KancerogenezeKancerogeneze aa
nnáádorovdorováá biochemiebiochemie
Pavel Bouchal
Lidský genom…
Sekvenace: kompletní
Anotace: kompletní, nikoliv však definitivní
Funkce genových produktů a regulace exprese: ve
výzkumu
Evoluce, výměna genetické informace a dělení miliard
buněk během života organismu: probíhá
…a kancerogeneze
Kancerogeneze: vyvolána poškozením genomu
KANCEROGENEZE
Multifaktoriální a vícestupňový proces
• Fyzikální karcinogenní faktory
• Chemické karcinogeny mutace DNA vedoucí k aktivaci
• Biologické karcinogenní faktory onkogenů a/nebo inaktivaci
• Konstituční karcinogenní faktory antionkogenů
Reparační mechanismy
• fungují oprava DNA
• nefungují
pak buď
apoptóza
nebo
šíření mutací do dalších buněčných generací karcinom
Fyzikální karcinogenní faktory:
Radiační vlivy
• Ionizující záření
korpuskulární (částicové): α, β
elektromagnetické: γ, rtg
• UV záření
Ionizující záření:
• Chromosomální aberace: nestabilní
(letální) vs. stabilní (přenášející se
do dalších buněčných generací)
• Účinek záleží na dávce a době
působení
• Nejohroženější: lymfatická tkáň
• Latence – různá – Hirošima:
leukémie ~ 8 let
ca. plic a BrCa: ~12-18 let
Přeživší z Hirošimy:
1 Sv... chromosomální aberace u 10% buněk
5 Sv... chromosomální aberace u 50% buněk
limit pro pracovníka se zářením 50 mSv/rok
přírodní radiační pozadí občana ČR 2,5 až 3 mSv/rok
přírodní radiační pozadí občana Kerali v Indii 17 mSv/rok
přírodní radiační pozadí občana Guapari v Brazílii 175 mSv/rok (horniny)
přírodní radiační pozadí občana Ramsaru v Iránu 400 mSv/rok (horniny)
RTG střev 4 mSv
RTG žaludku 2,4 mSv
RTG kyčlí 1,7 mSv
pracovník JE Dukovany obdrží 0,4 mSv/rok
obyvatelstvo v okolí JE Dukovany obdrží 0,005 mSv/rok
3 lety nadzvukovým letadlem Praha - USA 0,38 mSv/rok
SÚJB – osobní „účty“ ozáření
UV záření
• tvorba pyrimidinových dimerů => eliminace =>
apyrimidinová místa
• jedno- a dvouřetězcové zlomy, spojování řetězců
• tvorba volných radikálů ˙OH, ˙O3
•
adaptace na UV: pigmentace
aktivace onkogenů/deaktivace antionkogenů
? karcinom
Fyzikální karcinogenní faktory:
Radiační vlivy
• Jednorázové mechanické poškození tkáně - v žádném případě není
prokázána souvislost s kancerogenezí
• Kancerogeneze vyvolaná dlouhodobým působením (implantáty)
prokázána u některých druhů zvířat, u jiných nikoliv (pravděpodobně
iritace a indukce proliferace – promoční charakter)
Fyzikální karcinogenní faktory:
Mechanické vlivy
Vždy mutageny
Mechanismus účinku: elektrofilní látky – chemická reakce s DNA, RNA
Přímé (ultimátní) karcinogeny
• alkylační látky (cytostatika – cyklofosfamid, chlorambucil, busulfan
nitrosurea, …)
• acylační látky (1-acetyl-imidazol, dimethylsulfát, …)
Prokarcinogeny (=proximální karcinogen) -> intermediární karcinogeny
-> finální (terminální) karcinogeny
• aromatické uhlovodíky, aromatické aminy, nitrosaminy, produkty
plísní (aflatoxin), kovy (Cr, Ni, Co), As, azbest, insekticidy, fungicidy,
... viz tabulka
Chemické karcinogeny
Hlavní skupiny
(pro)karcinogenů
Enzymy odpovědné za karcinogenezi
E E
Prokarcinogen intermediární karcinogen terminální karcinogen
• Monooxygenasy ze systému cytochromu P-450 (CYP)
(metabolismus xenobiotik – léčiv a škodlivin z vnějšího prostředí –
funkčně heterogenní skupina)
• Hydroxylasa aromatických uhlovodíků (cytochrom P-448)
Oxidace
Benzo[a] pyren
O
H O
O H
silné kancerogeny
7,8-Diol-9,10-epoxidy benzo[a]pyrenu
Metabolická přeměna benzo[a]pyrenu hydroxylasou aromatických
uhlovodíků (cytochrom P-448)
Enzymy odpovědné za kancerogenezi:
tvorba vysoce reaktivních epoxidů
Typický příklad:
iniciační agens: benzo[a]pyren
promoční agens: forbolové estery v krotonovém oleji,
např. terpen (=kokarcinogen)
Vícestupňový účinek chemických
karcinogenů
Testování mutagenity:
Amesův test
• kmen Salmonella typhimurium s mutací v genu enzymu
zapojeného do syntézy His (His-)
• další mutace testovaným mutagenem:
?
His- His+
• mutovaný kmen je schopen růstu na médiu bez His
• problém: bakterie nemají monooxygenasy (simulace
metabolické aktivace prokarcinogen terminální
karcinogen) – řešení: inkubace látky se supernatantem
S-9 krysích jater
• schopnost detekce 90% známých karcinogenů
Kolonie S. typhimurium
Testování mutagenity in vivo
• Transgenní myším, v jejichž genomu je inkorporován
bakteriofág λ nesoucí lacl gen, je podávána testovaná
látka
• Po určité době je fág aktivován
• Fágové částice vneseny do E. coli
• Produkt lacl je represorem β-galaktosidasy, mutovaný
produkt není funkční
• β-galaktosidása štěpí analog laktosy X-gal za vzniku
modrého zbarvení
• látka je mutagenní ... ... modré plaky
• látka není mutagenní ... ... bílé plaky
Látky ve stravě a kancerogeneze
Biologické karcinogenní faktory:
Virová transformace
Živé příčiny: viry
Helicobacter pylori – spojován s ca. žaludku
10% v současné době popsaných virů má onkogenní charakter, nádory
i při prokázaném virovém původu však nelze považovat za infekční
v pravém slova smyslu – mechanismus, hostitelské předpoklady
RNA viry x DNA viry
Retroviry= RNA-viry s reverzní
transkriptázou
Retroviry obecně:
• transformující => vznik nádoru, nebo
• netransformující (chybí informace pro maligní přeměnu, bez
cytopatického efektu)
• výjimečně způsobuje i nenádorové onemocnění – HIV (infekce
lymfocytů)
Nesou
• strukturní a funkční geny
• reverzní transkriptázu
• LTR (long terminal repeat) úseky s funkcí promotoru a enhanceru –
regulující transkripci v hostiteli (DNA mRNA)
• silně onkogenní vir - nese přímo onkogen (v-onc = virový onkogen,
např. v-src, v-ras vs. c-ras)
• slabě onkogenní vir, nemusí obsahovat v-onc, transformuje
prostřednictvím LTR inzerovaného v sousedství celulárního
protoonkogenu (p-onc)
• vir nese gen-tat kódující protein, který zprostředkovává transaktivaci
celulárních onkogenů
3 mechanismy transformace retroviry
Transformace retroviry: příklady
U člověka prokázána pouze transformace virem HTVL-1 (slabě
onkogenní, nenese v-onc, onemocní 1% nakažených 20-30 let po
infekci, leukémie-Japonsko, Karibik, sporadicky)
RNA viry u zvířat:
Nižší transformační potenciál (méně agresivní) než retroviny, ale
epidemiologicky závažnější
V jádře napadené buňky replikace virové DNA, permanentní přechod
buněk z G0 a G1 fáze do S fáze
DNA-onkogenní viry
Příklady:
HPV – human papillomavirus (ca. děložního
čípku,…) – proteiny E6 a E7: blokace antionkogenů
p53 (E6) a RB1 (E7)
EBV – Epstein-Barrové virus (Burkittův lymfom;
mononukleóza)
HBV – hepadnavirus (hepatocelulární ca.;
hepatitida B)
Konstituční karcinogenní faktory:
protoonkogeny, onkogeny a antionkogeny
celulární protoonkogeny (p-onc) a onkogeny (c-onc)
Aktivace p-onc:
•Inzerční onkogeneze: Inzerce LTR retroviru do sousedství p-onc
(inzerce promotoru nebo enhanceru)
•Přestavba chromosomu: Translokace nebo delece vedoucí k
přiblížení aktivního promotoru a p-onc
•Bodová mutace: c-H-ras (Gly->Val, N-nitroso-N-methyl močovina)
•Genová amplifikace onkogenu karyotypické odchylky
Onkogeny onkoproteiny
Regulační funkce v buněčném dělení a diferenciaci
Antionkogeny: RB1, p53
KANCEROGENEZE
Multifaktoriální a vícestupňový proces
• Fyzikální karcinogenní faktory
• Chemické karcinogeny mutace DNA vedoucí k aktivaci
• Biologické karcinogenní faktory onkogenů a/nebo inaktivaci
• Konstituční karcinogenní faktory antionkogenů
Reparační mechanismy
• fungují oprava DNA
• nefungují
pak buď
apoptóza
nebo
šíření mutací do dalších buněčných generací karcinom
Regulace
prostřednictvím
p53
Jakými mechanismy??…
Viz přednáška o signálních
dráhách - R.Hrstka
Morfologické změny u transformovaných
buněk
• Změny morfologie: oblejší tvar
• Ztráta závislosti na přichycení
• Ztráta inhibice růstu vzájemným kontaktem
• Změny cytoskeletálních struktur (aktinová filamenta)
• Změny v povrchových antigenech
Biochemické změny
u transformovaných buněk
Hypoxie, její příčiny a důsledky
• Rychlý růst nádorových buněk a proto rychlejší metabolismus
• Vyžadují zásobování kyslíkem
• Vyšší hladina hemoglobinu v nádorových buňkách
• Za nedostatku kyslíku může nastat přechod na anaerobní
glykolýzu, ovlivnění pH (laktát), syntéza enzymů pufrujících pH
• Podpora angiogeneze pro lepší zásobování buněk kyslíkem
Změny v metabolismu sacharidů
Glukosa ATP
Glykolýza – anaer. (katabolismus)
Glukoneogeneze (anabolismus)
Warburgův efekt
• rychle rostoucí buňky získávají energii ve
zvýšené míře formou anaerobní glykolýzy
• souvislost s hypoxií
• Warburg 1924: „Rakovina=mitochondriální
dysfunkce“
• skutečnost: uvedený jev je důsledkem, nikoliv
příčinou rakoviny
• stále předmětem výzkumu – reaktivace
nefunkčních mitochondrií u nádorových buněk
vede k apoptóze
Změny v metabolismu lipidů
Katabolismus anabolismus
ATP
Změny v metabolismu bílkovin, dusíku a AK
Proteolýza Transaminace
NH4
+
2-oxokyseliny
volné AK jako stavební složky nově
syntetizovaných proteinů
ATP
Další biochemické změny u
transformovaných buněk
•Metabolické změny – sekundárním důsledkem obvykle zvýšené
proliferace, nelze použít např. k diagnostice
•Zvýšená aktivita ribonukleotidreduktasy
•Zvýšená syntéza DNA a RNA
•Snížený katabolismus pyrimidinů
•Ztráta diferencovaných biochemických funkcí (syntéza specializovaných
proteinů)
•Nadměrná syntéza některých růstových faktorů a hormonů
Znalost fenotypových změn u
transformovaných buněk je zásadní pro
nalezení účinné chemoterapie
Látky užívané v chemoterapii nádorů
Léková rezistence a její příčiny
Některé klinicky užívané nádorové
markery
Literatura k tématu
(současně zdroje obrázků)
• Rejthar A., Vojtěšek B.: Obecná patologie nádorového
růstu. Grada Publishing, 2002, str. 67-90.
• Murray R.K., Harperova biochemie. Nakladatelství a
vydavatelství H&H, 2002, str. 749-769.
Děkuji za pozornost