktywująca}

infekcja

i wbudowanie do DNA komórki

Onkogen wirusowy

Ryc.4. Schemat zmiany aktywności protoonkogenów i genów supresorowych prowadzących do transformacji nowotworowej.

GENY MUTATOROWE = GENY MMR(ang. Mismatch Repair System)

• kodują białka, biorące udział w naprawie DNA, które rozpoznają błędnie dobrane zasady, wycinają je i wymieniają na właściwe nukleotydy.

• ten system naprawy DNA został nazwany systemem usuwania błędnie sparowanych zasad (MMR).

• do tej pory zostało rozpoznanych kilka genów :

• MLH1 3p31;

• MSH2 2p21-22;

• MSH6 2p16;

• PMS2 7p22;

• PMS1 2q31-33;

• MLH3 14q24.3

• mutacje mają charakter inaktywujący w genach MMR, powodują utratę lub obniżenie sprawności naprawy błędów powstałych w procesie replikacji DNA.

• w efekcie mutacje zachodzą od 100 do 1000 razy częściej niż w komórkach prawidłowych i dotyczą różnych genów, również krytycznych dla transfomacji nowotworowej.

• zjawisko to jest określane jako niestabilność mikrosatelitarna (ang. Microsatellite Instability; MSI

• wyróżniamy 2 grupy nowotworów, które wykazują podwyższoną częstość występowania MSI:

• Grupa pierwsza - warunkująca autosomalne recesywną predyspozycję do rozwoju nowotworu, głównie skóry i hematologicznych

• Grupa druga - mutacje w genach odpowiedzialnych za naprawę źle sparowanych zasad np. dziedziczny niepolipowaty rak jelita grubego

---