Podstata nádorové transformace buněk a etiopatogeneze nádorů Kontrola buněčného cyklu Nádorová transformace Interakce nádoru a organizmu Metastazování Nádory (tumory) - úvod Nádor je patologický stav (nemoc) v důsledku porušené kontroly buněčného dělení - příčinou porušené regulace je genetická změna nejčastěji 1 somatické (ale i germinativní) buňky - buňky vycházející z patologického klonu se nekontrolované množí (různě rychle) a posléze event, šiří i na další sekundární místa (metastázy) ■ podle rychlosti proliferace rozlišujeme nádory • benigní - většinou rostou jen v místě vzniku, nejsou agresivní, zachovávají si diferenciaci • maligní - rostou rychle, invazivně a šíří se na další místa, nediferencované Všechny nádory jsou důsledkem genetické poruchy, a to klíčových genů kontroly buněčného cyklu ■ (proto)onkogenú - normálně podporují dělení a růst buněk, pokud mutovaný dělení je nekontrolované ■ supresorových genů - normálně kontrolované potlačují dělení, pokud mutovaný, umožňují nekontrolované dělení ■ DNA reparačních genů - normálně opravují DNA opravitelné změny, pokud mutovaný neopravená změna může být přenesena do dceřinných bb. - pouze některé jsou ovšem zároveň dědičné (tzv. familiární) = mutace v germinativní buňce - většina nádorů jsou náhodné, tzv. sporadické = mutace v somatické buňce 2 Genetická změna může vzniknout - chybou při DNA replikaci a dělení buňky - působením zevních faktorů (karcinogénu) ■ fyzikálních - napr. UV a ionizující záření ■ chemických - organické látky, toxiny, těžké kovy ■ biologických - některé RNA a DNA viry Nádor zpravidla původně vychází z mutací 1 buňky (monoklonální) - proces nádorové transformace je ovšem vícestupňový (tj. postupná kumulace několika mutaci), takže se postupně stává geneticky heterogenní ■ nádor přechází ze stadia prekancerózy, přes benigní až k malignímu Histologický - tj. podle toho z jaké tkáně pochází - rozlišujeme 3 sk. - epiteliální ■ kůže, sliznice, výstelky vývodů papilom, adenom (b.), karcinom (m.) - mesenchnymální ■ pojivo, endotel, sval. tkáň, hematopoetická a lymfatická tkáň, kosti fibrom, hemangiom, myom (b.), sarkom, lymfom, leukémie (m.),....... - neuroektodermové ■ CNS a periferní nervy, pigmentové névy astrocytom, gliom, blastom, neurinom, melanom diferencovaný epitel proliferující epitel bazálni membrána NORMÁLNI SLIZNICE DYSPLAZIE S nádorové bujení 52 GO-fáze klidová fáze buněčného cyklu, ve které buňka plní své základní funkce a udržuje bazálni metabolizmus Gl-fáze interval mezi ukončením mitózy a začátkem syntézy DNA - intenzivní syntéza všech typů RNA v jádře, v cytoplazme probíhá proteosyntéza a buňka roste (délka Gl-fáze obvykle určuje délku celého b. cyklu) S-fáze v jádře probíhá replikace DNA a v cytoplazme jsou syntetizovány histony; po ukončení S-fáze buněčné jádro obsahuje dvojnásobné množství DNA G2-fáze interval mezi koncem syntézy DNA a začátkem mitózy, je typický ■ ■vr O, 1 v 1 ■ ■' V. V V F V F r\i . dalším růstem bunky, proteo syntézo u, pricemz ve zvýšene mire je syntetizován tubulin a další proteiny sloužící k výstavbě mitotickeho aparátu; v G2-fázi cyklu probíhá kontrola ukončení DNA replikace před vstupem do mitózy M-fáze proces mitotickeho dělení sestává z řady na sebe navazujících změn (6 fází), z nichž prvních pět (profáze, prometafáze, metafáze, anafáze, telofáze) představuje dělení jádra; šestou fází je vlastní rozdělení buňky (cytokineze) 10 je veškerá DNA replikována? je příznivé prostředí? je buňka dostatečně velká? - jsou všechny chromozomy spojeny ve vřeténku? je buňka dostatečně velká? je prostředí příznivé? Interphase Prophase Prometaphase Met ap h a se Anaphase Telophase Cytokinesis />> 46 Chromosomes Chromosomes doubled to 92 Nucleus dissolves and microtubules attach to centra menes Chromosomes align at middle of cell Separated chromosomes pulled apart Microtubules disappear cell division begins Two daughtercells formed each with 46 chromosomes 11 Regulační proteiny b. cyklu (A) produkty (proto)onkogenů - cykliny - cyklin-dependentní proteinkinázy (cdk) - růstové faktory - receptory růstových faktoru - G-proteiny - membránové tyrozinkinázy (např. abl) - cytoplasmaticke signální proteiny (např. Raf) - transkripční faktory (např. jun, fos, myc) (B) produkty supresorových genů - Rb - p53 - p21 (C) produkty genů kódujících DNA reparační enzymy - mismatch reparace - excisní reparace - homologní rekombinace 12 (A) Protoonkogeny (1) cykliny - 8 typů - A, B, C, D, E, F, G, H - specifické pto jednotlivé fáze cyklu ■ např. Cdk2 + cyklin E v Gl fázi (2) cdk (cyciin-dependent kinases) - 9 typů - cdkl - cdk9 ■ pouze komplex cdk s cyklinem je aktivní ■ fosforylují šeřiny a threoniny cílových proteinů a aktivují je • např. Rb-protein -> iniciace DNA replikace ■ součástí komplexů cyklin/cdc jsou inhibitory cdc (např. p21), teprve jejich proteolýza umožňuje aktivitu komplexu - zatímco hladina cdk zůstává během cyklu v podstatě konstantní, exprese cyklinů se liší ■ je striktně kontrolována podle potřeb okolní tkáně!!! 13 7fitO cyclin cyciin-dependent kinase {Cdk) 'Cic Y í 55^ Souhra cyklinů - cdk cdc,^ fosforyluje chemické posly zahajující mitózu M-cyclin se váže na cdc za tvorby cdq^ k $, konc. M-cyclinu roste M-cyclin destruován Tmi tó z a "signal cdc inaktivní í p koncentrace £d^> S-cyclinu roste . ,udc cdc inaktivní syntéza signal 14 S-cyclin^O^ destruován / S-cyclin se váže na cdc za tvorby cdCg dcds fosforyluje chmické posly, které aktivují DNA replikaci (A) Protoonkogeny t (3) růstové faktory - působí ve velmi malých koncentracích, většinou parakrinně, tkáňově specificky ■ např. TGF-ß, PDGF, EGF, VEGF, ... 4) receptory růstových aktorů - tyrosinkinzázová aktivita -> aktivace dalších kináz (MAPK -Mitogen Activated Protein Kinase) a transkripce genů ■ geny "časné" odpovědi (cca 15 min; = (5) transkripční faktory • např. proteiny fos, jun a myc (produkty Protoonkogenů fos, jun a myc) ■ geny "pozdní" odpovědi (cca 1 hod) - cykliny (cyklin D) • jejich exprese stimulována pomocí časných" proteinů fos, jun, myc aj. 15 nLy Growth factor phi Growth factor receptor Extracellular Nucleus (A) Protoonkogeny (6) cytoplasmatické Tyr- (Src, Abl, ...) a Ser/Thr-kinázy (Raf) a GTP-ázy (Ras) EXTRACELLULAR SPACE S fleeeptor binds growth iaclor Q floceptor autophosphorytates tyrosine residue A Phosphcrylated receptor recruits exchange factors that stimulate GDP-GTP exchange on Ras Q Pas activates cacade of mitogon-activated protein kinases A Transeriptjon factors are phosphoryiated and bind to specific DNA sites, activating gene transcription CVTOSOL A ger/Thf kinase activation cascade Other effectors 16 Ras signalizace oooa f ť ťí ť f íí' ooooc Growth factor Receptor tyrosine kinase RAS GDP dočasné zastavení b. cyklu v Gl/S kontrolním bodě, které umožní reparaci DNA - (2) zvyšuje expresi GADD 45 (Growth Arrest and DNA Damage) -» excizní reparace DNA - (3) pokud není oprava úspěšná, zvyšuje expresi Bax -^ apoptóza mutace p53 jsou přítomny cca u 50% všech nádorů!!! 23 poškozená DNA aktivace proteinkináz f o rsf o ryl ujících p53 apoptóza CJ 1 -~^ . stabilní 1 aktivní p53 DEGRADACE p53V PROTEAZOMU aktivní p53 se váže na regulační oblast p21 genu 3£ř* 7 gen TRANSKRIPCE ( TRANSLACE t p21 mRNA p21 (Cclk inhibitor protein) AKTIVNÍ GWS Cd k a S-Cdk INAKTIVNI G,/SCdk a S-Cdk complexy s p2l Chemotherapy / DÍJA dumaje ATM activation (11 q prešmi) 11 TPÍ3 atlivjticn (17p present) Pro-survival attempts i Pŕegrammeci tell dtaih Cell tep air, praliJeraLi™ (Apof tosis) When the damage is too great cell dies on command If tilt cell can still be saved, it Is repaired, can proliferate Both ilq and 1 ?p present The way things are supposed to work The ataxia telangiectasia-mutated gene (ATM) encodes a protein kinase that acts as a tumor suppressor. ATM activation, via IR damage to DNA, stimulates DNA repair and blocks cell cycle progression. One mechanism through which this occurs is ATM dependent phosphorylation of p53. p53 can cause growth arrest of the cell at a checkpoint to allow for DNA damage repair or can cause the cell to undergo apoptosis if the damage cannot be repaired. The critical role of p53 is evident by the fact that it is mutated in over 50% of all human cancers. 24 GentrtoKk Stress. v ■ I IrutTŕiKľ Mrtothanrfn-D Arotftvi Apoptóza APOPTOSIS 25 Dráhy aktivace EXTRINSIC PATHWAY ligands: TNF-a, LTA, TRAIL, Fas-L LU Z i adaptor proteins U (FADD, TRADD, ...) I caspase activation 1 proteolysis (nuclear membrane, cytoskeleton, ,..) 26 apoptózy INTRINSIC PATHWAY - mitochondria-related ER-related inhibitors (Bcl-2, Bcl-X, ...) activators V (Bax, Bad, ...) cytochome c, ATP, ... caspase activation proteolysis uclear membrane, cytoskeleton, 92 (C) - DNA reparační (1) geny reparace chybného párování ("mismatch repair") - -> nestabilita délky mikrosatelitových lokusů (např. HNPCC = Hereditary Non-Polypous Colon Cancer) (2) geny excizní reparace (3) geny homologní rekombinace - hlavní dráha aktivovaná při poškození DNA (double strand Break) zahrnuje: ATM (ATR)/CHK2 (CHK1) -> P53/MDM2 -> p21 -> growth arrest'' vrozená porucha reparačních genů je podkladem několika dědičných typů nádorových onemocnění ■ ataxia telengiectatica ■ Bloomův syndrom ■ Fanconiho anémie ■ xeroderma pigmentosum ■ Syndrom fragilního X 27 geny jakákoliv mutace v kritickém místě DNA tj. Protoonkogen, supresor, reparační gen - chromozómové aberace ■ translokace, inzerce, delece, duplikace - genové mutace ■ bodové mutace, délkové (ins/del) mutageny/karcinogeny fyzikální ■ UV (karcinom a basalion kůže, melanom) ■ ionizující záření a RTG záření (leukémie, št. žláza, kosti, ...) - chemické ■ polycyklicke aromatické a chlorované uhlovodíky, aromatické aminy, nitrosaminy, těžké kovy, mykotoxiny ■ některé toxické až po metabolické transformaci v organizmu, popř. při tepelném zpracování (potrava) nádory GIT jako důsledek expozice karcinogenům v dietě nádory plic jako důsledek kouření alkoholická cirhóza biologické = inkorporace virového genomu do hostitelského, opět v kritických místech ■ DNA viry herpes (EBV - lymfomy) hepdnaviry (HBV - hepatocelulární ca) papovaviry (papilomaviry - ca děložního čípku, hrtanu, ústní dutiny) • adnoviry ■ RNA viry - retroviry HIV - Kaposiho sarkom, B-lymfom HTLV - T-buněčná leukémie prekancerózy = chronická iritace tkáně zánětem ■ Baretův jícen při GER ■ ulcer=ozní kolitida a Crohnova nemoc ■ divertikulitida Noimal Cell First ' 1,.!.',.■. i Second Mutation Third Mutation O Malignant Call PHILADELPHSKY CHROMOZOM ^ Fourth or :) Uter Mutation před translokací X ABL fi DO BCR #22 Ö #9 28 Růst tumoru 29 dělení v klonu nádorových buněk: N = 2n - 2, 4, 8, 16, 32,..... ■ 10 dělení = ~1 000 bb. ■ 20 dělení = ~1 000 000 bb. (m=lmg) ■ 30 dělení = ~1 000 000 000 bb. (m = lg) ■ 40 dělení = m=lkg • při 12-ti hodinovém b. cyklu za zhruba 20 dní ve skutečnosti ie ovšem růst nádoru mnohem pomalejší - dělení x zánik buněk - prodlužování trvání b. cyklu - neproliferující frakce bb. (diferencované) - zánik bb. (malnutrice, cytotox. lymfocyty) - mechanické ztráty bb. (odlupovaní např. ve střevě) podmínkou růstu je vytvoření nádorového stromatu a kapilární sítě (angiogeneze) - pak převažuje proliferace nad zánikem buněk Růst tumoru: další faktory ovlivňující b. cyklus mezibuněčna komunikace (^kontaktní inhibice) - integriny - spojení s ECM - cadheriny - spojení bb. mezi sebou i • • • • • "öDraraQL • i = = V«* Adhesion belt Desmosorne Gap junction Integ rin Focal adhesion Hemi-desmosome Integrin Membrane proteoglycan 30 o o o o o o • 1 o 2XXXÍ • I • Princip "kontaktní inhibice" F-actin 31 HMP-2/ß-catenin HMP-1/a-catenin E-cadherin: - Ca+-dependentní trans-membranový protein epiteliálních bb. - 5 cadherinovych repeatů (ECl ~ EC5) v extracelulární doméně - 1 transmembránová doména - intracel. doména vážící (3- a a-cateniny a násl. aktinový cytoskelet - v epitel, bb. konstantně regenerován a 5-hod. na b. povrchu - ztráta E-cadherinu je spojena s progresí tumoru a metastazováním ■ v důsl. hypermetylace, hypoxie (aktivace PI3K drahý), microRNA atd. Apiccl membran& domain Basclater membrar domain Basal Extracellular matrix Integrins Copyright © 2005 Nature Publishing Group Nature Reviews | Cancer Růst tumoru: další faktory ovlivňující b. cyklus 32 metabolismus = potřeba energie (kyslík a substráty) - buněčná masa velikosti okolo lmm3 (cca lxlO6 buněk) není bez vaskularizace schopna dále růst (proliferace je v rovnováze s apoptózou) - v odpovědi na hypoxii je regulován hypoxia-inducible factor-la (HIF-la), který po translokaci do jádra ovlivňuje transkripci řady genů, mimo jiné ■ represe E-cadherinu ■ t exprese GLUTI a 3 = t substráty • také efekt hormonů a růst. faktorů ■ vascular endothelial growth factor (VEGF) a angiopoetin • tento stimuluje novotvorbu cév (angiogeneze) nutných pro další růst nádoru ■ chemotaxe makrofágů do tumoru a produkce dalších angiogennich a růstových faktorů • VEGF • basic fibroblast growth factor (bFGF) • transforming growth factor-b (TGF-b) • platelet-derived growth factor (PDGF) Hypoxií-indukovaná transkripce genů a Normo* ia 2-OG s^Ascorbate Ub) £^pí$Qí\ Intermediate matrix. ^^— Mature VBM Degraded VBM Nature Reviews | Cancer 34 Inflitrace tumoru makrofágy Nň.JírOf>"ril Rucfuil oUttf naarr^topoetc calls Chemo tods factors areas Qestrogens Roactívc oxygen and nAnagen tad eels Cndsteisl «its Growtti factor and cnefrofcnra 35 Natura Raviawa | Cancer Imunitní systém vs. nádor nádorové bb. mají některé imunologické odlišnosti - změny přirozených povrchových antigénu (např. ztráta MHC) ■ unikají imunitnímu rozeznání a likvidaci - exprese nových (tzv. onkofetálních) antigénu ■ diagnostické markery (např. CEA, a-fetoprotein aj.) v protinadorove imunitě se uplatňují cytotoxicke mechanizmy - CD8+ T-lymfocyty - NK bb. nekróza lymfatická uzlina 36 ^ © a 00 nezralé T lymfocyty cytotoxicke CDS T lymfocyty krevní céva tumoru prezentace antigénu X? Hormonální stimulace růst některých tumorů je výrazně potencovan hormony (nejč. pohlavními) ■ ca prsu, dělohy, vaječníku, prostaty Jfo.......Estrogen Canoer s> '., Esírogan___*SJ ^ v receptor ^—■*—■A-—*~ _ ECM / tíkttíuimm»»rWMJnid•>■.....■. ■ ■-...■.. 47 •\ ř