Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 SIGNÁLNÍ DRÁHY A JEJICH DEREGULACE V PRŮBĚHU KARCINOGENEZE Zdroje Image result for the biology of cancer Image result for molecular biology of the cell https://cdn.alza.cz/ImgW.ashx?fd=f4&cd=FKP203947&i=1.jpg * podpůrné proliferační signály * deregulace supresorů růstu/proliferace * odolnost k buněčné smrti * neomezená replikace * neoangiogeneze * invaze a metastázování * mutace a genomická nestabilita * zánět * přestavba energetického metabolismu * únik před zničením imunitním systémem • Typické znaky nádorové buňky Výsledek obrázku pro hallmarks of cancer Douglas Hanahan & Robert A. Weinberg: Hallmarks of Cancer: Next Generation, Cell, 2011 http://media.cellsignal.com/www/pdfs/resources/product-literature/poster-pathways-in-human-cancer.p df * Normální tkáně velice přesně kontrolují produkci růstových faktorů (RF) indukujících buněčné dělení * Klíčové pro udržení homeostázy, normální architektury a funkce tkáně * Deregulace této kontroly propůjčuje nádorové buňce kontrolu nad svým osudem * Autokrinní produkce RF * Stimulace parakrinní produkce RF * Zvýšená citlivost k RF prostřednictvím zvýšené exprese receptorů * Konstitutivní aktivace receptorů pro RF bez závislosti na ligandech * Mutace * Ztráta negativní zpětné vazby * * Otevřené otázky: * Jaké jsou mechanismy kontroly uvolňující RF v normální tkáni * Role parakrinní signalizace, úloha imobilizace RF v extracelulární matrix * Podpůrné proliferační signály Výsledek obrázku pro go signal * Stejně jako u pozitivních faktorů růstu i správná funkce negativních regulátorů růstu/proliferace je důležitá pro udržení tkáňové homeostázy * Existují desítky negativních regulátorů proliferace, řada s nich patří mezi nádorové supresory. * RB protein – integruje signály z vnějšího i vnitřního prostředí buňky, klíčová molekula kontrolu buněčného cyklu * TP53 – integruje signály z vnitřního prostředí buňky, indukuje zástavu buněčného dělení nebo buněčnou smrt * Kontaktní inhibice – inhibiční dráha spočívající v mezibuněčné interakci proliferující tkáně (zapojení NF2, N-kadherinu, LKB1) * Deregulace signalizace cytokinu TGF-b * časté přepnutí funkce z inhibice proliferace na aktivaci plasticity a invazivity * * * v Deregulace supresorů růstu Výsledek obrázku pro stop signal * Typické znaky nádorové tkáně jako cíle protinádorové léčby Copyright © 2011 Elsevier Inc. Terms and Conditions Cell 2011 144, 646-674DOI: (10.1016/j.cell.2011.02.013) * Onkoproteiny současně mění řadu odlišných regulačních drah * Normální buňky získávají růstové signály ze svého okolí * Jsou přenášeny a integrovány v komplexním okruhu, který rozhoduje zda dojde k dělení * Přenos signálu přes lipidovou membránu představuje biochemický problém * Vnější a vnitřní prostor je oddělen lipidovou dvojvrstvou – bariérou * Různé koncentrace molekul včetně iontů * Většina signálů je přenášena pomocí proteinů * Určité buňky sekretují proteiny do extracelulárního prostoru * Příjemci signálu musí být senzitivní k sekretované molekule a musí být v bezprostřední blízkosti * parakrinní * autokrinní * juxtakrinní * Růstové faktory a jejich receptory Základní principy buněčné signalizace Výsledek obrázku pro several common cell surface receptors and signal transduction pathway ErbB signalizace – příklad buněčné komunikace figure_05_01 Časná odpověď – okamžitá & opožděná figure_06_03 * Normalní verze onkogen-kódujících proteinů jsou často zapojeny do regulačních drah zodpovědných za řízení buněčné proliferace * Jeden ze základních principů udržení homeostázy a regenerace u mnohobuněčných organizmů spočívá v kooperaci/komunikaci většího množství buněk * Růstové faktory jsou relativně malé proteiny přenášející v extracelulárním prostoru určitou biologickou informaci * Rozhodnutí dělit/nedělit se musí zohledňovat prospěch pro celý organismus, nikoliv pro samotnou buňku * Toto rozhodovaní neprovádí zdravá buňka autonomně a je pod kontrolou jejího okolí * Příklad – in vitro kultura normálních buněk vyžaduje sérum pro stimulaci proliferace * Růstové faktory a jejich receptory * frakce krve oddělená centrifugací po koagulaci * hovězí fetální sérum (FBS) – aseptická srdeční punkce plodu (~ 150 - 550 ml/fetus, globálně 700.000 l/rok) * batch-to-batch rozdíly * regionální rozdíly sérum sérum Výsledek obrázku pro bovine serum hyclone * Krevní destičky jsou zdrojem řady faktorů * Během srážení krve dochází k jejich uvolňování * Příklad: platelet-derived growth factor (PDGF) * Stimulátor fibroblastů, mitogen • sérum figure_05_03 figure_05_04a figure_05_04b * [sarc] sarcoma * J. Michael Bishop a Harold E. Varmus – Nobelova cena, 1989 * Nereceptorová kináza aktivovatelná řadou transmembránových proteinů – adhezí, tyrozin kinázovými receptory, receptory pro cytokiny (PDGF, EGF) * c-Src, Yes, Fyn, Fgr, Yrk, Lyn, Blk, Hck, and Lck * Mutace u ~50% nádorů (zvýšená aktivita nebo exprese) * Studim funkce v-Src (Rous sarcoma virus) onkoproteinu umožnilo pochopit některé základní principy transformace buněk * Kináza s více něž 50-ti substráty – pleiotropní účinek * Regulace proliferace, přežití, angiogeneze, invaze * Fosforyluje tyrosinová rezidua proteinů – typické pro mitogenní dráhy * Proto-oncogene tyrosine-protein kinase Src figure_05_06 figure_05_07 * SH1 – katalytická doména * SH2, SH3 – rozpoznání substrátů •„intracelulární receptory“ * „ligandy“ – krátké oligopeptidové sekvence s fofosfotyrosiny Struktura Src proteinu figure_06_07 figure_06_10a Atrakce přenašečů signálu figure_06_09 * První objevený růstový faktor * Mitogenní účinek na řadu typů epiteliálních buněk * Receptor * N-konec – extracelulární doména – ektodoména, rozpoznává EGF ligand * Transmebránová doména, hydrofóbní rezidua * C-konec, intracelulární část * Aktivace EGFR vede k ativaci c-Src-like kináz Epidermal growth factor figure_05_08a Tyrozin kinázové receptory figure_05_09 Růstové faktory a jejich receptory v nádorové patogenezi table_05_02 Změněný receptor pro RF = onkoprotein figure_05_10 figure_05_11a Parakrinní signalizace figure_05_11b Autokrinní signalizace nádorových buněk figure_05_11c figure_05_11d table_05_03 * Při absenci signálu – ligandu –jsou receptory jako monomery * Po vazbě ligandu dochází k dimerizaci receptorů * Transfosforylace C-konců Autofosforylace tyrozin kinázových receptorů figure_05_12 figure_05_14a figure_05_13 Konstitutivní dimerizace receptorů způsobena fúzí genů figure 5 * Fúze genu pro RF s jiným genem jehož produkt může normálně dimerizovat nebo oligomerizovat * Části takových hybridních receptorů (jejich ektodomény) jsou spojeny * Stabilní změna struktury receptoru vedoucí k jeho trvalé aktivaci bez ligandu Jak-STAT dráha figure_06_22 * Zvýšená produkce IL-6 * Zvýšená exprese receptorů * Mutace Jak * Aktivační mutace STAT (méně časté) * Snížená exprese negativních regulátorů – SOCS3, PIAS3 * Aktivace STAT pomocí interakce s AR nebo BRCA1 * STAT aktivace u solidních nádorů * TGF-b receptor figure_05_20 TGF-b v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) TGF-b v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) Organization of TGFβ Signaling and Weak Links in Cancer (A) Ligand traps and coreceptor molecules control the access of TGFβ family ligands to signaling receptors. The ligand assembles a tetrameric complex of receptor serine/threonine kinases types I and II. Receptor-II phosphorylates and activates receptor-I, which then phosphorylates and activates Smad transcription factors (RSmads). Activated RSmads bind Smad4 and further build transcriptional activation and repression complexes to control the expression of hundreds of target genes in a given cell. Mitogen-activated protein kinases (MAPK) and other protein kinases phosphorylate Smads for recognition by ubiquitin ligases and other mechanisms of inactivation. Phosphatases have been identified that reverse these phosphorylation events. (B) An abridged chart of ligand-receptor-coreceptor-Smad relationships in the TGFβ (green) and BMP (blue) branches of the TGFβ family. (C) Distinct combinations of transcription partner cofactors in different contexts (e.g., different cell types or conditions) determine the set of genes targeted by specific activated Smads. Each Smad-cofactor combination coordinately regulates a synexpression group of target genes. Smad signaling serves as a node for integrating regulatory signals that impinge on partner cofactors (e.g., Activator signal in Context 2). (D) Alternative modes of TGFβ signaling include Smad4-independent RSmad signaling (via interactions with TIF1γ, IKKα, p68DROSHA), Smad-independent receptor-I signaling (via small G proteins and MAPK pathways), and direct receptor-II signaling (via Par6, and via LIMK1 in the case of BMPR-II). (E) Core TGFβ pathway components that are affected by mutation (red), overexpression (black), or downregulation (green) in human cancers. TGF-b v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) Blocking Premalignant Progression by Tumor-Suppressor Proteins (A) TGFβ and BMP suppress the progression of premalignant states in mouse models. Genetic ablation of TGFβ or BMP receptor genes (TGFBRII and BMPR1A, respectively) or SMAD4 alone does not normally lead to carcinoma formation. However, inactivation of these pathways allows carcinoma progression in transitional epithelia and in premalignant lesions caused by oncogene (KRAS) activation or tumor-suppressor gene (APC) inactivation. (B) Influence of the context on choice of TGFβ tumor-suppressor response. Cells under normal conditions are generally wired for cytostatic or differentiation responses to TGFβ; a loss of TGFβ signaling in this context causes elevated but still regulated cell proliferation (hyperplasia). In contrast, premalignant cells and other hyperproliferative cell states are wired for apoptotic and senescence responses; a loss of TGFβ signaling in this context enables tumor progression (neoplasia). TGF-b v rakovině Tumor-Suppressive Transcriptional Responses to TGFβ (A) A TGFβ-activated Smad complex in epithelial cells represses c-MYC expression (right panel) and facilitates the induction of CDK inhibitory genes (left panel). Smad-FoxO complexes target p15INK4b and p21CIP1 for transcriptional induction, leading to CDK inhibition. The resulting surge of p15Ink4b releases p27Kip1 from a latent Cdk4-bound state to inhibit CDKs further. FoxO factors can be inhibited by the antagonistic family member FoxG1 or by Akt-mediated phosphorylation in tumors with a hyperactive PI3K-Akt pathway. Overexpression of the C/EBPβ isoform LIP in metastatic breast cancer inhibits C/EBPβ, a common partner of c-MYC and p15INK5b regulatory Smad complexes. (B) Different cell types engage different CDK inhibitor in their TGFβ cytostatic response, whereas c-MYC downregulation is a general feature of the response. (C) p16INK4a induction by endogenous sensors of hyperactive Ras (or other oncogenic signals) collaborates with p15INK4b to mediate tumor suppression. (D) ID1 repression creates conditions for terminal differentiation and senescence. Differential effects of BMP and TGFβ on ID1 expression are based on the ability of TGFβ-activated Smads to recruit the transcriptional repression factor ATF3 to the ID1 regulatory region. Expression of ATF3 itself is induced by the Smad pathway. TGF-b a nádorové stroma Anti- and Protumorigenic Effects of TGFβ in the Stroma (A) TGFβ suppresses tumor emergence in certain epithelial tissues (e.g., the forestomach epithelium) by inhibiting the production of cell survival and motility factors such as hepatocyte growth factor (HGF). (B) TGFβ acts as a major enforcer of immune tolerance by inhibiting the development and functions of nearly all major components of the innate (red) and adaptive (black) immune system. Some of these effects are exerted through the activation of regulatory T cells (Treg; green) that constrain the function of other lymphocytes (gray). (C) By imposing limits on the inflammatory response, TGFβ can avert the protumorigenic effect that could derive from chronic inflammation, as observed in colonic epithelial cells. However, T cells in some patients with inflammatory bowel disease (a colon cancer-prone condition) overexpress Smad7 and are not sensitive to TGFβ. (D) In some types of cancer, a defective TGFβ response in inflammatory cells can lead to excessive inflammation, favoring tumor progression. In other types of cancer, tumor-derived TGFβ can suppress antitumor immune responses, which also favors tumor progression. * 5 ligandů (NotchL, Delta, Jagged), 4 receptory * Ligandy imobilizovány na povrchu buněk * Juxtacrine signaling * Proteolytické štěpení ectodomény - > jaderný kofaktor regulující genovou expresi * Konstitutivně aktivní mutant Notch u 50% T-leukémií * Nádorový supresor – hepatocelulární karcinom, dlaždicový karcinom * Nejasná funkce - pankreas Notch figure_05_21 Úloha Notch * Reguluje osud kmenových a progenitorových buněk * Reguluje liniovou diferenciaci * Inbibuje x indukuje diferenciaci Notch jako nádorový supresor * Pozitivní regulace diferenciačních signálů – RA, IRF6 * Inbibice proliferace * Inhibice adheze přes ROCK Mechanismus nádorové suprese Notch Patched-Smoothened – Hedgehog dráha figure_05_22a figure_05_22b figure_05_22c * Gli – vysoká exprese u glioblastomů * Zárodečná inaktivační mutace genu patched (PTCH) = Gorlinův syndrom, vysoká incidence bazaliomů, meduloblastomu a dalších typů nádorů Patched-Smoothened – Hedgehog dráha http://bjo.bmj.com/content/bjophthalmol/89/8/988/F1.large.jpg?width=800&height=600&carousel=1 Figure 2 * Frizzled receptor, kanonická Wnt signalizace figure_05_23 Frizzled receptor, nekanonická Wnt signalizace figure_05_24a Wnt signalizace a rakovina Figure 2 Figure thumbnail fx1 Wnt signalizace a rakovina Figure 3 Integriny figure_06_24a table_05_04 figure_05_27b * Integriny figure_06_24b Integriny a rakovina An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is nihms-653647-f0001.jpg Trends Cell Biol. 2015 April ; 25(4): 234–240. doi:10.1016/j.tcb.2014.12.006. Integriny An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is nihms-674430-f0002.jpg Integriny a rakovina An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is nihms-674430-f0003.jpg Integriny a rakovina An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is nihms-674430-f0005.jpg * Ras figure_05_30 * Receptor -> Grb2 -> Sos -> Ras * Receptor -> Shc -> Grb2 -> Sos -> Ras * Ras aktivace pomocí RF figure_06_12 * Ras – alternativní mechanismus transformace figure_05_32a Ras-Raf-MAP kinázová dráha figure_06_14 PI3K/Akt/PKB dráha figure_06_15 PI3K/Akt/PKB dráha figure_06_16 PTEN figure_06_19 Funkce Akt/PKB dráhy table_06_03 Změny PI3K dráhy table_06_04 Ral figure_06_21 * Ral-A, Ral-B – 58% identita s Ras * Sec5, Exo84 - Ras zprostředkovaná aktivace neadherentního růstu * Inaktivace Cdc42 a Rac Negativní a pozitivní zpětná vazba figure 6 * Deregulace buněčné signalizace je klíčová pro vznik a rozvoj rakoviny * Fosforylace tyrosinu je preferovaná u řady mitogenních signálů * zvýšená exprese růstových receptorů u nádorových buněk vede k jejich časté kolizi, dimerizaci a oligomerizaci – aktivaci bez ligandu * Mutace receptorových tyrozin kinázových domén vede ke konstitutivní aktivaci receptoru bez ligandu * Další dráhy zapojené v karcinogenezi * JAK/STAT, Wnt, Notch, Hedgehog * Integriny – transmembránové receptory propojující ECM a buněčný cytoskelet, formování fokálních adhezí, klíčová role v rakovině * Ras aktivuje tři hlavní signálové kaskády * Raf, PI3K/Akt, Ral-GEF * * Shrnutí * Proč je autokrinní signalizace destabilizující faktor pro normální tkáně? • * Jaké mechanismy mohou buňky uplatňovat pro snížení citlivosti k působení růstových faktorů? • * Jakou roli hrají integriny v procesu buněčné motility? * * Jaké molekulární mechanismy mohou vést ke konverzi protoonkogenu na onkogen? Otázky na příště