cancer

РАК
Н. Володина
12.03.2011
Рак
• Неконтролируемый рост клеток
– Вызывает образование опухолей
• Опухоли могут быть злокачественные или
доброкачественные
• Доброкачественные опухоли могут увеличиваться в
размере, но они не внедряются и не поражают
окружающие ткани
– Но они могут быть смертоносными или очень
вредоносными, например папилломы в дыхательных путях,
опухоли в мозге
• Рак обычно означает злокачественные опухоли
– Которые могут быть инвазивными
– Инвазивность разрушает порядок ткани
• Внутренний клеточный порядок ткани
• Мембраны и барьеры, ограничивающие органы
Злокачественность
• Инвазивность является необходимым условием
для злокачественности
– Тенденция к ухудшению состояния больного и к
большей вирулентности
– Инвазивные клетки имеют свойство
распространяться
• Это метастазы
• Однако инвазивный рак не всегда может вызывать
метастазы
– Метастатичные клетки могут передвигаться в другие
участки органа
– Раковые клетки могут передвигаться по кровеносной или
ретикулоэндотелиальной системе внутри организма
• Первоначальная мутация изменяет
ген, вызывающий
неконтролируемый рост клеток
• Клетки размножается, и каждая
может мутировать еще раз
– Быстро делящиеся клетки мутируют
чаще
– Мутации в генах, кодирующих
ферменты репарации ДНК, могут
вызвать другие мутации
– Мутации также могут привести к
геномной нестабильности, например
эпигенетические нарушения
• Мутантные клетки могут
проникнуть в окружающие ткани
Инвазивность
Эффект мутаций
• Включаются позитивные сигналы роста
• Выключаются негативные сигналы,
подавляющие рост
• Подавление иммунологической атаки или
апоптоза
• Нарушается нормальный процесс
межклеточного связывания
• Продукция белков, разрушающих соседние
клетки
Клетка может изменить
следующие свойства
•
•
•
•
•
•
Антигенность
Скорость роста
Ответ на гормональные сигналы
Ответ на лекарства, убивающие клетки
Нарушения кариотипа
Способность к инвазивности и
метастазам
Мутации в половых и
соматических клетках
• Половые клетки
– Мутации в определенных генах
• Мутации не должны приводить к смерти эмбриона
– Мутации наследуются
• С вариабельной пенетрантностью
• Соматические
– Вовлечено больше генов
• Мутации, которые могут привести к смерти эмбригна,
возможны в соматических клетках
– Спорадичные
– Ненаследуемые
Факторы окружающей среды
• Рак может вызываться мутагенами
• Они же часто бывают канцерогенами
– Кроме промоторов рака
– Они стимулируют деление клеток, не
мутагенезируя
• Трудно выделить какой-то определенный
мутаген
Неопределенные факторы
• Частота заболеваний раком прямой кишки
увеличивается и раком желудка уменьшается у
японских иммигрантов в Америке
– Рак желудка
• Helicobacter pylori?
• Стресс?
– Рак прямой кишки
• Малоподвижный образ жизни в США?
• Факторы окружающей среды?
• Риск заболевания раком зависит от
комбинации генетических и внешних факторов
Канцерогены
• Обычно мутагены=канцерогены
• Зависит от специфического
генетического фона
• «2х этапная индукция рака
– Инициаторы=мутагенез
– Промоторы=митогенез
• Обычно канцерогены являются и
инициаторами, и промоторами
– Полициклические ароматические
гидрокарбоны – табак
– Алкилирующие агенты – горчичный
газ
– Индустриальные агенты – асбест
– Металы - ртуть
– Лекарства - Циклофосфан
– Пищевые добавки - нитрозамины
– Натуральные вещества –
Афлатоксин B1
• Промоторы
– Не мутагены, увеличивают скорость
деления клеток
– TPA (PMA)
Канцерогены
• Иногда вызывают рак
– HPV Вирусы папилломы
человека вызывают рак
шейки матки
– Содержат онкогены Е6, Е7
• Ретровирусы, вызывающие
лейкемию
– HTLV I
– HTLV II
• Редко вызывают лейкемию
• Редкая форма лейкемии
• Эти вирусы интегрируют
свой геном в геном человека
– Сайт интеграции т о
мутирован
– Сильные вирусные
промоторы могут изменить
транскрипцию
близлежащих генов
Вирусы
Вирусы
• Вирус гепатита В
– Хроническая форма может
вызвать карциному
• Одни из вирусов группы
герпеса
– EBV (вирус ЭпштейнаБарра) у людей,
страдающих хронической
малярией
• Лимфома Буркитта
– KSHV – Саркома Капоси,
часто у больных СПИДом
Типы рака
• Эпителиальная ткань
– Карцинома
• Очень распространенная форма
• Мутируют стволовые или базальные клетки
• Соединительная ткань
– Саркома
• Более распространены у животных, и часто
вирусного происхождения
• Другие названия
– Глиальные клетки - глиома
– Меланоциты- меланома
Лейкемия
• Клетки костного мозга и клетки крови
– Создает много клеток, циркулирующих в
кровеносной системе
– Часто в виде недифференцированных клеток
КЛАССИФИКАЦИЯ
• Острая или хроническая
• Лимфогенная или миелогенная
– Суффикс –бласт- описывает более незрелую форму клетки
• Лейкемическая или алейкемическая
– Алейкемическая – означает что нет увеличения числа
ненормальных клеток в крови
Лимфома
• Рак лимфоидной ткани
– Обычно злокачественный
– Обычно назван по типу клеток, например
лимфома В-лимфоцитов
•
Рак
это
генетическое
заболевание
Клетки делятся чтобы заменить отмершие клетки
– Большинство клеток запрограммированы умереть
• Апоптоз
• Слущивание
• Гены изменяющие деление клеток
– Унаследованные мутации могут создавать подходящие
условия
• Часто так называемые супрессоры рака мутируют
• Их нормальная функция
» Ограничивать движение клеток
» Провоцировать апоптоз
– Мутации в онкогенах
– Это позитивные сигналы роста или ингибиторные сигналы против
апоптоза
– Вирусные онкогены
Клеточный цикл
• В фазе G0 клетка
останавливает
деление
• Также есть точки
контроля в фазах G1,
S and G2
• Чтобы войти в G1,
позитивный сигнал к
делению должен быть
получен
• Негативные сигналы т
о убираются
Типы раковых генов
Название
Онкогены
Передача, эффект
Доминантная,
позитивный
эффект=приобретение
функции
Супрессоры Доминантная или
рака
рецессивная,
негативный эффект =
потеря функции
Семейства онкогенов
Позитивные сигналы
– Гормоны
• Сигналы роста в слишком большом количестве
– Platelet Derived Growth Factor beta subunit – Рак желудка
– FGF – Глиома
– Рецепторы факторов роста
• RET – Множественная эндокринная неоплазия (MEN)
• Erb B
– ERBB1 – гомолог EGFR – глиобластома– вирусный онкоген
– ERBB2 – EGFR семейство – амплифицирован в 20-30%
случаев рака груди – вызывает устойчивойст к таксолу
Продолжение
– ERBА
• Гомолог вирусного онкогена
– Рецептор тироидного гормона
» Ядерный рецептор
– Острая промиелотическая лейкемия
• Сигнальные молекулы
– RAS – GTPase во многих типах рака
• 3 формы– H-ras, K-ras, N-ras
• Специфичесие мутации нарушают его функцию GTPазы
• Гомолог вирусного онкогена
• Нерецепторная тирозин киназа
abl
• Часто изменен в AML, CML – типы лейкемии
• Транслокация создает химерный ген с геном Bcr
– Тирозин киназа активируются конститутивно
Ядерные онкогены
• N-myc
• Белок связывающийся с ДНК
– Амплифицирован в нейробластомах
• Myb
• Белок связывающийся с ДНК
– Меланома, лимфома, лейкемия
• Fos
• Транскрипционный фактор комплекса AP-1
– Человеческая остеосаркома
Ферменты репарации ДНК
• Сами по себе не являются онкогенами
• Они увеличивают мутабельность генома
• Это увеличивает возможность появления
мутированного онкогена и.т.д.
Позитивно действующие
раковые гены
• Клетки растут и дифференцируются под
контролем специальных генов
• Почему клетка размножается?
– Она получает внешний сигнал
– И отвечает на этот сигнал путем запуска
клеточного деления
• Сигнал – фактор роста
– Например, эпидермальный фактор роста
EGF
• Клетка должна иметь специфический
рецептор к EGF
Пример
Гормон присоединяется
к трансмембранному
рецептору/тирозин
киназе
Рецептор димеризуется и
функция киназы
активируется самофосфорилирование
– Фосфотирозиновые
остатки могут
присоединять адапторные
молекулы, начало
Пример II
• Адапторные молекулы –
передача сигналов
– RTK фосфорилирует
также
цитоплазматические
белки и изменяет их
функции
Пример III
• Ras
Пример IV
• Передача сигнала
в ядро
Пример V
• Фосфорилированный транскрипционный
фактор с сопутствующими белками
связывается с соответствующими промоторами
в ДНК, вызывает экспрессию генов путем
рекрутирования РНК полимеразы
Общая картина
• Гормон соединяется
с рецептором
• Рецептор передает
сигнал в ядро
• Активируется
транскрипционный
фактор
• Начинается
транскрипция
•
•
•
•
•
Ядерные, цитоплазматические и внеклеточные
Ядерные – обычно транскрипционные факторы
Цитоплазматические – члены сигнальных каскадов
Иногда гормоны
Более 100 известных онкогенов
Онкогены
• Онкогены или протоонкогены были
открыты в вирусах
• Ретровирусы
• Саркома крысы
• 3 формы
– H-ras, K-ras and N-ras
– Экспрессируется в разных типах
клеток
• В начале сигнального пути
• G-белок, относящийся к
GTPазам
• Разные типы мутаций
приводят к его активации
– Например неспособность
гидролизовать GTP
– Неспособность связывать rasGAP
– GAP = GTPase Activating Protein
– Приводит к постоянному
связыванию с GTP
• Что приводит к постоянному
посыланию сигнала к
ras
• Сигнальный путь
Различные
активирующие
мутации в Ras
В каких типах рака?
• Примерно 25% всех раковых трансформаций у
человека
– Мутантный K-ras
•
•
•
•
90% заболеваний раком поджелудочной железы
35% онкологических заболеваний головы и шеи
30% заболеваний раком легких
50% заболеваний раком прямой кишки
– Мутантный H-ras
• Рак мочевого пузыря, легких, почек, груди
– Мутантный N-ras
• Рак легких, лейкемия, лимфома
Модель прогрессирования рака
• Как минимум 2 гена должны мутировать, чтобы
развился рак
• Используя наследственную форму, adenomatous
polyposis coli, Bert Vogelstein разработал модель “multihit” развития наследственной формы рака прямой
кишки
• Соответсвует изменениям в эпителии прямой кишки от
нормального состояния до метастатического рака
Эпителий – тип ткани. Примеры?
APC
• Развиваются вначале
адематозные полипы в
кишечнике
– Предшественники более
серьезных опухолей
– Приводят к развитию
метастазной аденокарциномы
• Доминантное наследование
• Продукт гена APC учавствует
в межклеточной адгезии
Модель множественных ударов
• Разработана на основе после-операторного исследования
пациентов
• Клетки с более выраженной гиперплазией имели больше
мутированных онкогенов
– Специфические мутации в специфических генах
– Подобная прогрессия заболевания наблюдалась в случае
астроцистомы – тип рака мозга
• Потеря гена APC снимает блокировку клеточного
деления
– APC взаимодействует с геном wnt
– Тип супрессора рака – негативный сигнал
– Мутация приводит к развитию неинвазивной
аденокарциномы
• Также наблюдаются эпигенетические изменения –
гипометилирование ДНК – приводит к экспрессии
ранее не экспрессировавшихся генов дедифференциация
• Мутирует онкоген Ras – позитивный сигнал – аденома
Рак
прямой кишки
Модель множественных ударов
II
• Делеция гена супрессора рака DCC – Аденома на поздней стадии
• Мутация гена P53 нарушает апоптоз
– Аденокарцинома
• Дальнейшие изменения приводят к метастазам
Модель примененная к раку
прямой кишки и астроцитоме
Наследственная
предрасположенность к раку
– Повышенный риск развития
рака означает в этой
родословной что каждый
человек – носитель мутации с
различной пенетрантностью.
Что это?
– Мутация:
• Тип наследования
• Какие гены
• Почему развивается рак?
Негативные контроли передачи
сигналов
• Болезнь Коудена – мутация в гене PTEN
– Многочисленные опухоли и дефекты развития
• Цитоплазматический сигналинг
– Различные сигналы активируют фосфолипазу С
(например -EGFR)
– Она разбивает phosphatidyl inositol на diacylglycerol
(DAG) и inositol triphosphate - IP3
– IP3 активирует AKT (серин-треониновая киназа)
• Сигнал к делению
• PTEN превращает IP3 в IP2 – негативный контроль активации
AKT
• Мутация в PTEN убирает негативный контроль к развитию
рака
Свойства
• Доминантное наследование с вариабельной пенетрантностью и
экспрессивностью (пример экспрессивности?)
• Наследуется только предрасположение к раку
– Особенно опасно когда обе аллели - мутантные
– Обычно ядерный ген
Примеры
–
–
–
–
–
–
–
APC – Adenomatous polyposis of the colon
BRCA 1 and BRCA 2 – Breast cancer
PTEN – Cowden disease
NF-1 - Neurofibromatosis
Rb – Retinoblastoma
P53 – Li-Fraumeni Syndrome
P16 – Familial melanoma
Гены
супрессоры рака
Ретинобластома
• Редко бывает злокачественной
• Может быть в одном или обеих глазах
• Может быть в нескольких местах
• Это не метастазы, а независимые клоны
трансформированных клеток
• Билатеральная ретинобластома – соответствует модели
как минимум 2 мутаций
Модель Кнудсена
• Модель наследственного
рака
• Мутантный Rb-1 ген
супрессор рака наследуется в семьях
• Одиночная мутация Rb1
предрасполагает к
развитию
ретинобластомы
– Приводит к
гетерозиготности во всех
клетках
• 2я мутация Rb
необходима для потери
контроля клеточного
цикла
Потеря гетерозиготности
Продолжение
• Лечение – радио и химиотерапия, в худшем случае
удаление глаз(а)
• Позднее рак разовьется в
других тканях
– В основном- остеосаркома
Модель ретинобластомы
• 2 мутации приводят к
ретинобластоме, 1я
мутация наследственная
• Доминантное
наследование с
уменьшенной
пенетрантностью
• Типы изменений
– Мутации – точковые,
делеции
– Потеря гетерозиготности
в результате например
эпигенетических
изменений
– Соматическая
рекомбинация
Механизмы 2го удара
• LOH - loss of heterozygosity
– В течении развития
• Механизмы
– Потеря и редупликация
– Гомозиготность в раке
– Соматическая рекомбинация
– Делеция
– Простая точковая мутация
Механизмы Rb
• E2F нужен для транскрипции и продолжения клеточного цикла
• Rb связывается с E2F транск. комплексом
– Инактивирует его
– Клетка заблокирована в фазе G1
• Фосфорилирование Rb высвобождает его от E2F
• Клетка проходит в фазу S
• Как Rb контролируется?
Нормальный контроль Rb
• Фосфорилирование Rb
киназой CDK - Cyclin
Dependent Kinase
– CDK
• Контролируется циклином D
• Комплекс циклин D/CDK4
complex является активной
киназой
– Регуляция CDK
• Cyclin D экспрессируется в
зависимости от клеточного
цикла
• Различные типы CDK
• P16 и P21связывается и
инактивирует CDK
Дальнейшие контроли
• P53 контролирует уровень p21
– Многофункциональный белок
• Tранскрипционный фактор
– Связывается с промотором p21 и активирует транскрипцию p21
– Высокий уровень p21 инактивирует CKD/cyclin комплекс
– Rb затем присоединяется к E2F
• Т.о. p53 увеличивает активность Rb увеличивая уровень p21
– Rb имеет негативный эффект на клеточное деление
– P21 выключает инактивирующий комплекс CDK/cyclin
– Регуляция негативного фактора pRB
• Апоптоз
2я функция p53
– p53 чувствует повреждения
ДНК
– И пытается остановить синтез
ДНК пока ДНК не
репарирована
– Если это невозможно, то
запускается каспазный путь
• Каспазы это протеазы,
активирующие другие каспазы
» Разрезают белки,
высвобождая нуклеазы
» Нуклеазы разрушают геном
– Протеазы также разрушают
цитоплазматичесие белки
Вообщем
Эти сигналы работают
координировано и
определяют начало
клеточного деления,
неделящегося
состояния или
апоптоза –
программированной
смерти клетки
P53 как супрессор рака
• Вероятно самый важный из
всех раковых генов
• Синдром Ли Фраумени
– Наследственная
предрасположенность к раку с
вероятностью 90% до возраста 60
лет
– Мутация в p53
• P53 – димер (частое явление для
транскрипционных факторов)
• Мутантный продукт одной
аллели связывает и инактивирует
нормальный продукт другой
аллели – доминантно-негативное
наследование
История р53
• Трансфекция гена p53 gene
вызывает трансформацию NIH
3T3 клеток, они становятся
бессмертными
– Думали, что это онкоген
– На самом деле, это был доминантно
негативный мутант
• Взятый из ДНК раковой клетки
• Связывается со многими
онкопротеинами вирусного
происхождения
– Например HPV E6 (E7 - Rb)
• Часто мутирован в соматических
типах рака
– Например, раке легких у
курильщиков
P53 заключения
• Транскрипционный фактор, отвечающий за
повреждение ДНК
• Дает выбор
– Дать возможность репарации ДНК в фазе G1
• Увеличивает транскрипцию р21
Или запускает апоптоз
• В клетках, где отсутствует функциональный Rb
• Не может остановить клеточный цикл и поэтому он
убивает клетку
• Один из наиболее часто мутированных генов в
раке
• Может быть в соматических или в половых
клетках – синдром Li Fraumeni
• Мутация передается как доминантная
предрасположенность к раку
• Рак груди
• BRCA1, BRCA2
– 2 гена предрасположенности к
раку груди
– Большинство случаев рака
– Аутосомно-доминантное
наследование
– Редко мутирован в
ненаследственных случаях
– Оба – транскрипционные
факторы, вовлечены в
репарацию ДНК
– Скрининг возможен
BRCA
Наследственный
неполипозный рак прямой
кишки
• HNPCC передается аутосомно-доминантно
– Мутации в 5 генах, ответственных за репарацию ДНК
• 5 типов заболевания (HNPCC1 to HNPCC5)
• 2 наиболее часто встречающихся гена - MLH1 иMSH2
– Потеря одной функциональной аллели
• Потеря 2й аллели увеличивает мутагенез, что приводит к раку
– Основная черта - нестабильность повторяющихся последовательностей
– Онкогены, содержащие повторяющиеся последовательности, - наиболее
подвержены мутагенезу
• Уменьшает экспрессию CDK4 убирая cyclin D с
CDK4/cyclin комплекса
• P16 функционирует подобно p21
– Снимает негативную регуляцию CDK/cyclin, что приводит к
делению клетки
– CDK тоже может быть мутирована
P16 и меланома
RET
• Receptor Tyrosine Kinase может иметь как
положительные, так и отрицательные мутации
– Активирующие мутации приводят к multiple
endocrine neoplasia
• MEN2A, MEN2B
– Например, тироидный и паратироидный рак
• Негативные мутации приводят к нарушению
иннервации кишечника и непроходимости
кишечника – заболевание Хиршспранга Hisrchsprung disease
Аутоиммунное
лимфопролиферативное
заболевание
• Нарушения апоптоза из-за доминантной
негативной мутации гена fas или его
лиганда – принимает сигнал к апоптозу,
вместе они образует Death Inducing
Complex
• Пролиферация незрелых Т-лимфоцитов
– Аутоиммунные заболевания
– Уменьшение количества тромбоцитов
– Гемолитическая анемия
Что нужно знать?
• Механизмы контроля клеточного цикла
• Запуск клеточного цикла
–
–
–
–
–
–
Внешний сигнал
Рецептор тирозин киназа
Передача сигнала к Ras
Ras - к Мap киназе
Map киназа – к транскрипционным факторам
Транскрипционные факторы изменяют экспрессию
генов
• Снимают блок клеточного цикла
• Производят белки для деления клетки
Различие между онкогенами и
генами супрессорами рака
• Обычно онкогены вовлечены в передачу
сигнала от факторов роста до
транскрипционных факторов. Примеры?
• А супрессоры рака обычно действуют в
ядре – взаимодействуют с ДНК.
Примеры?
Исключения - APC, NF-1, PTEN, Fas/Fas
лиганд
Модели онкогенеза
• Соматического происхождения
– « Multi Hit model » Модель Вогельштейна
• Наследственного происхождения
– Модель Кнудсена -two hit modelобъясняющая происхождение
ретинобластомы
Рак и эпигенетика
-Нарушения метилирования ДНК
-Нарушения ацетилирования
гистонов
Характерная черта многих типов раковых клеток
– это нарушение нормального метилирования
ДНК и ацетилирования гистонов, вызывающих в
случае например избыточного деацетилирования
- подавление генов, предотвращающих развитие
ракового фенотипа.