Přechod na menu, Přechod na obsah, Přechod na patičku
     

Poruchy proliferace, diferenciace a apoptózy


Rovnováha v buněčných populacích

Rovnováha v buněčných populacích je udržována přesnou regulací procesů proliferace (bun. cyklus), diferenciace a apoptózy. Vývoj tkání savců se uskutečňuje v prostředí regulačních růstových faktorů. Ty ovlivňují řadu parametrů buněčného vývoje jako je přežívání, proliferace, diferenciace. Řada aspektů chování buněk je ovlivňováno rovnováhou mezi stimulačními a inhibičními signály s různým stupněm specifity. Přesný účinek daného faktoru je určován buněčným typem, koncentrací faktoru, přítomností jiných podnětů apod. (obr. 8-1).

Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobuněčných signálech
Obr. 8-1 Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobuněčných signálech
(Figure 15-8. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition.)

Aktivace/deaktivace různých drah zajišťuje rovnováhu mezi proliferací, diferenciací a apoptózou. Jejich deregulace podporuje tvorbu nádorů. (obr. 8-2)

Rovnováha v buněčných populacích je udržována přesnou regulací procesů proliferace (buněčný cyklus), diferenciace a apoptózy
Obr. 8-2 Rovnováha v buněčných populacích je udržována přesnou regulací procesů proliferace (buněčný cyklus), diferenciace a apoptózy

Klasicky se specifický růstový stimul přenáší do buňky přes aktivaci transmembránových receptorů, které modulují klíčové proteiny v cytoplazmě. Ty pak na oplátku ovlivňují rozhodnutí kontrolující proliferaci, diferenciaci a apoptózu změnami v genové expresi a reaktivitě na ostatní faktory. (obr. 8-3)

Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signální dráhy aktivované mimobuněčnou signální molekulou
Obr. 8-3 Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signální dráhy aktivované mimobuněčnou signální molekulou
(Figure 15-1. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition.)

Některé faktory mohou fungovat extra- i intracelulárně a tato vlastnost koreluje s karcinogenitou. Aberantní produkce sekretovaných růstových faktorů může hrát rozhodující roli v karcinogenezi zvýšením proliferace a stupně buněčné autonomie a rozšířením oblasti pro expanzi nádoru.

Základní hierarchickou strukturu procesu vývoje a udržování tkání můžeme pozorovat při náhradě pokožky, střevního epitelu a krvetvorných systémů obratlovců. Tyto tkáně patří k intenzívně proliferujícím buněčným populacím, které se obnovují celý život. Limitovaný počet multipotentních kmenových buněk se během embryogeneze snižuje a vzniká větší populace více vývojově určených progenitorových buněk. Ty dále proliferují a produkují funkčně zralé postmitotické buňky, které nahrazují přirozený úbytek příslušného buněčného typu. Kmenové buňky jsou schopny sebeobnovy, kterou nahrazují ty buňky, které dále diferencovaly. Je nutné, aby byla zachována přísná rovnováha počtu a typů buněk v příslušných kompartmentech. Jestliže dojde k odtržení jinak koordinovaných procesů proliferace (sebeobnovy) a diferenciace, vznikají nádory (obr. 8-4).

Model iniciace/promoce/progrese v karcinogenezi
Obr. 8-4 Model iniciace/promoce/progrese v karcinogenezi
(podle Trosko J.E. and Chang Ch., Mutation Research 2001: 219)

Teorie kmenových buněk

Jednu z hlavních teorií karcinogeneze představuje tzv. teorie kmenových buněk. Totipotentní kmenová buňka je buňka, která může dát vznik všem buňkám v mnohobuněčném organismu, jako je oplodněné vajíčko nebo raná embryonální buňka. Brzy po embryonálním vývoji, některé buňky částečně diferencují v pluripotentní kmenové buňky. Z nich pak vznikají různé třídy buněk pro několik různých orgánů (např. slinivku a játra). Během dalšího vývoje jsou některé buňky omezeny tak, aby z nich vznikalo jen málo buněčných typů, stávají se z nich určitým způsobem předurčené (tzv. „commited“) buňky. Konečným výsledkem je produkce terminálně diferencovaných buněk (spermie, vajíčka, keratinocyty, červené krvinky, neurony atd.).

Podobně i zmíněná teorie karcinogeneze vychází z existence kmenové buňky (nejpravděpodobněji pluripotentní nebo komitované). Vychází z pozorování, že každý nádor se jeví ve svém původu jako monoklonální, tj. přes všechny genotypové a fenotypové rozdíly se všechny buňky nádoru vytvořily z jedné původní kmenové. Nádor je výsledkem mnohočetných genetických, epigenetických a negenotoxických změn, kdy normální buňky s kontrolovaným růstem a schopností terminálně diferencovat ztrácí tyto schopnosti a zároveň získávají schopnost rozšiřovat se do jiných tkání v těle – metastázovat.

Základní předpoklad zmíněné teorie karcinogeneze je, že kmenová buňka je nesmrtelná. Smrtelnou se stává při indukci terminální diferenciace. Normální kmenové buňky se dělí „asymetricky“, tj. jedna dceřinná buňka zůstává jako kmenová a druhá získává schopnost terminálně diferencovat. S tím souvisí domněnka, že prvním krokem v karcinogenezi je imortalizace buňky, která se pak může neomezeně dělit a není schopna diferencovat.

Význam buněčného dělení a diferenciace

Nádorové onemocnění je to stupňovitý proces, který  vzniká ze složitých genetických změn vedoucích k deregulaci buněčné proliferace.  Rakovina je tedy především proliferativní chorobou.

Dělení je základním dějem v životě buňky. Řetěz dějů, který vede k replikaci DNA a k dělení buňky má 4 základní části:

  • vznik signálu,
  • rozpoznání signálu,
  • přenos signálu,
  • odpověď.

Buněčné dělení hraje klíčovou úlohu v každém stadiu vývoje nádorů a je zcela zřejmé, že zvýšená proliferace může zvyšovat riziko malignity. Je důležitá pro fixaci poškození DNA, usnadňuje mutagenezi (výskyt a fixace mutací), umožňuje klonální namnožení iniciované buňky a  po vzniku dalších mutací je na ní závislý přechod od neolastické populace k malignitě (obr. 8-5).

Úloha buněčné replikace v mnohastupňovém procesu karcinogeneze
Obr. 8-5 Úloha buněčné replikace v mnohastupňovém procesu karcinogeneze
(Foster J.R., J Comp Pathol 1997 : 113)

Kromě toho lze na malignitu pohlížet jako na poruchu diferenciace, protože malignita vzniká z kmenových buněk v důsledku maturačního bloku nebo může dojít rovněž k dediferenciaci zralých buněk, které si zachovaly schopnost proliferace.

Třetím významným procesem, jehož poruchy ovlivňují vznik nádorů je programovaná buněčná smrt – apoptóza.

Aktivace mitogenní cesty růstových faktorů je tedy nutným, ale ne dostačujícím jevem (obr. 8-6a, 8-6b). V terminálně se diferencujících systémech jako např. v hemopoéze musí ještě dojít k diferenciačnímu bloku. Za normálních okolností je během diferenciace omezována autonomní buněčná proliferace posunutím buněk z populace produkující růstové stimulační faktory k typu buněk produkující místo toho inhibiční faktory. Následně vede blok v diferenciaci k nádorovému růstu pouhým udržením produkce růstově stimulačních autokrinních faktorů.

Mechanizmus mitogeneze v normálních buňkách
Obr. 8-6a Mechanizmus mitogeneze v normálních buňkách
Mechanizmus mitogeneze v transformovaných buňkách
Obr. 8-6b Mechanizmus mitogeneze v transformovaných buňkách

Buňky se stávají nádorovými, protože nejsou schopny diferencovat v odpověď na příslušné vývojové signály a tak ztrácejí schopnost zastavit produkci růstově stimulačních faktorů a aktivovat dráhy přenosu signálu růstově inhibičních faktorů (např. expresí receptorů pro TGF-b apod.) produkovaných diferencovanými buňkami. Většina nádorů má defekt v diferenciaci kmenové buňky. Proto jeden z klíčů porozumění nádorovému onemocnění spočívá v lepším pochopení toho, jak diferenciace ovlivňuje produkci klíčových růstových regulačních molekul, včetně růstových faktorů a receptorů. Zástava diferenciace může nastat i na dalších stupních vývoje progenitorových buněk.

Získáním informací o tom, jak je během diferenciace regulována exprese klíčových regulačních genů lze vytvořit nový cíl pro efektivnější nádorovou terapii.

Vývoj malignity zahrnuje genetické změny, které porušují normální rovnováhu mezi růstem a diferenciací. Existuje několik způsobů rozpojení normální kontroly růstu a diferenciace a několik způsobů, jak se z buňky stane maligní. Embryonální tkáně rychle rostou a exprimují řadu protoonkogenů. Jak embryonální nebo kmenové buňky zrají, exprese se ztrácí, ale exprimují se nové protoonkogeny. Jestliže klidová buňka vchází znovu do buněčného cyklu, dochází ke zvýšené regulaci asi 60 genů (včetně protoonkogenu c-fos, jun, c-myc), jejichž produkty fungují jako regulátory transkripce. Terminální diferenciace je někdy doprovázena zvýšenou regulací rodiny proteinů r a s.

Funkce protoonkogenů je základem průchodu buněčným cyklem, ale tyto geny se liší u různých buněčných typů. Průchod buněčným cyklem je závislý hlavně na prahu růstových signálů tvořených paralelními cestami, spíše než na striktním pořadí exprese jednotlivých protoonkogenů. Zde je i oblast pro vznik chyb a abnormální růst je výsledkem aberantního produktu onkogenu dávajícího vznik stálému nebo zvýšenému růstovému signálu, který posune rovnováhu z klidového do aktivního stadia buněčného cyklu (obr. 8-7).

Signální dráhy v buňce napodobující integrované obvody
Obr. 8-7 Signální dráhy v buňce napodobující integrované obvody
Aktivace/deaktivace různých drah zajišťuje rovnováhu mezi proliferací, diferenciací a apoptózou. Jejich deregulace podporuje tvorbu nádorů.
(Figure 11.44. The Biology of Cancer (© Garland Science 2007))

Autokrinní regulace

Autokrinní signál
Obr. 8-8 Autokrinní signál
(Figure 15-6. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition.)

Existuje řada způsobů, kterými mohou růstové faktory přispívat k pozdějším stadiím vývoje nádoru po transformačním ději. Nejběžnější je vytvoření autokrinní růstové odpovědi, při níž buňky exprimují a jsou stimulovány mitogenním faktorem a tak se stávají méně závislé na prostředí okolních buněk. Jedná se o neplánovanou produkci růstových faktorů buňkami nesoucími odpovídající receptory nebo s aberantní expresí receptorů. Některé faktory mohou fungovat mimo- i vnitrobuněčně a tato vlastnost koreluje s možnou ontogenicitou.Tato autokrinní smyčka slouží normálně pouze přechodně k urychlení nebo znásobení odpovědi a je kontrolována jak vnitřním buněčným programem, tak mimobuněčnými signály.

Vytvoření autokrinní růstové odpovědi přispívá k vytvoření autonomní nádorové populace a je dosti obecným jevem řady nádorových línií. Avšak jsou i jiné úrovně, na nichž mohou růstové faktory in vivo působit. Např. okolní buňky mohou reagovat na růstový faktor produkcí jiných faktorů stimulujících proliferaci transformovaných buněk. Některé faktory mají též schopnost indukovat rozšíření cév vedoucích ke zdroji faktoru, přispívají k vaskularizaci nádoru a tím k lepší výživě a expanzi.


Růstové regulátory v karcinogenezi

Signální dráhy v normálních buňkách a jejich možné abnormality
Obr. 8-9 Signální dráhy v normálních buňkách a jejich možné abnormality
(Weinberg R.A., Scientific American 1996 : 62)

Lidské nádorové buňky konstitutivně produkují řadu růstových faktorů, cytokinů, chemoatraktantů, proteolytických enzymů a jejich inhibitorů. Sousedící normální buňky, jako jsou fibroblasty, endoteliální buňky a monocyty tvořící okolní mikroprostředí, jsou též potenciálním zdrojem většiny těchto faktorů, ale vyžadují specifický signál k zahájení syntézy nebo uvolňování aktivních faktorů.

Jednotlivé nádorové línie sekretují nadbytek růsttových faktorů a cytokinů, avšak různé autokrinní a parakrinní okruhy jejich působení nejsou dostatečně definovány.

Biologické aktivita každého faktoru závisí na tom, zdali

  • je exprimován jako latentní prekursor a vyžaduje aktivaci,
  • vyžaduje uvolnění z vazebného proteinu,
  • je biologicky aktivní bez další aktivace.

Biochemická povaha jednotlivých faktorů produkovaných normálními a nádorovými buňkami se většinou neliší, ale liší se velmi regulace jejich exprese (obr. 8-10).

Odpověď buňky na růstově stimulační a inhibiční signály a její poruchy v karcinogenezi
Obr. 8-10 Odpověď buňky na růstově stimulační a inhibiční signály a její poruchy v karcinogenezi
(Cavenee W.K. and White R.L., Scientific American 1995 : 50)

Stimulace růstu normálních a maligních buněk, angiogeneze a tvorba stromatu u maligních poruch, degradace tkáně invazivními nádorovými buňkami, pohyb buněk, uvolňování a přichycování nádorových buněk – to vše zahrnuje interakci mezi autokrinními, parakrinními a endokrinními faktory.

Komplexní biologické aktivity nádorových buněk jsou regulovány řadou faktorů produkovaných maligními buňkami nebo sousedícími normálními buňkami. Kritická je vzrůstající nezávislost na exogenních signálech, která způsobuje přechod z neinvazivního do invazivního a metastázujícího fenotypu.

Endogenní a exogenní faktory modulují expresi tkáňově degradačních enzymů a jejich inhibitorů, stejně jako buněčné povrchové struktury zahrnuté v přenosu signálů a interakcích buňka-buňka nebo buňka-substrát. Je třeba zdůraznit, že k buněčnému růstu a invazi přispívá interference různých produktů nádorových i normálních buněk.

Nádorové buňky produkují řadu růstových faktorů a cytokinů bez předchozí exogenní stimulace – vzniká autokrinní smyčka.

Příklady růstových faktorů podporujících nádorový růst

Pozitivní/negativní růstová kontrola epiteliálních buněk
Obr. 8-11 Pozitivní/negativní růstová kontrola epiteliálních buněk
  • TGF alfa (tumor growth factor)

    vykazuje sekvenční homologii s EGF (epidermal growth factor) s vazbou na stejný receptor EGFR. Je produkován řadou karcinomů a působí autostimulačně pro kolorektální, prsní i plicní karcinomy.
  • basic FGF (fibroblast growth factor)

    je produkován normálními i maligními buňkami mesodermálního a neuroektodermálního původu, např. melanomy.
  • Insulin-like faktor

    má autokrinní funkci u nádorů kolonu, plic, pankreatu či neuroblastomů.
  • PDGF (platelet growth factor)

    produkován řadou lidských nádorů. Je mitogenem pro fibroblasty a endoteliální buňky.
  • TGF beta

    rodina dimerických proteinů, které kontrolují růst a diferenciaci řady buněčných typů. Je produkován v latentní formě a musí být aktivován. Tento faktor však s vyjímkou stimulace růstu fibroblastů inhibuje růst řady typů buněk mezenchymálního původu, myeloidních buněk, epiteliálních, lymfoidních a endoteliálních buněk. Účinkuje na sekreci proteolytických enzymů a proteinů extracelulární matrix.

Antiproliferační molekuly

Existuje rovněž řada molekul, které jsou schopny působit na určité typy buněk antiproliferačně. Tyto látky představují pole pro protinádorový výzkum. Patří k nim např. právě TGF beta, který může mít jak růstově podpůrnou, tak růstově inhibiční funkci v závislosti na buněčném typu a podmínkách. Stimuluje proliferaci buněk mezenchymálního původu indukcí exprese c-sis protoonkogenu, který kóduje PDGF-like protein. Naopak inhibuje proliferaci buněk epiteliálního původu, endoteliálních buněk, B lymfocytů a thymocytů a indukuje diferenciaci řady buněčných typů. U endoteliálních buněk ovlivněných TGFbeta je redukována exprese EGF receptoru a tak buňka není schopna odpovídat na mitogenní signál EGF. Zatímco buňky retiny jsou normálně citlivé k antimitogennímu působení TGFbeta, nádorové buňky retinoblastomu neexprimují TGF beta receptory a tak unikají negativní kontrole. Dalším endogenním antiproliferačním proteinem je např. interferon gamma.


Kontrolní otázky k tématu

  1. Jak je udržována rovnováha v buněčných populacích?

  2. Které tkáně patří k intenzívně proliferujícím buněčným populacím a jak jsou charakterizovány?

  3. Jaký význam má při vývoji nádoru buněčné dělení?

  4. Které další procesy hrají významnou úlohu v nádorovém procesu?

  5. Vysvětlete pojem autokrinní regulace.

  6. Jakou úlohu hrají v rozvoji nádorového onemocnění molekuly typu růstových regulátorů? Jmenujte příklady.

  7. Existuje interakce mezi nádorovými a okolními normálními buňkami? Jaký má význam?

prof. RNDr. Jiřina Hofmanová, CSc. |
ÚEB Biol, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |
Stránky Přírodovědecké fakulty MU
| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2012–2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041