РАК

Н. Володина

12.03.2011

Рак

• Неконтролируемый рост клеток– Вызывает образование опухолей

• Опухоли могут быть злокачественные или доброкачественные• Доброкачественные опухоли могут увеличиваться в размере,

но они не внедряются и не поражают окружающие ткани– Но они могут быть смертоносными или очень вредоносными,

например папилломы в дыхательных путях, опухоли в мозге

• Рак обычно означает злокачественные опухоли– Которые могут быть инвазивными– Инвазивность разрушает порядок ткани

• Внутренний клеточный порядок ткани• Мембраны и барьеры, ограничивающие органы

Злокачественность

• Инвазивность является необходимым условием для злокачественности– Тенденция к ухудшению состояния больного и к

большей вирулентности– Инвазивные клетки имеют свойство распространяться

• Это метастазы• Однако инвазивный рак не всегда может вызывать метастазы

– Метастатичные клетки могут передвигаться в другие участки органа

– Раковые клетки могут передвигаться по кровеносной или ретикулоэндотелиальной системе внутри организма

Инвазивность• Первоначальная мутация изменяет

ген, вызывающий неконтролируемый рост клеток

• Клетки размножается, и каждая может мутировать еще раз– Быстро делящиеся клетки мутируют

чаще – Мутации в генах, кодирующих

ферменты репарации ДНК, могут вызвать другие мутации

– Мутации также могут привести к геномной нестабильности, например эпигенетические нарушения

• Мутантные клетки могут проникнуть в окружающие ткани

Эффект мутаций

• Включаются позитивные сигналы роста • Выключаются негативные сигналы,

подавляющие рост• Подавление иммунологической атаки или

апоптоза• Нарушается нормальный процесс

межклеточного связывания• Продукция белков, разрушающих соседние

клетки

Клетка может изменить следующие свойства

• Антигенность

• Скорость роста

• Ответ на гормональные сигналы

• Ответ на лекарства, убивающие клетки

• Нарушения кариотипа

• Способность к инвазивности и метастазам

Мутации в половых и соматических клетках

• Половые клетки– Мутации в определенных генах

• Мутации не должны приводить к смерти эмбриона

– Мутации наследуются• С вариабельной пенетрантностью

• Соматические– Вовлечено больше генов

• Мутации, которые могут привести к смерти эмбригна, возможны в соматических клетках

– Спорадичные– Ненаследуемые

Факторы окружающей среды

• Рак может вызываться мутагенами

• Они же часто бывают канцерогенами– Кроме промоторов рака– Они стимулируют деление клеток, не

мутагенезируя

• Трудно выделить какой-то определенный мутаген

Неопределенные факторы

• Частота заболеваний раком прямой кишки увеличивается и раком желудка уменьшается у японских иммигрантов в Америке– Рак желудка

• Helicobacter pylori?• Стресс?

– Рак прямой кишки• Малоподвижный образ жизни в США?• Факторы окружающей среды?

• Риск заболевания раком зависит от комбинации генетических и внешних факторов

Канцерогены

• Обычно мутагены=канцерогены

• Зависит от специфического генетического фона

• «2х этапная индукция рака– Инициаторы=мутагенез– Промоторы=митогенез

Канцерогены• Обычно канцерогены являются и

инициаторами, и промоторами– Полициклические ароматические

гидрокарбоны – табак– Алкилирующие агенты – горчичный

газ– Индустриальные агенты – асбест– Металы - ртуть– Лекарства - Циклофосфан– Пищевые добавки - нитрозамины– Натуральные вещества –

Афлатоксин B1

• Промоторы– Не мутагены, увеличивают скорость

деления клеток– TPA (PMA)

Вирусы• Иногда вызывают рак

– HPV Вирусы папилломы человека вызывают рак шейки матки

– Содержат онкогены Е6, Е7• Ретровирусы, вызывающие

лейкемию– HTLV I – HTLV II

• Редко вызывают лейкемию• Редкая форма лейкемии• Эти вирусы интегрируют

свой геном в геном человека

– Сайт интеграции т о мутирован

– Сильные вирусные промоторы могут изменить транскрипцию близлежащих генов

Вирусы

• Вирус гепатита В– Хроническая форма может

вызвать карциному

• Одни из вирусов группы герпеса– EBV (вирус Эпштейна-

Барра) у людей, страдающих хронической малярией

• Лимфома Буркитта

– KSHV – Саркома Капоси, часто у больных СПИДом

Типы рака

• Эпителиальная ткань– Карцинома

• Очень распространенная форма• Мутируют стволовые или базальные клетки

• Соединительная ткань– Саркома

• Более распространены у животных, и часто вирусного происхождения

• Другие названия– Глиальные клетки - глиома– Меланоциты- меланома

Лейкемия

• Клетки костного мозга и клетки крови– Создает много клеток, циркулирующих в

кровеносной системе– Часто в виде недифференцированных клетокКЛАССИФИКАЦИЯ

• Острая или хроническая• Лимфогенная или миелогенная

– Суффикс –бласт- описывает более незрелую форму клетки

• Лейкемическая или алейкемическая– Алейкемическая – означает что нет увеличения числа

ненормальных клеток в крови

Лимфома

• Рак лимфоидной ткани– Обычно злокачественный– Обычно назван по типу клеток, например

лимфома В-лимфоцитов

Рак это генетическое заболевание• Клетки делятся чтобы заменить отмершие клетки

– Большинство клеток запрограммированы умереть• Апоптоз• Слущивание

• Гены изменяющие деление клеток– Унаследованные мутации могут создавать подходящие

условия• Часто так называемые супрессоры рака мутируют• Их нормальная функция

» Ограничивать движение клеток» Провоцировать апоптоз

– Мутации в онкогенах– Это позитивные сигналы роста или ингибиторные сигналы против

апоптоза

– Вирусные онкогены

Клеточный цикл• В фазе G0 клетка

останавливает деление

• Также есть точки контроля в фазах G1, S and G2

• Чтобы войти в G1, позитивный сигнал к делению должен быть получен

• Негативные сигналы т о убираются

Типы раковых геновНазвание Передача, эффект

Онкогены Доминантная, позитивный эффект=приобретение функции

Супрессоры рака

Доминантная или рецессивная, негативный эффект = потеря функции

Семейства онкогеновПозитивные сигналы

– Гормоны• Сигналы роста в слишком большом количестве

– Platelet Derived Growth Factor beta subunit – Рак желудка

– FGF – Глиома

– Рецепторы факторов роста• RET – Множественная эндокринная неоплазия (MEN)

• Erb B – ERBB1 – гомолог EGFR – глиобластома– вирусный онкоген

– ERBB2 – EGFR семейство – амплифицирован в 20-30% случаев рака груди – вызывает устойчивойст к таксолу

Продолжение

– ERBА • Гомолог вирусного онкогена

– Рецептор тироидного гормона» Ядерный рецептор

– Острая промиелотическая лейкемия

• Сигнальные молекулы– RAS – GTPase во многих типах рака

• 3 формы– H-ras, K-ras, N-ras• Специфичесие мутации нарушают его функцию GTPазы

abl

• Гомолог вирусного онкогена

• Нерецепторная тирозин киназа

• Часто изменен в AML, CML – типы лейкемии

• Транслокация создает химерный ген с геном Bcr– Тирозин киназа активируются конститутивно

Ядерные онкогены• N-myc

• Белок связывающийся с ДНК

– Амплифицирован в нейробластомах

• Myb • Белок связывающийся с ДНК

– Меланома, лимфома, лейкемия

• Fos • Транскрипционный фактор комплекса AP-1

– Человеческая остеосаркома

Ферменты репарации ДНК

• Сами по себе не являются онкогенами

• Они увеличивают мутабельность генома

• Это увеличивает возможность появления мутированного онкогена и.т.д.

Позитивно действующие раковые гены

• Клетки растут и дифференцируются под контролем специальных генов

• Почему клетка размножается?– Она получает внешний сигнал– И отвечает на этот сигнал путем запуска

клеточного деления

• Сигнал – фактор роста– Например, эпидермальный фактор роста

EGF

• Клетка должна иметь специфический рецептор к EGF

Пример• Гормон присоединяется к

трансмембранному рецептору/тирозин киназе

• Рецептор димеризуется и функция киназы активируется - самофосфорилирование– Фосфотирозиновые остатки

могут присоединять адапторные молекулы, начало сигнального каскада

Пример II

• Адапторные молекулы – передача сигналов

– RTK фосфорилирует также цитоплазматические белки и изменяет их функции

Пример III

• Ras

Пример IV

• Передача сигнала

в ядро

Пример V

• Фосфорилированный транскрипционный фактор с сопутствующими белками связывается с соответствующими промоторами в ДНК, вызывает экспрессию генов путем рекрутирования РНК полимеразы

• Гормон соединяется с рецептором

• Рецептор передает сигнал в ядро

• Активируется транскрипционный фактор

• Начинается транскрипция

Общая картина

Онкогены• Ядерные, цитоплазматические и внеклеточные• Ядерные – обычно транскрипционные факторы• Цитоплазматические – члены сигнальных каскадов• Иногда гормоны• Более 100 известных онкогенов

• Онкогены или протоонкогены были открыты в вирусах

• Ретровирусы

ras• Саркома крысы• 3 формы

– H-ras, K-ras and N-ras– Экспрессируется в разных типах

клеток

• В начале сигнального пути• G-белок, относящийся к

GTPазам• Разные типы мутаций

приводят к его активации– Например неспособность

гидролизовать GTP– Неспособность связывать ras-

GAP – GAP = GTPase Activating Protein

– Приводит к постоянному связыванию с GTP

• Что приводит к постоянному посыланию сигнала к делению клетки

Различные активирующие мутации в Ras

• Сигнальный путь

В каких типах рака?

• Примерно 25% всех раковых трансформаций у человека– Мутантный K-ras

• 90% заболеваний раком поджелудочной железы• 35% онкологических заболеваний головы и шеи• 30% заболеваний раком легких• 50% заболеваний раком прямой кишки

– Мутантный H-ras • Рак мочевого пузыря, легких, почек, груди

– Мутантный N-ras • Рак легких, лейкемия, лимфома

Модель прогрессирования рака

• Как минимум 2 гена должны мутировать, чтобы развился рак

• Используя наследственную форму, adenomatous polyposis coli, Bert Vogelstein разработал модель “multi-hit” развития наследственной формы рака прямой кишки

• Соответсвует изменениям в эпителии прямой кишки от нормального состояния до метастатического рака

Эпителий – тип ткани. Примеры?

APC• Развиваются вначале

адематозные полипы в кишечнике– Предшественники более

серьезных опухолей

– Приводят к развитию метастазной аденокарциномы

• Доминантное наследование

• Продукт гена APC учавствует в межклеточной адгезии

Модель множественных ударов• Разработана на основе после-операторного исследования пациентов• Клетки с более выраженной гиперплазией имели больше

мутированных онкогенов– Специфические мутации в специфических генах– Подобная прогрессия заболевания наблюдалась в случае астроцистомы – тип

рака мозга

Ракпрямой кишки

• Потеря гена APC снимает блокировку клеточного деления– APC взаимодействует с геном wnt – Тип супрессора рака – негативный сигнал– Мутация приводит к развитию неинвазивной аденокарциномы

• Также наблюдаются эпигенетические изменения – гипометилирование ДНК – приводит к экспрессии ранее не экспрессировавшихся генов - дедифференциация

• Мутирует онкоген Ras – позитивный сигнал – аденома

Модель множественных ударов II

• Делеция гена супрессора рака DCC -– Аденома на поздней стадии

• Мутация гена P53 нарушает апоптоз– Аденокарцинома

• Дальнейшие изменения приводят к метастазам

Модель примененная к раку прямой кишки и астроцитоме

Наследственная предрасположенность к раку

– Повышенный риск развития рака означает в этой родословной что каждый человек – носитель мутации с различной пенетрантностью. Что это?

– Мутация:• Тип наследования

• Какие гены

• Почему развивается рак?

Негативные контроли передачи сигналов

• Болезнь Коудена – мутация в гене PTEN– Многочисленные опухоли и дефекты развития

• Цитоплазматический сигналинг– Различные сигналы активируют фосфолипазу С

(например -EGFR)– Она разбивает phosphatidyl inositol на diacylglycerol

(DAG) и inositol triphosphate - IP3– IP3 активирует AKT (серин-треониновая киназа)

• Сигнал к делению• PTEN превращает IP3 в IP2 – негативный контроль активации

AKT • Мутация в PTEN убирает негативный контроль к развитию

рака

Гены супрессоры рака

• Свойства• Доминантное наследование с вариабельной пенетрантностью и

экспрессивностью (пример экспрессивности?)• Наследуется только предрасположение к раку

– Особенно опасно когда обе аллели - мутантные– Обычно ядерный ген

• Примеры– APC – Adenomatous polyposis of the colon– BRCA 1 and BRCA 2 – Breast cancer– PTEN – Cowden disease– NF-1 - Neurofibromatosis– Rb – Retinoblastoma– P53 – Li-Fraumeni Syndrome– P16 – Familial melanoma

Ретинобластома

• Редко бывает злокачественной• Может быть в одном или обеих глазах

• Может быть в нескольких местах

• Это не метастазы, а независимые клоны трансформированных клеток

• Билатеральная ретинобластома – соответствует модели как минимум 2 мутаций

Модель Кнудсена• Модель наследственного

рака• Мутантный Rb-1 ген

супрессор рака -наследуется в семьях

• Одиночная мутация Rb1 предрасполагает к развитию ретинобластомы– Приводит к гетерозиготности

во всех клетках

• 2я мутация Rb необходима для потери контроля клеточного цикла

Потеря гетерозиготности

Продолжение

• Лечение – радио и химио-терапия, в худшем случае удаление глаз(а)

• Позднее рак разовьется в других тканях– В основном- остеосаркома

Модель ретинобластомы• 2 мутации приводят к

ретинобластоме, 1я мутация - наследственная

• Доминантное наследование с уменьшенной пенетрантностью

• Типы изменений– Мутации – точковые, делеции– Потеря гетерозиготности в

результате например эпигенетических изменений

– Соматическая рекомбинация

Механизмы 2го удара• LOH - loss of heterozygosity

– В течении развития

• Механизмы – Потеря и редупликация

– Гомозиготность в раке

– Соматическая рекомбинация– Делеция– Простая точковая мутация

Механизмы Rb• E2F нужен для транскрипции и продолжения клеточного цикла

• Rb связывается с E2F транск. комплексом– Инактивирует его

– Клетка заблокирована в фазе G1

• Фосфорилирование Rb высвобождает его от E2F

• Клетка проходит в фазу S

• Как Rb контролируется?

Нормальный контроль Rb• Фосфорилирование Rb

киназой CDK - Cyclin Dependent Kinase – CDK

• Контролируется циклином D

• Комплекс циклин D/CDK4 complex является активной киназой

– Регуляция CDK • Cyclin D экспрессируется в

зависимости от клеточного цикла

• Различные типы CDK

• P16 и P21связывается и инактивирует CDK

Дальнейшие контроли• P53 контролирует уровень p21

– Многофункциональный белок• Tранскрипционный фактор

– Связывается с промотором p21 и активирует транскрипцию p21

– Высокий уровень p21 инактивирует CKD/cyclin комплекс

– Rb затем присоединяется к E2F

• Т.о. p53 увеличивает активность Rb увеличивая уровень p21– Rb имеет негативный эффект на клеточное деление

– P21 выключает инактивирующий комплекс CDK/cyclin

– Регуляция негативного фактора pRB

2я функция p53• Апоптоз

– p53 чувствует повреждения ДНК

– И пытается остановить синтез ДНК пока ДНК не репарирована

– Если это невозможно, то запускается каспазный путь

• Каспазы это протеазы, активирующие другие каспазы

» Разрезают белки, высвобождая нуклеазы

» Нуклеазы разрушают геном

– Протеазы также разрушают цитоплазматичесие белки

Вообщем

Эти сигналы работают координировано и определяют начало клеточного деления, неделящегося состояния или апоптоза – программированной смерти клетки

P53 как супрессор рака• Вероятно самый важный из

всех раковых генов• Синдром Ли Фраумени

– Наследственная предрасположенность к раку с вероятностью 90% до возраста 60 лет

– Мутация в p53• P53 – димер (частое явление для

транскрипционных факторов)• Мутантный продукт одной

аллели связывает и инактивирует нормальный продукт другой аллели – доминантно-негативное наследование

История р53 • Трансфекция гена p53 gene

вызывает трансформацию NIH 3T3 клеток, они становятся бессмертными– Думали, что это онкоген– На самом деле, это был доминантно

негативный мутант• Взятый из ДНК раковой клетки• Связывается со многими

онкопротеинами вирусного происхождения

– Например HPV E6 (E7 - Rb)

• Часто мутирован в соматических типах рака– Например, раке легких у

курильщиков

P53 заключения• Транскрипционный фактор, отвечающий за повреждение

ДНК• Дает выбор

– Дать возможность репарации ДНК в фазе G1• Увеличивает транскрипцию р21

Или запускает апоптоз• В клетках, где отсутствует функциональный Rb• Не может остановить клеточный цикл и поэтому он убивает клетку

• Один из наиболее часто мутированных генов в раке• Может быть в соматических или в половых клетках –

синдром Li Fraumeni

• Мутация передается как доминантная предрасположенность к раку

BRCA• Рак груди• BRCA1, BRCA2

– 2 гена предрасположенности к раку груди

– Большинство случаев рака – Аутосомно-доминантное

наследование– Редко мутирован в

ненаследственных случаях– Оба – транскрипционные

факторы, вовлечены в репарацию ДНК

– Скрининг возможен

Наследственный неполипозный рак прямой

кишки • HNPCC передается аутосомно-доминантно

– Мутации в 5 генах, ответственных за репарацию ДНК• 5 типов заболевания (HNPCC1 to HNPCC5)• 2 наиболее часто встречающихся гена - MLH1 иMSH2

– Потеря одной функциональной аллели • Потеря 2й аллели увеличивает мутагенез, что приводит к раку

– Основная черта - нестабильность повторяющихся последовательностей– Онкогены, содержащие повторяющиеся последовательности, - наиболее

подвержены мутагенезу

P16 и меланома

• Уменьшает экспрессию CDK4 убирая cyclin D с CDK4/cyclin комплекса

• P16 функционирует подобно p21 – Снимает негативную регуляцию CDK/cyclin, что приводит к

делению клетки

– CDK тоже может быть мутирована

RET

• Receptor Tyrosine Kinase может иметь как положительные, так и отрицательные мутации– Активирующие мутации приводят к multiple

endocrine neoplasia• MEN2A, MEN2B

– Например, тироидный и паратироидный рак

• Негативные мутации приводят к нарушению иннервации кишечника и непроходимости кишечника – заболевание Хиршспранга -Hisrchsprung disease

Аутоиммунное лимфопролиферативное

заболевание• Нарушения апоптоза из-за доминантной

негативной мутации гена fas или его лиганда – принимает сигнал к апоптозу, вместе они образует Death Inducing Complex

• Пролиферация незрелых Т-лимфоцитов– Аутоиммунные заболевания– Уменьшение количества тромбоцитов– Гемолитическая анемия

Что нужно знать?

• Механизмы контроля клеточного цикла• Запуск клеточного цикла

– Внешний сигнал

– Рецептор тирозин киназа

– Передача сигнала к Ras

– Ras - к Мap киназе

– Map киназа – к транскрипционным факторам

– Транскрипционные факторы изменяют экспрессию генов

• Снимают блок клеточного цикла

• Производят белки для деления клетки

Различие между онкогенами и генами супрессорами рака

• Обычно онкогены вовлечены в передачу сигнала от факторов роста до транскрипционных факторов. Примеры?

• А супрессоры рака обычно действуют в ядре – взаимодействуют с ДНК. Примеры?

Исключения - APC, NF-1, PTEN, Fas/Fas лиганд

Модели онкогенеза

• Соматического происхождения– « Multi Hit model » Модель Вогельштейна

• Наследственного происхождения– Модель Кнудсена -two hit model-

объясняющая происхождение ретинобластомы

Рак и эпигенетика

-Нарушения метилирования ДНК

-Нарушения ацетилирования гистонов

Характерная черта многих типов раковых клеток – это нарушение нормального метилирования ДНК и ацетилирования гистонов, вызывающих в случае например избыточного деацетилирования - подавление генов, предотвращающих развитие ракового фенотипа.