Úvod do nádorové biologie Stjepan Uldrijan Biologický ústav Lékařská fakulta Masarykova Univerzita Brno uldrijan@med.muni.cz Nádorová onemocnění • Nádorové bujení mohou poskytnout mnoho různých orgánů a tkání - Existuje více než 100 různých typů nádorů • Chování jednotlivých typů nádorů se může velice lišit - Některé nádory zůstávají často lokalizovány v původní tkáni (např. nádory prostaty) a jiné se naopak velice agresivně šíří (např. karcinom slinivky) • V roce 2000: 10 milionů lidí na celém světě onemocnělo rakovinou a 6.2 milionu lidí této nemoci podlehlo •V roce 2020: očekáváme 16 milionů nových případů rakoviny Benigní a maligní nádory • Benigní (nezhoubné) nádory - Rostou lokalizovane a neinvadují přilehlé tkáně - Epiteliální nádory považujeme za nezhoubné, pokud nejsou schopny penetrovat bazálni membránu (specializovaný typ buněčné matrix, který odděluje epiteliální buňky od podpůrné vrstvy pojivové tkáně - stroma) -1 nezhoubné nádory mohou představovat vážný problém, např. pokud svým růstem negativně ovlivňují funkci důležitých orgánů - Některé nezhoubné nádory se mohou rozvinout v nádory maligní • Maligní (zhoubné) nádory - Prorůstají do okolních tkání a mohou se šířit ve formě metastáz - Primární nádor x metastázy - Metastázy maligních nádorů jsou příčinou asi 90% všech úmrtí na nádorová onemocnění Príklady metastáz do různých orgánu A B A: Jaterní metastázy karcinomu tlustého střeva B: Metastázy maligního melanomu do plic (myší model) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Geny nejčastěji postižené mutacemi v nádorových buňkách Karcinogény často působí jako mutageny - způsobují poškození genetické informace buňky 1. Proto-onkogeny / Onkogeny - v nádorových buňkách dochází k jejich aktivaci. • Kódují proteiny, které se účastní přenosu různých siqnálů v buňce (siqnal transduction) a regulují buněčné dělení nebo diferenciaci. • Mutace nebo zvýšená exprese (produkce) těchto proteinů vede k nadměrnému zvýšení jejich aktivity v buňce (proto-onkogen se mění na onkogen) Příklady: EGFR, Ras, Raf, Src, Myc 2. Nádorové supresory - v nádorech dochází k vyřazení jejich funkce • Zabraňují množení poškozených nebo neregulovaně rostoucích buněk. • Jiné n.s. se podílí na opravách poškozené DNAa zabraňují akumulaci mutací v buňkách. Příklady: p53, p16, Rb,APC, MLH1, MSH2, BRC1, BROC Mutace vedoucí ke vzniku nádorů 1. Somatické mutace - vynikají de novov somatických buňkách a mění jejich vlastnosti. Přenáší se do dceřiných buněk, ale nedědí se. 2. Zárodečné mutace - vznikají v genomu spermie nebo vajíčka, nebo jejich prekurzorů v gonádách. Mutace se mohou přenášet na potomstvo a mohou je predisponovat k různým typům nádorů. A B Figure 7-22 The Biology of Cancer (C) Garland Science 2007) A: Stěna tlustého střeva jedince postiženého familiální adenomatózní polypózou (obvykle způsobena zárodečnými mutacemi v nádorovém supresoru APC). B: Normální tlusté střevo Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Vznik rakoviny je postupný pomalý proces - Buňky kumulují mutace, které jim poskytují určité růstové výhody Příklad: proqrese karcinomu slinivky (PanIN = pankreatická intraepitelialní neoplázie) i ■ i i ■ i normal PanlN-IA PanlN-IB PanlN-2 PanlN-3 -«— HER2/Neu —>■--p 16---p53-+ K-ras DPC4 BRCA2 Figure 16-9 The Biology of Cancer () buňky opustí buněčný cyklus a vstupují do tzv. G0 fáze B: K tomuto rozhodnutí dochází vždy ve stejném bodě v G1 fázi, říká se mu bod restrikce (R-point) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Příklady buněčných onkogenů WNT ->- (Frizzled) Cells -*■ (E-Cadheriň) *- Disheveled I GSK-3ß I APC ■> ß-Catenin - TCF ß-Catenin:TCF ECM ( Integrinsij _ CdC42-»-P13K--->Rac---. vCas-»-Crk--, I. .•.............. i i ► JNKs-^Jun ■ ■ Growth Factors 4 , \ ,Grb2 ^ ' TT» ...... ,„„T-, , Hr (RTK> Ras- >-Raf-> MEK->-MARK—*-WIAPK-»-El K >-Fos - A I ^ Mad:Max-*- MEKK-*Mvc:H ax-fc, p16 1 Cycl D:CI 1 RbF-HPl 1 E2Fs Hormones (e.g. Bombesin) -»• (7-TMR) ■ (e.g. Estrogen)-—-- /n AblQ j CdC42-►Rae-»-Rio > G-Prot Ad Cycl PKA - Changes in Gene Expression CREB ->-NHR (e.g. ER) I. Atokrinní růstové faktory Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Atokrinní stimulace růstovými faktory normal cell autocrine signaling Figure 5-12b The Biology of Cancer (©Garland Science 2007) Table 5.3 Examples of human tumors making autocrine growth factors Ligand Receptor Tumor type(s) HGF Met miscellaneous endocrinal tumors, invasive breast and lung cancers, osteosarcoma IGF-2 IGF-1R colorectal IL-6 IL-6R myeloma, HNSCC IL-8 IL-8R A bladder cancer NRG ErbB2a/ErbB3 ovarian carcinoma PDGF-BB PDGF-Rot/ß osteosarcoma, glioma PDGF-C PDGF-a/ß Ewing's sarcoma PRL PRL-R breast carcinoma SCF Kit Ewing's sarcoma, SCLC VEGF-A VEGF-R (Flt-1) neuroblastoma, prostate cancer, Kaposi's sarcoma TGF-a EGF-R squamous cell lung, breast and prostate adenocarcinoma, pancreatic, mesothelioma GRP GRP-R small-cell lung cancer aAlso known as HER2 or Neu receptor. Table 5-3 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) • Normální buňky obvykle neprodukují růstový faktor, jehož receptor nesou na svém povrchu • Nádorové buňky někdy aktivují expresi genu, jenž takový růstový faktor kóduje a začnou jej produkovat. Tím samy sebe stimulují k růstu a dělení (autokrinní signalizace). Příklad: Zvýšená exprese HGF (růstový faktor hepatocytů - hepatocyte growth factor) a receptoru pro HGF (c-Met) u invazivního karcinomu prsu Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Příklady buněčných onkogenů Cells (E-Cadheriň) WNT->- (Frizzled) ->■ Disheveled I GSK-3(J I APC -► |5-Catenin - TCF p-Catenin:TCF ECM ( Integrinsij _ L CdC42-»- P13K---> Rac---v I. II. * Src ^Cas-*-Crk~, V^Fyn[ PLC PKC Mos I I "•l RTK>*vrtc ♦■Ras - *-Raf-» MEK-^MAPK- /ni Abl J>V ^MEKK- MKKs- 1 I t t ► JNKs-^Jun ■ Hormones (e.g. Bombesin) ->■ (7-TMR) ■ (e.g. Estrogen)-—-- f •WIAPK-*-EIK *-Fos \^ Mad:Max- p16 1 Cycl D:CI 1 Rbr-HPl 1 E2Fs 1 ■ Myc:f,ax- Changes in Gene Expression j CdC42-*■ Rac -*■ Rho > G-Prot Ad Cycl PKA - CREB ->-NHR (e.g. ER) II. Receptorové tyrosin kinázy Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Mutace receptářových tyrosin kináz • Za normální situace receptor aktivuje buněčné signální dráhy jen pokud je na něj navázaný specifický ligand (růstový faktor, growth factor-GF) • Mutace v genu kódujícím receptor mohou způsobit, že receptor je aktivní neustále, i za nepřítomnosti růstového faktoru Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Table 5.2 Tyrosine kinase GF receptors altered in human tumors3 Name of receptor Main ligand Type of alteration EGF-R/ErbB1 EGF, TGF-a overexpression EGF-R/ErbB1 ErbB2/HER2/Neu NRG, EGF ErbB3,4 various Flt-3 FL Kit SCF Ret FGF-R3 FGF truncation of ectodomain overexpression overexpression tandem duplication amino acid substitutions fusion with other proteins, point mutations overexpression; amino acid substitutions Types of tumor non-small cell lung cancer; breast, head and neck, stomach, colorectal, esophageal, prostate, bladder, renal, pancreatic, and ovarian carcinomas; glioblastoma glioblastoma, lung and breast carcinomas 30% of breast adenocarcinomas oral squamous cell carcinoma acute myelogenous leukemia gastrointestinal stromal tumor papillary thyroid carcinomas, multiple endocrine neoplasias 2A and 2B multiple myeloma, bladder and cervical carcinomas aSee also Figure 5.17, Table 5-2 The Biology of Cancer (@ Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Příklady buněčných onkogenů WNT->- (Frizzled) ->■ Disheveled I GSK-3ß I APC ,_, I Cells -*■ (E-Cadherin)-► ß-Catenin - TCF ß-Catenin:TCF ECM -»-( Integrins ] I. Growth Factors CdC42-»-P13K--->■ Rae---v t Src ^Cas-*-Crk~, (e.g.TGFa)Vij. 505^.^* >RasJT PLC PKC Mos MKKs I 1 Raf-» MEK-^MAPK 1 I t t ► JNKs-^Jun ■ p16 1 Cycl D:CI 1 Rbr-HPl 1 E2Fs Hormones (e.g. Bombesin) -»• (7-TMR) ■ (e.g. Estrogen)-—-- . Abl CdC42-! *-G-Prot-»-Ad Cycl- MAPK-*-EIK' *-Fos -A V Mad:Max- V Y j_ ■ MEKK-*Myc:H,ax- Rae -»■ Rho----------- • PKA-*■ CREB Changes in Gene Expression ->-NHR (e.g. ER) III. Onkogen Ras Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Ätofosforylace receptorové tyrozin kinázy umožní sestavení proteinového komplexu, který aktivuje protein Ras Lynda Chin Nature Reviews Cancer 3, 559-570 (August 2003) Aktivace proteinu Ras vyžaduje uvolnění GDP a navázání GTP Neaktivní protein Ras váže GDP, aktivní GTP. Neaktivní Ras je aktivován působením proteinu SOS, který způsobí uvolnění GDP a navázání GTP (SOS = GEF - guanine nucleotide exchange factor). Tento aktivní stav trvá jen krátce, než je GTP hydrolyzován na GDP. Onkogenní mutace mohou způsobit, že Ras není schopen GTP hydrolyzovat a zůstává neustále aktivní. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Příklady buněčných onkogenů WNT ->- (Frizzled) Cells -*■ (E-Cadheriň) *- Disheveled I GSK-3ß I APC ■> ß-Catenin - TCF ß-Catenin:TCF ECM -»-( Integrins ) CdC42-»- P13K---> Rae---v "»•Cas -*-Crk-^ I. Growth Factors (e.g. i i t t —»-JNKs - Jun / >♦ V^f!?^ -^fRTK^»e^? »Ras ^Raf -jí M E K MARK—*-MAPK-*-EIK' *-Fos - * a J I **"* \ \ Mad:Max-*- O IV- Hormones / "\ CdC42-»Rac^-Rho *-G-Prot->-Ad Cycl (e.g. Bombesin) -*■ (7-TMRJ ■ (e.g. Estrogen)-—-- p16 1 Cycl D:CI 1 Rbr-HPl 1 E2Fs MEKK- PKA- V Mad V. T 1 - »■ Myc:ř,ax- Changes in Gene Expression CREB ->-NHR (e.g. ER) IV. Kináza Raf Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted B-Raf - serin/threonin kináza, která se podílí na přenosu mitogenních signálů v buňce - mutován v různých typech nádorů, např. karcinomu ovarií, štítné žlázy, kolorektálním karcinomu a zejména v asi 70 % případů maligního melanomu - k mutacím v genu B-raf dochází již v ranné fázi vývoje maligního melanomu (jsou přítomny v asi 80% benigních névů) Lynda Chin Nature Reviews Cancer 3, 559-570 (August 2003) Příklady buněčných onkogenů WNT ->- (Frizzled) Cells -*■ (E-Cadheriň) *- Disheveled I GSK-3(J I APC ■> p-Catenin - TCF p-Catenin:TCF ECM ( Integrinsij _ I. i L CdC42-»- P13K---> Rac---v II. Fyn V. NF1 PLC ]yj^]C PKC Mos 1 I ► JNKs-^Jun ■ Hormones (e.g. Bombesin) -»• (7-TMR) (e.g. Estrogen)-—-— V. Caw i * • ■ • IV. CdC42• -*-G-Prot->-Ad Cycl- MKKs I / MAPK-*-EIK *-Fos -f \ Mad:Max- V Y J_ ■ MEKK-*Myc:»,ax- Rac -*■ Rho----------- PKA-*■ CREB p16 1 Cycl D:CI 1 Rbr-HPl 1 E2Fs Changes in Gene Expression ->-NHR (e.g. ER) V. Nereceptorové tyrozin kinázy Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Nereceptorové tyrozin kinázy -Abl, Src www.antigenics.com/diseases/cml.html Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Tzv. Filadelfský chromozóm je detekován ve více než 95% případů chronické myeloidní leukémie (CML). Reciproční translokace mezi chromozomy 9 a 22 vede k tvorbě fúzního proteinu Bcr-Abl, který si zachovává svoji kinázovou aktivitu, ale tato aktivita není správně regulována. Příklady buněčných onkogenů Cells (E-Cadheriň) WNT->- (Frizzled) ->■ Disheveled I GSK-3ß I APC -► ß-Catenin - TCF ß-Catenin:TCF ECM ( Integrins j _ I. II. L CdC42-»- P13K---> Rae---v Pl6 1 * Src ^Cas-*-Crk~, Fyn V. 3 í VI. Growth Factors (e, NFfl Grb2 TTT PKC Mos MKKs-»-JNKsfe-Jun-}--^ - I l /"* .... _ xrF » -*■ ' RTK 1*-™ »Ras- *-Raf-> MEK-»-MAPK—»-MAPK-fr-EIK^-Fos r*- ■.""Ii IV.. . VI.1.. m Cycl D:CI 1 Rbr-HPl 1 E2Fs Changes in Gene Expression Hormones (e.g. Bombesin) -*■ (7-TMRJ (e.g. Estrogen)-—-— V I ^CdC42-►Rae-»-Rio — > G-Prot Ad Cycl PKA - ->-NHR (e.g. ER) VI. Transkripční faktory Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted Exprese transkripčních faktorů je v nádorových buňkách často zvýšena genovou amplifikací Při detekci onkogenů v genomu nádorové buňky pomocí specifických sond můžeme vidět 1. homogenně se barvící oblast na chromozómu ("homogeneously staining region") 2. autonomně se replikující acentrické fragmenty chromozomů ("double minutes") Příklad amplifikace onkogenu myc (žlutě) v lidské nádorové buňce. Homogenně se barvící oblast označena šipkou. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Table 4.3 Some frequently amplified chromosomal regions and the genes they are known to carry Name of oncogene3 Human chromosomal location erfaß í 7q12-13 cab1-erbB2-grb7 17q12 k-sam 7q26 FGF-R1 8p12 met 7q31 K-ras 6p12 N-ras 1p13 c-myc 8q24 i-myc 1p32 H-myc-DDXI 2p24-25 akt-1 14q32-33 cydin D1-exp1-hst1-ems1 (11q13) cdk4-mdm2^sas-gfi 12q13 cydin E 19q12 akt2 (19q13) AIB1, BTAK (20q12-13) cdkS (19q21-22) myb 6q23-24 ets-1 11q23 9l> 12q13 FGFR2 10q26 Human cancers Nature of protein glioblastomas (50%); squamous cell RTK carcinomas (10-20%) gastric, ovarian, breast carcinomas (10-25%) RTK, adaptor protein gastric, breast carcinomas (10-20%) RTK breast carcinomas (10%) RTK gastric carcinomas (20%) RTK lung, ovarian, bladder carcinomas (5-10%) small G protein head and neck cancers (30%) TF various leukemias, carcinomas (10-50%) TF lung carcinomas (10%) TF neuroblastomas, lung carcinomas (30%) TF gastric cancers (20%) ser/thr kinase breast and squamous cell carcinomas (40-50%) G1 cyclin sarcomas (40%) CDK, p53 antagonist gastric cancers (15%) cyciin pancreatic, ovarian cancers (30%) ser/thr kinase breast cancers (15%) receptor co-activator gliomas (5%) CDK colon carcinoma, leukemias TF lymphoma TF glioblastomas TF breast carcinomas RTK aThe listing of several genes indicates the frequent co-amplification of a number of closely linked genes; only the products of the most frequently amplified genes are described in the right column. Courtesy of M.Terada, Tokyo, and adapted from G.M. Cooper, Oncogenes, 2nd ed. Boston and London: Jones and Bartlett, 1995. Table 4-3 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) RTK = receptorovd tyrozin kindza, TF = transkripční faktor Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Aiplifikace genu N-myc a prognóza neuroblastomu A S m: ft ŕ 4 , B 0.8 abil 0.6 si o a 0.4 LL LU 0.2 0 <10 copies of N-myc T_ >10 copies of N-myc 2 3 4 5 6 years after diagnosis 8 Figure 4-11 b The Biology of Cancer (€> Garland Science 2007) Figure 4-11 a The Biology of Cancer [© Garland Science 2007) A&zn N-myc je amplifikovčn v asi 40% prípadu neuroblastomu dětí. B: Prognóza onemocnění je velmi dobrč u dětí, které mají v buňkčch neuroblastomu jen minimčlní nebo vubec žčdnou amlifikaci genu N-myc. Naopak pacienti s výraznou amplifikací genu N-myc mají výrazně horší prognózu. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Nadměrná exprese genu c-myc u Burkittova lymfomu - Maligní nádor B-lymfocytů - Nejčastější dětský nádor v rovníkové/frice - Na vzniku choroby se podílí chronická infekce virem Epsteina-Barrové (EBV = lidský herpesvirus 4, způsobuje infekční mononukleózu) a současně parazity způsobujícími malárii V genomu buněk Burkittova lymfomu je exprese genu c-myc řízena regulačními sekvencemi DNA, které normálně zajišťují silnou expresi těžkého řetězce imunoglobulinu. Příčinou je reciproká translokace mezi chromozómy 8 a 14. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 2. Růst v přítomnosti inhibičních signálů V normální tkáni působí také antiproliferační signály, které zajišťují vnitřní rovnováhu a udržování buněk v G0. Také tyto signály působí přes receptory v buněčné membráně, které jsou napojeny na intracelulární signální dráhy. Inaktivující mutace v receptoru pro TGFp> (TGFřR) nebo ztráta nádorového supresoru Rb činí buňky necitlivými k těmto inhibičním signálům Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70, Adapted 3. Schopnost neomezené replikace Buňky musí překonat senescenci a ztrátu funkce telomer Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70 Normčlní buňky mají omezený replikační potencičl, tzn. že se nemohou dělit do nekonečna Např. lidské fibroblasty se v kultuře intenzivně dělí po asi 60 generací a pak se dělit přestanou a vstoupí do stavu,kterému se říká (replikativní) senescence, kdy sice zůstávají životaschopné po velice dlouhou dobu, ale buněčný cyklus navždy opustily.- Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Senescence vede k výrazné změně morfologie buňky A B APre-senescentní lidské fibroblasty, které se normálně dělí B: Senescentní buňky změní tvar a začnou produkovat některé markery senescence, například zvláštní formu p-galaktosidázy, enzymu, jehož přítomnost můžeme v buňkách snadno detekovat pomocí chromogenního substrátu (modré zbarvení buněk) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 K senescenci zřejmě vede postupné zvyšování exprese některých nádorových supresorů Např. fibroblasty v kultuře začínají produkovat dva důležité inhibitory cyklin-dependentních kináz, které jsou schopny inhibovat dělení buněk: p21 a p16 • Uměle indukovaná exprese proteinu p16 ve fibroblastech vede u těchto buněk ke stejným změnám, jaké pozorujeme při replikativní senescenci. • Nádorové buňky obvykle inaktivují signální dráhy v nichž p21 a p16 působí (p53, Rb) a zřejmě právě tímto způsobem dokáží senescenci zabránit Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Počet dělelní buněk také omezuje délka jejich telomer • Telomery jsou tvořeny několika tisíci opakovčními krčtké sekvence DNA (6 bp) • Funkcí telomer je ochrana koncu chromozomu A) • DNApolymeráza nedokáže účinně replikovat konce chromozomů a tak dochčzí při každém rozdělení buňky ke ztrčtě asi 50-100 bp z konce telomer • Příliš krátké telomery nedokáží plnit svou ochrannou funkci a chromozomy začínají fúzovat (B) a vstupují do stavu, kterému se říká anglicky crisis. • Fúzované chromozomy se nedokčží oddělit během mitózy a dochčzí ke zlomům, které vedou k velkým změnčm karyotypu a obvykle končí programovanou smrtí buňky (apoptózou) (a) (b) Figure 10-11 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Krátké telomery mohou vést k opakovaným fúzím a zlomům chromozomů Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Príklad karyotypu normální a nádorové buňky NORMALCELL ii II II II II Ĺ 13 is I) II M II II II 14 ID 15 21 22 11 12 It U ifi a _i i_ IB TUMOR CELL II m n 2 3 4 5 m - • m hm E . . . 1 . II d , ** e 7 B B 10 11 12 «*« i it »14* i ■ ■ I d 4 1 ■ 13 14 15 IB 17 IB NU IIb. IS 21 22 X ¥ Iii. X_" E_LlJ_Za m Marker chromosomes 2 B S ? 57 4 2BÍÍ B 2218 5 IS X M 19 91112 14 Z21? + 12 114 8 4:5: SB U illSttlS.fc 15 i B- Wp 2 mmm i m»m n m f i m -Fragment sources Order and a n ar t h-Yl A no rm a i human cell's chromosome set, of karyotype [lift], includes pairs of 23 standard" ehrO mo so me £, Whereas a tumor cell, ike all cancers, exhibits the irregular karyotype [right] described as aneuploid: some whole chromosomes are missing, extra copies or"others are present, and many have traded fragments. Among these are so-called markerehromosomes, whose distinctive structure] rearrangements are seen in all the tumor's cells, indicating changes that originated in the cell that spawned the cancer. Numbers under each one specif y the sources of its fragments^ plus and minus signs identify those that are larger orsmaller than usual. Duesberg P, Chromosomal Chaos and Cancer, Scientific American 2007 May;296(5):52-9. Telomeráza • Buňky mohou krizi přežít, pokud aktivují produkci telomerázy, enzymu, jehož funkcí je prodlužování telomerické DNA • Telomeráza je silně exprimována v embryonálních buňkách, ale během diferenciace tkání dochází, až na několik málo výjimek, ke ztrátě její exprese • Telomerázová aktivita je přítomna v 85-90% vzorků lidských nádorů! 4. Inhibice apoptózy Apoptóza • forma programované buněčné smrti • Koordinovaný proces, který zahrnuje aktivaci skupiny specifických proteáz (emzymů štěpících proteiny), kterým se říká kaspázy (angl. caspases) • Charakteristické morfologické změny buňky - kondenzace chromatinu, svraštění jádra i celé buňky, fragmentace jádra, „blebbing". Buňka se nakonec rozpadne na menší fragmenty obalené membránou, které jsou pohlceny okolními buňkami nebo makrofágy. • Indukuje se během normální morfogeneze • Důležitá pro normální funkci řady tkání (střevo, kostní dřeň, involuce mléčné žlázy, atd.) • Nádorový supresor p53 indukuje apoptózu při poškození buněčné DNA(např. UV nebo ionizujícím zářením) a vyřazuje tak aberantní buňky, u nichž by mohlo dojít k maligní transformaci, tj. přeměně na buňku nádorovou. Apoptóza U většiny buněk najdeme dvě základní apoptotické dráhy: 1. Vnitřní (Intrinsic pathway) - vyžaduje permeabilizaci vnější membrány mitochondrií a uvolnění cytochromu C do cytoplazmy, kde se podílí na sestavení apoptozómu - komplexu, který aktivuje kaspázy 2. Vnější (Extrinsic pathway) - permeabilizace mitochondrií není nutná. Tato dráha je aktivována vazbou ligandu na specifický receptor Elmore S., Apoptosis: a review of programmed cell death. Toxicol Pathol. 2007;35(4):495-516. Ativace apoptózy působením proteinu p53 Protein p53 indukuje expresi genů, které se účastní jak vnitřní (např. Bax, Noxa, Puma) tak i vnější apoptotické dráhy (např. Fas) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007, Adapted Thymocyty (leukocyty v brzlíku) myši s vyřazeným genem p53 jsou rezistentní k apoptóze vyvolané ionizujícím zářením Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 p53 je transkripční faktor, který reguluje odpověď na různé stresové podněty Vousden & Lane 2007, Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 275-83 Indukce p53 a zástava buněčného cyklu při poškození DNAionizujícím zářením Poškození DNAindukuje rychlou stabilizaci p53 a indukci exprese cílových genů, např. inhibitoru CDK p21, což vede k zástavě buněčného cyklu, která umožní opravy poškozené DNA Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007, Adapted V nádorových buňkách obvykle dochází k vyřazení funkce p53 1. mutací v genu pro p53 (asi 40-50% lidských nádorů) TPS3 mutation prevalence (as recorded in the IARC Database, R7) ovary esophagus colorectum head & neck pancreas lung skin bladder stomach brain liver breast uterus soft tissue sarcomas osteosarcomas hematologic cancers prostate kidney testis thyroid uterine cervix 10 15 20 25 30 35 40 45 50 % mutated V nádorových buňkách obvykle dochází k vyřazení funkce p53 1. mutací v genu pro p53 (asi 40-50% lidských nádorů) 2. Expresí virových proteinů Virus Onkoprotein inhibující pRb Onkoprotein inhibující p53 Adenovirus EAA E1B SV40 Velký T antigen Velký T antigen Papilomavirus (HPV16, HPV18) E7 E6 3. Nadměrnou expresí buněčných inhibitorů p53 (např. Mdm2, MdmX) • negativně ovlivňují stabilitu a transkripční aktivitu p53 5. Indukce angiogeneze = aktivace tvorby nových krevních cév VEGF • Kyslík se v tkáních přenáší difuzí účinně do vzdálenosti asi 0,2 mm. Buňky, které rostou ve větší vzdálenosti od krevní vlásečnice přestávají růst protože trpí nedostatkem kyslíku (hypoxie) a živin. Pokud není přísun kyslíku zajištěn, buňky odumřou. • Primární nádor nebo metastáza, která dosáhne objemu asi 2 mm3 si musí zajistit napojení na krevní oběh, aby mohla pokračovat v růstu. • Buňky v hypoxii vysílají signál ve formě VEGF (vascular endotheliar growth factor). • VEGF se váže na specifický receptor na povrchu buněk cévního endotelu a indukuje jejich proliferaci a migraci směrem k nádoru. VEGF ale není zdaleka jediný regulátor angiogeneze. Např. nádorový supresor p53 indukuje expresi thrombospondinu-1, který působí jako inhibitor angiogeneze. Rozsah tvorby nových krevních cév záleží na rovnováze těchto faktorů v dané tkáni. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Uspořádání cév zásobujících nádor je velmi chaotické 6. Invaze do okolních tkání a tvorba vzdálených metastáz Metastáza je výsledkem sekvence několika dílčích kroků primary tumor localized intravasation transport arrest in extravasation formation invasion through microvessels of circulation various organs I colonization -formation of a macrometastasis Figure 14-4 The Biology of Cancer [9 Garland Science 2007} Celou sekvenci se podaří ukončit jen malému procentu buněk, které opustí nádor. Zdá se, že poslední krok, tj. kolonizace, je tím nejméně účinným a jen velice málo mikrometastáz dá vznik metastáze, tj. sekundárnímu nádoru. Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 EMT („Epithelial-mesenchymal transition") • Buňky karcinomů, tj. zhoubných nádorů epiteliální tkáně, mohou účinně metastazovat, pokud se jim podaří spustit EMT, tj. buněčný program, který je za normálních podmínek aktivován pouze v embryogenezi a při hojení ran. • Epiteliální buňky, které spustí EMT, změní expresi řady genů a začnou produkovat proteiny, které jsou charakteristické pro mezenchymální buňky. To jim umožní snadněji se pohybovat, opustit epitel a invadovat podpůrnou tkáň - stroma. Figure 14-17b The Biology of Cancer {© Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Onkogenní retroviry (RNAviry) Genetická informace retroviru je uložena v RNA. V infikovaných buňkách je sekvence RNApřepsána do DNAreverzní transkriptázou a tato DNAse začlení do chromozómu buňky (vzniká tzv. provirus). Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Inzerční mutageneze Retroviry mohou indukovat nádory pokud se ve formě proviru začlení do blízkosti buněčného protoonkogenu. Toto začlenění totiž může způsobit expresi protoonkogenu řízenou silným, konstitutivně aktivním virovým promotorem. Příklad: Virus ptačí leukózy (Avian leukosis virus - ALV) indukuje u kuřat B-lymfomy.Aialýza mnoha těchto lymfomů ukázala, že se provirus ALV často začleňuje do protoonkogenu c-myc, většinou mezi první nekódující exon a druhý kódující exon tohoto genu. ^ insertion sites ►►►► ►►►► ► ► ► ► ►►►►►► exon 1 A 4 exon 2 c-myc gene exon 3 Figure 3-23a The Biology of Cancer [© Garland Science 2007] Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Table 3.4 Examples of cellular genes found to be activated by insertional mutagenesis Insertional mutagen Tumor type myc myc nov erbB mos int-1* int-2b int-3 int-H/int-5 pim-1 pim-2 bmi-1 tpl-2 Ick p53 GM-CSF IL2 IL3 K-ras CycDI CycD2 ALV ALV, FeLV ALV ALV IAP M MTV M MTV M MTV M MTV Mo-MLV Mo-MLV Mo-MLV Mo-MLV Mo-MLV Mo-MLV IAP GaLV IAP F-MLV F-MLV Mo-MLV B-cell lymphoma T-cell lymphoma nephroblastoma erythroblastosis plasmacytoma mammary carcinoma mammary carcinoma mammary carcinoma mammary carcinoma T-cell lymphoma B-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma myelomonocytic leukemia T-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma T-cell lymphoma Species chicken chicken, cat chicken chicken mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse mouse gibbon ape mouse mouse mouse mouse Type of oncoprotein transcription factor transcription factor growth factor receptor TK ser/thr kinase growth factor growth factor receptorc enzymed ser/thr kinase ser/thr kinase transcription repressor non-receptor TK non-receptor TK transcription factor growth factor cytokine6 cytokine small G protein G1 cyclin G1 cyclin subsequently renamed Wnt-1. ^Subsequently identified as a gene encoding a fibroblast growth factor (FGF). cRelated to notch receptors. dEnzyme that converts androgens to estrogens, cytokines are GFs that largely regulate various types of hematopoietic cells. Abbreviations: ALV, avian leukosis virus; FeLV, feline leukemia virus; F-MLV, Friend murine leukemia virus; GaLV, gibbon ape leukemia virus; GF, growth factor; IAP, intracisternal A particle (a retrovirus-like genome that is endogenous to cells); Mo-MLV, Moloney murine leukemia virus; MMTV, mouse mammary tumor virus; ser/thr, serine/threonine; TK, tyrosine kinase. Adapted in part from J. Butel, Viral carcinogenesis: Revelation of moiecular mechanisms and etiology of human disease. Carcinogenesis 21:405-426, 2000; and from N. Rosenberg and P. Jolicoeur, Retroviral pathogenesis, in J.M. Coffin, S.H. Hughes and H.E. Varmus (eds.). Retroviruses. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997. Also in part from G.M. Cooper, Oncogenes, 2nd ed. Boston: Jones and Bartlett Publishers, 1995. Table 3-4 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Virus Rousova sakomu (RSV) a onkogen v-src A A Genom RSV je velice podobný genomu ALV. Kromě běžných retrovirových genů gag, pol a env nese navíc gen src (v-src), který kóduje protein Src vyvolávající nádorovou transformaci infikovaných buněk. B: Virový gen src (v-src) byl původně buněčným protoonkogenem (c-src), který byl přenesen do genomu viru. Pravděpodobně k tomuto zač lenění došlo tím, že se/LV provirus náhodou začlenil vedle genu c-src v infikované kuřecí buňce. Gen c-src kóduje nereceptorovou tyrozin kinázu. B host cell chromosomal DNA c-src INFECTION, INTEGRATION REVERSE dsDNA ALV virion TRANSCRIPTION P«>vhriis provirus i_i TRANSCRIPTION I : csrc ■ v-src PACKAGING INTO CAPSID RSV virion Figure 3-22 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Transformace kuřecích fibroblastu virem Rousova sarkomu A B ANormální fibroblasty rostou pouze v jedné vrstvě ("monolayer"). Je tomu tak proto, že u nich funguje tzv. kontaktní inhibice, tj. zástava dělení vzájemně se těsně dotýkajících buněk. Naproti tomu fibroblasty infikované RSV se zakulatí a ztrácí kontaktní inhibici, tj. dělí se dále, přestože se vzájemně těsně dotýkají. B: Transformace indukovaná RSV (normální fibroblasty vlevo, fibroblasty transformované RSV vpravo) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Table 3.3 Acutely transforming retroviruses and the oncogenes that they have acquired1 Name of virus Viral oncogene Species Major disease Nature of oncoprotein Rous sarcoma src chicken sarcoma non-receptor TK Y73/Esh sarcoma yes chicken sarcoma non-receptor TK Fujinami sarcoma fpsb chicken sarcoma non-receptor TK UR2 ros chicken sarcoma RTK; unknown ligand Myelocytomatosis 29 myc chicken myeloid leukemia1 transcription factor Mill Hitl virus 2 miř chicken myeloid leukemia ser/thr kinase Avian myeloblastosis E26 myb chicken myeloid leukemia transcription factor Avian myeloblastosis E26 ets chicken myeloid leukemia transcription factor Avian erythroblastosis ES4 erbA chicken erythroleukemia thyroid hormone receptor Avian erythroblastosis ES4 crbB chicken erythroleukemia EGF RTK 3611 murine sarcoma raP mouse sarcoma ser/thr kinase SKV770 ski chicken endothelioma (7) transcription factor R et leutoendot heliosis re/ turkey immature B-cell lymphoma transcription factor Abelson murine leukemia abi mouse pre-B-cell lymphoma non-receptor TK Moloney murine sarcoma mos mouse sarcoma, erythroleukemia ser/thr kinase Harvey murine sarcoma H-ras rat, mouse sarcoma small G protein Kirsten murine sarcoma K-ras mouse sarcoma small G protein FBJ murine sarcoma fos mouse osteosarcoma transcription factor Snyder-Theilen feline sarcoma fes< cat sarcoma non-receptor TK McDonough feline sarcoma fms cat sarcoma CSF-1 RTK Gardner-Das heed feline sarcoma fgr cat sarcoma non-receptor TK Hardy-Zuckerman feline sarcoma kit cat sarcoma steel factor RTK Simian sarcoma sis woolly monkey sarcoma PDGF AKT8 akt mouse lymphoma ser/thr kinase Avian virus S13 sea chicken erythroblastic leukemia9 RTK; unknown ligand Myeloproliferative leukemia mpt mouse myelop rolif eration TPO receptor Regional Poultry Lab v. 30 eyk chicken sarcoma RTK; unknown ligand Avian sarcoma virus CT10 crk chicken sarcoma SH2/SH3 adaptor Avian sarcoma virus 17 jun chicken sarcoma transcription factor Avian sarcoma virus 31 qin chicken sarcoma transcription factor*1 AS42 sarcoma virus maf chicken sarcoma transcription factor Cas NS-1 virus cbl mouse lymphoma SH2-dependent ubiquitylation factor Abbreviations: CSF, colony-stimulating factor; EGF, epidermal growth factor; G, GTP-binding; PDGF, platelet-derived growth factor; RTK, receptor tyrosine kinase; ser/thr, serine/threonine; SH, src-homology segment; TK, tyrosine kinase; TPO, thrombopoietin. ^Not alt viruses that have yielded these oncogenes are indicated here. L0rtholog of the mammalian fes oncogene. "Also causes carcinomas and endotheliomas. d0rtholog of the mammalian rai oncogene, ^Ortholog of the avian mil oncogene. 'Otholog of the avian fps oncogene, sAlso causes granulocytic leukemias and sarcomas. ^Functions as a transcriptional repressor. Adapted in part from S.J. Flint, L,W. Ertquist, R.IV1. Krug et al., Principles of Virology. Washington, DC: ASM Press, 2000. Also in part from G.M. Cooper, Oncogenes. Boston: Jones and Bartlett Publishers, 1995. Table 3-3 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007 Kmenové buňky nádoru (identifikovány u leukémií, karcinomu prsu, maligního melanomu atd.) Ne každá nádorová buňka je schopna dát vznik novému nádoru - pouze tzv. kmenové buňky. Kmenové buňky mají ve srovnání s ostatními nádorovými buňkami obvykle značně odlišné vlastnosti - standardní terapie je často nedokáže úplně zničit. http://en.wikipedia.org/wiki/Cancer_stem_cell