Všechny formy rakoviny vznikají jako směs dědičných změn v buněčném genomu vyskytujících se ve vývoji nádorových buněk a epigenetických změn ve stadiu nádorové promoce a progrese. Hlavní účinek NÁDOROVÝCH PROMOTORU je specifická expanze iniciované buněčné populace v zasažené tkáni. Fáze je zpočátku reversibilní, později ireversibilní. Promotory se neváží kovalentně na DNA a nejsou mutagenní, působí na iniciovanou buňku a způsobují důležité negenetické - epigenetické změny (změny v expresi genů). Mohou však též působit jinak na genetický materiál: způsobovat amplifikaci genů, synergicky působit s viry a zvyšovat transformaci. Tyto změny asi odpovídají za ireversibilní část promoce. PROGRESORY jsou karcinogény, nádorové promotory nebo hormony, které působí na nádorové buňky a přeměňují je na maligní. Mohou působit negenetické a genetické změny v nádorových buňkách. Progrese je charakterizována výskytem extensivní heterogenity v maligní buněčné populaci a vznikem invazivity (metastázy). KOKARCINOGENY - zvyšují hladiny buněčných enzymů, které aktivují karcinogény ANTIKARCINOGENY - chemicky se váží na karcinogén, odbourávají jej, tlumí enzymy aktivující karcinogény nebo obsadí cílové místo (kompetitivní inhibice). Chování buněk a rovnováha v buněčných populacích jsou regulovány komplexním integrovaným komunikačním systémem, který zahrnuje signály mimobuněčné, mezibuněčné a vnitrobuněčné. ■v Živočišné buňky obsahují systém proteinů, který jim umožňuje reagovat na signály jiných buněk. Zahrnuje receptorové proteiny na buněčném povrchu nebo uvnitř buněk (v cytoplasmě nebo v jádře), proteinové kinázy, fosfatázy, proteiny vážící se na GTP a řadu dalších vnitrobuněčných proteinů, se kterými tyto signály interagují. ŠÁRKA Ir ^V Červený Vrch Horaměřická Bořislavka i i —i—r Schéma linkového vedení Elektrických drah g Metra Hlubočepy ©Dopravnípodnikli! ni Prahy,as, 11/2 94 ��$83.C 60 02 55 56 7708 19 396�94 5 01 C-64C 06 69 06072717 2181 Orientační plán ^L Metro Dopravní podnik hl. m. Prahy akciová společnost P$ ĎÁBLICE Vysočanská Kolbanova Hloubôtľn ©HS3 01 čemý Most RADOTÍN VELKÁ CHUCHLE ZÁBĚHLICE HORNÍ MĚCHOLUPY Roztyly Chodov Opátov Hile EE3 JIŽNÍ MĚSTO KUNRATICE Crovrtfi Factor Receptor Dysfunctional Signaling Pathways in Cancer ÍHF TUMOR SUPPRESSOR/ OHCaPHOTFIN hJFTWOBK Aid průmalťi ťel| survival by phniphn-r: .:!■■.::■ .: ■..,:,,.li...\ ■, iii j: J--<. i- ť-.-- :!■- act^iry arprů-apůptotico-j Increase th-e -ic-.^.ťf or artti-apoptütjc pfüLems. M úmz-is only= one of many Alcí substrates. N-orm-iHy phasphc-inosilide g-kinase (Ptd-lns 3-k ma s ej-Akt signaling 5upprríití pij function Ptioipbor/lajtiín or^dnTl b> Akt IľiduiIŕS MdrtlJ trarulůcůljnn lni* the nucleus where li hinds p^j and targets iL r"úr pro-teos-öinil d. ig* ad ah an. The PTEN tumor tuppfřESůr průlein inhibits Ptdlns 3-kinase signaling,, including activation- of Akt. When PTEN tlorJcs thrPtíJFn.5 3-kinasí-A1<( signaling pathway, Mdms ii restricted to Ihfl cytepä^iŕm, whcrff il ii dpgnadgd, Tb*r*for«, ptín pfoícctí qsj-tomi MdnlS., alluwIrtgťellL tu rcipur.J tu DNA damage. The pcj/Mdrrn nuto-regularory Píedbaŕli Itup Is ritt depi-ited for dařily. pH can alsí induce PTEN. which may o-veľíkJe the a u1-or Eg y la lory feedback Foop amplifying pjj function and promoting 2 cellular ipopwli-c iesponse E^BSS1 i ThE RS PATHWAY ANO Rrs MMJY POTENTIAL FUNCTIONS E;F trinlLrlplliiti fiJĽk-f-i i-egu late the íaprenloníFgpníí,í-f whiíh (h« products are involved in ti-5 phase transition-. Thí -ztli cycle phases are depicted, ftb regulat«. EiF-medtalíd [ranicnpUun Cy.lin dependejit Ifinases GCtK 4,'f and others) rigdlhi F!b. CDK Inhibitofs ^Pi5. ps€, prSr pigr pnr pz.7^ regulate CDK s Molecules m biu« ire aFtered in many tumaí types [except E iF]. Rh rea y Kŕgu-late rttaiiy tirtjŕe.&sts. w<ú •••■ ?poptoh;„ DNA T^plka^n,. DNA repaif. chKlqioinl control, and ditferenlitttion (niíedj. Rtgu iti-jn ." these processes may bi mediated through t.iF ůi Tituŕh Irttsj JlEilti with dtwdt moTP qf m« *w fatten with which Rb rníeracts 'l/S Phase Transition Cell Cycle Arrest by DNA Damage Checkpoints Celt cycle THE MAMMALIAN DNA DAMAGE RESPONSÍ PATHWAY [DRP] Prate ins are shewn at thefr approximate functional location. Th-e general organ Nation of the prthwiy 1 ■. arcUT*te. haWpv«, jsith prctrln-i ar« nm irced Rřf tlsnty DNA dumage or ruptaítiím sir«s.5 *íti*ŕt« tIif OSP. Sensor protolní (grccn) >piw the ítřmagí and stŤnratg Itatii^uoqt proteinic suíh iŕ-s the kinase» ATM drld ATFt (yell i>W| TheLe lh m 11 ať|iduŕe 3 Ignaľs li» ůthef V irlJS-Éi {■Chfrl artd Chksj fellow1;, úr efTictůr priteiri£ (purpk) audi aj p^j, BftíAi, Nhn elc. Enactor protems regulate cell cycle arrest, jpoptoLij. fartscript«cm, arid DNA repair. M | Srpinribnr^.^ll^ $ bloodstream ^"\fcj target cell i£> Figure 15-4 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Autokrinní signál A SINGLE SIGNALING CELL RECEIVES A WEAK AUTOCRINE SIGNAL IN A GROUP OF IDENTICAL SIGNALING CELLS, EACH CELL RECEIVES A STRONG AUTOCRINE SIGNAL Figure 15-6. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Vazba mimobunecných signálních molekul na povrchové nebo vnitrobuněčné receptory CELL-SURFACE RECEPTORS cell-surface P'asrna membrane rece hydrophilic signal molecule INTRACELLULAR RECEPTORS small hydrophobic signal molecule 7 carrier protein nucleus intracellular receptor Figure 15-3. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signální dráhy aktivované mimobuněčnou signální molekulou EXTRACELLULAR SIGNAL MOLECULE ■ RECEPTOR PROTEIN INTRACELLULAR SIGNALING PROTEINS O TARGET PROTEINS metabolic gene regulatory cytoskeletal enzyme protein protein I 1 i altered altered gene metabolism expression altered cell shape or movement Figure 15-1. Molecular Biology of the Cell, 4tJi Edition. Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobunecných signálech A, N B C A SURVIVf B-+ C A DIVIDE < B-íT) DIFFERENTIATE <^ A V G í DIE , apoptotic Mi/ «Hl Figure 15-8. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Tři hlavní způsoby mezibuněčné komunikace Nongenotoxic chemicals (e.g.: TPA, DDT and Phenobarbital) Cell adhesion molecules A t\ Endogenous regulators (e.g.: hormones, growth factors, neurotransmiters) Extracellular communication —o— -:■ Free pH radicals P, cAM P DG CR <*. knucleu Wy±T 0 n • 4r /—\ ~A Inactive: o • • i ■H .nucleus U^ protein * Active Q protein Gap junction Intercellular communication .nucleu Cytoplasmic receptor Second messages Intracellular communication A alters membrane function B activates inactive proteins C modulates GJ function D modulates gene expression According to: J.E.Trosko: Environmental Health Perspectives; 106: 331 - 339, 1998 Hlavní mechanismy charakterizující negenotoxickou karcinogenezi ■ ovlivnění mechanismů signálové transdukce ■ ovlivnění exprese onkogenu, nádorově supresorových genů a genů buněčného cyklu ■ aktivace specifických receptoru ■ produkce reaktivních kyslíkových radikálů (ROS) ■ změny v metylaci DNA nebo v acetylaci histonů ■ změny GJIC ■ změny buněčného cyklu ■ změny proliferace (regenerativní nebo mitogenní) ■ změny v apoptóze ■ změny v rovnováze vyúsťující ve změnu obratu buněk ve tkáni environm. chemicals drugs, radiation, dietary PUF As, fiber \VV EXTRACELULLAR STIMULI £7/ hormones, growth factors, cytokines changes of membrane ______properties_____ drug-and hormone metabolizing enzymes membrane receptors cytosolic receptors, transcription factors (AhR, NFkB etc.) INTRACELLULAR SIGNALLING PATHWAYS prooxidative/ antioxidative balance nuclear receptors (PPARs, RXR, etc.) transcription factors (AP-1, etc.) Ti/TCi/m histone acetylation/ deacetylation DNA methylation ALTERED GENE EXPRESSION on transcription, translational or post-translational levels Main epigenetic (non-genotoxic) mechanisms involved in carcinogenesis ci HiBFlpaihi «wow an mo VYZNÁM GJIC udržování homeostázy ve tkáních šíření signálů regulujících proliferaci a diferenciaci mezi buňkami Faktory inhibuiící GJIC - umožňují klonální expanzi preneoplastických buněk ► růstové faktory (EGF) ► negenotoxické karcinogény, nádorové promotory ► onkogeny -exprese některých onkogenů koreluje s redukcí GJIC Faktory stimulující GJIC ► růstově inhibiění látky ► látky působící protinádorově - retinoidy, karotenoidy, dexamethasone Výzkum genů pro konexiny - fungují jako nádorově supresorové geny - uplatnění v terapii Gap junctional intercellular communication (GJIC) by mohla byt integrujícím faktorem, který propojuje všechny teorie karcinogeneze dohromady. Mají totiž zásadní roli při udržování tkáňové homeostázy a existuje řada důkazů na podporu jejich zásadní úlohy v tomto procesu. ■ pro většinu nádorových buněk je charakteristická dysfunkce homo- nebo heterologní komunikace ■ většina nádorových promotorů inhibuje (reverzibilně) GJIC ■ růst. faktory a hormony mající nádorově promoční účinky inhibují GJIC ■ onkogeny j ako j sou ras, raf, src mohou snižovat GJIC ■ nádorově supres. geny zvyšují GJIC ■ transfekce nádorových buněk konexinovými geny obnovuje GJIC a růstovou regulaci těchto buněk ■ "antisense" geny pro konexiny mohou snižovat GJIC ■ protinádorové látky a chemopreventivní agens zvyšují GJIC ■ konexinové geny fungují jako nádorově supresorové geny ■ GJIC jsou důležité pro adaptivní odpověď i apoptózu Snižování GJIC exogenními chemickými promotory nebo endogenními růst. faktory nebo hormony vyžaduje ■ překročení prahové dávky ■ stále, pravidelné chronické působení U všech známých epigenetických a negenotoxických látek existují prahové hodnoty, pod nimiž je buňka schopna obnovovat svůj původní stav bez osudových důsledků. Je jasné, že také různé typy chemikálií mají své prahové hodnoty pro modulaci GJIC a cytotoxicitu a že také různé živ, druhy a různé typy buněk reagují na tutéž látku různě. „Gap junctions v bunečné homeostaze Gap Junctions in Cellular Homeostasis Distal cell f Toxic Chemicals Cell «... proliferation Extracellular Communication __^_^-Translational Regulators —» \.—Transcriptional Regulators ?-Post translational Regulators -J Intracellular Communication Intercellular Communication Adaptive responses of differentiated cells Fig. 1. Endogenous extra-cellular signals which can trigger various intra-cellular signal transducing mechanisms can either increase or decrease gap junctional intercellular communication between the cells in a multicellular organism. Growth, wound healing tissue repair, pattern formation or tissue differentiation, programmed cell death and adaptive responses of tissues occur when either there is an up- or down-regulation of gap junction function. (Reproduced from Trosko. J.E., Inoue, T., 1997. Oxidative stress, signal transduction, and intercellular communication in radiation carcinogenesis. In: Dainiak N., Schult. W.J., Karkanitsa, L., Aleinikova, O.A. (Eds.), Radiation Injury and the Chernobyl Catastrophe, AiphaMed Press. Ohio, published as a supplement to Stem Cells 15(Suppl. 2):59-67). Model gap junctions Small ions and molecules pass through gap junction channels, but macro molecules cannot. Connexon 1 Connexon 2 ( pjppwWwwjiWwjl^^ ......... Gap junctional channels are comprised of two connexons. Each connexon contains six connexin subunits. Figure 1. Model of gap junction particles embedded in the plasma membranes of two adjacent cells. Gap junctions interacting plasma membranes gap of 2-4 n m two connexons in register forming open channel between adjacent cells (A) V.: f9& homomeric heteromeric connexins connexons (B) channel 1.5 nm in diameter connexon composed of six subunits čfô homotypic heterotypic intercellular channels Figure 19-15. Molecular Biology of the Cellr 4th Edition. Úloha ztráty heterologního typu GJIC v karcinogenezi Fig. 3. Putative role of the lack of heterologous type of GJIC in tumorigenesis. Foci of tumor cells~without (A) or with (B) capacity in coupling homoiogously, that is among themselves, both do not communicate heteroiogously with surrounding normal counterparts, resulting in their autonomous selective outgrowth and malignisation. Model růstové kontroly prostřednictvím gap junctions (GJ) Růstově stimulační signál ■p Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes G J a dosahuje substimulační úrovně K difúzi signálu nedochází u buněk postrádajících G J a je zahájeno buněčné dělení Model růstové kontroly prostřednictvím gap junctions (GJ) Růstově inhibiční signál mm • Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes G J a zabraňuje buněčnému dělení Signál se nešíří do buněk postrádajících G J a dochází k buněčnému dělení ľ iL. I. A sche-iuaticdiagramof a gap junction plaque joining the cytoplasm of two adjacent cells rCell 1 and Cell 2;. top panely. The opposed, phospholipid bilayers are traversed by connciom that cluster and Aggregate in the plane of the membrane to form a gap junction pLaque. Conntsons from two adjacent cells form an intercellular channel that allows the passage of small ^s) molecules (up to 1.5 UľhiJ.such. as Ca++. IP3, andcAMP. but not Large ("Li molecules-such as proteins, from, the cytoplasm of one cell to t ho other. Oe pending on the type of connesun [for ex. bLack, grey, light grey), the connexon formed could be homomeric or heteromericand consequently the gap junction could be homotypac or heterotypic, with selective permeability \'~m A. * /). Each con nexem (middle panel") is made o-fs:ci conne?iin-=: (T_ 2, 3, 4, 5, and 6). Tangential twisting of the connexon mediates gap junction gating that opens CLeft connexon") or closes ("right connexon) the hemlchannel. Changes in cytoplasmic pH and calcium. (Cs) ion concentration, among other things. regulate gap junction function. A COHI1C3UÍ1 ^lowe.r panel) has: four hydrophobic transmembrane- domains two extracellular loops ("El sind E2l_ one cytoplasmic loop of different lengths (indicated by connexin iso-fornis a. p*, y ). and N- and C-termini. both cytoplasmic. The main variation between the different connexins resides in the C-terminal domain andthe cytoplasmic loop. P-indicates-phosphorylation sites (Adapted from f4)"). Fip. 2. Schematic diagram showing the synthetic pathway of connexiní. arid the assembly ro-ute into homooelliilar (between epithelial cells or between myoepithelial cells) or possi-bJe heteroceJJular Chetween epithelial and myoepithelial cells') gap junctional ("GJ) structures, nnd their known binding partners. Conneiins traffic from the ER to the Golgi. Connts-ons pinch off in vesicles from the Golgi apparatus and a ne transported to the pLasma membrane where they align, and dock with other connexous from, the neighboring cell to form, a gap junctional channel. The precise localization and manner of how conuesdn binding partnera ("Le. Snr_ /5-catcnin, p-lľO catenin, claudin. occludin. and tubulin) associate with the Oterminus of conncjcin is not clear yet. Optimal mammary epithelial cell differentiation in. a complex tissue environment requires the proper assembly of gap junctional plaques with their associated proteins in addition to proper ccJJ/ECM. interactions, cell/cell adhesion, and soluble factor si^ualin^, BM basement membrane. UJ UJ %M %M UJ genomic instability activation of proteases x __ non-infiltrating carcinoma 4 infiltrating carcinoma Metastasising tumour cell Molecular biological Morphological Tumour progression Molekulárně biologická a morfologická progrese nádorů Rovnováha v buněčných populacích je udržována přesnou regulací procesu proliferace (bun. cyklus), diferenciace a apoptozy Mitóza / \ *■ Diferenciace ■*■ Senescence t f f I G2 Apoptóza Vztah mezi proliferací, diferenciací a apoptózou proliferation apoptosis (necrosis) o/ /o t time (t) t A. Kozubík: BFÚ AV ČR, 1999 RAKOVINA JE PROLIFERATIVE CHOROBOU Základním dějem v životě buňky je dělení. Řetěz dějů, který vede k replikaci DNA a k dělení buňky má 4 základní části: vznik signálu, rozpoznání signálu, přenos signálu a odpověď. Buněčné dělení hraje klíčovou úlohu v každém stadiu vývoje nádorů a je zcela zřejmé, že zvýšená proliferace může zvyšovat riziko malignity: důležitá pro fixaci poškození DNA, n usnadňuje mutagenezi (výskyt a fixace mutací) n umožňuje klonální namnožení iniciované buňky n po vzniku dalších mutací je na ní závislý přechod od neolastické populace k malignitě Kromě toho lze na malignitu pohlížet jako na poruchu diferenciace, protože n malignita vzniká z kmenových buněk v důsledku maturačního bloku, n může dojít k dediferenciaci zralých buněk, které si zachovaly schopnost proliferace. Třetím významným procesem, jehož poruchy ovlivňují vznik nádorů je programovaná buněčná smrt-apoptóza. Úloha buněčné replikace v mnohastupnovem procesu karcinogeneze CELL REPLICATION CELL REPLICATION Initiation ,_. . t c Promotion DNA lesion Fixation of DNA lesion Clonal growth of mutated cells CELL REPLICATION Progression Clonal growth stimulus for mutated cells CELL REPLICATION Second mutation CELL REPLICATION Further mutations introduce growth independence (neoplasia) CELL REPLICATION Progression Neoplastic cells become malignant GROWTH FACTORS MITOSIS Cycle 'checkpoint GROWTH FACTORS S PHASE The cell cycle, with controlling factors and main checkpoints for transition from one phase into the next. MPF = M-phase promoting factor (p34 ana cyclin B); SPF = S-phase promoting factor; START = decision point for division of differentiation; E2F = transcription factor involved in DNA synthesis; p107 = protein related to Rb; p33 = cyclin-dependent protein kinase; p53/Rb = inhibitory proteins; CDK = cyclin-dependent kinase; PCNA = proliferating cell nuclear antigen. Poruchy normálně propojených procesů proliferace a diferenciace + nepřiměřená stimulace proliferace (příp. inhibice apoptózy) - vznik nádorů 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 signálů růstových inhibitorů produkovaných diferencovanými buňkami (např. exprese receptoru apod.) AUTOKRINNÍ RŮSTOVÁ ODPOVĚĎ - autokrinní smyčka - buňka exprimuje a je stimulována růstovým faktorem, stává se nezávislou na okolním prostředí - autonomie PORUCHY V PARAKRINNÍ REGULACI - ovlivnění produkce růstových faktorů okolních buněk (fibroblasty, endoteliální buňky, monocyty) Změny regulace exprese (nikoli biochemické povahy) jednotlivých faktorů. Nádorové buňky produkují řadu růstových faktorů a cytokinů: TGFa - transforming growth factor alfa basic fibroblast growth factor (bFGF) Insulin-like factor PDGF - platelet derived growth factor TGFß - transforming growth factor beta PORUCHY PRODUKCE HORMONŮ -hormonálně závislé nádory Uplatňuje se interference různých produktů nádorových a normálních buněk Mechanismus mitogeneze v normálních a transformovaných buňkách © A: Schematic representation of the growth factor related mitogenic pathways in normal cells: (1) represents the growth factor per se, (2) the growth factor receptor, (3) the intracellular messenger system that transmits the mitogenic signal from the receptor to the nucleus. B: Schematic representation of possible perturbations of the growth factor related mitogenic pathways in transformed cells: (1) represents endogenous production of growth factors that may stimulate the cell in autocrine fashion. The endogenously produced factors may be secreted and interact with growth factor receptors at the cell surface (as shown) or, alternatively, activate the receptor in an intracellular compartment. (2) represents production of the growth factors that may mimic the functional activity of a growth factor receptor. (3) represents production of factors that may mimic the functional activity of a regulatory component along the intracellular messenger system. B VÝVOJ TKÁNÍ SAVCŮ SE USKUTEČŇUJE V PROSTŘEDÍ REGULAČNÍCH RŮSTOVÝCH FAKTORŮ (ovlivnění přežívání, proliferace, diferenciace) CHOVÁNÍ BUNĚK JE OVLIVŇOVÁNO ROVNOVÁHOU MEZI STIMULAČNÍMI A INHIBIČNÍMI SIGNÁLY (nespecifické a specifické). Hierarchická struktura vývoje tkání - obnovné buněčné populace: ■ kožní epitel ■ střevní epitel ■ krvetvorné systémy ■ zárodečné populace KMENOVÉ MULTIPOTENTNÍ BUŇKY (schopné sebeobnovy) PROGENITOROVE BUNKY (více diferencované, částečně schopné dělení) ZRALÉ TERMINÁLNE DIFERENCOVANÉ BUŇKY (nedělící se klidové buňky, v G0 fázi) Je nutné, aby byla dodržována přísná rovnováha počtu a typů buněk v jednotlivých kompartmentech. Rovnováha (homeostáza) výsledek působení mnohocetných zpětných vazeb The early acting growth factor which maximises host defense á Myeloid Stem Cell GM-CSF IL-3 CFU-G CFU-M CFU-Eo GM-CSF G-CSF GM-CSF M-CSF GM-CSF IL-5 m m m m M ega ka ryo bi a st Myeloblast Monoblast Myeloblast GM-CSF IL-3 GM-CSF G-CSF GM-CSF M-CSF GM-CSF IL-5 Proerythroblast Megakaryocyte Erythrocyte Platelets Neutrophilic Myelocyte I GM-CSF JC-CSF , Polymorpho- nucleated Neutrophil Promonocyte GM-CSF ím-csf Monocyte Eosinophilic Myelocyte GM-CSF -5 |Gr jlL- Eosinophil GM-CSF M-CSF šä Macrophage IL-3/IL-4 Mast Ce«i SMRT TERMINÁLNI DIFERENCIACE MUTACE nebo INICIACE SMRT m [ß2 TERMINÁLNI DIFERENCIACE INICIOVANÁ BUŇKA \ > SELEKTIVNÍ KLONÁLNÍ EXPANZE INICIOVANÝCH BUNĚK nebo PROMOCE /\ /\ * MALIGNÍ zvrat iniciovaná BUŇKY Model iniciace/promoce/progrese v karcinogenezi. ßl9 míra terminálni diferenciace a smrti kmenové buňky; ß2, míra smrti, ale ne term. Diferenciace iniciované buňky; al9míra buněčného dělení kmenových buněk; a2, míra uněčného dělení iniciovaných buněk; jll-,, míra molekulárních dějů vedoucích k iniciaci (tj., eventuálně mutaci); jll2, míra výskytu druhého zásahu v iniciované buňce. Signální dráhy v normálních buňkách STIMULATORY PATHWAYS Normal cell INHIBITORY PATHWAYS EXAMPLE OF STIMULATORY ABNORMALITY EXAMPLE OF INHIBITORY ABNORMALITY Odpověď buňky na růstově stimulační a inhibiční signály a její poruchy v karcinogenezi GROWTH FACTOR GROWTH-INHIBITING FACTOR ■ I ' : '■ .. ,-:, Wk STIMULATORY PATHWAY INHIBITORY PATHWAY «Ü- '■''■-'"''"'V'' *\ ■ i " ' ■ GROWTH -v O FACTOR •> INTRACELLULAR RELAYS EFFECT OF MUTATION IN A HASGENE ABERRANT RAS PROTEIN ISSUES GROWTH SIGNALS* N ITS OWN : NO SIGNAL CELL BEGINS TO REPLICATE EXCESSIVELY PROTEIN THAT HELPS CELLS DIVIDEr""-^SÄ:: B "^ GROWTH- B INHIBITING FACTOR NORMAL CELL REPRODUCES ITSELF (sequence at top) in response to stimulation by external growth factors (green); it stops dividing in response to inhibitory factors (red, far right). For either reaction to occur, messages from the factors must be relayed deep into the target cell (large panels). Many cancer-causing genes are abnormal versions of ones that code for proteins in stimulatory pathways (left panel). The altered genes, called oncogenes, cause stimulatory proteins to be overproduced or overactive. In one example, mutation of a particular ras gene can lead to synthesis of a hyperactive ras protein (inset at left). Many other cancer-related genes code for proteins in inhibitory pathways (right panel) and are often called tumor suppressors. Damage to these genes can promote cancer if the defects prevent inhibitory proteins from being made or functioning properly—as often occurs when the p53 gene is mutated (inset at right). latent TGFß activation Transformation Potential positive/negative growth control of epithelial cells. TGFa provides a growth stimulatory signal and TGFß provides a growth inhibitory signal resulting in normal growth regulation. Neoplastic transformation may result from aberrations at one or more of the following points: (1) accumulation of pro-TGFa embedded in plasma membranes of adjacent cells providing a prolonged and localized positive signal; (2) alterations in the EGF/TGFa receptor leading to constitutive activation of positive post-receptor signal-transduction pathways; (3) amplification of TGFa mRNA levels resulting in an enhanced positive signal; (4) loss of the ability to activate latent TGFß; (5) loss of TGFß receptors; (6) changes in negative post-receptor signal-transduction pathways. Alterations such as those indicated above may contribute to transformation of epithelial cells due to an imbalance in positive and negative growth signals. HORMONÁLNI KARCINOGENEZE Hormonálně závislé nádory (prsu, endometria, prostaty, varlat, štítné žlázy, kostí) představuje ojedinělý mechanismus karcinogeneze. Endogenní a exogénni hormony podporují proliferaci, zvyšují počet buněčných dělení a pravděpodobnost náhodných genetických chyb. Hormonální stimulace působí v promočním stadiu a pokračuje do progresivního stadia. Polygenní model a biomarkery Neoplasie hormonálně závislých tkání představuje víc než 32% nově diagnostikovaných nádorů u mužů a více než 40% u žen. Genetický základ hladiny hormonů je důležitým rizikovým faktorem (polymorfismus metabolických genů) a dále se uplatňují různé vnější faktory ovlivňující hladinu hormonů (dieta, fyz. aktivita). Důležité charakterizovat geny odpovídající za interindividuální rozdíly v hladině hormonů a jsou zahrnuty v metabolismu a transportu hormonů. Multigenový model predispozice k nádorům prsu, který obsahuje několik genů zahrnutých v biosyntéze , vazbě a transportu estrogenu. Geny endokrinní regulace, Další geny - reparace DNA, nádorově supr. geny a onkogeny. BRCA1 a 2 - nádorově supresorové geny - nádory prsu a vaječníku. Některé signální molekuly vážící se na molekulární receptory CH? O H OH OH cortiso HO CH2—C—COO- OH thyroxine Figure 15-12 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. retinoic acid Figure 15-12 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Steroid pT\ ty ros i n D cytoplazma tyrosin kináza receptor kináza v G protein-linked > hsp90 c jádro v_/ l receptor__ ^^^^ receptor G proteiny efektor; kanal cQ fosforylace x odpověď buňky fosforylace mRNA AAAA derná membrán transkripce 3 SZ7^Z7^Z7^^7^^^ Estradiol a v menší míře ostatní steroidní hormony podporují buněčnou proliferaci, která usnadňuje fixaci genetických chyb. Zárodečné mutace v příslušných nádorově supresorových genech urychlují transformaci do maligního fenotypu. EpiinooJ Ctil :s?"r'jffi. ♦ ESTRADIOL and OTHER STEROID HORMONES *s5ľ Mfllitfr-i'-l ftermlina mulalion Genelw errors accumulate during cell division ŕ*.3. TF53) (losa of huturozyguBtip) STIMULACE ESTROGENNIHO RECEPTORU mRNA Polysomes GF - růstový faktor, E2 - estradiol, R-E2 - estrogenní receptor, ERE - responsivní element DNA, AP-1 -transkripční faktor Superrodina vnitrobuněčných receptoru N- N- (A) DNA-binding domain ■c Cortisol receptor N- estrogen receptor progesterone receptor N- vitamín D receptor N---------------------C thyroid hormone receptor N-------- retinoic acid receptor ligand-binding domain transcription-activating domain DNA-binding domain inhibitory proteins (B) INACTIVE RECEPTOR coactivator proteins ligand DNA (D) Figure 15-13 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. receptor-binding element t transcription of target genes ÍC) ACTIVE RECEPTOR Figure 15-13 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. (A) Podobná struktura receptom s vazebnou doménou (B) Receptorový protein v inaktivní formě vázán na inhibiční proteiny (C) Po vazbě ligandu disociace inh. proteinu a navázání koaktivátoru k transkripci aktivující doméně receptoru (D) Trojrozměrná struktura domény vážící ligand bez a s navázaným ligandem. Alpha helix (modře) funguje jako víčko zajišťující polohu ligandu Odpověď indukovaná aktivací hormonálních receptoru (A) EARLY PRIMARY RESPONSE TO STEROID HORMONE (B) DELAYED SECONDARY RESPONSE TO STEROID HORMONE steroid hormone T- steroid hormone receptor A A r i steroid-hormone-receptor complexes activate primary-response genes I J o^ ^P DNA secondary-response proteins O o />A Q □D Q0 < qO DNA o^cPo O induced synthesis of a few different proteins in the primary response Figure 15-14 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. a primary-response protein shuts off primary-response genes a primary-response protein turns on secondary-response genes Nádory endometria Zvýšené riziko vzniku - expozice estrogeny nevyrovnávaná progestiny. Kombinovaná antikoncepce estrogenu a vysokých dávek progesteronu (od 21 do 28 dne cyklu) snižuje riziko. Důležitým rizikovým faktorem je také obezita, která ovlivňuje produkci hormonů. Vysoké riziko existuje u samostatně žijících žen a snižuje se s každým těhotenstvím (vysoká hladina progesteronu. Nádory prsu Estrogeny mohou indukovat a podporovat rozvoj nádorů mléčné žlázy (důkazy u hlodavců). Riziko- kumulované působení estrogenů. Raný nástup menstruace a pozdní menopauza maximalizují počet ovulační ch cyklů. Prodloužená laktace a fyzická aktivita mohou počet cyklů redukovat Konzumace alkoholu (více než 60g alkoholu denně) - lineární vzrůst nádorů - zvyšování hladiny estrogenu v plasmě a hladinu tzv. insulin-like růstového faktoru. Primárním zdrojem estrogenu u žen po menopauze je přeměna androstenedionu na estron v tukové tkáni. Nádory prostaty Důležitá je biosyntéza, aktivace, inaktivace a transport androgenů, rizikový faktor je věk a etnicita (zvýšený výskyt - Afričané, Američané) Exogénni hormony Existují rozsáhlé vnější zdroje steroidních hormonů. - hormonální náhradní terapie (HRT) a antikoncepce. Antikoncepce zahrnující estrogen a vysoké dávky progestreonu snižuje riziko vaječníku a dělohy. HRT může zvyšovat riziko nádorů prsu, ale důkazy jsou mnohdy protichůdné. Riziko představuje zejména u žen s rodinou anamnézou nádorů prsu. Rada přírodních látek působících podobně jako hormony (hormon-like) může vykazovat také např. estrogenní aktivitu Poznatky o úloze hormonů v karcinogenezi však neumožňují jednoduše řešit tento fenomén, protože to není tak lehce modulovatelný faktor jako třeba kouření. Jednoduše nemůžeme odstranit nebo snížit endogenní hormony. Nové strategie pro detekci a prevenci - biomarkery zvýšeného rizika např. specifický genotyp a nová chemoprevence. Antihormonální terapie (např. tamoxifen, fmasterid) zpomaluje proces progrese.