Genetyka nowotworów

Katedra i Zakład

Biologii i Genetyki AMG

Choroby nowotworowe

• nowotwór to grupa komórek, która przestaje

podlegać normalnym mechanizmom kontrolującym

wzrost, różnicowanie komórek i apoptozę

• 1/3 populacji choruje na choroby nowotworowe

• 20% zgonów związanych jest z chorobami

nowotworowymi

• w krajach rozwiniętych 10% kosztów leczenia

przeznaczane jest na walkę z rakiem

Komórki nowotworowe

• W tkankach prawidłowych istnieje

stan równowagi pomiędzy

mnożeniem się komórek, ich

różnicowaniem a obumieraniem

• Nowotwór powstaje w wyniku

zaburzeń mechanizmów

kontrolujących wzrost, różnicowanie

komórek i apoptozę

• W komórkach nowotworowych ten

stan równowagi jest zaburzony, co

prowadzi do niekontrolowanego

rozrostu, a następnie utraty

swoistych czynności życiowych

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer/

Cechy komórek nowotworowe

• Zmniejszona zależność od czynników wzrostowych
• Utrata zdolności kontaktowego zahamowania

wzrostu komórek

• Zdolność do nieograniczonej liczby podziałów

komórkowych

• Zdolność do mnożenia się bez kontaktu z podłożem

Komórki nowotworowe

+ genomic

instability

Hanahan and Weinberg 2000

Inicjacja i progresja nowotworu

Komórki

prawidłowe

Komórki

nowotworowe

Etapy rozwoju raka jelita grubego

Etapy rozwoju raka jelita grubego

APC

MCC

5q

Demethylation

K-ras

12p

DCC

18q

p53
17p

Nowotwory łagodne i złośliwe

• Nowotwór łagodny

dochodzi wyłącznie do

szybszego, miejscowego

rozrostu komórek;

jest dobrze ograniczony,

często otorbiony, rośnie

wolno, nie nacieka i nie

daje przerzutów

• Nowotwór złośliwy

dochodzi do naciekania i

niszczenia otaczających

tkanek oraz tworzenia

przerzutów

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer

/

Nacieki i przerzuty

• Naciek

bezpośrednia migracja i

penetracja komórek

nowotworowych do

sąsiednich tkanek

• Przerzut

wtórne ognisko

nowotworu złośliwego

bez łączności z guzem

pierwotnym. Komórki

nowotworowe wnikają

do układu limfatycznego

i naczyń krwionośnych

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer/

Czynniki rakotwórcze

• Zjawisko nowotworzenia ma

ścisły związek z genetyką,

nowotwory są chorobami

spowodowanymi mutacjami

genetycznymi komórek

• Czynniki rakotwórcze

(karcynogeny) działające na

komórki somatyczne:

– substancje chemiczne
– promieniowanie
– wirusy, bakterie

• Predyspozycje genetyczne

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer

/

Nowotwory - choroby genetyczne

• Większość czynników rakotwórczych ma

działanie mutagenne

• Niektóre nowotwory są nowotworami

dziedzicznymi

• Protoonkogeny i geny supresorowe

• Defekty systemu naprawy DNA zwiększają

prawdopodobieństwo zachorowania na raka

Predyspozycje genetyczne

•Większość nowotworów

(80-90%) pojawia się u

pacjentów z

negatywnym

wywiadem rodzinnym w

kierunku chorób

nowotworowych

•Niektórzy pacjenci posiadają

wrodzone (dziedziczne)

mutacje genów, które

predysponują do

wystąpienia określonego

nowotworu

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer/

Predyspozycje genetyczne

Mutacje genów

•Mutacje w obrębie genów

kontrolujących wzrost i

różnicowanie komórek

mogą prowadzić do

powstania nowotworu

•Dwie grupy genów

prowadzących do

powstania nowotworu:

- Onkogeny

nadmierna aktywność

-

Geny supresorowe

brak aktywności

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer/

Geny uczestniczące w procesie nowotworzenia

• Onkogeny

– Regulują proces wzrostu i różnicowania się komórek
– Powstają w wyniku mutacji

protoonkogenów

• Geny supresorowe

– Hamują podział komórek
– Inaktywowane w wyniku mutacji lub delecji

• Geny mutatorowe (geny naprawy DNA)

– Biorą udział w naprawie uszkodzonego DNA
– MMR, niestabilność mikrosatelitarna

• Geny regulujące apoptozę

– Kontrolują przeżycie komórek
– Nadekspresja, mutacja lub delecja prowadzi do zaburzenia

procesu apoptozy

• Geny odpowiedzialne za powstawanie przerzutów

– Kontrola ruchliwości komórek i ich oddziaływania ze

środowiskiem zewnętrznym

– Zarówno mutacje aktywujące jak i dezaktywujące

Protoonkogeny

• Prawidłowe geny, które mogą prowadzić do

transformacji nowotworowej, jeśli zostaną uszkodzone

lub nastąpi zmiana ich ekspresji

• Geny, które odgrywają kluczową rolę w komórkowych

mechanizmach wzrostu i różnicowania

(czynniki wzrostu, receptory czynników wzrostu)

• Ponad 100 zidentyfikowanych protoonkogenów
• Geny konserwatywne ewolucyjnie (protoonkogen

RAS występuje zarówno w drożdżach jak i u człowieka)

• Mutacje protoonkogenów dzielimy na

genowe

(rak

pęcherza) i

chromosomowe

(przewlekła białaczka

szpikowa)

Protoonkogeny

Protoonkogeny – receptory czynników wzrostu

Protoonkogeny

Onkogeny

mutacja

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer

/

Onkogeny

Gen prawidłowy (prawidłowy podział

komórkowy)

1 mutacja

(zaburzony podział komórkowy)

1 mutacja wystarcza do inicjacji procesu nowotworzenia

Mechanizmy aktywacji onkogenów

Mechanizmy aktywacji onkogenów

• wrodzone lub nabyte aberracje chromosomowe

• zmiany strukturalne w obrębie onkogenów

zachodzące w wyniku mutacji

• wprowadzenie dodatkowych onkogenów

wirusowych (v-onc) w następstwie zakażenia

retrowirusami

Aktywacja onkogenu - translokacja

Przewlekła białaczka szpikowa

t(9;22)

Gen fuzyjny: ABL-BCR

Aktywacja onkogenu - translokacja

Chłoniak Burkitta

t(8;14)

Translokacja

C-MYC

na locus IgH

Aktywacja onkogenu - amplifikacja

FISH - amplifikacja

HER-2/NEU

w raku piersi

Kontrola

Amplifikacja

Mechanizmy aktywacji onkogenów

• wrodzone lub nabyte aberracje chromosomowe

• zmiany strukturalne w obrębie onkogenów

zachodzące w wyniku mutacji

• wprowadzenie dodatkowych onkogenów

wirusowych (v-onc) w następstwie zakażenia

retrowirusami

Mutacje

KITC

AG A G A C A T C A T G C A T G A T

Gen prawidłowy

A G A G

T

C A T C A T G C A T G A T

Mutacja punktowa

Mutacje

KITC

A G A G A C A T C A T G C A T G A T

Gen prawidłowy

G A C A T C A T G

A G A C A T G A T T C G A A C T A T

Delecja

Mechanizmy aktywacji onkogenów

• wrodzone lub nabyte aberracje chromosomowe

• zmiany strukturalne w obrębie onkogenów

zachodzące w wyniku mutacji

• wprowadzenie dodatkowych onkogenów

wirusowych (v-onc) w następstwie zakażenia

retrowirusami

Wirusy onkogenne

Niektóre wirusy po wielu latach przewlekłego
zakażenia mogą spowodować rozwój nowotworu.

• Wirus brodawczaka ludzkiego (HPV)

– rak szyjki macicy

• Wirus Epsteina – Barra (EBV)

– chłoniak Burkitta

Geny supresorowe

• Prawidłowe geny, których zadaniem jest zapobieganie

nowotworom

• Odgrywają kluczową rolę w kontroli różnicowania

komórek, hamują zaburzony podział komórkowy

• >20 genów supresorowych

• Geny konserwatywne ewolucyjnie

• Recesywny efekt działania - aby nastąpiła inaktywacja

genu musi nastąpić utrata jego dwóch alleli

• Dwumutacyjna hipoteza Knudsona – progresja

nowotworu (1971)

Geny supresorowe

• Utrata genów supresorowych często prowadzi do powstania

różnych nowotworów (50% of nowotworów ma utratę p53)

• Nowotwory dziedziczne:

rak piersi, Retinoblastoma, guz Wilms’a, zespół Li-Fraumeni,

nerwiakowłókniakowatość, Xeroderma pigmentosum

Geny supresorowe

http://newscenter.cancer.gov/sciencebehind/cancer

/

Geny supresorowe

Gen prawidłowy

1 mutacja

(nosiciel)

2 mutacja lub utrata

(progresja nowotworu)

Dwumutacyjna hipoteza Knudsona

Pierwsza

mutacja

Pierwsza

mutacja

(odziedziczona)

Druga mutacja

(nowotwór)

Dwumutacyjna hipoteza Knudsona

w rozwoju siatkówczaka złośliwego (Retinoblastoma)

Siatkówczak złośliwy (Retinoblastoma)

• częstość występowania:

1/20.000 dzieci

• nowotwór złośliwy oka, który rozwija

się w komórkach siatkówki

• w 2/3 przypadków tylko jedno oko

jest zaatakowane

• pojawia się zarówno w formie

dziedzicznej (40%) jak i

sporadycznej

• nienormalna reakcja źrenicy na

światło, tzw. kocie oko

Siatkówczak złośliwy

Dwustronny RB,

1 rok, d. 78

Dwustronny RB,

1 rok

osteosarcoma,

16 lat

Dwustronny RB,

6 mo

Dwustronny RB,

1 mo

Gen

RB1

• Gen składający się z 27 eksonów, ponad 100

znanych mutacji

• Gen koduje białko Rb, zaangażowane w regulację

cyklu komórkowego

Nonsens

Missens

Miejsca splicingowe

Sellers W et al.

J Clin Onc

15:3301, 1997

Rak piersi

• rak piersi jest najczęstszym nowotworem złośliwym u

kobiet

• w Polsce 10.000 nowych przypadków rocznie

• ~5–10% przypadków raka piersi to forma dziedziczna

• mutacje w obrębie dwóch genów (

BRCA1

and

BRCA2

) są

czynnikami zwiększającymi ryzyko rozwoju raka piersi i

jajnika

• odziedziczenie jednego defektywnego allelu genu

BRCA

predysponuje do rozwoju raka piersi i jajnika

• guzy powstałe u nosicieli mutacji genu

BRCA2

zawsze

wykazują utratę heterozygotyczności

BRCA

– mechanizm działania

Venkitaraman, Science 1999

Geny naprawy DNA

• Geny kodujące białka biorące udział w naprawie błędów

zachodzących podczas replikacji DNA i innych mutacji

spontanicznych

• Naprawa DNA poprzez:

- wycinanie nukleotydów
- wycinanie zasad

- naprawa niedopasowanych nukleotydów

- naprawa rekombinacyjna

• Zwiększone tempo mutacji w genach komórkowych, w tym

onkogenach i genach supresorowych

• Xeroderma pigmentosum, dziedziczny rak jelita grubego

Defekty naprawy DNA

Predyspozycje genetyczne pacjenta

• Krewni chorujący na choroby nowotworowe

• Pionowa transmisja bez przeskoku, dziedziczenie

autosomalne dominujące

• Wczesny wiek zachorowania

• Wiele ognisk nowotworów

• Współwystępowanie określonych nowotworów

• Określone pochodzenie, np. Żydzi Aszkenazyjscy

Guzy podścieliska przewodu pokarmowego GIST

• Najczęstsza grupa nowotworów pochodzących

z podścieliska łącznotkankowego przewodu

pokarmowego

- Żołądek (60-70%)
- Jelito cienkie (25-30%)

- Jelito grube i odbytnica (10%)

• Średnia wieku pacjentów: 55-65 lat
• Występowanie niezależne od płci
• 20-40 przypadków na milion

(Polska: 700-1200/rocznie)

Guzy podścieliska przewodu pokarmowego GIST

Histologia

• wrzecionowatokomórkowe

(70%)

• epitelioidne

(20%)

• mieszane

(10%)

Guz wrzecionowatokomórkowy

Guz epitelioidny

Guzy podścieliska przewodu pokarmowego GIST

Immunohistochemia

Pozytywne:

- KIT (CD117)

(95%)

- CD34 (70%)
- Wimentyna (>90%)
- SMA (35%)

KIT

Negatywne:

- Desmina (3% +)

- S-100 (10% +)
- GFAP
- mioglobina

Guzy podścieliska przewodu pokarmowego GIST

Immunohistochemia

KIT (+)

KIT (-)

KITC

• Lokalizacja: 4q12

• 21 eksony; 34kb

• Powierzchniowy receptor komórkowy

dla czynnika wzrostu komórek

macierzystych (SCF)

• PDGFRA, CSFR1, FLT3

• Ekspresja

-

Komórki pnia

- Komórki Cajala

- Melanocyty

PDGFRA

• Lokalizacja: 4q12

• 23 eksony; 35kb

• Powierzchniowy receptor komórkowy

dla płytkopochodnego

czynnika

wzrostu PDGF

• KIT, CSFR1, FLT3

• Ekspresja

-

Fibroblasty

- Komórki mięśni gładkich

Imatinib (Glivec/STI571)

„Blokada”

receptora

Imatinib

•

Selektywny inhibitor

receptorów o aktywności

kinazy tyrozynowej:

–

BCR-ABL

–

KITC

–

PDGFRA

•

Po raz pierwszy użyty w

CML, chromosom

Philadelphia

–

Cel: BCR-ABL

Drogi

wewnątrzkomórkowe

Blokada

sygnalizacji

komórkowej

Jądro

Mechanizm działania imatinibu

Pre-imatinib

Imatinib

Jądro

KITC/PDGFRA

ATP wiąże się

do receptora

Zablokowanie

wiązania ATP

Zablokowanie

sygnalizacji

komórkowej

Aktywacja

sygnalizacji

komórkowej

Imatinib & GIST

Joensuu H et al.

N Engl J Med.

2001;344:1052-1056.

Imatinib & GIST (TK & PET)

3.06.2000

5.10.2000

Po leczeniu

Przed leczeniem

Ch. L. Corless et al.:

„Biology of Gastrointestinal Stromal

Tumors.”

J Clin. Oncol. 2004, 22, 18: 3813-3825

Mutacje genu

KITC

• Mutacje punktowe

- mastocytoza
- albinizm zlokalizowany
- ostra białaczka szpikowa
- przewlekła białaczka szpikowa
- nasieniaki
- rozrodczaki

Mutacje genu

PDGFRA

• Amplifikacja

- glejaki złośliwe

• Gen fuzyjny

-

BCR-PDGFRA,

przewlekła białaczka szpikowa

-

FIP1L1-PDGFRA,

zespół hipereozynofilowy