r Všechny formy rakoviny vznikají jako směs dědičných změn v buněčném genomu vyskytujících se ve vývoji nádorových buněk a epigenetických změn ve stadiu nádorové promoce a progrese. r r O Hlavní účinek NÁDOROVÝCH PROMOTORU je specifická expanze iniciované buněčné populace v zasažené tkáni. Fáze je zpočátku reversibilní, později ireversibilní. Promotory se neváží kovalentně na DNA a nejsou mutagenní, působí na iniciovanou buňku a způsobují důležité negenetické - epigenetické změny (změny v expresi genů). Mohou však též působit jinak na genetický materiál: způsobovat amplifikaci genů, synergicky působit s viry a zvyšovat transformaci. Tyto změny asi odpovídají za ireversibilní část promoce. PROGRESORY jsou karcinogény, nádorové promotory nebo hormony, které působí na nádorové buňky a přeměňují je na maligní. Mohou působit negenetické a genetické změny v nádorových buňkách. Progrese je charakterizována výskytem extensivní heterogenity v maligní buněčné populaci a vznikem invazi vity (metastázy). KOKARCINOGENY - zvyšují hladiny buněčných enzymů, které aktivují karcinogény ANTIKARCINOGENY - chemicky se váží na karcinogén, odbourávají jej, tlumí enzymy aktivující karcinogény nebo obsadí cílové místo (kompetitivní inhibice). J r Chování buněk a rovnováha v buněčných populacích jsou regulovány komplexním integrovaným komunikačním systémem, který zahrnuje signály mimobuněčné, mezibuněčné a vnitrobuněčné. Živočišné buňky obsahují systém proteinů, který jim umožňuje reagovat na signály jiných buněk. Zahrnuje receptorové proteiny na buněčném povrchu nebo uvnitř buněk (v cvtoplasmě nebo v iádře), proteinové kinázy, fosfatázy, proteiny vážící se na GTP a řadu dalších vnitrobuněčných proteinů, se kterými ryto signály interaguií. Orientační plán ^ Metro Dopravní podnik hl. m. Prahy, akciová společnost KOBYLISY l^jl ĎÁBLICE LETŇANY STŔÍŽKOV A Rajská Čemý (3 zahrada Moat o o o o o m Vysočanská Kolbenova Hloubétín (5hEj HORNÍ MĚCHOLUPY JIZNI MESTO RADOTÍN VELKÁ CHUCHLE KUNRATICE Schéma linkového vedení Elektrických drah a Metra [fM SÍDLIŠTĚ ĎÁBLICE Třebenická K+RQ5D ČERNÝ Hlubocepy ©Dopravní podnik hl. m. Prahy, ay 2750 Growth Factor Receptor DYSFUNCTIONAL SIGNALING PATHWAYS IN CANCER The tumor suppressor^ oncoprotein network Alet pramatfri cell SurWvil by pliuiphD rylfction af substrates, Lhil decrease the adtiuity of" pro-apoptotic or increase the activity ofanti-apoptohc proteins. Mdmi is only one of many Ala substrates Normally phosphoinositide 3-kinase (Ptdlns ]-kinase>-Akt signaling jupp*oms pSJ function Ptio»priorylateJn of MoW by Akl Induced Wdmi IrJrt&lacaiiGrl irilO the HuCreuS sVhir* ii binds pJJ Jrtd target It fat prctei*L>rru! degradation. The PTEN tumor, suppressor pcolem inhibits Ptdlns 3-kinase signaling, including actuation of Akt. When PTEN blocks the Ptdlns 3-kinase-Afr signaling pathway. Morns it restricted tn th«" nytoplajm, whrrp It i* drjgrad-qd Therefore, PTEN prgtflCtS pjj from Mdmji, allowing tells [Li iespcind to DNA damage. The pH/Vldm; autu-regulatory feedback loop Is rtol depicted for clarity, p^] can also induce PTEN. which may override the auloregulatory feedback loop amplifying pjj function and promoting b cellular apoptotrc response □irforanUGtior; The ftB pathway and RB'S many potential Functions EiF traniLilption factors regulate the oj^rcsM-^n of gen^, . CDK inhibitor ^ Pi 5, pi€, pí3. pi 3. pii. pa?) regufateCDKs. Molecules in blue -ate altered in many tumor type* (except EaF). Rb may regulate nuny proteose* íUch ?i apopto^iS, ONA rcplirjCir-n DNA repair, checkpoint control, and differentiation (m red}. Regulation of these processes may be mediated through EaF ůf ihrůuoh interaction with onfl or more of iho kit? fiftWl with which Rb interacts. GO I Gl/5 Phas« IransiLimi ti j Srpw-mbrr 2Ü. tíitň Cell Cycle Arrest by DMA Damage Checkpoints cell cycle DNA Repair THE mamwIaliaw [INADAWftOt response PaTHwAY [DRP] Proteins are shown at their approximatefunctional location. The general organ itfliJon of the pathway N accurate, howirv", v>nn protein* jm omitted Tor cJanty ONA damagr rr rrplii-arion •Arvw arrival n ihr DRP, Sen-sor proteins (gr-rrn) irnw the damage and aclrvatc irjiniducur protomv suth the fcin*i.ei ATM and ATR (yellow| These in en liansduce signals to other kinase* (Chki andChka] (yellowy or effector proteins (purple) such as p^, EtRCA*. Nbsi etc. Effector proteins reguJate cell cycle arrest, apoptosis, transcription, and DMA repair. Tiw icHMiini j 15 r MEZIBUNECNE INTERAKCE v růstu a neoplasii 1 ► uvolnění růst modulujících faktorů (hormonů, růstových faktorů, inhibitorů, cytokinů, eikosanoidů apod.) do krve (endokrinní regulace) nebo mezibuněčného prostoru - tkáňové mediátory (parakrinní regulace) ► odpovědi buněk na složky buněčných membrán sousedních buněk a na složky extracelulární matrix - kadheriny, integriny - důležité z hlediska metastatického procesu ► přímý přenos signálů (malé molekuly asi 1 kDa) mezi buňkami prostřednictvím membránových spojení, tzv. gap junction GJIC - gap junctional intercellular communication (homologní nebo heterologní) vytváření konexonů z proteinů konexinů Poruchy GJIC mohou vést k deregulaci růstu a k neoplasii - negenotoxické mechanismy karcinogeneze J Formy mezibuněčných signálů {A) CONTACT-DEPENDENT signaling cel! target cell membrane bound signal molecule (C) SYNAPTIC neuron synapse (B) PARACRINE local mediator cell body target cell neurotransmitter (D) ENDOCRINE receptor endocrine cell r\ target cell hormone £ bloodstream target cell JFigure 15-4 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. ■ Autokrinní signál A SINGLE SIGNALING CELL RECEIVES A WEAK AUTOCRINE SIGNAL IN A GROUP OF IDENTICAL SIGNALING CELLS, EACH CELL RECEIVES A STRONG| AUTOCRINE SIGNAL iFJQuffe 15-6. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Vazba mimobuněčných signálních molekul na povrchové nebo vnitrobuněčné receptory CELL-SURFACE RECEPTORS cell-surface P'asma membrane receptor hydrophilic signal molecule INTRACELLULAR RECEPTORS small hydrophobic signal molecule 7 carrier protein intracellular receptor nucleus Figure 15-3. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signálni dráhy aktivované mimobuněčnou signálni molekulou EXTRACELLULAR SIGNAL MOLECULE RECEPTOR PROTEIN INTRACELLULAR SIGNALING PROTEINS £3 metabolic gene regulatory cytoskeletal enzyme protein protein I I I altered gene alterejdcell expression movement TARGET PROTEINS altere_ metabolism fixnration shape or Figure 15-1. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobuněčných signálech B C A SURVIVE B / ■ DIVIDE ^ (D B l DIFFERENTIATE^ "^^^ DIE )X( »II Figure 15-8. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Tři hlavní způsoby mezibuněčné komunikace Nongenotoxic chemicals (e.g.: TPA, DDT and Phenobarbital) Cell adhesion molecules Endogenous regulators (e.g.: hormones, growth factors, neurotransmiters) Extracellular communication 0^ projtein Active Q protein ................ Cytoplasmic receptor Second messages Intracellular communication Gap junction Intercellular communication A alters membrane function B activates inactive proteins C modulates GJ function D modulates gene expression According to: J.E.Trosko: Environmental Health Perspectives; 106: 331 - 339, 1998 r Hlavni mechanismy charakterizující negenotoxickou karcinogenezi ■ ovlivnění mechanismů signálové transdukce ■ ovlivnění exprese onkogenů, nádorově supresorových genů a genů buněčného cyklu ■ aktivace specifických receptorů ■ produkce reaktivních kyslíkových radikálů (ROS) ■ změny v metylaci DNA nebo v acetylaci histonů ■ změny GJIC ■ změny buněčného cyklu ■ změny proliferace (regenerativní nebo mitogenní) ■ změny v apoptóze ■ změny v rovnováze vyúsťující ve změnu obratu buněk ve tkáni J environm. chemicals drugs, radiation, dietary PUFAs, fiber changes of membrane properties cytosolic receptors, transcription factors (AhR, NFkB etc.) RE EXTRACELULLAR STIMULI ,7/ drug-and hormone metabolizing enzymes INTRACELULLAR SIGNALLING PATHWAYS hormones, growth factors, cytokines membrane receptors prooxidative/ antioxidative balance nuclear receptors (PPARs, RXR? etc.) transcription factors (AP-1, etc.) histone acetylation/ deacetylation DNA methylation ALTERED GENE EXPRESSION on transcription, translational or post-translational levels Main epigenetic (non-genotoxic) mechanisms involved in carcinogenesis CLctborci t>r ylokinelikv nioFvBihöIni üsfcciv flVČnr UNO r VYZNÁM GJIC udržování homeostázy ve tkáních šíření signálů regulujících proliferaci a diferenciaci mezi buňkami Faktory inhibující GJIC - umožňují klonální expanzi preneoplastickych buněk ► růstové faktory (EGF) ► negenotoxické karcinogény, nádorové promotory ► onkogeny -exprese některých onkogenů koreluje s redukcí GJIC Faktory stimulující GJIC ► růstově inhibiční látky ► látky působící protinádorově - retinoidy, karotenoidy, dexamethasone Výzkum genů pro konexiny - fungují jako nádorově supresorové geny - uplatnění v terapii J Gap junctional intercellular communication (GJIC) by mohla byt integrujícím faktorem, který propojuje všechny teorie karcinogeneze dohromady. Mají totiž zásadní roli při udržování tkáňové homeostázy a existuje řada důkazů na podporu jejich zásadní úlohy v tomto procesu. ■ pro většinu nádorových buněk je charakteristická dysfunkce homo- nebo heterologní komunikace ■ většina nádorových promotorů inhibuje (reverzibilně) GJIC ■ růst. faktory a hormony mající nádorově promoční účinky inhibují GJIC ■ onkogeny jako jsou ras, raf, src mohou snižovat GJIC ■ nádorově supres. geny zvyšují GJIC ■ transfekce nádorových buněk konexinovými geny obnovuje GJIC a růstovou regulaci těchto buněk ■ "antisense" geny pro konexiny mohou snižovat GJIC ■ protinádorové látky a chemopreventivní agens zvyšují GJIC ■ konexinové geny fungují jako nádorově supresorové geny ■ GJIC jsou důležité pro adaptivní odpověď i apoptózu Snižování GJIC exogenními chemickými promotory nebo endogenními růst. faktory nebo hormony vyžaduje ■ překročení prahové dávky ■ stále, pravidelné chronické působení U všech známých epigenetických a negenotoxických látek existují prahové hodnoty, pod nimiž je buňka schopna obnovovat svůj původní stav bez osudových důsledků. Je jasné, že také různé typy chemikálií mají své prahové hodnoty pro modulaci GJIC a cytotoxicitu a že také různé živ, druhy a různé typy buněk reasuií na tutéž látku různě. „Gap junctions'^ buněčné homeostáze Gap Junctions in Cellular Homeostasis Distal cell Toxic Chemicals Extracellular Communication Translational Regulators ■ /w^^^Sr"" Transcriptional Regulators Y V ^« I Post translational Regulators -J Intracellular Communication Biological End Points V-y- Cell ...........*V-.,j^ Apoptosis proliferatioQ Vs**.. Ceil X............... Differentiation * Intercellular Communication Adaptive responses of differentiated cells Fig. 1. Endogenous extra-cellular signals which can trigger various intra-cellular signal transducing mechanisms can either increase or decrease gap junctional intercellular communication between the cells in a multicellular organism. Growth, wound healing tissue repair, pattern formation or tissue differentiation, programmed cell death and adaptive responses of tissues occur when either there is an up- or down-regulation of gap junction function. (Reproduced from Trosko, IE., Inoue, T., 1997. Oxidative stress, signal transduction, and intercellular communication in radiation carcinogenesis. In: Dainiak N., Schull, W.J., Karkanitsa, L., AJeinikova, O.A. (Eds.), Radiation Injury and the Chernobyl Catastrophe, AiphaMed Press, Ohio, published as a supplement to Stem Cells 15(Suppl. 2):59-67). Model gap junctions Small ions and molecules pass through gap junction channels, but macro molecules cannot. Connexon 1 Connexon 2 Gap junctional channels are comprised of two connexons. Each connexon contains six connexin subunits. FIGURE 1. Model of gap junction particles embedded in the plasma membranes of two adjacent cells. Gap junctions Igap of |2-4 nm two connexons rn register forming open channel between adjacent cells (A) Interacting plasma membranes channel 1.5 nm in diameter 9ft homomeric heteromeric connexins connexons (B) connexon composed of six subunits ffl homotypic heterotypic intercellular channels JFigure 19-15. Molecular Biology of the Cellr 4th Edition. Connexon "Hem i channel1. Conne#on 1H emir; hen n el'' '■■■"■■j^.jjj. JJJiiJJJJJliiJhjiil'jj, (JIJII 39* <5£ ^* HoTTQlypic heterotypic NdEfOmerc HoTnormoric Hornorneric Heterotypic Figure 2 Assembly of connexins into gap junctions Cx^3 and Cx45. ai exannplE3 of connexin family rriEmbe's, typically thread Ihrough the membrane four times, with the AT, Cfand CL exposed to the cytoplasm. Connexin arrangement in ihe membrane also yields two extracellular loops dec ignited EL 1 and EL 2. Sixconncxirs oligomcrizcinto iconncxon or hemi channel :hat docks in homotypic, heterotypic and combined hctcrotypic/hcrromcric arrangements. In :otal,as many as 1-1 differen: connexon arrangement cai form when two membsrs of the connexin family intermix. v&c-Src kinase^ Protein kinase C MAP kinasei Ccfc2 kinase Casein kinase 1 Protein kinase zo-2 « & [J tubulin Figure 4 Cx43-binding proteins Protein kinases known to phosphorylate Cx43 are shown along the top of a diagrammatically represented gap-junction plaque. A number of scaffolding proteins and proteins of unknown function that have been shown to bind directly or Indirectly to Cx43 are shown along the bottom of the gap-Junction plaque. It Is Important to note that I: Is not necessarily expected that all proteins shown here bind to Cx43 while it is a resident of the gap-junction plaque. MAP kinase, mitogen-activated protein kinase; CIP85, Cx43-interacting protein of 85 kDa. CybopltHrnic Cell i t T rr_. [Ca _IR ,CAMP) Cell a (pjot^inl Eprtn^lluLu- runsriiNi-nlarr" im I. A schematic diagram of a gap junction, plaque joining the cytoplasm of two adjacent cells (Cell 1 and Cell 2: top panel). The opposed. phospholipid bd layers axe traversed by connexons that cluster and aggregate Ln the plane of the membrane to form a gap J unct Jon plaque. Connexons from twa adjacent cells form an intercellular channel that allows- the passage of smaJJ (s) molecules Cup to 1.5 kDa)_such as Ca++_ IF5, and cAMP. but not Largs (L-) molecules such as proteins, from the cytoplasm of one cell to the other. Dc pending o n the type of connexin (for esc. "black, grey, light grey), the connexon formed could be homomeric or heteromeric and consequently the gap junction could be homotypic or heterotypic with selective permeability 1 ■ A. + /j. Each connexon (middle panel) is made of six connexins (17 2, 3, 47 57 and. 6). Tangential twisting of the connexon mediates gap junction gating that opens (left connexon) or closes (right connexon) the hemichannel. Changes in cytoplasmic pH and calcium (Ca) ion concentration, among, other things, regulate gap junction function. A connexin (lower panel) has four hydrophobic transmembrane domains, two extraceUular loops (El and E2)_ one cytoplasmic Loop of different lengths (indicated by connexin iso-forms a, and N- and C-termini, both cytopJasmic. The main variation between the different connexins resides in the C-terminal domain and the cytoplasmic loop. P. indicates phosphorylation sites (Adaptedfrom (4)). Syntetické dráhy konexinů a tvorba homo-nebo hetero-buněčných G J struktur a jejich partnerské vazebné molekuly. Konexiny putují z ER do Golgiho aparátu. Vytvořené konexony jsou transportovány do plasmatické membrány, kde se sdružují s konexony sousedních buněk a tvoří GJ kanály. Optimální diferenciace savčích epiteliálních buněk v komplexním prostředí vyžaduje regulované vazby GJ útvarů s dalšími proteiny (beta-katenin, klaudin, okludin, tubulin). Kromě toho musí být funkční další vazby zajišťující interakce buňka-ECM, adheze buňka-buňka a signály rozpustných faktorů. 2- Schematic djau.rajn Thawing the synthetic pathway of connexins and the assembly route into hom.oceLLu.Lar (between epitheLLaJ ceLLs or between. myoepitheLLaL cells 1 or possible heterocellular ^between epithelial and myoepithelial ceJLs) gap junctional fGJ) structures, and their known binding partners. Connexins traflEic from the ER to the GoJgi. Oonnex-ons pinch off in vesicles from the Golgi apparatus and are transported to the pLasma membrane where they align and dock with other connexons from the neighboring ceJJ to form a gap junctional channel. The precise localization and manner of how connexin binding partners fie. Src_ ^-catenin, p-120 catenin, cLaudin. occJudin. and tubuJin") associate with the C-terminus of connexin is not cLear yet. Optimal mammary epithelial ceLL differentiation in a complex tissue environment requires the proper assembly of gap junctional plaques with their associated, proteins in addition to proper ceJJ/ECM interactions. cell/cell adhesion, and soluble factor signaling. BM basement membrane. Gap Adherens Tight Junction Junction Junction Figure 5 Junctional complexes arranged in a nexus Gap junctions composed of connexins, adherens junctions consisting of cadhehns and tight junctions made up of occludins and claudins are often closely arranged in epithelial cells and share common bi nding proteins that scaffold to actin and microfilaments. Binding-protein-mediated cross-talk allows these three junctional complexes to act as a nexus and be governed by some common regulatory events. Uloha ztraty heterologniho typu GJIC v karcinogenezi lb Fig. 3. Putative role of the lack of heterologous type of GJIC in tumorigenesis. Foci of tumor eel Is "without (A) or with (B) capacity in coupling homologously, that is among themselves, both do not communicate heterologously with surrounding normal counterparts, resulting in their autonomous selective outgrowth and malignisation. Model růstové kontroly prostřednictvím gap junctions (GJ) Růstově stimulační signál Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes G J a dosahuje substimulační úrovně K difú buněčné dělení mm Iwi zahájeno Model růstové kontroly prostřednictvím gap junctions (GJ) Růstově inhibiční signál Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes G J a zabraňuje buněčnému dělení Signál dělení r Loss of growth control Loss of apoptosis I control \ dysplasia I adenoma \ Loss of / \ senescence J vcontrol^^ genomic instability activation of proteases non-infiltrating carcinoma infiltrating carcinoma Metastasising tumour cell Molecular biological Morphological Tumour progression Molekulärne biologickä a morfologickä progrese nädorü Rovnováha v buněčných populacích je udržována přesnou regulací procesů proliferace (bun. cyklus), diferenciace a apoptózy Mitóza G1 GO Diferenciace S N S-fáze ss \ S N X S S \ Senescence G2------------------> Apoptóza Vztah mezi proliferací, diferenciací a apoptózou I + proliferation (necrosis) % t time (t) t r v A. Kozubík: BFU AV CR, 1999 RAKOVINA JE PROLIFERATIVNI CHOROBOU Základním dějem v životě buňky je dělení. Řetěz dějů, který vede k replikaci DNA a k dělení buňky má 4 základní části: vznik signálu, rozpoznání signálu, přenos signálu a odpověď. Buněčné dělení hraje klíčovou úlohu v každém stadiu vývoje nádorů a je zcela zřejmé, že zvýšená proliferace může zvyšovat riziko malignity: důležitá pro fixaci poškození DNA, n usnadňuje mutagenezi (výskyt a fixace mutací) n umožňuje klonální namnožení iniciované buňky n po vzniku dalších mutací je na ní závislý přechod od neolastické populace k malignitě Kromě toho lze na malignitu pohlížet jako na poruchu diferenciace, protože n malignita vzniká z kmenových buněk v důsledku maturačního bloku, n může dojít k dediferenciaci zralých buněk, které si zachovaly schopnost proliferace. Třetím významným procesem, jehož poruchy ovlivňují vznik nádorů je programovaná buněčná smrt-apoptóza. Úloha buněčné replikace v mnohastupňovém procesu karcinogeneze CELL REPLICATION DNA lesion Initiation CELL REPLICATION 'Fixation* of DNA lesion Promotion Clonal growth stimulus for mutated cells Clonal growth of mutated cells CELL REPLICATION CELL REPLICATION Progression Second mutation CELL REPLICATION CELL REPLICATION Further mutations introduce growth independence (neoplasia) Progression Neoplastic cells become malignant GROWTH FACTORS \ QPCNA^ che MITOSIS - fos, jun, myc ^ L A —2 J G1 PHASE - t ^ Cycle 'checkpoint GROWTH FACTORS G2 PHASE S PHASE The cell cycle, with controlling factors and main checkpoints for transition from one phase into the next. MPF = M-phase promoting factor (p34 ana cyclin B); SPF = S-phase promoting factor; START = decision point for division of differentiation; E2F = transcription factor involved in DNA synthesis; p107 = protein related to Rb; p33 = cyclin-dependent protein kinase; p53/Rb = inhibitory proteins; CDK = cyclin-dependent kinase; PCNA = proliferating cell nuclear antigen. Poruchy normálně propojených procesů proliferace a diferenciace + nepřiměřená stimulace proliferace (příp. inhibice apoptózy) - vznik nádorů Buňky se stávají nádorovými, protože nejsou schopny diferencovat v odpověď na příslušné vývojové signály a tak ztrácejí schopnost zastavit produkci růstově stimulačních faktorů a aktivovat dráhy přenosu signálů růstových inhibitorů produkovaných diferencovanými buňkami (např. exprese receptoru apod.) AUTOKRINNÍ RŮSTOVÁ ODPOVĚĎ - autokrinní smyčka - buňka exprimuje a je stimulována růstovým faktorem, stává se nezávislou na okolním prostředí - autonomie PORUCHY V PARAKRINNÍ REGULACI - ovlivnění produkce růstových faktorů okolních buněk (fibroblasty, endoteliální buňky, monocyty) Změny regulace exprese (nikoli biochemické povahy) jednotlivých faktorů. Nádorové buňky produkují řadu růstových faktorů a cytokinů: TGFoc - transforming growth factor alfa basic fibroblast growth factor (bFGF) Insulin-like factor PDGF - platelet derived growth factor TGFp - transforming growth factor beta PORUCHY PRODUKCE HORMONŮ -hormonálně závislé nádory Uplatňuje se interference různých produktů nádorových a normálních buněk Mechanismus mitogeneze v normálních a transformovaných buňkách © B: Schematic representation of possible perturbations of the growth factor related mitogenic pathways in transformed cells: (1) represents endogenous production of growth factors that may stimulate the cell in autocrine fashion. The endogenously produced factors may be secreted and interact with growth factor receptors at the cell surface (as shown) or, alternatively, activate the receptor in an intracellular compartment. (2) represents production of the growth factors that may mimic the functional activity of a growth factor receptor. (3) represents production of factors that may mimic the functional activity of a regulatory component along the intracellular messenger system. A: Schematic representation of the growth factor related mitogenic pathways in normal cells: (1) represents the growth factor per se, (2) the growth factor receptor, (3) the intracellular messenger system that transmits the mitogenic signal from the receptor to the nucleus. © 77T XXXXX © VÝVOJ tkaní savců se uskutečňuje v prostředí regulačních RŮSTOVÝCH FAKTORŮ (ovlivnění přežívání, proliferace, diferenciace) CHOVANÍ BUNĚK JE OVLIVŇOVÁNO ROVNOVÁHOU MEZI STIMULAČNÍMI AINHIBIČNÍMI SIGNÁLY (nespecifické a specifické). Hierarchická struktura vývoje tkání - obnovné buněčné populace: ■ kožní epitel ■ střevní epitel ■ krvetvorné systémy ■ zárodečné populace KMENOVÉ MULTIPOTENTNÍ BUŇKY (schopné sebeobnovy) PROGENITOROVE BUNKY (více diferencované, částečně schopné dělení) ZRALÉ TERMINÁLNE DIFERENCOVANÉ BUŇKY (nedělící se klidové buňky, v G0 fázi) Je nutné, aby byla dodržována přísná rovnováha počtu a typů buněk v jednotlivých kompartmentech. The early acting growth factor which maximises host defense Myeloid Stem Cell GM-CSF IL-3 GM-CSF IL-3 CFTJ-G CFU-M GM-CSF [g-csf CFU-E EPO CFU-Eo GM-CSF M-CSF GM-CSF 1L-5 IL-3/1L-4 It M eg a ka ry o b I a s t GM-CSF llL-3 Myeloblast Monoblast Proerythroblast I EPO O Erythrocyte Megakaryocyte 1 GM-CSF G-CSF Neutrophilic Myelocyte I GM-CSF lC-CSF GM CSF M-CSF m Promonocyte Myeloblast GM-CSF jlL-5 m Myeloblast IL-3/IL-4 Platelets Polymorphe« nucleated Neutrophil IOC 1! GM-CSF M-CSF Eosinophilic Myelocyte IGM-CSF jlL-5 Monocyte I GM-CSF Lm-csf - Eosinophil Macrophage m Basophilic Myelocyte I IL-3 / IL-4 Basophil IL-3/ IL-4 SMRT TERMINÁLNI A DIFERENCIACE 31 EXR MUTACE 2-n nebo PROGRESE MALIGNÍ ZVRAT INICIOVANÉ BUŇKY Model iniciace/promoce/progrese v karcinogenezi. (31; míra terminálni diferenciace a smrti kmenové buňky; p2, míra smrti, ale ne term. Diferenciace iniciované buňky; o,,míra buněčného dělení kmenových buněk; oc2, míra uněčného dělení iniciovaných buněk; ju15 míra molekulárních dějů vedoucích k iniciaci (tj., eventuálně mutaci); ju2, míra výskytu druhého zásahu v iniciované buňce. J Signální dráhy v normálních buňkách STIMULATORY PATHWAYS Normal cell INHIBITORY PATHWAYS because inhibitory signal fails to reach nucleus QĹ ■ 5 EXAMPLE OF STIMULATORY ABNORMALITY EXAMPLE OF INHIBITORY ABNORMALITY Odpověď buňky na růstově stimulační a inhibiční signály a její poruchy v karcinogenezi GROWTH FACTOR GROWTH-INHIBITING FACTOR STIMULATORY PATHWAY NORMAL CELL REPRODUCES ITSELF {sequence at top) in response to stimulation by external growth factors (green); it stops dividing in response to inhibitory factors (red, far right). For either reaction to occur, messages from the factors must be relayed deep into the target cell (large panels). Many cancer-causing genes are abnormal versions of ones that code for proteins in stimulatory pathways (left panel). The altered genes, called oncogenes, cause stimulatory proteins to be INHIBITORY PATHWAY a Ính?b!™g FACTOR TRANSCRIPTION \ FACTOR-^ NUCLEUS PROTEIN THAT BLOCKS & CELLS FROM DIVIDING EFFECT OF MUTATION IN P53 GENE v ABERRANT P53 PROTEIN IS UNABLE TO .**v ACTIVATE GENES NUCLEUS PROTEIN NEEDED TO STALL CELL DIVISION IS NOT MADE overproduced or overactive. In one example, mutation of a particular ras gene can lead to synthesis of a hyperactive ras protein (inset at left). Many other cancer-related genes code for proteins in inhibitory pathways (right panel) and are often called tumor suppressors. Damage to these genes can promote cancer if the defects prevent inhibitory proteins from being made or functioning properly—as often occurs when the p53 gene is mutated {inset at right). pro - TG Fa ,••0 latentní TGFp proteolýza aktivace TGFa \ TGFp 7 Transformace 5 ♦ Pozitivní/negativní růstová kontrola epiteliálních buněk. TGFa růstově stimulační signál a TGFp růstově inhibiční signál v rovnováze = normální regulace růstu. Neoplastická transformace vzniká z poruch v jednom nebo více následujících bodech: (1) akumulace pro-TGFoc spojeného s plasmat. membránou přilehlých buněk poskytující dlouhodobý a lokalizovaný pozitivní signál; (2) změny v receptoru pro EGF/TGFoc vedoucí ke konstitutivní aktivaci pozitivních postreceptorových drah přenášejících signál; (3) amplifikace hladiny TGFa mRNA vyúsťující v pozitivní signál; (4) ztráta schopnosti aktivovat latentní TGFp; (5) ztráta receptoru pro TGFp; (6) změny negativních postreceptorových drah přenášejících signál. Vyjmenované změny mohou přispívat k transformaci epiteliálních buněk nerovnováhou pozitivních a negativních růstových signálů. 4 + 3 Hormonálně závislé nádory (prsu, endometria, prostaty, varlat, štítné žlázy, kostí) představuje ojedinělý mechanismus karcinogeneze. Endogenní a exogénni hormony podporují proliferaci, zvyšují počet buněčných dělení a pravděpodobnost náhodných genetických chyb. Hormonální stimulace působí v promočním stadiu a pokračuje do progresivního stadia. Polygenní model a biomarkery Neoplasie hormonálně závislých tkání představuje víc než 32% nově diagnostikovaných nádorů u mužů a více než 40% u žen. Genetický základ hladiny hormonů je důležitým rizikovým faktorem (polymorfismus metabolických genů) a dále se uplatňují různé vnější faktory ovlivňující hladinu hormonů (dieta, fyz. aktivita). Důležité charakterizovat geny odpovídající za interindividuální rozdíly v hladině hormonů a jsou zahrnuty v metabolismu a transportu hormonů. Multigenový model predispozice k nádorům prsu, který obsahuje několik genů zahrnutých v biosyntéze, vazbě a transportu estrogenů. Geny endokrinní regulace, Další geny - reparace DNA, nádorově supr. geny a onkogeny. BRCA1 a 2 - nádorově supresorové geny - nádory prsu a vaječníku. r Některé signální molekuly vážící se na molekulární receptory steroid tyrosin kináza □ cytoplazma 33 R ME B mm jádro aderná membrána Si 39 Model působení jaderného receptoru pro tyroidní hormony (b) Binding ol TR n presence ot TH —* i □activator recruitment hi store acetyl ation T open, active chromalin —> transGripion T (a) Normal chromatin: basal levels of htstone acetylation and transcription iCoactivator complex.. TH response element Binding c.i TR In DNA ~| Linker DNA Mstone DNA TH '--y Nudeosome (c) Binding of tr in absence of TH -> oorepressor recruitment deacetylated histones -closed, repressed chromatin —? no transcription V Chromatin Core pre s so r i . complox Fig. 2. Model otthe proposed action o1 nuclear thyroid hormone (TH) receptors (TP). Binding of TR to TH response elements ot target genes can occur in the presence (+ TH) or absence (-TH) ot hormone. TR preferentially binds to DNA as a leterodimer wi:h the retinoid X receptor (RXP). Binding to DNA results in recruitment ot coactivator or compressor protein complexes, modification ot chromatin structure and the subsequent activation or repression of trarscripticn. Note that this mode of action operates tor the TRa1 and TRp isoforms. Structural changes in the carbo^y-terminal domain of the TRa2 isoform prevent TH binding, resulting in inhibition ot transcription even in the presence of TH. T, process increased. Dauncey MJ, Proc. Nutr. Soc, 60, 2001 Estradiol a v menší míře ostatní steroidní hormony podporují buněčnou proliferaci, která usnadňuje fixaci genetických chyb. Zárodečné mutace v příslušných nádorově supresorových genech urychlují transformaci do maligního fenotypu. Ovary ESTRADIOL and OTHER STEROID HORMONES EpiirwMl Cull Uulnjnwil Phoralypŕ Germline mulalLoji acgumulaTů during cell division ŕftff. TPS3) floes of ftůt&růzygoaity} STIMULACE ESTROGENNÍHO RECEPTORU GF - růstový faktor, E2 - estradiol, R-E2 - estrogenní receptor, ERE - responsivní element DNA, AP-1 -transkripční faktor Superrodina vnitrobuněčných receptoru DNA-binding domain ■c (A) Podobná struktura receptoru s vazebnou doménou (B) Receptorový protein v inaktivní formě vázán na inhibiční proteiny (C) Po vazbě Ugandu disociace inh. proteinu a navázání koaktivátoru k transkripci aktivující doméně receptoru (D) Trojrozměrná struktura domény vážící ligand bez a s navázaným ligandem. Alfsa helix (modře) funguje jako víčko zajišťující polohu ligandu Odpověď indukovaná aktivací hormonálních receptoru (A) EARLY PRIMARY RESPONSE TO STEROID HORMONE (B) DELAYED SECONDARY RESPONSE TO STEROID HORMONE steroid hormone T— steroid hormone receptor -V secondary-response proteins □O °o < r DNA 1 steroid-hormone-receptor cornpfexes activate primary-response genes DNA c£p ego induced synthesis of a few different proteins in the primary response 8 primary-response protein shuts off primary-response genes a primary-response protein turns on secondary-response genes Figure 15-14 pan: 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Nádory endometria Zvýšené riziko vzniku - expozice estrogeny nevyrovnávaná progestiny. Kombinovaná antikoncepce estrogenu a vysokých dávek progesteronu (od 21 do 28 dne cyklu) snižuje riziko. Důležitým rizikovým faktorem je také obezita, která ovlivňuje produkci hormonů. Vysoké riziko existuje u samostatně žijících žen a snižuje se s každým těhotenstvím (vysoká hladina progesteronu. Nádory prsu Estrogeny mohou indukovat a podporovat rozvoj nádorů mléčné žlázy (důkazy u hlodavců). Riziko- kumulované působení estrogenů. Raný nástup menstruace a pozdní menopauza maximalizují počet ovulační ch cyklů. Prodloužená laktace a fyzická aktivita mohou počet cyklů redukovat Konzumace alkoholu (více než 60g alkoholu denně) - lineární vzrůst nádorů - zvyšování hladiny estrogenu v plasmě a hladinu tzv. insulin-like růstového faktoru. Primárním zdrojem estrogenu u žen po menopauze je přeměna androstenedionu na estron v tukové tkáni. Nádory prostaty Důležitá je biosyntéza, aktivace, inaktivace a transport androgenů, rizikový faktor je věk a etnicita (zvýšený výskyt - Afričané, Američané) r Exogénni hormon^ Existují rozsáhlé vnější zdroje steroidních hormonů. - hormonální náhradní terapie (HRT) a antikoncepce. Antikoncepce zahrnující estrogen a vysoké dávky progestreonu snižuje riziko vaječníku a dělohy. HRT může zvyšovat riziko nádorů prsu, ale důkazy jsou mnohdy protichůdné. Riziko představuje zejména u žen s rodinou anamnézou nádorů prsu. Řada přírodních látek působících podobně jako hormony (hormon-like) může vykazovat také např. estrogenní aktivitu Poznatky o úloze hormonů v karcinogenezi však neumožňují jednoduše řešit tento fenomén, protože to není tak lehce modulovatelný faktor jako třeba kouření. Jednoduše nemůžeme odstranit nebo snížit endogenní hormony. Nové strategie pro detekci a prevenci - biomarkery zvýšeného rizika např. specifický genotyp a nová chemoprevence. Antihormonální terapie (např. tamoxifen, fmasterid) zpomaluje proces progrese. J Smith CL and O Malley BW, Endocrine reviews, 25, 2004 Fig, 1. Model of nuclear receptor-dependent gene expression. This represents a hypothetical schematic of the exchange of coregulators involved in activation of a gene by a steroid hormone receptor, such as ERn. Co activators and corepressors exist in complexes in the cell and do not appear bo bind to receptor as monomers. A, In the presence of antiestrogens, such as tamoxifen (T), the receptor interacts with a complex of corepressor proteins, including SMRT and/or NCoR, that maintains the gene in an inactive state. B, In the unliganded state, ERn may bind to either corepressor or coactivator complexes. Intracellular signaling can influence the extent of interaction with these complexes and therefore the relative magnitude of basal receptor activity: less activity when bound to corepressor complexes and more activity when the equilibrium is shifted to coactivator complex interaction, C-E, When estrogen iE) activates the receptor, a series of coactivator complexes bind and exchange in a programmed sequence to deliver functions needed to activate the gene (see series of reactions, panels C-E). This arguably involves the sequence of histone acetylation (or other modifications; carried out by histone acetylases (CBP/pSOO and SRCs}, followed by a complex containing BRG-1/BAF57, which unwinds DNA and remodels the chromatin, followed by a complex involved in initiation of transcription. These early complexes all may include SRC-1 or one of the other members of the SRC-1 family. After initiation, reinitiation/maintenance of transcription is carried out by TRAP220 and the TRAP/DRIP complex of proteins, which, in turn, interact with RNA polymerase II itself. F, Finally, coactivator complexes and the receptor itself are turned over at the promoter by proteasome-dependent processes. The presence of protein complexes containing ubi quit-in ligases, such as EG-AP and MDM2, which poly ubiquitinate proteins and target them for degradation by the 26S pro teasome, have been noted. The turnover leads to down-regulation of receptor/coactivator levels, but this turnover also is required for efficient continued transcription of the gene, DBD, DNA-binding domain; HDAC, histone deacetylase; Ub, ubiquitin.