Onkogeny i geny supresorowe guza
Typy zmian genetycznych wymienione w poprzednim fragmencie dzieli się na dwie klasy. Rezultatem tych zmian należących do klasy pierwszej w zmienionych genach nabywających nowe funkcje, których nie posiadają w normalnej wersji: są to mutacje typu gain-of–function. Zmiany klasy drugiej prowadzą do inaktywacji genu: są to mutacje typu loss-of-function. Mutacje gain-of-function uczestniczą w procesie kancerogenezy, aktywowany gen nazywany jest onkogenem a jego normalna wersja protoonkogenem. Mutacje loss-of-function w kancerogenezie dotyczą genów supresorowych.
Kiedy gen supresorowy funkcjonuje prawidłowo, zapobiega formowaniu nowotworu. Z sześciu typów zaburzeń wymienionych w poprzednim fragmencie, inaktywacja genów supresorowych guza występuje najczęściej w przypadku utraty wrażliwości na sygnały hamujące proliferację i w wyniku apoptozy.
Zaburzenia w komórkach płciowych i somatycznych
Na ogół aktywacja jednego z alleli protoonkogenu wystarcza do nadania komórce innych możliwości, podczas gdy do wywołania efektu genu supresorowego potrzeba aktywacji dwóch alleli. Zatem, onkogeny uczestniczące w tworzeniu nowotworów zwykle ulegają aktywacji w komórkach somatycznych a nie w komórkach płciowych, ponieważ obecność aktywowanego onkogenu w komórce płciowej zwykle wpływa na rozwój embrionu tak silnie, że prowadzi do śmierci zarodka.
W przeciwieństwie do tego, mutacja inaktywująca jednego z alleli genu supresorowego guza może być dziedziczona poprzez gamety, pomimo, że mogą się również pojawić w komórkach somatycznych. Heterozygoty pod względem tej mutacji znajdują się w zwiększonym stopniu zagrożenia rozwoju poszczególnych typów nowotworów, ponieważ do zajścia tego potrzeba mniej mutacji somatycznych, przekazują to zwiększone ryzyko potomstwu, które odziedzicza zmutowane allele. Jeden gen może być dotknięty mutacją zarówno w komórkach somatycznych i płciowych. To tłumaczy dlaczego podobne nowotwory występują w jednych rodzinach a w innych z mniejszą częstotliwością, właśnie ze względu na mutacje somatyczne.
Geny RB1 i retinoblastoma (glejak siatkówki)
Jak to często bywa w nauce , nasze zrozumienie ekspresji genów guza zostało rowinięte przez znalezienie przykładu który był wyjątkowo prosty do badania i wykorzystanie tych badań dla coraz bardziej złożonych procesów. Ten prosty przykład wyłonił się z badania względnie rzadkiego przypadku dziecięcego glejaka siatkówki (retinoblastoma) . prawie połowa przypadków tego raka jest dziedziczna, a reszta jest sporadyczna. W dziedzicznym glejaku guz rozwija się w siatkówce, zazwyczaj przed osiągnięciem 5 roku zycia i zazwyczaj obejmuje oboje oczu. Jeśli zdiagnozowany jest dość wcześnie to guz dobrze reaguje na promieniowanie albo inne leczenie, które mają za zadanie zachować widzenie. Jeśli jest zdiagnozowany później, chirurgiczne usunięcie oka jest konieczne, żeby zapobiegać dalszemu szerzeniu się. W sporadycznym glejaku guz pojawia się później i jest zazwyczaj jeden na jednym oku.
W wczesnych latach 70 Knudson zauważył że wiek w którym zdiagnozowano glejaka siatkówki w obu oczach odpowiadał przewidywaniom, jeśli każdy guz powstał jako rezultat pojedynczego czynnika, który oddziaływał na komórkę siatkówki. Ale do glejaka unilateralnego w którym jedno oko jest zainfekowane , dwa czynniki oddziałują na pojedyncze kom. siatkówki, były konieczne do rozwoju guza. Jako rezultat guzy były podobne w obu gr osób.. Knudson opisał wnioski tych wydarzeń jako odpowiadające za mutacje genetyczne i że jedna mutacja jest obecna w linii zarodkowej u osób z retinoblastoma obuoczną. Następne badania zasugerowały, że te 2 mutacje dotyczyły dwóch alleli tego samego genu. Ale było to kolejne 20 lat zanim technologia została opracowana. Która pozwalała na potwierdzenie tych przewidywań na poziomie molekularnym. Gen odpowiedzialny za to został zidentyfikowany, nazwany RB1 i zlokalizowany na chromosomie 13.
Osoby z dziedziczna retinoblastoma są heterozygotami mutacji która inaktywuje RB1. mogą zwiększać ryzyko ( ponad 90%) rozwoju retinoblastomy ponieważ tylko 1 allel pozostaje do zmutowania w każdej kom. siatkówki i szansa tej mutacji w przypadku 1 komórki jest bardzo wysoka. Dla odmiany dla reszty populacji (homozygot) ta szansa jest mała ponieważ dwie mutacje muszą zajść w tej samej komórce. Chociaż obydwa allele RB1 muszą być inaktywowane żeby komórka zamieniła się w guz to pojedyncze przypadki heterozygot, które odziedziczyły tylko jeden zmutowany gen są najbardziej narażone. Inna drogą wyjaśnienia tego jest to, że podatność dla retinoblastomy jest dziedziczona jako czynnik dominujący. Jest to przypadek ogólnego fenomenu, że ta sama mutacja może mieć zarówno recesywne i dominujące działanie w zależności od fenotypu w którym występuje. W komórkach gdzie fenotyp jest wzrost komórek nowotworowych mutacja jest recesywna. U osób gdzie fenotyp jest wrażliwy na siatkówczaka mutacja jest dominująca i jest to ważne klinicznie.
Utrata heterozygotyczności
Utrata pozostałych normalnych alleli z heterozygotycznych komórek może ujawniać się w przypadkach dziedziczonych genetycznie Retinoblastomy przez jeden z wielu mechanizmów. Podczas gdy mutacje zwierające materiał genetyczny są zazwyczaj mutacjami punktowymi lub małymi delecjami, czynniki somatyczne, które prowadzą do produkcji komórek z niepozostającymi allelami typu dzikiego często obejmują cale chromosomy albo duże fragmenty . te rozległy zmiany genomu SA niekompatybilne z normalnym rozwojem embrionalnym, co tłumaczy ich nieobecność w mutacji linii komórek rozrodczych, podczas gdy mają mniejsze wymagania dla niekontrolowanego wzrostu, ponieważ Komorka rakowa stawia mniej wymagań w stosunku do tego typu czynników somatycznych, które są powszechnie obserwowane.
Funkcja produktu genu RB1
Gen RB1 koduje białko o relatywnej masie cząsteczkowej ok 105 tys, które to białko reguluje przejście komórki przez różne fazy cyklu komórkowego. To białko retinoblastoma(RB1) przechodzi zmiany w fosforylacji pośrednio przez cykliczno zależne kinazy, których aktywność zależy od fazy cyklu komórkowego. Niefosforyzowane białko wiąże się i inhibuje funkcje innych białek, które są wymagane do przejścia przez fazę G1 cyklu komórkowego i wejście w fazę S. podczas przechodzenia prze G1 , różne reszty RB1 są fosforyzowane w różnych punktach czasowych i to powoduje uwolnienie białka wiążącego w postępujący sposób, umożliwiając cyklowi komórkowemu kontynuację. Ten proces jest regulowany w odpowiedzi na zewnątrzkomórkowe inhibitory i promotory wzrostu, które przekazują sygnały do komórki , poprzez wiązanie się z receptorami na powierzchni komórki.
Figure1 – podpis
Mechanizm utraty heterozygotyczności. Komórka zwiera 2 kopie chromosomu 13, 1 z normalnym albo dzikimi typami alleli RB1(+) i 1 z mutantem allela RB1(m)(pokazane na samej górze) niezależne mutacje allela typu dzikiego (i) SA możliwe, ale występują relatywnie rzadko. Zmieniony podział komórki , w którym segregacja chromosomów w komórkach siostrzanych , nie ujawnia się może prowadzić do utraty całego chromosomu. Pociągając za sobą allele dzikiego typu(ii) i może być to połączone z duplikacją jego homologu pociągając za sobą zmutowane allele(iii.iv)
Alternatywnie , po replikacji DNA wymiana materiału pomiędzy ramionami chromatyd mogą ujawniać się przez mitotyczną rekombinację(vi). Jak 2 kopie zmutowanych alleli są teraz na różnych kopiach chromosomu będą się segregować niezależnie w postępującym podziale komórki(vii) i niektóre siostrzane komórki będą posiadać 2 kopie zmutowanego allelu i żadnego allela typu dzikiego . te ścieżki prowadzą do 4 możliwych genotypów(1-4), wszystkie z nich SA pozbawione alleli typu dzikiego. Nie wszystkie z tych ścieżek SA ważne dla wszystkich nowotworowych genów supresorowych, w szczególności dla kilku chromosomów genotypu 2, może być on niezgodny z przeżyciem komórki , ponieważ główne produkty genów SA produkowane w niewystarczających ilościac
Mysie mutanty Rb
Mysi gen równoznaczny do RB1 jest nazywany Rb (czasami Rb1). Mysie heterozygoty
z nieaktywnymi allelami Rb nie mogą rozwijać ritonoblastomy, ale w zamian rozwijają
nowotwory w przysadce. Nowotwory te nie występują w ludzkich heterozygotach Rb,
prawdopodobnie dlatego, że struktura mysiej i ludzkiej przysadki jest różna. Przyczyny
nieobecności retinoblastomy u myszy są w trakcie badań i mogą pomóc nam zrozumieć
więcej szczegółów dotyczących rozwoju retinoblastomy. Kiedy badania na myszach
dostarczą nowych informacji doprowadzi to do badań na homozygotach.
Homozygotyczny nieludzki mutant Rb1 został opisany, ponieważ rodziny, w których oboje
rodzice są heterozygotami są bardzo rzadkie. Jednakże u myszy planowanie partnerów
heterozygotycznych może być przeprowadzone. Ci partnerzy mogą pokazać, że embriony
homozygotyczne umierają przed urodzeniem oraz maja odbiegający od normy rozwój układu
krwionośnego i nerwowego, który powstaje w wyniku nadmiernej apoptozy i nadmiernego
lub niewłaściwie zlokalizowanego podziału komórki. Nieprawidłowe tkanki są to te, gdzie
komórki normalnie różnicują się, ale za wcześnie przestają dzielić w rozwoju embrionalnym,
co wskazuje na to, że komórki te umierają za wcześnie, ponieważ proces nie działa normalnie.
To ewidentnie wskazuje na rolę Rb w procesie dojrzewania dzielących się komórek
prekursorowych do niedzielących się, zróżnicowanych się komórek. Pozostaje to w związku z
tym co wiemy o roli RB1 w regulacji cyklu komórkowego.
Generalisation of Knudson hypothesis
Haploinsufficiency zazwyczaj ilość produktu kodowanego przez jeden gen produkowanego przez jeden funkcjonalny allel jest wystarczający dla komórki, żeby mieć normalne właściwości jak komórka, która posiada dwa funkcjonalne allele. Ale tak zawsze nie jest i redukcja ilości produktu kodowanego przez ten gen w komórce z jednym funkcjonalnym allelem może odgrywać role w rozwoju nowotworu. To zjawisko jest nazwane Haploinsufficiency.
Dominant-negative mutation. Niektóre mutacje prowadzą do produkcji zmiennego białka, które jest nie tylko nieaktywne, ale także może wchodzić w interakcje z białkiem ( które jest produkowane przez normalny allel) w taki sposób, żeby inaktywować to białko. Te mutacje są opisane jako dominant-negative i mogą redukować funkcjonalne białka do bardzo małych ilości bez potrzeby mutacji w normalnym allelu kodującym to białko (którego zmniejsza się ilość).
Imprinting. Dla niektórych genów, gdzie allel dziedziczony od jednego rodzica jest aktywowany bez mutacji w niektórych lub wszystkich tkankach, w których to tkankach gen ten ulega ekspresji przez normalny rozwojowy proces nazywany imprinting. Dla niektórych genów niezbędnym jest żeby mutacje występowały tylko w kopii genu z drugiego rodzica, żeby zredukować ilość funkcjonalnych białek w komórce do zera.
Tumor Supressor Gene Pathways
W niektórych typach komórek rozwój raka wymaga rozpadu drogi regulatorowej, która wciąga więcej niże jeden gen supresorowy nowotworu np. fosforylacja RB1 jest przeprowadzana (wykonana) przez kinazy białkowe produkowane przez gen p16. Jeżeli p16 jest inaktywowana przez mutacje, RB1 jest ciągle inhibitowane przez fosforylacje w typach komórek gdzie: nie ma alternatywnego mechanizmu regulacji aktywowanej przez kinazy, w tych typach komórek ten sam rezultat może być osiągnięty przez inaktywacje także p16 i RB1 np. to występuje w nowotworze trzustki, w którym anomalie zazwyczaj wciągają mutacje albo w p16 albo w RB1 , ale nie w obydwu na raz. Indywidualne przypadki w mutacjach linii zarodkowych p16 prowadzą do melanomy, a nie do retinoblastomy, co podkreśla fakt, że różnice w mechanizmach regulatorowych, są obecne między różnymi typami komórek, ponieważ ekspres jonują różne zestawy genów.