РАК Н Володина 12 03 2011 Рак

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

• 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 Инвазивность

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

• 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 B 1 • Промоторы – Не мутагены, увеличивают скорость деления клеток – TPA (PMA) Канцерогены

• Иногда вызывают рак – HPV Вирусы папилломы человека вызывают рак шейки матки – Содержат онкогены Е 6, Е 7 • Ретровирусы, вызывающие лейкемию – 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

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 клеток КЛАССИФИКАЦИЯ • 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 G 0 клетка останавливает деление • Также есть точки контроля в фазах G 1, S and G 2 • Чтобы войти в G 1, позитивный сигнал к делению должен быть получен • Негативные сигналы т о убираются

Типы раковых генов Название Онкогены Передача, эффект Доминантная, позитивный эффект=приобретение функции Супрессоры Доминантная или рака рецессивная, негативный эффект = потеря функции

Семейства онкогенов Позитивные 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 – ERBB 1 – гомолог EGFR – глиобластома– вирусный онкоген – ERBB 2 – 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

• Гомолог вирусного онкогена • Нерецепторная тирозин киназа abl • 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

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

Общая картина • Гормон соединяется с рецептором • Рецептор передает сигнал в ядро • Активируется транскрипционный фактор • Начинается транскрипция

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

• Онкогены или протоонкогены были открыты в вирусах • Ретровирусы

• 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 ras

• Сигнальный путь Различные активирующие мутации в Ras

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 “multihit” 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

• 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 Рак прямой кишки

Модель множественных ударов II • Делеция гена супрессора рака DCC – Аденома на поздней стадии • Мутация гена P 53 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 - IP 3 – IP 3 активирует AKT (серин-треониновая киназа) • Сигнал к делению • PTEN превращает IP 3 в IP 2 – негативный контроль активации AKT • Мутация в PTEN убирает негативный контроль к развитию 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 P 53 – Li-Fraumeni Syndrome P 16 – Familial melanoma Гены супрессоры рака

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 Rb 1 предрасполагает к развитию ретинобластомы – Приводит к гетерозиготности во всех клетках • 2 я мутация Rb необходима для потери контроля клеточного цикла Потеря гетерозиготности

Продолжение • Лечение – радио и химиотерапия, в худшем случае удаление глаз(а) • Позднее рак разовьется в других тканях – В основном- остеосаркома

Модель ретинобластомы • 2 мутации приводят к ретинобластоме, 1 я мутация - наследственная • Доминантное наследование с уменьшенной пенетрантностью • Типы изменений – Мутации – точковые, делеции – Потеря гетерозиготности в результате например эпигенетических изменений – Соматическая рекомбинация

Механизмы 2 го удара • LOH - loss of heterozygosity – В течении развития • Механизмы – Потеря и редупликация – Гомозиготность в раке – Соматическая рекомбинация – Делеция – Простая точковая мутация

Механизмы Rb • E 2 F нужен для транскрипции и продолжения клеточного цикла • Rb связывается с E 2 F транск. комплексом – Инактивирует его – Клетка заблокирована в фазе G 1 • Фосфорилирование Rb высвобождает его от E 2 F • 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/CDK 4 complex является активной киназой – Регуляция CDK • Cyclin D экспрессируется в зависимости от клеточного цикла • Различные типы CDK • P 16 и P 21 связывается и инактивирует CDK

Дальнейшие контроли • P 53 контролирует уровень p 21 – Многофункциональный белок • Tранскрипционный фактор – Связывается с промотором p 21 и активирует транскрипцию p 21 – Высокий уровень p 21 инактивирует CKD/cyclin комплекс – Rb затем присоединяется к E 2 F • Т. о. p 53 увеличивает активность Rb увеличивая уровень p 21 – Rb имеет негативный эффект на клеточное деление – P 21 выключает инактивирующий комплекс CDK/cyclin – Регуляция негативного фактора p. RB

• Апоптоз 2 я функция p 53 – p 53 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

P 53 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 p 53 • P 53 – димер (частое явление для транскрипционных факторов) • Мутантный продукт одной аллели связывает и инактивирует нормальный продукт другой аллели – доминантно-негативное наследование

История р53 • Трансфекция гена p 53 gene вызывает трансформацию NIH 3 T 3 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 E 6 (E 7 - Rb) • Часто мутирован в соматических типах рака – Например, раке легких у курильщиков

P 53 заключения • Транскрипционный фактор, отвечающий за повреждение ДНК • Дает выбор – Дать возможность репарации ДНК в фазе G 1 • 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

• Рак груди • BRCA 1, BRCA 2 – 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 BRCA

Наследственный неполипозный рак прямой кишки • HNPCC передается аутосомно-доминантно – Мутации в 5 генах, ответственных за репарацию ДНК • 5 типов заболевания (HNPCC 1 to HNPCC 5) • 2 наиболее часто встречающихся гена - MLH 1 и. MSH 2 – Потеря одной функциональной аллели • Потеря 2 й аллели увеличивает мутагенез, что приводит к раку – Основная черта - нестабильность повторяющихся последовательностей – Онкогены, содержащие повторяющиеся последовательности, - наиболее подвержены мутагенезу

• Уменьшает экспрессию CDK 4 убирая cyclin D с CDK 4/cyclin комплекса • P 16 функционирует подобно p 21 – Снимает негативную регуляцию CDK/cyclin, что приводит к делению клетки – CDK тоже может быть мутирована P 16 и меланома

RET • Receptor Tyrosine Kinase может иметь как положительные, так и отрицательные мутации – Активирующие мутации приводят к multiple endocrine neoplasia • MEN 2 A, MEN 2 B – 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 - 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.