Nádorové onemocnění
Základní pojmy
Mutace
Nádorové onemocnění
Rakovina
nejrozšířenější epiteliální nádory – karcinomy
Hippocrates (400 př.n.l.) popsal rakovinu jako dlouhé výběžky
(podobné račím nohám) vybíhajícím do zdravých tkání:
řecky : karkinos (rak), onkos (krab)
anglicky : cancer
nemecky: der Krebs
Onkologie - věda o nádorech
Onkologická onemocnění - nádorová onemocnění
Karcinogeneze (kancerogeneze, onkogeneze, tumorigeneze)
vznik a rozvoj nádorového onemocnění
2
Historie
popisné (epidemiologické) poznatky:
1775 - rakovina šourku u kominíků (souvislost s výskytem škodlivin
v sazích)
1848 - zvýšený výskyt rakoviny prsu u jeptišek (souvislost s bezdětností
a nekojením)
1902 - souvislost RTG paprsků a vzniku rakoviny poč. 20. stol. - rodinný
výskyt nádorů
1910 - Rous - infekční přenos nádoru u kuřat
● studium nádorových virů (onkogen - fragment virových genů způsobujících
nádor)
● protoonkogeny - souvislost s mitogenní signální dráhou, pomalu
transformující viry
● nádorové supresory
● přenosy DNA (transformace, transfekce)
● biochemie: studium onkoproteinů, jejich lokalizace, interakcí
● molekulární biologie: izolace, charakterizace a cílená exprese eukaryotických
genů
● buněčná biologie: studium molekulárních mechanismů řídících růst buněk,
buněčné dělení
● genetika somatických buněk a virů: funkční testy jednotlivých genů
3
Pojem „rakovina“ odpovídá více než sto formám této choroby. Téměř
všechny tkáně v těle mohou podlehnout malignitě.
Asi 30 trilionů buněk v normálním zdravém organismu žije ve složitém
vzájemně propojeném svazku, regulujíc vzájemně svou proliferaci.
Vzájemná spolupráce buněk zajišťuje, že každá tkáň těla udržuje svou
velikost a architekturu.
Nádorové buňky naopak ničí toto schema, stávají se hluchými k obvyklé
kontrole proliferace a vytvářejí si svůj vlastní vnitřní program reprodukce.
Kromě toho mají ještě nebezpečnější vlastnost - schopnost migrovat
a tvořit masu ve vzdálených částech těla. Nádory z takovýchto buněk
se stávají čím dál agresivnější a stávají se letální, jestliže rozrušují tkáně
a orgány důležité pro přežití organizmu jako celku.
4
Nádor
je nová a abnormální tkáň v mnohobuněčném organizmu,
která v tomto organismu
nemá fyziologickou funkci a roste neregulovaným způsobem.
Je to geneticky podmíněný abnormální přírůstek buněčné
tkáňové hmoty klonálního charakteru.
Jeho růst není v koordinaci s růstem okolních tkání a
rovnovážným stavem organizmu.
5
Nádory vznikají z naší vlastní tkáně.
Teorie „nádorové kmenové buňky“ – nádor je obecně odvozen od jedné
buňky která se dramaticky mění po sérii genetických změn.
Zdravá buňka má definovaný tvar a strukturu a prosperuje mezi
uspořádanými okolními buňkami.
Odpovídá na podněty ze svého okolí a dává vznik dceřinným buňkám jen
tehdy, jestliže rovnováha stimulačních a inhibičních signálů z okolí upřednostní
buněčné dělení.
Avšak v procesu replikace nebo dělení existuje stálá hrozba vzniku mutací,
náhodných změn, které mohou tento regulační cyklus porušovat.
Jedna mutace může způsobit, že buňka, která vypadá normálně a je méně
citlivá na vnější signály se může příležitostně začít nekontrolovaně dělit.
Akumulace genetických změn v důsledku genetické nestability může způsobit,
že se dceřinná buňka stane zcela hluchou k externím signálům a vykazuje
znaky malignity.
Buňka ztrácí přesný tvar a hranice, nereaguje na růstově inhibiční signály
a získává schopnost nekontrolovaně se dělit.
Vznikající masa stlačuje a poškozuje zdravou tkáň ve svém sousedství a může
dále překonávat bariéry jednotlivých orgánů a metastázovat, což znamená,
že kolonizuje vzdálené tkáně.
6
Mutace - dědičná genetická změna v buňce (vzniká bodovou
mutací, delecí nebo inzercí jednoho či více nukleotidů, amplifikací
segmentů DNA, inverzí nebo získáním či ztrátou chromozómu,
translokací). Základem je změna genetického materiálu v buňce
nikoli změna v jeho expresi.
Epigenetická změna - je změna v genové expresi beze změny
v sekvenci DNA nebo genetickém obsahu buňky – může být
dědičná.
Iniciovaná buňka, transformovaná buňka - buňka
se změněnou genetickou informací. Vzniká spontánně nebo je
indukována viry, chem. látkami nebo fyzikálními faktory. Má
potenciální schopnost stát se nádorovou nebo maligní.
Benigní nádor - je lokální rozrůstání iniciované buňky, zůstává
na místě vzniku, nemigruje.
7
Maligní nádor - nádor se schopností vrůstat do tkání a rozšiřovat se
do vzdálených míst krevním nebo lymfatickým řečištěm, vytváří
metastázy.
Primární a sekundární nádory
Maligní transformace - přeměna buňky s normálními růstovými
vlastnostmi na buňku maligní ztrácející schopnost adekvátně
reagovat a odpovídat na růstové signály.
Ztráta kontaktní inhibice růstu.
Porušení negativní zpětné vazby. Snížená schopnost komunikace
pomocí mezibuněčných spojení - gap junctions.
Termín Neoplasie (nový růst) se používá pro celý rozsah benigního
i maligního chování buněk.
8
Základní klasifikace nádorů
Výchozí tkáň
Zralé benigní buňky
(nezhoubné)
Nezralé maligní buňky
(zhoubné)
epitel
povrchový papilom karcinom
žlázový adenom adenokarcinom
Pojivo
kolagenní fibrom fibrosarkom
tukové lipom liposarkom
chrupavka chondrom chondrosarkom
kost osteom osteosarkom
Sval myom myosarkom
Cévní angiom angiosarkom
Krvetvorná lymfatická mononukleóza?
leukemie
lymfom, myelom
Nervová
centrální gliom glioblastom
periferní
ganglioneurom
pargangliom
neuroblastom
maligní paragangliom
Zárodečná gonadoblastom
seminom
dysgerminom
teratom zralý teratom nezralý
9
Vznik nádoru je vícestupňovitý proces, který je výsledkem složité
interakce genetických a negeneticky působících faktorů.
1) fáze iniciace - indukce mutací
2) fáze podpůrná (promoční) - preferovaný klonální růst
iniciovaných preneoplastických buněk –– karcinom in situ
3) fáze konverze či transformace – změna fenotypu, vznik
maligního klonu
4) fáze progrese – lokální rozrůstání nádoru, neschopnost
odpovídat na regulační mechanismy, vzrůstající rychlost
proliferace
5) invazivita – šíření nádoru mimo prvotní ložisko – vznik
metastáz
Onemocnění vzniká v zásadě porušením homeostázy na úrovni
buněk a buněčných populací
10
• Iniciace (initiation)
změna genetického materiálu buňky – mutace ireverzibilně mění normální
buňku v preneoplastickou.
• Promoční stádium (promotion)
indukce proliferace (klonální množení) iniciované buňky po působení
tzv. nádorově promočních podnětů (regenerace po odstranění části buněčné
populace nebo po smrti buněk, růstové signály, působení vnějších signálů -
chem. a fyz. faktorů)
zpočátku reverzibilní, později ireverzibilní – přechod do maligní transformace.
• Progrese (progression)
akumulace dalších mutací + působení promočních faktorů, ztráta regulačních
mechanismů
• Invazivita
vznik metastáz.
Základní znaky nádorové populace
• ztráta kontaktní inhibice a kontroly růstu
• ztráta schopnosti terminální diferenciace
• ztráta schopnosti apoptózy
• snížení nebo inhibice mezibuněčné komunikace
11
Ztráta kontaktní inhibice v buněčné
kultuře
12
Mnohostupňový proces karcinogeneze
Iniciace Promoce Progrese
Mutageny
Radiace
Virusy...
Genotoxicita
Negenotoxické
karcinogény
Preneopastické
poruchy
Iniciovaná
buňka
Normální
buňka
Maligní
nádor
Invaze
Metastázy
Aktivace proto-onkogenů
Inaktivace nádorově supresor. genů
Inaktivace antimetastat. genů
Genotoxické
+ negenotoxické
faktory
kokarcinogeny exog.,
endog. (hormony)
Iniciace
Antikarcinogeny (selen, antioxidanty,
složky potravy, vit. A, C, B)
Karcinogen
Prokarcinogen
Aktivace
Detoxifikace
Vazba
na DNA
Reparace
DNA
Není
reparace
Normální
DNA
Mutovaná DNA
v reprimovaném
stadiu
Promoce
Karcinogeneze
Normální stav
Deprese
Pokračujíci
represe
Mutovaná DNA
v reprimovaném
stadiu
Promotory
Antipromotory
Promotory
Antipromotory
Nádor
Nevzniká nádor
14
Homeostáza ve tkáních
je udržována integrovaným systémem komunikačních mechanizmů
(mimo-, vnitro- a mezibuněčných) a reguluje chování buněk především
s ohledem na schopnost proliferace, diferenciace, adaptivní odpovědi a
apoptózy.
Iniciované preneoplastické buňky jsou udržovány v latentním stavu v
důsledku působení těchto "přirozených" regulačních mechanizmů.
V podpůrné (promoční) fázi rozvoje nádorů se uplatňují látky působící
negenotoxickými (nebo epigenetickými) mechanizmy, tzv. nádorové
promotory, které způsobují změny chování buněk v důsledku
deregulace zmíněných procesů.
Zásahy, které vedou ke změnám v expresi genů a k poruchám
homeostázy se odehrávají v buňce na různých úrovních a různými
mechanizmy.
15
Způsoby promoce iniciované buňky
16
Biologické charakteristiky stádií
karcinogeneze
Iniciace • Genotoxický děj (mutace)
• Změna v genetickém materiálu (nukleotidy, chromozómy)
• Ireverzibilní změna
• Vznik preneoplastické buňky
• Vykazuje dávkově závislé vlastnosti
• Možný "spontánní vznik iniciované buňky"
• Je nutné buněčné dělení pro "fixaci" mutace
• Při dávkové závislosti neexistuje práh
Promoce • Negenotoxické (epigenetické) děje
• Změny v genové expresi
• Reverzibilní změny
• Selektivní klonální expanze preneoplastické bun. populace
• Závislá na konstatní expozici látkou s promočními účinky
• Vykazuje dávkově závislé vlastnosti
• Je zjevný práh
Progrese • Genotoxické i negenotoxické děje
• Změny karyotypu a genetická nestabilita
• Ireverzibilní změna
• Tvorba neoplastických útvarů (adenomy a karcinomy)
• Změny podporující přechod preneoplastických buněk v neoplastické
• Autonomie nádorové populace
• Vznik metastáz 17
Figure 11.42 Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
biologicaleffect
increasing dose
dose-dependent
effect of mutagen
dose-dependent effect
of cytotoxic agent
or tumor promoter
18
Nádorová tkáň získává
• nestabilní genom
• necitlivost k okolním signálům (zastavujícím buněčný cyklus a
inhibujícím růst)
• soběstačnost v produkci růstových signálů
• neomezenou schopnost růstu
• neschopnost reagovat na podněty indukující apoptózu
(deregulace apoptických drah)
• schopnost vaskularizace (neoangiogeneze)
• schopnost prorůstat do okolních tkání a kolonizovat
vzdálené tkáně (metastázování)
19
Mutace
Mutace
je definována jako kvalitativní nebo kvantitativní změna v genetické
informaci obsažené v DNA. Je považována za ireverzibilní změnu a může
být indukována viry, fyzikálními nebo chemickými faktory.
Mutace mohou vznikat na úrovni genů nebo chromozómů. Jeden
specifický gen může být změněn přidáním, ztrátou nebo záměnou jedné
baze.
Protein kódovaný tímto genem pak může být změněn s ohledem na
strukturu a funkci.
Jestliže mutace zahrnuje změnu v počtu chromozómů v buňce
(nondisjunkce, polyploidizace), tak potom, i když jednotlivé geny jsou
normální, jejich počet může narušit jejich funkci.
Změny v uspořádání chromozómů způsobené delecí nebo translokací
části jiných chromozómů také mohou způsobit jak mutace genů tak
abnormální expresi genů umístěných na takovémto chromozómu.
21
Mutageny, karcinogeny...
Indukované mutageny - různé chemické látky i fyzikální faktory (např.
ionizující či UV záření), ale i viry, které indukují v buňkách mutace.
Dědičné mutace (Xeroderma pigmentosum, Wilmsův tumor, albinismus
Lynchův syndrom atd.) mohou předurčovat jedince k určitým typům
nádorů.
Mutagenita se nerovná karcinogenitě!
Mutageny mají vysokou pravděpodobnost být i karcinogeny, ale řada
nekarcinogenních látek jsou rovněž mutageny. Naopak také mnoho
nemutagenních chemikálií může být karcinogenní.
Chemikálie jsou označovány jako karcinogeny, jestliže v exponované
lidské populaci je vyšší frekvence nádorů než v neexponované populaci
nebo jestliže se objevují nádory u zvířat, kterým byla chemikálie
podávána.
Kokarcinogeny - zvyšují hladiny buněčných enzymů, které aktivují
karcinogeny.
Antikarcinogeny - chemicky se váží na karcinogen, odbourávají jej, tlumí
enzymy aktivující karcinogeny nebo obsadí cílové místo (kompetitivní
inhibice).
22
Genetické změny a disorganizace
chromozómů v nádorových buňkách
23
Van Noorden C.J.F. et al,
American Scientist 86,1998:130-141
Mateřský a otcovský chromozóm
nesou každý jednu normální kopii
příslušného genu
• Aktivační mutace – mutovaný
gen produkuje protein aktivující
bun. proliferaci, stačí mutace v
jedné kopii genu, dominantní
• Inaktivační mutace – mutovaný
gen neprodukuje protein
zastavující bun. proliferaci nebo
produkuje jeho inaktivní formu.
K mutaci musí dojít u obou kopií
genu, recesívní
Geny se dědí v odpovídajících párech
24
Cavenee W.K. and White R.L., Scientific American 1995:50
Vznik nádorové buňky – klonální evoluce
Buňka vypadá normálně, ale je predisponována
k nepřiměřené proliferaci
Buňka začíná příliš proliferovat,
ale jinak je normální
Buňka proliferuje rychleji a dochází
i ke strukturálním změnám
Normální buňka
1. mutace
4 a další mutace
2. mutace
3. mutace
4. a další
mutace
Maligní buňka
Buňka nekontrolovaně roste
a vypadá evidentně porušená
25
Cavenee W.K. and White R.L., Scientific American 1995:50
Význam mutací u nádorových
onemocnění
Normální frekvence mutací 10-7- 10-8 /nukleotid/bun. dělení. Zvýšená
frekvence mutací podporuje karcinogenezi. Mutace jsou nejen znakem
nádorů, ale jsou také zásadní pro jejich vývoj.
Genom nádorových buněk je nestabilní a tato nestabilita vyúsťuje
v kaskádu mutací, z nichž některé umožňují nádorovým buňkám obejít
regulační procesy, které kontrolují lokalizaci buňky, její dělení, adaptaci
a smrt.
Genetická nestabilita je manifestována velkou heterogenitou buněk
v každém nádoru a přispívá k jejich progresi.
Dva hlavní mechanizmy vzniku mutací v nádorových buňkách:
• deficit v reparaci DNA (kopírování nereparovaných poškození v DNA
nebo chyby během syntézy DNA)
• deficit v rozdělování chromozómů při buněčném dělení
26
Zdrojem nepřesností při replikaci DNA jsou chyby vzniklé při DNA
polymeraci (tj. kvalita DNA polymeráz a souvisejících
„proofreadingových“ procesů) a chyby v systémech reparace DNA.
U nádorů nebyly prokázány defekty v DNA polymerázách, ale byly
prokázány defekty ve dvou hlavních systémech reparace DNA.
•Nukleotidová excizní oprava („nucleotide-excision repair“ NER)
- s ní spojená nestabilita („NER-associated instability“ - NIN)
•Oprava špatného párování („mismatch repair“ - MMR) - s ní
spojená mikrosatelitová nestabilita (MIN)
27
Figure 12.8c Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Oprava špatného párovaní bazí
28
Table 12.1 Weinberg RA, he Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Lidské dědičné syndromy způsobené dědičnými defekty v reparaci DNA
29
V buněčné DNA dochází ke stálému poškozování (environmentálními i
endogenními zdroji) a k resyntéze. Mnoho z takto působících látek jsou
mutageny a řada z nich i karcinogeny.
Poškození DNA chemikáliemi spadá do dvou kategorií:
• rozsáhlé adukty reparované excisí (vystřihnutím) nukleotidů
• malé změny vznikající např. po alkylačních činidlech, která přidávají metyl- a
etylskupiny do nukleotidů, a ty jsou pak reparovány excisní reparací bazí.
Další zdroje poškození DNA:
• přírodní látky v potravě
• buněčné metabolické procesy (reaktivní kyslíkové produkty-ROS)
Vzhledem k vysoké frekvenci poškození je pravděpodobné, že významná část
poškození unikne reparaci a produkuje mutace během replikace této
nereparované DNA polymerázami.
Mutace mohou vznikat též chybnou inkorporací nukleotidů DNA polymerázami při
kopírování nepoškozeného templátu DNA, během replikace nebo reparační
syntézy.
Nukleotidové sekvence v buněčné DNA jsou udržovány v homeostatické
rovnováze, kdy vzrůst poškození DNA nebo snížení reparace vedou
ke zvýšené frekvenci mutací.
30
Faktory vedoucí k akumulaci mutací v nádorových
buňkách
Mutace vznikají poškozením DNA a poruchami v reparačních mechanismech,
čímž je narušena dynamická rovnováha mezi poškozením a reparací DNA.
Nereparovaná poškození DNA
Chybně inkorporované
nukleotidy
Průmyslové
chemikálie
Mutace
Přírodní
karcinogeny
Endogenní zdroje
31
Loeb KR and Loeb LA, Carcinogenesis 21:379-385, 2000
Spojení genotoxického stresu a genomové nestability.
Díky genetické nestabilitě dochází během času k akumulaci mutací buď v gametách nebo
somatických buňkách. Somatické nebo dědičné genetické změny zahrnuté
v genetické nestabilitě postihují funkce jako je reparace DNA a kontrolní body bun. cyklu a mitózy,
což předchází zvýšenou telomerázovou aktivitu. Somatické buňky však vyžadují pro rozvoj nádoru
ještě dysfunkci tzv. „gatekeepers“. Mutace umožňující genomovou nestabilitu jsou v gametách i
somatických buňkách selektovány.
32
How genetic mutations evolve into genomic instability
phenotypes and cancer
Jefford ChE and Irminger-Finger I, Crit Rev Oncol/Hematol 59:1-14, 2006
„Gatekeepers“ – recesivní geny, které přímo regulují
(limitují) růst nádorů buď inhibicí jejich růstu nebo indukcí
jejich smrti.
„Caretakers“ - jejich inaktivace navozuje genetickou
nestabilitu a ta pouze nepřímo indukuje růst nádorů
zvyšováním mutační rychlosti.
APC, p53 - jsou zároveň „gatekeepers“ i „caretakers“
33
Ke genetické nestabilitě přispívají dva překrývající se mechanizmy:
•nádorové buňky vykazují mutovaný fenotyp založený na
vzrůstajícím počtu chyb v syntéze DNA během replikace. Tyto
chyby vznikají v důsledků mutací
▪ v DNA polymerázách, takže vnášejí chyby
▪ v DNA reparačních proteinech, které jsou potom defektní
•akumulace mutací založená na postupných vlnách klonální
selekce.
Buněčný cyklus a apoptóza
V průběhu buněčného cyklu existuje několik kontrolních bodů, kde
je monitorována reparace poškození před vstupem do následující
fáze. Při aktivaci se v těchto bodech cyklus přechodně zastavuje,
aby mohla být poškození reparována. Eliminace těchto kontrolních
bodů (např. mutace v p53, pRb) vede k vývoji mutovaného
fenotypu.
V případě vzniku nereparovatelného poškození se normálně spouští
apoptóza, která zabrání rozšíření mutací. Mutace, které zpožďují
nebo zabraňují apoptóze tak podporují přežití geneticky
nestabilních maligních buněk.
34
Figure 8.4 Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Kontrolní body buněčného cyklu
Kontrolní body poškození DNA:
G1 fáze: vstup do S fáze je
blokován při poškození DNA
S fáze: replikace DNA je zastavena
při poškození genomu
G2 fáze: vstup do mitózy je
blokován, jestliže není dokončena
replikace DNA
M fáze: anafáze je blokována
pokud nefunguje správně tvorba
mitotického vřeténka
35
mutace p53
apoptóza nezávislá
na transkripci
poškození DNA
akumulace
proteinu p53
BAX a FAS
exprese BCL2
exprese
p21WAF1
MDM2 cyklinu
G a GADD45
vazba p53
k transkripčním –
replikačním –
reparačním faktorům
TFIH (XPB a XPD)
apoptóza závislá na
transkripci
apoptóza
reparace
DNA
zástava
buněčného
cyklu
aktivita cdk
36
Figure 9.27c Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Proteiny spouštějící nebo blokující apoptózu
Mutace v genech pro tyto proteiny nebo změny jejich exprese umožňují přežívání
buněk s poškozeným genomem a podporují rozvoj nádorového onemocnění.
37
Mikrosatelity
Velké množství mutací (až 100 000 např. u nádoru kolonu) se nachází
v tzv. mikrosatelitech - repetitivních (opakovaných) sekvencích mezi geny.
Repetitivní sekvence jsou i uvnitř genů a jsou u nádorových buněk
zkracovány nebo prodlužovány s vysokou frekvencí.
Tak dochází patrně k inaktivaci nádorově supresorových genů během
rozvoje nádorů. Na nestabilitě mikrosatelitů se ve velké míře podílejí např.
ROS, takže se uvažuje o využití látek působících jako antioxidanta.
Nádory vykazující nestabilitu mikrosatelitů (MIN) obsahují často změny
v délce repetit. sekvencí uvnitř řady genů spojených s nádory jako je APC,
spec. růstové faktory-IGF, TGF-beta, metastatické geny-hMSH3, hMSH6.
Nalezeno u většiny dědičných non-polypózních kolorektálních nádorů
(HNPCC). Lokus zodpovědný za HNPCC byl zmapován do oblasti 2p16 a
3p21. V roce 1993 poprvé navrženo, že HNPCC může souviset s defekty
MMR a bylo potvrzeno, že „odpovědnými“ geny jsou MSH2
na chromozómu 2 a MSH1 na chromozómu 3. MSH2 a MSH1 odpovídají
za 90% vrozených mutací HNPCC, další jsou PMS1, PMS2 a MSH6.
38
Amplifikace genů
Téměř všechny nádory prsu a vaječníků studované s využitím
srovnávací genomové hybridizace obsahují řadu změn v počtu
genových kopií.
Genová amplifikace se objevuje u některých typů nádorů vyšších
stádií a může souviset s rezistencí k chemoterapeutikům (N-myc,
erb a ras).
Amplifikace se objevují v pozdních stádiích maligní transformace,
jsou spojeny s agresivně rostoucími nádory a signalizují nepříznivý
prognostický vývoj.
39
Genetická nestabilita nádorových buněk se projevuje na úrovni:
• nukleotidů - bodové mutace
• celých chromozómů - translokace, delece, amplifikace a aneuploidie.
Nestabilita vede k mutantnímu fenotypu prostřednictvím změněné
exprese proteinů, funkcí nebo efektem genové dávky.
Aneuploidie - změna v počtu chromozómů - vlastnost řady nádorů. Může
vzniknout fragmentací chromozómů, translokací, amplifikací nebo
nondisjunkcí. Progresivní růst aneuploidie je raným počátečním dějem
vedoucím ke genet. nestabilitě a je nezávislý na akumulaci jiných typů
mutací.
Obecně existuje pozitivní korelace mezi počtem chromozomálních změn
v nádoru a maligním potenciálem tohoto nádorového onemocnění.
Existují tetraploidní mezistupně po defektní mitóze nebo endoreduplikaci.
Po přechodné zástavě mitózy v přítomnosti poškození vřeténka, jsou některé
nádorové buňky (zejména buňky, které postrádají funkční produkty genů
kontrolujících přechod G1/S fáze jako jsou p53, pRb, p16, p21 i buňky se
zvýšenou expresí myc) schopny obnovit bun. cyklus vstupem do dalšího
kola syntézy DNA, což vede k endoreduplikaci.
40
Buňky, které nesou jednu mutovanou alelu nádorového supresoru, ztrácejí
delecí velkou část chromozómu, který nese funkční alelu. V oblastech
s vysokou frekvencí LOH často leží geny nádorových supresorů.
Buňky, které nesou jednu mutovanou alelu nádorového supresoru (např.
retinoblastoma- RB gen), ztrácejí funkční alelu (viz obrázek).
Ztráta heterozygotnosti
LOH („lost of heterozygosity“)
Figure 7.8 Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
41
Dva základní mechanizmy vzniku genetické
nestability:
•mechanizmus zahrnující mutace v genech pro opravu nesprávných
spojení DNA („mismatch repair“) a manifestují se nestabilitou
mikrosatelitů.
Nutná mutace v obou alelách – recesivní charakter.
•mutace v genech pro segregaci chromozómů manifestující se
fragmentací chromozómů nebo duplikací či delecí celých chromozómů.
Stačí pouze jedna mutace, tj. fenotyp nestability chromozómů má
dominantní charakter.
42
S růstem počtu mutací přispívá ke genetické nestabilitě jev klonální
selektivity.
Překážky omezující růst nádorů:
• vliv okolních tkání
• omezená výživa a přístup kyslíku
• potřeba růstových faktorů
• nedostatečné zásobování krví atd.
Každá z těchto překážek může být překonána v důsledku mutací,
které poskytují růstovou výhodu a ustanovují novou klonální populaci.
Z každým kolem selekce dochází také ke vzniku dalších mutací.
43
Figure 11.12 Weinberg RA, The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Hromadění, selekce a klonální expanze mutací
44
Vývoj nádoru založený na selekci mutovaného fenotypu.
Jen málo mutovaných buněk překonává bariéry dalšího růstu. V každém
dalším kole selekce dochází k progresivnímu obohacení o mutace v tzv.
mutátorových genech nutných pro udržení genetické stability.
Expozice
karcinogenu
Omezená výživa
+ růstové faktory
Inhibice okolní matrix
Nedostatečné
zasobování
krví
45Loeb KR and Loeb LA, Carcinogenesis 21:379-385, 2000
Postupná maligní progrese nádoru spojená
s akumulací genetických změn v buňkách
Normální tkáň Premaligní změny Primární nádor Metastázy
Genetická změnaGenetická změna
+ envir. faktory
Genetická změna
46
YokotaJ., Carcinogenesis 21, 2000:497-503
Různé dráhy vedoucí ke vzniku mutovaného fenotypu
nádorové buňky
Nestabilita mikrosatelitů Ztráty a změny chromozómů
cílové mutátorové geny
47
Hypotéza mutovaného fenotypu předpokládá, že geny vyžadované
pro udržení genetické stability jsou prvním cílem poškození DNA
karcinogeny. Mutace těchto genů pak vyvolávají mutace dalších
genů v genomu.
Loeb KR and Loeb LA, Carcinogenesis 21:379-385, 2000
Poruchy několika procesů zahrnující jako cíle chromozómy, mikrotubuly
vřeténka a centrozómy mohou (kromě abnormální cytokineze) vést k
nerovnoměrnému rozdělení chromozómů během mitózy vedoucího k
aneuploidii.
Potenciální mitotické cíle vedoucí k aneuploidii.
Kondenzace
chromosomu
Duplikace
centrozómu Centromera
Dynamika
mikrotubulů
vřeténka
Soudržnost sest.
chromatid
Kinetochorový
complex
Duplikace
centriolu
Telomery
Cytokineze
48
(podle Sen S.,Curr Opin in Oncology 12, 2000:82-88)
V jednotlivé buňce mutace
postupně a společně podporují
odchylku od regulovaného
růstu a zastavují nebo revertují
specializaci buňky.
Změny buněčné topografie
a uchycení mění vlastnosti
povrchu buňky a umožňují její
odpoutání od sousedních
buněk.
Pozměněné nebo nefunkční
receptory pak ovlivňují
transport přes membránu.
Uvnitř buňky se mění
metabolismus, jádro mění tvar,
dochází ke shlukování
chromatinu, zlomům
v chromosomech a poruchám
buněčného dělení.
Pod vrstvou epitelu jiné buňky
produkují kolagenázu a jiné
proteázy, které narušují
extracelulární matrix a
usnadňují tak další fázi - invazi.
Postupné změny při transformaci normální buňky v nádorovou
49
Při vzniku nádorů působí dva typy mechanizmů - environmentální faktory a
genetické vybavení jedince.
V některých případech je primární envir. faktor, který způsobí vznik nádoru u
"normálního" jedince. Avšak i v tomto případě jsou zasaženy geny, protoonkogeny
a nádorově supresorové geny.
Kromě toho existují další geny, které mohou způsobit větší či menší citlivost
(susceptibility) jedince k envir. faktorům.
Předpokládáme-li, že všechny nádory jsou výsledkem iniciační, promoční a
progresívní fáze karcinogeneze, měly by existovat geny, které:
a)buď chrání nebo predisponují protoonkogeny nebo nádorově supr. geny k
aktivaci nebo inaktivaci,
b)selektivně podporují nebo suprimují růst a expanzi iniciované buňky,
c)zabraňují nebo zvyšují možnosti získání genetické/epigenetické nestability
iniciované buňky, které zapříčiňují její malignitu.
50
Lidské genetické syndromy:
Albinismus - jedinci nemají melaninovou pigmentaci, která chrání kůži nebo oči
před škodlivými účinky UV záření. Normální DNA reparační mechanismy, ale
množství poškození je větší než je tento systém schopen zvládnout.
Nereparovaná poškození DNA fungují jako substrát pro vznik mutací v
protoonkogenech nebo nádorově supr. genech.
Syndrom je klasifikován jako jako typ náchylný ke vzniku nádorového onemocnění.
Protože poškození DNA je velké, mnoho buněk umírá a smrt kožních buněk
stimuluje kompenzační - regenerační růst buněk přežívajících – možnost promoce
iniciovaných buněk.
Klony iniciovaných buněk dále exponované UV - zvýšena pravděpodobnost dalších
mutačních (genetických)změn - postup populace buněk do progresívního stadia.
51
Xeroderma pigmentosum - genetický syndrom, který také
předurčuje jedince k rakovině kůže, avšak na jiném principu. Jedinci
jsou nositeli genu, který neumožňuje reparovat poškození DNA
indukované UV. Výsledkem jsou nereparovaná poškození DNA, která
vedou ke smrti buněk nebo k mutacím. Podobně jako u albínů dochází
ke kompenzační hyperplazii při náhradě odumřelé tkáně. Iniciovaná
buňka kůže proliferuje, ale nediferencuje. Vytváří klon iniciovaných
buněk (papilom) citlivý k indukci dalších genet/epigenet. změn a
k progresivnímu rozvoji.
Jedinci s albinismem nebo XP však nejsou odsouzeni k nádorovému
onemocnění. Jestliže je pokožka chráněna před UV, nemusí být
vyvoláno.
Při nadměrném působení UV mohou být postiženi i “normální” jedinci.
Reparační systém přetížen a vzniká poškození DNA vedoucí opět
k mutacím a ke smrti buněk podobně jako v předchozích případech.
Jedinci s větší pigmentací jsou lépe chráněni před škodlivými účinky
UV.
52
Existuje řada envir. faktorů a genů, které předurčují nebo chrání
jedince před vznikem nádorů. Existuje řada chemikálií buď
exogenních (dieta, životní styl, léčiva, polutanty) nebo endogenních
(hormony, růstové faktory), které nepoškozují DNA a nejsou
mutagenní.
Jsou to negenotoxicky působící látky, které mohou působit jak
promoční stimulací proliferace iniciované buňky tak supresí
apoptózy. Jedinci, kteří jsou normálně exponováni a akumulují
iniciované buňky (což se normálně děje s přibývajícím věkem), ale
kteří jsou exponováni abnormálnímu množství promočních látek v
těle v důsledku genetického defektu jsou označování jako
"promotion-prone".
Vyloučení působení nádorových promotorů může u normálních
jedinců snížit vznik nádorů přesto, že dojde k iniciaci. Naopak
pravidelná a chronická expozice dostatečnému množství
nádorového promotoru zvyšuje riziko vzniku nádoru. Podobně jako
existují antiiniciátorové geny a látky, tak existují i geny a látky
působící antipromočně.
53
Geny predisponující jedince k nádorům mohou být mutovány v zárodečné linii a
produkovat recesivně děděné onemocnění jako je Bloomův a Fanconiho syndrom,
AT a xeroderma pigmentosum. Ostatní, jako RB1, TP53, NF1 a Wilmsův tumor 1
(WT1), mohou být mutovány v zárodečné linii, čímž vzniká náchylnost u
heterozygotů nebo somaticky v případě nedědičných případů nádorů. Mnoho
somatických translokací je spojeno se specifickými chorobami, jako je Burkittův
lymphom (BL), akutní lymfocytární leukémie (ALL), chronická myeloidní leukémie
(CML), Ewingův sarkom (ES) a alveolarní rhabdomyosarkom (ARMS). t(11; )
translokace může zahrnovat kterýkoli z velkého počtu chromozómů partnerských
k chromozómu 11.
Nádorová genetika
Zárodečná b. (Z) and somatická b. (S)
S
Bloom S.
Fanconi S.
AT
XP
Z
RB1
TP53
WT1
NF1
BL t(8; 14)
ALL t(11; )
CML t(9; 22)
ES t(11; 22)
ARMS t(2; 13)
54
Výukovou pomůcku zpracovalo
Servisní středisko pro e-learning na MU
http://is.muni.cz/stech/