Mechanismykarcinogeneze Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 SIGNÁLNÍ DRÁHY A JEJICH DEREGULACE V PRŮBĚHU KARCINOGENEZE Mechanismykarcinogeneze Zdroje Mechanismykarcinogeneze 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 senescence plasticita epigenetika mikrobiom Typické znaky nádorové buňky Douglas Hanahan & Robert A. Weinberg: Hallmarks of Cancer: Next Generation, Cell, 2011 Douglas Hanahan: Hallmarks of Cancer: New Dimension, Cancer Discovery, 2022 Mechanismykarcinogeneze http://media.cellsignal.com/www/pdfs/resources/product-literature/poster-pathways-in-human-cancer.pdf Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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, Nkadherinu, LKB1) Deregulace signalizace cytokinu TGF- časté přepnutí funkce z inhibice proliferace na aktivaci plasticity a invazivity Deregulace supresorů růstu Mechanismykarcinogeneze 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) Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Základní principy buněčné signalizace Mechanismykarcinogeneze ErbB signalizace – příklad buněčné komunikace Mechanismykarcinogeneze Časná odpověď – okamžitá & opožděná Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze sérum Mechanismykarcinogeneze Krevní destičky jsou zdrojem řady faktorů Během srážení krve dochází k jejich uvolňování Příklad: platelet-derived growth factor (PDGF) Stimulátor fibroblastů, mitogen sérum Mechanismykarcinogeneze Chemicky definovaná média, kondiciovaná média, rekombinantní růstové faktory, kultivační kondice s definovanou matricí (simulace působení ECM) atp. Serum-free Xeno-free Chemically Defined (CD) Non-Animal Origin (NAO) Protein-free (PF) Alternativy Mechanismykarcinogeneze [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 změna 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 Mechanismykarcinogeneze SH1 – katalytická doména SH2, SH3 – rozpoznání substrátů „intracelulární receptory“ „ligandy“ – krátké oligopeptidové sekvence s fofosfotyrosiny Struktura Src proteinu Mechanismykarcinogeneze Atrakce přenašečů signálu Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Tyrozin kinázové receptory Mechanismykarcinogeneze Růstové faktory a jejich receptory v nádorové patogenezi Mechanismykarcinogeneze Změněný receptor pro RF = onkoprotein Mechanismykarcinogeneze Parakrinní signalizace Mechanismykarcinogeneze Autokrinní signalizace nádorových buněk Mechanismykarcinogeneze Při absenci signálu – ligandu –jsou receptory jako monomery Po vazbě ligandu dochází k dimerizaci receptorů Transfosforylace C-konců Autofosforylace tyrozin kinázových receptorů Mechanismykarcinogeneze Konstitutivní dimerizace receptorů způsobena fúzí genů 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 Mechanismykarcinogeneze Jak-STAT dráha 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 Mechanismykarcinogeneze STAT aktivace u solidních nádorů Mechanismykarcinogeneze TGF- receptor Mechanismykarcinogeneze TGF- v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) Mechanismykarcinogeneze TGF- v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) Mechanismykarcinogeneze TGF- v rakovině Cell 2008 134, 215-230DOI: (10.1016/j.cell.2008.07.001) Mechanismykarcinogeneze TGF- v rakovině Mechanismykarcinogeneze TGF- a nádorové stroma Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Úloha Notch Reguluje osud kmenových a progenitorových buněk Reguluje liniovou diferenciaci Inbibuje x indukuje diferenciaci Mechanismykarcinogeneze Notch jako nádorový supresor Mechanismykarcinogeneze Pozitivní regulace diferenciačních signálů – RA, IRF6 Inbibice proliferace Inhibice adheze přes ROCK Mechanismus nádorové suprese Notch Mechanismykarcinogeneze Patched-Smoothened – Hedgehog dráha Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Frizzled receptor, kanonická Wnt signalizace Mechanismykarcinogeneze Frizzled receptor, nekanonická Wnt signalizace Mechanismykarcinogeneze Wnt signalizace a rakovina Mechanismykarcinogeneze Wnt signalizace a rakovina Mechanismykarcinogeneze DOI: 10.1158/1535-7163.MCT-07-0433 Mechanismykarcinogeneze Integriny Mechanismykarcinogeneze Integriny Mechanismykarcinogeneze Integriny a rakovina Trends Cell Biol. 2015 April ; 25(4): 234–240. doi:10.1016/j.tcb.2014.12.006. Mechanismykarcinogeneze Integriny Nature Reviews Cancer volume 10, pages9–22(2010) Mechanismykarcinogeneze Integriny a rakovina p130Cas/BCAR1 belongs to the Cas family of adaptor proteins and can act as a docking protein for several signalling partners Nature Reviews Cancer volume 10, pages9–22(2010) Mechanismykarcinogeneze Integriny a rakovina Nature Reviews Cancer volume 10, pages9–22(2010) Mechanismykarcinogeneze Ras (GTPása, spolu s Rho, Rac, Cdc42) Mechanismykarcinogeneze Receptor -> Grb2 -> Sos -> Ras Receptor -> Shc -> Grb2 -> Sos -> Ras Ras aktivace pomocí RF Mechanismykarcinogeneze Ras – alternativní mechanismus transformace Mechanismykarcinogeneze Ras-Raf-MAP kinázová dráha Mechanismykarcinogeneze PI3K/Akt/PKB dráha Mechanismykarcinogeneze PI3K/Akt/PKB dráha Mechanismykarcinogeneze PTEN Mechanismykarcinogeneze Funkce Akt/PKB dráhy Mechanismykarcinogeneze Změny PI3K dráhy Mechanismykarcinogeneze Ral (Ras-Like) signalizace Ral-A, Ral-B – 58% identita s Ras Sec5, Exo84 - Ras zprostředkovaná aktivace neadherentního růstu Inaktivace Cdc42 a Rac Mechanismykarcinogeneze 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