Wieloczynnikowe uwarunkowania
chorób nowotworowych

Nowotwór to:

• niekontrolowany rozplem (namnażanie, proliferacja) populacji komórek przekraczający potrzeby organizmu

lub

• zaburzenia równowagi między tempem podziałów komórkowych, a szybkością utraty komórek

albo

• zaburzenia procesów kontroli wzrostu, różnicowania, dojrzewania, lokalizacji i śmierci komórek organizmu

- cechy transformacji nowotworowej

„Rak zaczyna powstawać wówczas, gdy komórka wyłamuje się spod kontroli mechanizmów decydujących o jej podziałach i lokalizacji.” Robert A. Weinberg

Cykl komórkowy

- fosforylacja białek fazy S → synteza DNA

- kinazy zależne od cyklu komórkowego (CDK)

cykliny (białka regulatorowe)

- aktywacja (fosforylacja) kompleksu cyklina/CDK

przez kinazę CAK (cdk activating kinase; CDK7)

lub przez kinazy białkowe typu wee-1/mik-1

- poprzedzająca ten proces aktywacja CAK przez cyklinę H

- enzymy INK uniemożliwiające fosforylację kompleksu cyklina/CDK

lub prowadzące do dysocjacji kompleksu

TP53 (17p13.1) - „strażnik genomu”

Wzrost poziomu w miarę starzenia się komórki - zatrzymanie cyklu komórkowego

Zniesienie tego efektu przez onkogenne białka wirusowe:

1. antygen T wirusa SV40

2. białko E1A adenowirusa

3. białka E6, E7 brodawczaka ludzkiego

Biologicznie czynny w postaci ufosforylowanego homotetrameru;

Zachowuje się jak czynnik transkrypcyjny

W formie zmutowanej lub z ww. v-onc nieaktywne heterotetramery

Regulatorem genu TP53 jest gen MDM2

(lokalizacja - 12q13-q14; mouse double minute 2 homolog; czynnik transkrypcyjny)

MPF - M-phase Promoting Factor

Cyklina B składnikiem kluczowym

• Wysoki poziom MPF prowadzi do:

kondensacji chromosomów (rola histonu H1)

uszkodzenia otoczki jądrowej

tworzenia (montowania) wrzeciona

• Niski poziom MPF prowadzi do:

segregacji chromosomów

dekondensacji chromosomów

odtwarzania otoczki jądrowej

replikacji DNA

podwojenia centromeru

Geny mutatorowe

odpowiedzialne za naprawę zmian w całym genomie

poreplikacyjny system naprawy

błędnie sparowanych zasad (MMR; mismatch repair)

MSH2 (OMIM 609309)

MLH1 (OMIM 120436)

PMS1 (OMIM 600258)

PMS2 (OMIM 600259 )

Apoptoza;

• w przebiegu prawidłowego rozwoju

• w prawidłowym obrocie komórki

• w atrofii indukowanej cytokinami np. przez czynnik martwicy nowotworów (TNF - tumor necrosis factor)

• w wirusowej indukcji procesu np. w AIDS

• w niektórych chorobach neurodegeneracyjnych

jony wapniowe indukują apoptozę (endonukleazy, tkankowa transglutaminaza)

jony cynku są inhibitorem apoptozy

• kondensacja chromatyny

• rozpad jądra

• tworzenie pęcherzykowatych uwypukleń błony jądrowej

• fragmentacja komórki na drobne ciałaka apoptotyczne

utrata kwasów sjalowych - końcowych cukrów
w glikoproteinach i w glikolipidach błony komórki apoptotycznej - komórki stają się „smaczniejsze” dla makrofagów

receptory witronektynowe na powierzchni komórki przyciągają makrofagi

Genom:

30000 genów , 20000 (?) genów

aktywnych w danym typie komórek

większość to geny metabolizmu podstawowego = houssekeeping genes

replikacja i reparacja DNA; budowa organelli komórkowych

oraz innych struktur komórkowych i tkankowych

> 1000 genów , uczestnictwo w torach mutacyjnych

kontrola wzrostu, różnicowania, śmierci komórki; replikacja i reparacja DNA; transmisja sygnałów; aktywacja innych genów

Genotyp a nowotwór:

Protoonkogeny (c-onkogeny)

• prawidłowe elementy genomu człowieka biorące udział w przebiegających fizjologicznie procesach rozwojowych; przykłady:

• c-src - cytoplazmatyczna kinaza białkowa (fosforylacja aminokwasów w obrębie określonych białek docelowych)

• c-erbB - receptor naskórkowego czynnika wzrostu; aktywność tyrozynowej kinazy białkowej)

• Int-2 - związek z genem czynnika wzrostu fibroblastów

• c-jun - czynnik transkrypcyjny regulujący ekspresję genów

• c-ras - produkt wiąże GTP; istotne dla kaskady sygnałów z powierzchniowych receptorów komórki do jądra

Onkogeny

• do ujawnienia potencjału onkogennego protoonkogenu niezbędna jest jego aktywacja

• uszkodzenie onkogenu, jego niewłaściwa lub nadmierna ekspresja może prowadzić do transformacji nowotworowej

• wybrane mechanizmy:

• mutacja punktowa (przykład: mutacje c-ras)

• aktywacja poprzez łączenia strukturalne (przykład: c-abl; bcr)

• amplifikacja genu; także insercje

• małe unikatowe chromosomy (double minutes) lub regiony o wielu kopiach onkogenu w zatartej strukturze chromosomu (HSR)

• poddanie protoonkogenu kontroli bardziej aktywnego promotora (np. retrowirusowego)

• poddanie protoonkogenu kontroli sekwencji wzmacniającej (np. translokacja c-myc z chromosomu 8 na 14 w pobliżu locus immmunoglobulin w chłoniaku Burkitta)

Wybrane onkogeny i ich funkcja
Nazwa onkogenu	Funkcja produktu onkogenu
src, yes, fgr, abl, fps, kit, sea, ros raf, mos	Kinaza białkowa tyrozyny seryny/treoniny
sis int	Czynniki wzrostu PDGF FGF
erb-B fms erb-A mas	Receptory czynników wzrostu EGF M-CSF hormonu tarczycy angiotenzyny
Ha-ras, Ki-ras, N-ras	Białka wiążące GTP
myb, myc, fos, jun, ets, rel, ski	Czynniki transkrypcyjne
bcl-2	Inne, np. białko błony mitochondrialnej i jądrowej

Geny supresorowe transformacji nowotworowej (antyonkogeny) - patrz prezentacja profesora

Zespół Li-Fraumeni (LFS - Li-Fraumeni syndrome)

• (zespół wielonowotworowy)

• mutacja w genie TP53,

• dziedziczenie autosomalne dominujące;

• zwiększona podatność (zachorowanie przed 40 rokiem życia)

na choroby nowotworowe, a zwłaszcza:

• powoduje :

- mięsaki tkanek miękkich

- osteosarcoma

- rak sutka

- białaczka ostra

- rak mózgu

- rak kory nadnerczy

Przyjmując pogląd o monoklonalnym pochodzeniu nowotworów należy uznać, że aby pojedyncza komórka mogła ulec pełnej transformacji musi mieć utrwalone mutacje w co najmniej kilku, a nawet kilkunastu genach.

Guz nowotworowy stanowi jednak często strukturę złożoną (heterogenną) z komórek różnego pochodzenia, prawidłowych i stransformowanych (pleoclonal origin):

• zdolnych lub niezdolnych do podziału;

• proliferujących (clonogenic and stem cells);

wznowy po leczeniu, hodowla „in vitro”, retransplantacja

• hybryd komórek

Zespół MEN (multiple endocrine neoplasia)

MEN1 - zespół Wermera; OMIM 131100

Przyczyna: defekt genu "menin-gen" zlokalizowanego na chromosomie 11q13.

W skład zespołu wchodzą: guz dominujący: insulinoma (nowotwór trzustki), gastrinoma, i inne; pierwotna nadczynność przytarczyc; guz przedniego płata przysadki

MEN2A - zespół Sipple'a; OMIM 171400

Przyczyna: mutacja protoonkogenu RET na chromosomie 10q11.2. Rearanżacje RET/PTC1-3

W skład zespołu wchodzą: guz dominujący: rak rdzeniasty tarczycy; guz chromochłonny nadnerczy; pierwotna nadczynność przytarczyc

MEN2B - OMIM 162300

Przyczyna: mutacja protoonkogenu RET na chromosomie 10q11.2. Rearanżacje RET/PTC1-3

W skład zespołu wchodzą: guz dominujący: rak rdzeniasty tarczycy; guz chromochłonny nadnerczy; pierwotna nadczynność przytarczyc; nerwiakowłókniakowatość; marfanoidalna budowa ciała

non-MEN

Tylko rak rdzeniasty tarczycy !!!!!!!!

Etapy karcinogenezy :

PRE - INICJACJA:

• ekspozycja na karcinogeny chemiczne, fizyczne i biologiczne

• predyspozycje genetyczne w metabolizowaniu i usuwaniu czynników rakotwórczych = czas ekspozycji komórki na działanie czynników uszkadzających lub ich metabolitów

• predyspozycje genetyczne związane z reparacją DNA (polimorfizm genów kodujących enzymy systemu reparacyjnego)

Pre-inicjacja i inicjacja (promocja)

Czynniki inicjujące: (karcinogeny i prokarcinogeny)	Czynniki wspierające: (promotory i kokarcinogeny)
Są samodzielnie rakotwórcze	Samodzielnie nie są rakotwórcze
Są mutagenami	Nie wykazują działania mutagennego
Wiążą się kowalencyjnie z DNA	Nie wiążą się z DNA
Wystarczy pojedyncza ekspozycja	Konieczna długotrwała, powtarzana ekspozycja
Nie ma dawki progowej	Istnieją dawki progowe
Ekspozycja na karcinogen musi poprzedzać działanie promotora	Ekspozycja musi być po zadziałaniu karcinogenu
Działanie zależne od dawki i kumulatywne	Działanie odwracalne i niekumulatywne

INICJACJA:

• nagromadzenie mutacji prowadzących do transformacji

• stała ekspozycja na karcinogeny i błędy naprawy DNA

• błędy w procesie replikacji DNA (np. gen MST1 w dziedzicznym raku jelita grubego - brak identyfikacji źle sparowanych zasad)

• tory mutacyjne; różne znaczenie poszczególnych mutacji; uszkodzenia genu TP53 w ponad 50% wszystkich typów komórek nowotworowych (odziedziczenie mutacji genu TP53 to ryzyko zespołu Li-Fraumeni przed 40 rż)

• skrócenie czasu transformacji, gdy jedna z mutacji toru jest odziedziczona (np. gen RB i ryzyko siatkówczaka)

• nieefektywna apoptoza lub procesy immunologiczne

WYBRANE ZMIANY TOWARZYSZĄCE TRANSFORMACJI NOWOTWOROWEJ

• Zmiany w błonach komórkowych

• Zwiększenie transportu metabolitów

• Zwiększenie tworzenia pęcherzyków błonowych

• Wzrost ruchliwości białek błonowych

• Zmiany adhezyjne

• Zmniejszenie adhezji powierzchniowej

• Nieprawidłowa organizacja filamentów aktynowych

• Zanik zewnętrznych struktur fibronektynowych

• Nadprodukcja aktywatora plazminogenu

• Zmiany we wzroście i podziałach komórek

• Zmniejszenie zapotrzebowania na czynniki wzrostowe

• Nabycie zdolności do nieograniczonej proliferacji (nieśmiertelność)

• Nabycie zdolności do wzrostu w zawiesinie

PROGRESJA:

• selekcja klonalna; nabycie zdolności do przerzutowania

• angiogeneza,; substancje odżywcze; przewaga namnażania nad śmiercią komórek

• pogłębiająca się niestabilność genomu; wzrost liczby mutacji; specyficzne dla typu nowotworu i niespecyficzne aberracje chromosomowe

• penetracja naczyń krwionośnych i/lub limfatycznych

• w klonach zyskujących przewagę aktywacja genów ułatwiających szybki wzrost i tworzenie nacieków inwazyjnych

• poza zaburzeniami proliferacji także zaburzenia adhezji
  z aktywacją enzymów proteolitycznych (np. kolagenazy IV)

Etapy karcinogenezy:

np.Tor mutacyjny prowadzący do raka jelita grubego

nabłonek

→ a

hiperplazja nabłonka

→ b

wczesny gruczolak

→ c

pośredni gruczolak

→ d

późny gruczolak

→ e

rak

→ f

przerzuty raka

a - 5q , utrata APC

b - hipometylacja DNA

c - 12p , aktywacja Ki-RAS

d - 18q , utrata DCC

e - 17p , utrata TP53

f - inne zmiany

PRZERZUTOWANIE:

• Enzymy:

◊ aktywatory plazminogenu; plazmina; rozpuszczanie fibryny i fibrynogenu

◊ metaloproteinazy, katepsyny, glikozydazy trawiące proteoglikany, różne typy kolagenu (zwłaszcza kolagenaza IV), elastynę, fibronektynę

◊ zaburzenia krzepnięcia z aktywacją płytek; mediatory; penetracja komórek do naczyń; przerzuty

• Adhezyny:

◊ integryny, nadrodzina Ig, kaderyny-E, slektyny; zaburzenia przylegania do macierzy komórkowej (ECM-extracellular matrix) i oddziaływań międzykomórkowych

• Zaangażowane geny:

◊ rodzina genów NM23; niższe poziomy białek NM23 - większa inwazyjność; kodowanie kinazy NDP - fosforylacja GDP do GTP

◊ gen dla kadheryny-E (uwomoruliny) - białko łączące fragmenty aktynowe cytoszkieletu

◊ geny dla receptorów laminin, integryn i cząsteczki CD44 w zakresie prawidłowego funkcjonowania ECM; CD44 - transmembranowy glikoproteid na powierzchni limfocytów, fibroblastów, komórek nabłonka - oddziaływania komórka/komórka i komórka/ECM - duża zmienność CD44 poprzez potranslacyjną modyfikację lub alternatywne składanie genu

( uzupełnienie → patrz prezentacja pana profesora L.Jakubowskiego )

Patofizjologia - Wykład 1

1

Choroby nowotworowe

---