Maligní přeměna buňkyMaligní přeměna buňky

Tyto procesy jsou u vyšších organismů regulovány mnohastupňovými mechanismy, které zahrnují intra-celulární a extracelulární kontrolní dráhy.

Proces onkogeneze na buněčné úrovni je úzce spjat s kontrolou buněčné proliferace, diferenciace a progra-mované smrti buněk.

Většina, pokud ne všechny, nádorové buňky obsahují mnohočetné genetické změny, které pravděpodobně podporují proces tumorigeneze právě poškozováním důležitých kontrolních drah.

U nádorových onemocnění se takřka pravidelně setkáváme se dvěma

základními typy genetických poškození

U nádorových onemocnění se takřka pravidelně setkáváme se dvěma

základními typy genetických poškození

Prvním typem poškození jsou poruchy jejímž cílem jsou protoonkogeny.

Tato poškození jsou zodpovědné za vyvolání stimulačních účinků na růst buněk

Druhým typem poškození jsou poruchy, se kterými se setkáváme u antionkogenů.

Poruchy ovlivňující antionkogeny jsou zodpovědné za ztrátu jejich inhibiční funkce.

ONKOGENY – definiceONKOGENY – definice

Genetická informace inkorporovaná v genomu hostitelské buňky

(protoonkogen = potenciální onkogen), která po své aktivaci

(onkogen) je schopna vyvolat její neoplastickou transformaci.

Protoonkogen může být aktivován bodovou mutací, amplifikací,

translokací (delece, přestavba chromosomu), transdukcí, inzerční

mutagenezí.

Aktivace onkogenůAktivace onkogenů1. Změny ve struktuře genu mající za následek syntézu abnormálního

genového produktu (onkoproteinu), který má změněnou funkci.

2. Změny ovlivňující regulaci genové exprese, které vedou ke zvýšené nebo nepřiměřené produkci strukturně nezměněné formy normálního proteinu podporujícího růst.

a) Inserce retrovirů do buněčného genomu ovlivňuje kontrolu buněčných genů silnými retrovirovými promotory což má za následek konstitutivní produkci normálního proteinu.

b) Klasickým případem mutační aktivace protoonkogenů jsou bodové mutace ve specifických kodonech genu ras, se

kterými se setkáváme u mnoha typů nádorových onemocnění.

3. Genové amplifikace protoonkogenů jsou zodpovědné za zvýšení produkci DNA matrice pro tvorbu RNA což má za následek nesprávnou expresi kódovaných proteinů.

4. Chromosomální translokace protoonkogenů mohou mít za následek abnormální transkripční regulaci postižených genů nebo vznik zkrácených nebo fúzovaných genů s abnormální funkcí.

ONKOGENY – aktivace bodovou mutacíONKOGENY – aktivace bodovou mutací

Bodová mutace – prostá záměna nukleotidu v sekvenci NA

vedoucí ke změně v pořadí aminokyselin produktu. Nejlépe

demonstrováno na genech rodiny ras, kde bodová mutace má

vliv na vazbu proteinových produktů genů ras k proteinu GAP

(GTPase activating protein).

ONKOGENY – aktivace amplifikacíONKOGENY – aktivace amplifikací

Amplifikace – zmnožení genu (někdy zaměňováno se zvýšenou

expresí genu – overexpresí). Důsledky jsou podobné. Příčiny

nejasné. Protože amplifikace bývá spojena se zřetelnými

chromosomálními abnormitami a strukturálními alteracemi

genů, nevylučuje se, že příčinami mohou být mnohočetné

mutace a genová přeskupení (rearrangement). Amplifikace byla

prokázána v četných nádorech. Příkladem je amplifikace N-myc

v neuroblastomu nebo L-myc v malobuněčném karcinomu plic.

ONKOGENY – aktivace translokacíONKOGENY – aktivace translokací

Translokace – přesuny, mohou mít vli buď na expresi nebo

funkci protoonkogenů. Např. při translokaci během níž dojde

k připojení c-myc či c-bcl-2 ke genům pro syntézu Ig

(Burkittův lymfom, folikulární ML) nebo c-abl k oblasti bcr

(break-point cluster region) (CML).

ONKOGENY – aktivace transdukcíONKOGENY – aktivace transdukcí

Transdukce – implantace buněčného protoonkogenu do

virového genomu. Tato inkorporace způsobuje zpravidla

vysokou expresi transdukovaného genu (overexpresi) a z toho

vyplývající nepříznivý vliv na buněčnou homeostázu. Jako

transduktory se uplatňují zejména tzv. akutně transformující

retroviry jako např. virus Rausova sarkomu.

ONKOGENY – aktivace izerční mutagenezí

ONKOGENY – aktivace izerční mutagenezí

Inzerční mutageneze – vložení (inzerce) retrovirových

promotorů a zesilovačů (enhancerů) do genomu hostitelské

buňky, zpravidla do blízkosti protoonkogenu (např. c-myc

nebo c-erbB). Obvykle to vede ke vzniku nesmrtelné buněčné

linie, ale nestačí to k zahájení kompletní maligní

transformace.

ONKOGENY – rozděleníONKOGENY – rozdělení

Onkogeny kódující faktory regulující transkripci myc, jun, fos .... Onkogeny kódující protein-kinázy src, abl, erb .... Onkogeny kódující růstové faktory int, sis .... Onkogeny kódující signální transduktory ras .... Onkogeny inaktivující supresorové geny E6, E7, mdm-2 .... Onkogeny blokující apoptózu bcl-2, bcl-X ... Defektní supresorové a antimetastatické geny p53, Rb, WT1, DCC, NF1, APC .... nm-23 ....

Onkogeny - IOnkogeny - I

Původní poznatky o podstatě molekulární kontroly tvorby nádorů a objevení onkogenů jsou spojeny se studiemi zabývajícími se RNA nádorovými retroviry.

Virové onkogeny jsou segmenty virového genomu, které vyvolávají neoplastickou buněčnou transformaci in vitro a podporují patogenézu virem indukovaných nádorů in vivo.

Shodné homologní sekvence byly nalezeny v genomu většiny eukaryotických buněk.

Tyto sekvence jsou evolučně zachovány mezi různými druhy organismů, což potvrzuje jejich důležitost pro základní buněčné funkce.

Homology všech těchto virových a buněčných genů majících transformační účinky a vyskytujících se v normálních buňkách se nazývají protoonkogeny.

Přehled onkogenních virů a některých jejich vlastností

Přehled onkogenních virů a některých jejich vlastností

virus přirozený hostitel hostitel nádoru typ nádoru onkogenní protein Herpesviry EBV člověk člověk Burkittův l. EBNA2, LMP1 Hodgkinova ch. nasofaryngeální k. žaludeční k. atd. ------------------------------------------------------------------------------------------------ HHV-8 člověk člověk Kapossiho sarkom cyklin D, vIL-6

Papovaviry polyoma v. myš myš různé stř. a vel. T antigen ------------------------------------------------------------------------------------------------ SV40 opice křeček, potkan různé vel. T antigen ------------------------------------------------------------------------------------------------ HPV16-18 člověk člověk kožní k. E6, E7 cervikální k. anogenitální k.Hepadnaviry HBV,HCV člověk člověk hepatocelulární k. X protein

Adenoviry HAV–A,B,C člověk křeček, potkan různé E1A, E1B

Retroviry HTLV-1 člověk člověk T-lymfocytární leuk./l. Tax

Onkogeny - IIOnkogeny - II Proteiny kódované protoonkogeny modulují celou řadu

biochemických drah, které kontrolují genovou expresi, cytoskeletální architekturu a buněčný metabolismus tedy procesy zodpovědné za regulaci progrese buněčného cyklu a buněčných diferenciačních programů.

Obecně je známo, že proliferační kapacita se snižuje se stupněm diferenciace buněk.

Jinak lze říci, že zvýšená buněčná proliferace indukovaná jakýmkoliv onkogenem nemusí representovat přímý efekt na regulaci buněčného cyklu, ale může být důsledkem snížení diferenciačního potenciálu buňky.

Cytogenetické poruchy, které jsou zodpovědné za přeměnu normální regulační funkce protoonkogenů na jejich transformující funkci se podílejí na aktivaci onkogenů.

Přehled nejznámějších onkogenů – IPřehled nejznámějších onkogenů – I1. Geny pro růstové faktory jako onkogeny

Růstové faktory, které stimulují proliferaci normálních buněk hrají důležitou roli při procesu maligní přeměny buňky [TGF (transforming growth factor ), se vyskytují u celé řady nádorů různorodého histogenetického původu, c-sis kóduje -řetězec PDGF (platelet-derived growth factor); produkce PDGF byla nalezena u celé řady nádorů zejména pak u astrocytomů a osteosarkomů]

2. Geny pro receptory růstových faktorů jako onkogenyNěkteré onkogeny byly identifikovány jako deletované nebo nepatřičně exprimované receptory růstových faktorů [Mezi nejznámější členy rodiny EGFR (epidermal growth factor receptor) patří tři geny (c-erb B1, c-erb B2, c-erb B3)]; c-erb B1 aberantně exprimován u spinocelulárního karcinomu plic a méně často u karcinomů močového měchýře, GIT a astrocytomů; c-erb B2 (nebo c-neu) je amplifikován u vysokého procenta lidských karcinomů prsu, ovária, adenokarcinomů plic, žaludku a slinných žláz; c-erb B3 je možno sledovat u karcinomů prsu;

Přehled nejznámějších onkogenů – IIPřehled nejznámějších onkogenů – II

3. Geny pro přenašeče signálů jako onkogeny

a) Onkogeny s aktivitou přenašečů signálu vázaných na membránu Tyto onkogeny můžeme rozdělit podle povahy produktů na skupinu s aktivitou tyrozin kinázovou a skupinu s aktivit GTP-ázovou

b) Cytoplasmatické přenašeče signálů jako onkogeny

Tyto onkogeny a jejich buněčné homology kódují cytoplasmické proteiny mající serin/treonin kinázovou aktivitu.

4. Jaderné transkripční faktory jako onkogeny

Všechny dráhy podílející se na přenosu signálů vstupují do jádra a ovlivňují velkou skupinu genů, které řídí buňku. Tento proces (např. DNA replikace a buněčného dělení) je regulován geny, jejichž produkty jsou lokalizovány v jádře kde kontrolují transkripci genů regulujících buněčný růst.

Přehled nejznámějších onkogenů – IIIPřehled nejznámějších onkogenů – III

5. Geny pro cykliny a cyklin-dependentní kinázy (cdk) jako onkogeny

Postup buněčného cyklu u savčích buněk je koordinován aktivací cyklinů a cyklin-dependentních kináz. Z těchto důvodů jsou cykliny a některé cyklin-dependentní kinázy považovány za potenciální onkogeny. Cyklin D1 byl identifikován jako první z potenciálních onkogenů (PRAD1) stejně jako cyklin-dependentní kináza cdk4.

Schéma interakcí mezi cykliny, cdk-s a jejich inhibitotry během buněčného cyklu

Schéma interakcí mezi cykliny, cdk-s a jejich inhibitotry během buněčného cyklu

C yclin D C yclin E Cyclin A Cyclin A Cyclin B CDK2, 4, 5, 6 CDK2 CDK2 CDC2 CDC2

GF

p16

RB cdc25A CDC25c

E2F

DNA synthesis

Cyclin D degradation

Cyclin Eproteolysis Cyclin A and B

proteolysis

DNA damage

p53

p21

TGF

p27

G PHASE START S PHASE G PHASE MITOSIS1 2

ONKOGENY – význam v histopatologiiONKOGENY – význam v histopatologii

onkogenních drahách vedoucích ke vzniku nádoru prognóze onemocnění nejvhodnějším způsobu terapie případné cílené genové terapii (např. antisense)

Detekce produktů onkogenů, supresorových genů, antimetastatických

genů popř. genů ovlivňujících lékovou rezistenci může přinést důležité informace o:

Antionkogeny Antionkogeny Nádory suprimující geny se od předchozích onkogenů odlišují tím, že

kódují proteiny, které se podílejí na kontrole buněčného růstu a procesu diferenciace a ztráta jejich funkce je zodpovědná přímo za změněný fenotyp nádorové buňky.

Antionkogeny lze tedy definovat jako geny jejichž represe, inaktivace, dysfunkce nebo ztráta má za následek buněčnou transformaci.

Identifikace těchto antionkogenů byla prováděna s využitím cytogenetických studií vrozených chromosomálních změn u pacientů s nádorem, studií analýz vedoucích k lokalizaci genů zodpovědných za predispozici k tvorbě určitého typu nádorů a studií sledujících ztráty heterozygozity (LOH) nebo ztráty alel při srovnávání normální a nádorové tkáně.

Přes všechny doposud získané výsledky, molekulární mechanismy nádorové suprese pomocí proteinových produktů antionkogenů na buněčné úrovni, nejsou zcela prostudovány.

Retinoblastomový (Rb) gen

Retinoblastomový (Rb) gen Retinoblastomový gen je prototyp nádorového antionkogenu, který byl

objeven jako první a jeho inaktivace je klíčovým bodem ve vývoji celé

řady lidských nádorů. Je exprimován v každé buňce a existuje v různě fosforylovaných

formách což závisí na stádiu buněčného cyklu. V G0 fázi protein Rb:

nefosforylovaná forma působí jako supresor buněčného dělení hyperfosforylováná forma ztrácí tuto svoji antiproliferační – anti-

onkogenní funkci.

Molekulární účinek tohoto proteinu je založen na inaktivaci proteinů důležitých pro proces buněčné proliferace a v jádře je závislý především na interakci hypofosforylované formy Rb s rodinou transkripčních faktorů E2F.

Z předcházejících poznatků lze uzavřít, že nepřítomnost funkčního Rb proteinu, vede k uvolnění kontrolních bodů buněčného dělení a bezprostřednímu snadnému přechodu buněk do S fáze.

Retinoblastoma Gene Family ProteinsRetinoblastoma Gene Family Proteins

Highly conserved domains include: H1, H2 and the large pocket subdominains, PD-A and PS-B

p130

p107

Rb

1

1

1

1139

1068

928H1 H2 PD-A PD-B

p53 gen

p53 gen

Mezi nejčastěji se vyskytující mutace u lidských nádorů patří ty, které

postihují antionkogen p53 nacházející se na chromosomu 17p13.1.

Tento gen kóduje jaderný fosfoprotein o molekulové hmotnosti 53 kDa, který je negativním regulátorem přechodu G1/S fáze buněčného

dělení. Inaktivace obou alel genu p53 byla nalezena u většiny typů nádorů

a zejména u karcinomů plic, tlustého střeva a prsu. Současný model funkce proteinu p53 je spojen s jeho aktivací

vyvolanou poruchami v DNA, které jsou způsobeny různými typy záření, UV světlem nebo mutagenními látkami.

Takto akumulovaný protein se váže na specifické sekvence DNA, stimuluje expresy celé řady genů, které zprostředkovávají dva důležité efekty p53: zastavení buněčného cyklu v pozdní G1 fázi a programovanou smrt buňky.

Nuclear phosphoprotein p53Nuclear phosphoprotein p53

MUTATION

DNA binding

I II III IV V

393 amino acids

5 conserved regions

Very short half-life

Ab.: 1801

Abs.: DO-1

DO-7

BP-53

CM-1

N’ C’

Lane and Benchimol 1990Vojtěšek et al. 1992

Anti-p53 antibodiesAnti-p53 antibodies

DO-1 hum, mon, bov

DO-2 hum, mov, bov

DO-7 hum, mon, bov

DO-11 hum

DO-12 hum

DO-13 hum

DO-14 hum

P +

+

P +

+

+

+

+

BP-53 hum, mon

CM-1 non-spec

421 mou, hum

240 mou

1801 hum, mou

1005 hum, mou

P +

P +

+ +

+

P + +

+ +

+ mutant

+ mutant+wild

+ wildThe end of 1994

Přehled některých produktů nádorových supresorů

Přehled některých produktů nádorových supresorů

protein nádor funkce proteinu

________________________________________________________________________

p53 četné typy nejčastějších nádorů transkripční faktor

pRb retinoblastom, osteosarkom regulátor transkripce

NF-1 neurofibrom, gliální nádory protein aktivující GTPázu

NF-2 neurinom, meningiom cytoskeletální spoj k membráně

APC karcinom tlustého střeva suspektní regulátor -cateninu

WT1 Wilmsův nádor transkripční faktor

PTEN četné typy nejčastějších tumorů fosfatáza

BRCA1 karcinom mléčné žlázy, ovarií atd. oprava DNA

BRCA2 karcinom mléčné žlázy oprava DNA

p16 melanoblastom, karcinom pankreatu inhibitor cdk

TSC2 tuberózní skleróza protein aktivující GTPázu

DPC4 karcinom pankreatu signální dráha TGF