Úvod do nádorové biologie Stjepan Uldrijan Biologický ústav Lékařská fakulta Masarykova Univerzita Brno uldrijan@med.muni.cz Nádorová onemocnění * Nádorové bujení mohou poskytnout mnoho různých orgánů a tkání - Existuje více než 100 různých typů nádorů * Chování jednotlivých typů nádorů se může velice lišit - Některé nádory zůstávají často lokalizovány v původní tkáni (např. nádory prostaty) a jiné se naopak velice agresivně šíří (např. karcinom slinivky) * V roce 2000: 10 milionů lidí na celém světě onemocnělo rakovinou a 6.2 milionu lidí této nemoci podlehlo ˇV roce 2020: očekáváme 16 milionů nových případů rakoviny ˇ Benigní (nezhoubné) nádory ­ Rostou lokalizovaně a neinvadují přilehlé tkáně - Epiteliální nádory považujeme za nezhoubné, pokud nejsou schopny penetrovat bazální membránu (specializovaný typ buněčné matrix, který odděluje epiteliální buňky od podpůrné vrstvy pojivové tkáně ­ stroma) - I nezhoubné nádory mohou představovat vážný problém, např. pokud svým růstem tlačí na důležité orgány a ovlivňují jejich funkci - Některé nezhoubné nádory se mohou rozvinout v nádory maligní * Maligní (zhoubné) nádory ­ Prorůstají do okolních tkání a mohou se šířit ve formě metastáz - Primární nádor x metastázy - Metastázy maligních nádorů jsou příčinou asi 90% všech úmrtí na nádorová onemocnění Benigní a maligní nádory A B A: Jaterní metastázy karcinomu tlustého střeva B: Metastázy maligního melanomu do plic (myší model) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Příklady metastáz do různých orgánů Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Různé primární nádory přednostně metastazují do různých orgánů 1. Proto-onkogeny / Onkogeny ­ v nádorových buňkách dochází k jejich aktivaci. * Kódují proteiny, které se účastní přenosu různých signálů v buňce (signal transduction) a regulují buněčné dělení nebo diferenciaci. * Mutace nebo zvýšená exprese (produkce) těchto proteinů vede k nadměrnému zvýšení jejich aktivity v buňce (proto-onkogen se mění na onkogen) Příklady: EGFR, Ras, Raf, Src, Myc 2. Nádorové supresory ­ v nádorech dochází k vyřazení jejich funkce * Zabraňují množení poškozených nebo neregulovaně rostoucích buněk. * Jiné n.s. se podílí na opravách poškozené DNA a zabraňují akumulaci mutací v buňkách. Příklady: p53, p16, Rb, APC, MLH1, MSH2, BRCA1, BRCA2 Geny nejčastěji postižené mutacemi v nádorových buňkách Karcinogeny často působí jako mutageny ­ způsobují poškození genetické informace buňky Mutace vedoucí ke vzniku nádorů Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 1. Somatické mutace ­ vynikají de novo v somatických buňkách a mění jejich vlastnosti. Přenáší se do dceřiných buněk, ale nedědí se. 2. Zárodečné mutace ­ vznikají v genomu spermie nebo vajíčka, nebo jejich prekurzorů v gonádách. Mutace se mohou přenášet na potomstvo a mohou je predisponovat k různým typům nádorů. A B A: Stěna tlustého střeva jedince postiženého familiální adenomatózní polypózou (obvykle způsobena zárodečnými mutacemi v nádorovém supresoru APC). B: Normální tlusté střevo Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Vznik rakoviny je postupný pomalý proces Příklad: progrese karcinomu slinivky (PanIN = pankreatická intraepitelialní neoplázie) - Buňky kumulují mutace, které jim poskytují určité růstové výhody Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 Všechny maligní nádory musely ve svém vývoji získat několik důležitých vlastností a schopností Inhibice apoptózy Růst za nepřítomnosti vnějších růstových signálů Invaze do okolní tkáně a tvorba metastázIndukce angiogeneze Neomezené dělení Růst v přítomnosti inhibičních signálů Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 * Někdy je třeba několika mutací aby nádor získal danou vlastnost. * Jindy může jedna jediná mutace vést k získání několika těchto vlastností současně. Všechny maligní nádory musí získat všech šest schopností, ale mohou je získávat v různém pořadí a různými mechanismy 1. Růst v nepřítomnosti vnějších růstových signálů Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 Nádorové buňky nejsou izolovány od okolní tkáně ­ Interagují s mnoha dalšími buněčnými typy a ze svého okolí dostávají mnoho různých signálů U normálních buněk tyto signály rozhodují o tom, jestli se v G1 fázi buněčného cyklu zastaví, nebo budou pokračovat do S fáze Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 A: Přítomnost růstových signálů umožní normální buňce ukončit G1 a přejít do S fáze. Za absence růstových (mitogenních) faktorů nebo v přítomnosti faktorů inhibujících růst (např. TGF) buňky opustí buněčný cyklus a vstupují do tzv. G0 fáze B: K tomuto rozhodnutí dochází vždy ve stejném bodě v G1 fázi, říká se mu bod restrikce (R-point) A B Příklady signálních drah, které regulují buněčnou proliferaci Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 * Za normální situace receptor aktivuje buněčné signální dráhy jen pokud je na něj navázaný specifický ligand (růstový faktor, growth factor ­GF) * Mutace v genu kódujícím receptor mohou způsobit, že receptor je aktivní neustále, i za nepřítomnosti růstového faktoru Aktivace receptoru v nádorových buňkách i bez přítomnosti vnějších růstových faktorů I. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 * Normální buňky obvykle neprodukují růstový faktor, jehož receptor nesou na svém povrchu * Nádorové buňky někdy aktivují expresi genu, jenž takový růstový faktor kóduje a začnou jej produkovat. Tím samy sebe stimulují k růstu a dělení (autocrine signalling). Aktivace receptoru v nádorových buňkách i bez přítomnosti vnějších růstových faktorů II. 2. Růst v přítomnosti inhibičních signálů Příklady inhibičních signálních drah Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Mutace v receptoru pro TGF (TGFR) or nebo ztráta nádorového supresoru Rb činí buňky necitlivými k těmto inhibičním signálům V normální tkáni působí mnoho různých antiproliferačních signálů, které zajišťují vnitřní rovnováhu a udržování buněk v G0. Také tyto signály působí přes receptory v buněčné membráně, které jsou napojeny na intracelulární signální dráhy. Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 3. Schopnost neomezené replikace Buňky musí překonat senescenci a ztrátu funkce telomer Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Normální buňky mají omezený replikační potenciál, tzn. že se nemohou dělit do nekonečna Např. lidské fibroblasty se v kultuře intenzivně dělí po asi 60 generací a pak se dělit přestanou a vstoupí do stavu,kterému se říká (replikativní) senescence, kdy sice zůstávají životaschopné po velice dlouhou dobu, ale buněčný cyklus navždy opustily. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 A B A: Pre-senescentní lidské fibroblasty, které se normálně dělí B: Senescentní buňky změní tvar a začnou produkovat některé markery senescence, například zvláštní formu -galactosidázy, enzymu, jehož přítomnost můžeme v buňkách snadno detekovat pomocí chromogenního substrátu (modré zbarvení buněk) Senescence vede k výrazné změně morfologie buňky Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Např. fibroblasty v kultuře začínají produkovat dva důležité inhibitory cyklin-dependentních kináz, které jsou schopny inhibovat dělení buněk: p21 a p16 K senescenci zřejmě vede postupné zvyšování exprese některých nádorových supresorů * Uměle indukovaná exprese proteinu p16 ve fibroblastech vede u těchto buněk ke stejným změnám, jaké pozorujeme při replikativní senescenci. * Nádorové buňky obvykle inaktivují signální dráhy v nichž p21 a p16 působí (p53, Rb) a zřejmě právě tímto způsobem dokáží senescenci zabránit Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Počet dělelní buněk také omezuje délka jejich telomer * Telomery jsou tvořeny několika tisíci opakováními krátké sekvence DNA (6 bp) * Funkcí telomer je ochrana konců chromozomů (A) * DNA polymeráza nedokáže účinně replikovat konce chromozomů a tak dochází při každém rozdělení buňky ke ztrátě asi 50-100 bp z konce telomer * Příliš krátké telomery nedokáží plnit svou ochrannou funkci a chromozomy začínají fůzovat (B) a vstupují do stavu, kterému se říká anglicky crisis. * Fůzované chromozomy se nedokáží oddělit během mitózy a dochází ke zlomům, které vedou k velkým změnám karyotypu a obvykle končí programovanou smrtí buňky (apoptózou) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Krátké telomery mohou vést k opakovaným fůzím a zlomům chromozomů Duesberg P, Chromosomal Chaos and Cancer, Scientific American 2007 May;296(5):52-9. Příklad karyotypu normální a nádorové buňky ˇ Buňky mohou ,,crisis" přežít, pokud začnou produkovat telomerázu, enzym, jehož funkcí je prodlužování telomerické DNA * Telomeráza je silně exprimována v embryonálních buňkách, ale během diferenciace tkání dochází, až na několik málo výjimek, ke ztrátě její exprese * Telomerázová aktivita je přítomna v 85-90% vzorků lidských nádorů! Telomeráza 4. Inhibice apoptózy Apoptóza * Programovaná buněčná smrt * Koordinovaný proces, který zahrnuje aktivaci skupiny specifických proteáz (emzymů štěpících proteiny), kterým se říká kaspázy (angl. caspases) * Charakteristické morfologické změny buňky ­ kondenzace chromatinu, svraštění jádra i celé buňky, fragmentace jádra, ,,blebbing". Buňka se nakonec rozpadne na menší fragmenty obalené membránou, které jsou pohlceny okolními buňkami nebo makrofágy. * Indukuje se během normální morfogeneze * Důležitá pro normální funkci řady tkání (střevo, kostní dřeň, involuce mléčné žlázy, atd.) * Nádorový supresor p53 indukuje apoptózu při poškození buněčné DNA (např. UV nebo ionizujícím zářením) a vyřazuje tak aberantní buňky, u nichž by mohlo dojít k maligní transformaci, tj. přeměně na buňku nádorovou. Apoptóza Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 A B A: Lymfocyty: normální x apoptotický B: Apoptóza během normálního vývoje myši (tmavě označené buňky) Apoptóza Elmore S., Apoptosis: a review of programmed cell death. Toxicol Pathol. 2007;35(4):495-516. U většiny buněk najdeme dvě základní apoptotické dráhy: 1. Vnitřní (Intrinsic pathway) ­ vyžaduje permeabilizaci vnější membrány mitochondrií a uvolnění cytochromu C do cytoplazmy, kde se podílí na sestavení apoptozómu ­ komplexu, který aktivuje kaspázy 2. Vnější (Extrinsic pathway) ­ permeabilizace mitochondrií není nutná. Tato dráha je aktivována vazbou ligandu na specifický receptor Protein p53 indukuje expresi genů, které se účastní jak vnitřní (např. Bax, Noxa, Puma) tak i vnější apoptotické dráhy (např. Fas) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007, Adapted Aktivace apoptózy působením proteinu p53 Thymocyty (leukocyty v brzlíku) myši s vyřazeným genem p53 jsou rezistentní k apoptóze vyvolané ionizujícím zářením Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 5. Angiogeneze = proces tvorby nových krevních cév ˇ Kyslík se v tkáních přenáší difuzí účinně do vzdálenosti asi 0,2 mm. Buňky, které rostou ve větší vzdálenosti od krevní vlásečnice přestávají růst protože trpí nedostatkem kyslíku (hypoxie) a živin. Pokud není přísun kyslíku zajištěn, buňky odumřou. * Primární nádor nebo metastáza, která dosáhne objemu asi 2 mm3 si musí zajistit napojení na krevní oběh, aby mohla pokračovat v růstu. * Buňky v hypoxii vysílají signál ve formě VEGF (vascular endotheliar growth factor). * VEGF se váže na specifický receptor na povrchu buněk cévního endotelu a indukuje jejich proliferaci a migraci směrem k nádoru. VEGF VEGF ale není zdaleka jediný regulátor angiogeneze. Např. nádorový supresor p53 indukuje expresi thrombospondinu-1, který působí jako inhibitor angiogeneze. Rozsah tvorby nových krevních cév záleží na rovnováze těchto faktorů v dané tkáni. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Uspořádání cév zásobujících nádor je velmi chaotické 6. Invaze do okolních tkání a tvorba vzdálených metastáz Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Metastáza je výsledkem sekvence několika dílčích kroků Celou sekvenci se podaří ukončit jen malému procentu buněk, které opustí nádor. Zdá se, že poslední krok, tj. kolonizace, je tím nejméně účinným a jen velice málo mikrometastáz dá vznik metastáze, tj. sekundárnímu nádoru. EMT (,,Epithelial-mesenchymal transition") Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 * Buňky karcinomů, tj. zhoubných nádorů epiteliální tkáně, mohou účinně metastazovat, pokud se jim podaří spustit EMT, tj. buněčný program, který je za normálních podmínek aktivován pouze v embryogenezi a při hojení ran. * Epiteliální buňky, které spustí EMT, změní expresi řady genů a začnou produkovat proteiny, které jsou charakteristické pro mezenchymální buňky. To jim umožní snadněji se pohybovat, opustit epitel a invadovat podpůrnou tkáň - stroma. Některé onkogenní viry kódují proteiny, které inhibují nádorové supresory pRb a p53 E6E7Papilomavirus (HPV16, HPV18) Velký T antigenVelký T antigenSV40 E1BE1AAdenovirus Onkoprotein inhibující p53 Onkoprotein inhibující pRb Virus