Buněčný cyklus a apoptóza v karcinogenezi Význam regulace buněčného cyklu Úloha apoptózy v karcinogenezi Oxidativní stres Oxidativní metabolismus mastných kyselin Význam regulace buněčného cyklu Buněčný cyklus a jeho regulace Pokud buňka obdrží nezbytné informace nebo mimobuněčný podnět (hormony, cytokiny, kontakt se sousední buňkou nebo substrátem) začne se dělit. Jinak zůstává v klidovém stavu - G0. Kontrolní body G1-S a G2-M Regulační molekuly Proteinové kinázy - cyklin (regulační jednotka) + cyklin dependentní kinázy (katalytická subjednotka): Cyklin D + Cdk4 a Cdk6 - přechod G1-S Cyklin E + Cdk2 - začátek S fáze Cyklin A + Cdk2 - S a G2 CyklinB + Cdk1 - přechod G2-M 2 Aktivita komplexů je regulována fosforylací treoninových a tyrosinových residuí Komplexy inaktivovány degradací cyklinů Inhibitory Cdk - 2 hlavní rodiny: p21, p27, p57 (širší specifita) a p15, p16, p18, p19 - váží se přímp na Cdk2 a Cdk4 (specif pro cyklin D závislé kinázy) Několik stupňů kontroly, funkce různých komponent jsou vzájemně propojeny - cíl pro mutace i epigenetické změny Cyklin E - aberantně exprimován u řady nádorů prsu Funkce cyklinu A ovlivněny spojením s proteiny kodujícími DNA viry (papilloma virus - nádory děložního čípku) 3 Growth factors Buněčný cyklus s kontrolními faktory a hlavními kontrolními body pro přechod z jedné fáze do druhé. Cyclins CDK’s PCNA p107 Cyclins E2F p33 CDK1/2 Cyclins P53/Rb P53/Rb fos, jun, myc SPF MPF Mitosis G1 Phase G2 Phase S Phase Growth factors Cycle checkpoint G0 4 • MPF = M-phase promoting factor (p34 a cyklin B); • SPF = S-phase promoting factor; • START = rozhodující bod pro dělení nebo diferenciaci; • E2F = transkripční faktor v syntéze DNA; • p107 = protein ve vztahu k Rb; • p33 = cyklin-dependentní protein kináza; • p53/Rb = inhibiční proteiny; • CDK = cyklin-dependentní kináza; • PCNA = proliferating cell nuclear antigen. Schéma progrese normálního buněčného cyklu. Po ukončení mitózy může buňka terminálně diferencovat, vstoupit do klidového stadia nebo znovu vstoupit do buněčného cyklu. Progrese buněčným cyklem je regulována různými komplexy cdk-cyklin. Terminální diferenciace Klidové stadium G0 Cdk1 Cyklin B Mitóza Cdk2 Cyklin A M fáze 4n obsah DNA G2 fáze S fáze Cdk2 Cyklin E Cdk4,6 Cyklin D Restrikční bod G1 fáze 2n obsah DNA 2n-4n obsah DNA Syntéza DNA 5 Retinoblastoma protein pRB Produkt “retinoblastoma susceptibility” genu Rb-1 - první klonovaný nádorově supresorový gen - homozygotní mutace - retinoblastom RB protein je substrátem Cdks a jeho funkce je inhibována fosforylací (na serinech a treoninech) nebo virovými onkoproteiny. Fosforylací se uvolňuje transkripční faktor E2F, který reguluje transkripci genů kritických pro syntézu DNA a S-fázi. Fosforylace vykazuje pravidelnou oscilaci v průběhu bun. cyklu. U nesynchronizovaných buněk - half-life RB asi 30 min. Rychlý obrat naznačuje, že RB je reverzibilně fosforylován pomocí kináz a fosfatáz. Během G1 fáze je RB fosforylován - progrese bun. cyklu důležitost komplexu cdk2-cyklin E a cdk2a 4 a cyklin D 6 Antimitogeny a induktory diferenciace vedou k defosforylaci a podporují tak zástavu cyklu u proliferujících buněk. “Electromobility shift assay” - fosforylovaný RB migruje jako samostatný band u klidových buněk a jako soubor 4-5 bandů u proliferujících buněk. Fosforylace zpomaluje elfo mobilitu - horní bandy odpovídají fosforylovanému RB. Protein p53 úloha v proliferaci a apoptóze aktivován poškozením DNA (záření, chem. látky, cytostatika) - aktivace vyúsťuje v apoptózu (přes bax) nebo zástavu bun. cyklu (p21) - čas pro reparaci u nádorů často deficientní nebo mutován - regulace E2F, p19 Fosforylace RB je ovlivňována řadou biologicky aktivních molekul jako jsou mitogeny, antimitogeny a induktory diferenciace. Mitogeny stimulují fosforylaci a klidové buňky přecházejí do cyklu. 7 Schéma aktivace E2F komplexem cdk-cyklin. Cdk4 nebo cdk6 v komplexu s cyklinem D fosforylují pRb, který uvolňuje E2F pro transkripci genů nutných k progresi buněčného cyklu. P Cdk4,6 Cyklin D Transkripce pRb pRb P E2F DNA 8 E2F Vztah mezi buněčným cyklem a diferenciací 9 Při poškození DNA vzrůstá aktivita p53 – transkripční aktivace p21 – inhibice aktivity cdk2 cyklin kinázy. Fosforylace Rb v pozdní G1 fázi cdk je nezbytná pro uvolnění tr. Faktoru E2F aktivujícího řadu genů nutných pro přechod G1-S. p21 zabraňuje fosforylaci Rb a indukuje zástavu v G1 fázi. Mutace a nefunkčnost těchto molekul – deregulace bun. cyklu – podpora rozvoje nádorů 10 Zástava buněčného cyklu indukovaná poškozením DNA Regulace přechodu G1/S fáze 11 Model buněčného dělení stimulovaného mitogenem 12 Kontrolní body vstupu buněk do mitózy Kotrola při poškození DNA (zástava G2/M), při malformací a nesprávné pozici mitotického vřeténka. Poruchy genů indukujících „mitotickou katastrofu“ (PLK1, Aurora, BUBR) mohou přispívat ke karcinogenezi. 13 14 Úloha apoptózy v karcinogenezi proliferace aktivace kaspáz tkáňověspecifické geny Univerzální model: trojrozměrné znázornění funkcí proliferace, apoptózy a diferenciace apoptóza aktivace CDK funkce diferenciace Intenzita (rychlost) apoptózy Rychlost buněčné proliferace homeostáza akumulace buněk úbytek buněk Vliv různé intenzity apoptózy na homeostázu 15 poškození oprava rakovina normální buňka buňka s poškozenou DNA iniciovaná buňka pozměněné ložisko v tkáni Růstové zvýhodnění a genetická nestabilita stimulace apoptózy inhibice apoptózy Vliv narušení (stimulace/inhibice) průběhu apoptózy v rámci procesu vícestupňové karcinogeneze 16 Různé typy buněčné smrti Kontrolovaná (programovaná) a nekontrolovaná (nekrotická) buněčná smrt. Programovaná bun. smrt – apoptóza a autofagie a další typy. Apoptóza – aktivace kaspáz – možné překryvy s autofagií 17 Okada H. and Mak TW, Nature Rev Cancer 2004 Vlastnosti různých typů buněčné smrti 18 Rozdílné vlastnosti apoptózy a autofagie 19 Vztah apoptózy a autofagie Autofagie může být nezbytná pro apoptózu či působit proti ní. Autofagie a apoptóza mohou rovněž existovat nezávisle na sobě. Inhibice apoptózy může zvrátit bun. smrt v autofagii a naopak. 20 Dráhy kontrolující apoptózu a nekrózu. Aktivace receptorů smrti (DRs), poškození DNA ztráta růstových faktorů, radio- nebo chemoterapie mohou vyústit v aktivaci „upstream“ kaspáz, aktivaci mitochondrií, uvolnění cytochromu c, aktivaci Apaf-1, následnou aktivaci „downstream“ kaspáz a konečně ve fragmentaci DNA a apoptózu. Klíčovou roli hrají antiapoptotické členy rodiny Bcl-2 (Bcl-2, Bcl-XL) a inhibitory jako IAP (inhibitory apoptických proteinů). Mitochondriální aktivace vyúsťuje v uvolnění Ca++, tvorbu volných radikálů, peroxidaci lipidů a vyčerpání ATP, což může vést k nekróze. „Upstream“ kaspázy A P O P T Ó Z A Receptory smrti FasL TNF TRAIL zVAD-fmk p53Rodina BCL-2 BCL-2 BCL-XL Flips Flames Poškození DNA Růstové faktory (ztráta) PT Póry Iontové kanály Cyto-C Ca++ Oxidanty Volné radikály Superoxidy Lipidová peroxidace Vyčerpání ATP NEKRÓZA Apaf-1 Kaspáza 9 Pro Kaspáza 9 Aktivní Kaspáza 3 Aktivní Kaspáza 3 Pro IAP w 21 Cyto-C Figure 9.27c The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Rodina proteinů Bcl-2 Důležitá je rovnováha proapoptoticky a antiapoptoticky působících proteinů 22 23 Různé podněty indukující apoptózu buněk Indukovat apoptózu může záření, různé chemikálie (vč. léčiv), nepřítomnost růstových a viabilitních faktorů, specifické cytokiny aktivující receptory smrti (death receptors –DR) Iniciace a regulace apoptózy po různých podnětech 24 Tait SW and Green DR Nature Rev Mol Cell Biol 2010 Vnitřní (mitochondriální, intrinsic) a vnější (extrinsic) dráha apoptózy 25 Figure 9.29 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Mitochondrální apoptická dráha 26 Kagan VE et al. Free Rad Biol Med 2004 Funkce cytochromu c u normální a apoptické buňky. Apoptóza Oxidace anionických fosfolipidů Kardiolipin (CL) v mitochondriální membráně tvorba specifických pórů Fosfatidylserin (PS) v plazmatické membráně – Externalizace PS – rozpoznání apoptických buněk fagocyty 27 Kagan VE et al. Free Rad Biol Med 2004 Funkce cytochromu c v mitochondriích 28 Table 9.4 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Receptory smrti (DRs) a jejich ligandy 29 Protinádorová léčiva aktivují dráhu CD95 Léčiva smrtbuňka autokrinní parakrinní smrt smrt CD95-L CD95 CD95 ligand 30 Figure 9.37 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Aktivace, inhibice a interakce signálních drah po působení růstových faktorů, buněčného stresu, poškození DNA a induktorů apoptózy 31 Molekulární interakční mapa drah spojených s apoptózou, u nichž byly pozorovány rozdíly v genové expresi. Molekuly podporující apoptózu – červená Molekuly potlačující apoptózu – zelená Exprese mRNA se mění očekávaným směrem – žlutě, opačným směrem - modře 32 Table 9.5 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Příklady antiapoptických změn v lidských nádorech 33 Okada H. and Mak TW, Nature Rev Cancer 2004 Vnější i vnitřní stres indukuje přeměnu normální buňky v nádorovou Vnější stres – omezení růstových faktorů, kyslíku a živin, imunitní odpověď Vnitřní stres – poškození DNA, aktivace onkogenů, zkracování telomer Mohou být navozeny přirozeným způsobem nebo působením nějakých látek či faktorů. Obrana buňky – zástava buněčného cyklu, reparace, senescence, buněčná smrt 34 Regulace apoptózy zprostředkované p53 v odpovědi na stresový signál in vivo 35 P53 indukuje apoptózu vazbou na DNA nebo na mitochondrie 36 Signální dráhy indukované p53 po apoptickém signálu 37 mutace p53 apoptóza nezávislá na transkripci poškození DNA akumulace proteinu p53 BAX a FAS exprese BCL2 exprese p21WAF1 MDM2 cyklinu G a GADD45 vazba p53 k transkripčním – replikačním – reparačním faktorům TFIH (XPB a XPD) apoptóza závislá na transkripci apoptóza reparace DNA zástava buněčného cyklu aktivita cdk 38 Apoptóza indukovaná onkogenem Oncogenes such as E1A and c-myc induce apoptosis through p53-dependent and independent pathways, and both pathways may facilitate cytochrome c release from mitochondria. In any case, the Apaf-1/caspase-9 death effector complex appears important for oncogene-induced death. Current evidence has not ruled out the possibility that oncogenes and/or p53 influence Apaf-1 and/or caspase-9 independent of cytochrome c, but this remains a possibility. Components of the oncogene-induced cell-death program that are mutated in human tumors are shown in black, candidate tumor suppressors are shown in gray. 39 Úloha survivinu v ochraně proti mitotické katastrofě Okada H. and Mak TW, Nature Rev Cancer 2004 40 Anti-apoptické signály z NF-kB Cíle antiapoptického působení NF-kB jsou součástí vnitřní i vnější dráhy apoptózy. NF-kB zvyšuje expresi IAPs, které inhibují kaspázy a Bcl-xl chránicího mitochondrie před poškozením. 41 (a) Regulace aktivity NF-kB závislá a nezávislá na IkB. (a) NFkB je aktivován po aktivaci IkB kinázy (IKK). Tyto kinázy fosforylují IkB, což vede k jeho degradaci a jaderné translokaci uvolněného NF-kB. (b) Zároveň samotný NF-kB je fosforylován cytosolovými nebo jadernými protein kinázami, což zvyšuje účinnost genové exprese indukované NF-kB. IkB, inhibitor NF-kB; NF-kB, jaderný faktor kB. NFkB activating signal NFkB-dependent gene expression Activation of IkB kinases (b) Phosphorylation of NF-kB Conformationa l changes Phosphorylation, ubiquitination and degradation of IkB Nuclear translocation and DNA binding of NF-kB Modulation of nuclear import, DNA binding, protein-protein interactions with coactivators or co-repressors, effects on transactivation 42 Molekulární interakční mapa NFκB/I κB 43 Účinky nesteroidních antiflogistik (NSAIDs) na signální dráhy ovlivňující apoptózu 44 Využití apoptózy v protinádorové terapii 45 Využití selektivní cytotoxicity endogenního induktoru apoptózy TRAIL v chemoterapii TRAIL indukuje apoptózu nádorových nikoli normálních buněk. Některé typy nádorových buněk jsou však k jeho účinkům rezistentní – kombinovaná terapie. 46 Khan N et al., Carcinogenesis 2007, 28:233 Indukce apoptózy dietetickými faktory 47 Stadia apoptózy (konfokální fluorescenční mikroskopie) Viabilní buňka Rané stádium apoptózy (zmenšování buňky, tvorba membránových měchýřků) Střední stádium apoptózy (kondenzace a fregmentace chromatimu, tvorba apoptotických tělísek) 48 Analýza fragmentace DNA během apoptózy Tvorba žebříčku – „ladder“ po expozici leukemické linie HL-60 kampotecinem (a) nebo eikospentaenovou kyselinou - EPA (b). c) Fibroblaty kultivované v médiu bez séra (sloupec 1-5) a pankreatické buňky po expozici EPA (sloupec 6,7). 49 Viabilní a apoptotické buňky v el. mikroskopu 50 51 Oxidativní stres jako mediátor apoptózy Mnoho látek, které indukují apoptózu jsou buď oxidanty nebo stimulátory buněčného oxidativního metabolismu. Naopak řada inhibitorů apoptózy má antioxidační účinky. Možné mechanismy: •Bcl-2 protein (produkt bcl-2 onkogenu) - v mitochondriích, endopl. retikulu a jaderné membráně - regulace ROS •Aktivace poly-ADP-riboso-transferázy a akumulace p53 - polymerizace ADP-ribózy s proteiny vyúsťuje v rychlou ztrátu zásoby NAD/NADH, kolaps zásob ATP a smrt buňky. •Oxidace lipidů v bun. membránách - mediátory apoptózy HPETE (po působení TNF) •Aktivace genů odpovědných za apoptózu přes aktivaci specifických transkripčních faktorů jako je NFB – rozporná úloha. •AP-1, antioxidant-responsivní faktor může také přispívat k regulaci apoptózy. Fyziologicky se ROS se tvoří v: Peroxisomech - rozklad mastných kyselin (MK) - peroxid Kataláza využívá peroxid v detoxifikačních reakcích Mitochondriích - respirační cyklus a katabolismus MK. Mn superoxid dismutasa a další antioxidanta v mitochondriích udržují nízkou hladinu těchto ROS. Byla prokázána silně inverzní korelace mezi produkcí ROS mitochondriemi a délkou existence savčího druhu. Mikrosomální systém transportu elektronů (cytochrome P450) - vyžaduje elektrony z NADPH k produkci částečně redukovaných kyslíkových druhů. ROS vznikají jen za přítomnosti selektovaných xenobiotik - superoxidový radikál - konverze na reaktivnější hydroxylový radikál Mimobuněčné děje - oxidativní vzplanutí aktivovaných makrofágů NADPH-oxidáza -superoxid. 52 Antioxidační obranný systém: • neenzymatický: molekuly jako vit E, vit C a glutation působící přímo na ROS • enzymatický: superoxid dismutáza (SOD), kataláza (CAT), GSH peroxidasa (GSH-Px) a GSH S transferasa (GST). Mohou buď přímo odstraňovat ROS nebo působit recyklaci neenzymatických molekul. 53 Zdroje a mediátory oxidativního stresu 54 Reaktivní kyslíkové metabolity (ROS) 55 Transmembránová topologie a doménová struktura NADPH oxidáz (NOX) a duálních oxidáz (DUOX) 56 Hlavní komponenty antioxidační sítě v buňce Boonstra and Post, Gene 2004 57 Hofseth LJ and Ying L, BBA 2006, 1765:74 Antioxidační enzymy jsou využívány u onemocnění s nadprodukcí ROS 58 Hofseth LJ and Ying L, BBA 2006, 1765:74 Pro- a protizánětlivé cytokiny u onemocnění s nadprodukcí ROS a) Využívají se rekombinantní antagonisté nebo protilátky blokující aktivitu specifického cytokinu b) Data ze studií na zvířatech (colitis – ulcerativní kolitida nebo Crohnova nemoc) c) IFNgamma může být využit jako antivirová látka proti virové hepatitidě B v kombinaci s dalšími IFN d) Rekombinantní cytokiny nebo metody stimulace protizánětlivých cytokinů 59 Některé klíčové dráhy u nemocí s vysokým oxidativním stresem vedoucí ke karcinogenezi Hofseth LJ and Ying L, BBA 2006, 1765:74 60 Hofseth LJ and Ying L, BBA 2006, 1765:74 Využití protizánětlivých látek s mnoha cíli u onemocnění s nadprodukcí ROS IBD – „inflammatory bowel disease“ – zánětlivá onemocnění střeva NSAIDs – nesteroidní protizánětlivé látky Vitamíny Stopové prvky 61 Poškození DNA: změny struktury a mutace genů Oxidativní stres Aktivace karcinogenů Inhibice mezibuněčné komunikace Abnormální genová exprese Abnormální enzymatická aktivita Rezistence k chemoterapii Buněčná proliferace Dědičné mutace Metastáze a invazivitaExpanze klonů Iniciační stádium Stádium promoce Stádium progrese Apoptóza Trvalý oxidativní stres 62 Schematický přehled úlohy reaktivních kyslíkových radikálů v karcinogenezi. SOD, superoxid dismutáza; .OH, hydroxylový radikál; ADF, adult T-cell leukemia-derived factor; GTS, glutathione S-transferase; GHS, glutathione. Antioxidační enzymy (kataláza, SOD) Jádro Antioxidanta (ADF, GST-p, GSH etc.) H2O2 O2Fe Cu Lipidová peroxidace Genomová nestabilita Rezistence k chemoterapii OH . Aktivace onkogenů Invaze Metastázy Proteázy Poškození inhibitorů proteáz Poškození proteinů Mutace Poškození DNANF-kB FOS/JUN 63 NO Hypotetické schéma ilusturující modulaci signálů oxidem dusíku (NO) vedoucí ke změně aktivity transkripčních faktorů a exprese genů. (AP-1 activator protein 1, ERK extracellular signal-regulated kinases, JAK Janus protein kinases, MKP-1 mitogen-activated protein kinase phosphatase-1, NFkB nuclear factor kB, NO nitric oxide, O2- superoxide, ONOO- peroxynitrite, p38 p38 mitogen-activated protein kinases, PTP protein tyrosine phosphatase, Ras small GTP-binding protein, ROS reactive oxygen species, RXR retionid X receptor, SAPK stress-activated protein kinases) NO, ROS, ONOONitrozace Oxidace Nitrátové komplexy Metalové komplexy Plazmatická membrána Proteinové kinázy SAPK, p38, JAK, ERK O2 or O2Proteinové fosfatázy MKP-1, PTP RAS Genová transkripce Transkripční faktory NFkB, AP-1, C/EBP, Sp-1, RXR Jádro 64 Acharya A et al. Oxidative medicine and Cellular Longevity 3:23, 2010 Model interakcí indukovaných oxidativním stresem v karcinogenezi Environmentální karcinogeny, záření nebo mitochondriální metabolismus indukují oxidativní stres – poškození DNA, změny genové exprese, mitogenezi, zánět, apoptózu a fibrózu vedoucí ke genomové nestabilitě a progresi nádorů. 65 Boonstra and Post, Gene 2004 Ovlivnění přenosu signálů a účinky ROS na buněčný cyklus a buněčnou smrt. Účinky jsou závislé na dávce a délce expozice Nekróza Apoptóza Zástava bun. cyklu Diferenciace Proliferace 66 Hypotéza buněčné proliferace a apoptózy indukované lipidovou peroxidací. NF-kB, jaderný transkripční faktor kB. Oxidativní stres a redoxní nerovnováha ve střevě Mild Substantial Lipid peroxide Subtoxic dose Cytotoxic dose Oxidative stress Thiol redox imbalance Modulates NF-kB activity apoptotic genes p53, p21, bax, bcl- 2 proliferative genes c-myc, cyclins, cdk retinoblastoma Necrosis Proliferation Apoptosis 67 Buněčná odpověď na oxidativní stres a oxidačně-redukční (redox) stav. Křivky představují terminálně diferencované, mitoticky kompetentní a transformované buněčné typy. Oxidativní stres a redoxní nerovnováha ve střevě Growth Redox status Reductants Oxidants Differentiated Mitotic competent Transformed Stimulus Quiescence Proliferation Apoptosis Necrosis 68 karcinogenní poškození přímé zhášeče ROS ROS inaktivní produkty potenciace systému antioxidačních enzymů (GPx, GST, QR, SOD, CAT, atd.) iniciace promoce progrese normální buňka iniciovaná buňka preneoplastické buňky neoplastické buňky modifikace epigenetického působení (protizánětlivé, obnovení mezibuněčné komunikace, atd.) Pravděpodobný mechanismus chemopreventivního účinku vitamínu C v karcinogenezi 69 Význam NO a ROS pro vnější a vnitřní dráhu regulující apoptózu Roberts RA, Toxicol Sci 2009 70 D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 Proliferace n - 6 n - 3 n - 9 Koncentrace mastných kyselin 71 Mastné kyseliny a oxidativní metabolismus peroxidacelipidů 72D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 Proliferace n - 6 n - 3 n - 9 Koncentrace mastných kyselin Prostaglandiny 73 Proliferace n - 6 Koncentrace mastných kyselin D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 Úloha fosfolipáz v oxidativním stresu, uvolňován kyseliny arachidonové a tvorba prostaglandinů 74 Brookheart RT et al Cell Metab 2009, 10:9 Lipotoxicita V netukových buňkách způsobuje nadbytek SFA oxidativní a ER stres způsobený lipidovými metabolity a signálními drahami. Dysfunkce mitochondrií a ER stres jsou klíčové děje, jimiž je při nadbytku lipidů indukována buněčná smrt. Nasměrování nadbytečných mastných kyselin do lipidových dropletů má ochranné účinky. 75 Působení nasycených (SA) a nenasycených (MUFA) mastných kyselin na rozdělení lipidů a lipotoxicitu Nolan ChJ and Larter CZ J Gastroenterol Hepatol 2009, 24:830 76 Receptory pro peroxisomové proliferátory (PPARs) 77 Mastné kyseliny a jejich metabolity fungují jako aktivátory PPARs Michalik L et al., Nature Rev Cancer 2004 78 Importance of PPARs in cell proliferation, differentiation and apoptosis. After activation, PPAR and RXR form heterodimers which bind to DNA regulato-ry sequences of target genes through interaction with PPRE. The control by PPARs of the transcriptional activity af target ge-nes gives rise to bio-logical effects which may have consequen-ces for human health. LTB4, leukotriene B4; PGJ2, prostagladin J2; PP, peroxisome proliferator; PPAR, peroxisome prolifera-tor-activated receptor; PPRE, peroxisome proliferator respon-sive element; 9cis-RA, 9-cis-retinoic acid; RXR, 9-cis-retinoic acid receptor. Peroxisome proliferators (fibrates, phtalates, etc.) Fatty acids (PGJ2, LTB4) Nutrition PP Transcription 9-cis-RA PPRE RXR Cell specific responses Proliferation Differentiation and maturation Apoptosis Medical relevance •Clonal expansion of preadipocytes promoting adipogenesis (participation on PPARg.) •Hypothetical risk in man of cell growth stimulation by activation of PPARs. •Monocyte / macro-phage differentiation (implication of PPARg) leading to accelerated atherosclerosis. •Protective effects of PPARa. •Adipocyte differen-tiation responsible of obesity and other related disorders (implication of PPARa.) •Enhanced PPARg expression could lead to tumoral cell apoptosis and represents a therapeutical approach in malignant disease. Target genes RXRPPAR 79 PPR Důležitost PPARs v buněčné proliferasci, diferenciaci a apoptóze. Po aktivaci, PPAR a RXR tvoří heterodimery, které se vážou na regulační sekvence cílových genů prostřednictvím PPRE na DNA. Kontrola transkripční aktivity cílových genů PPAR vede k biologickým účinkům ovlivňujícím lidské zdraví. LTB4, leukotrien B4; PGJ2, prostagladin J2; PP, peroxisom. proliferátor; PPAR, receptor aktivovaný PP; PPRE, responsivní element pro PP; 9-cis-RA, 9-cisretinová kyselina; RXR, receptor pro 9cis RA. Peroxisomové proliferátory (fibráty, ftaláty apod.) Mastné kyseliny (PGJ2, LTB4) Výživa PP Trankripce 9-cis-RA RXR Specifické buněčné odpovědi Proliferace Diferenciace a zrání Apoptóza Medical relevance * Klonální expanze preadipocytů podporující adipogenesi (účast PPARγ.) * Hypotetické riziko buněčné růstové stimulace aktivací PPARs. * Diferenciace monocytů / macrofágů (podíl PPARγ)vedoucí k urychlené ateroskleróze * Zvýšená exprese PPARγ by mohla vést k apoptóze nádorových buněk a představuje možný terapeutický protinádorový přístup* Ochranné účinky PPARα. * Diferenciace adipocytů odpovědná za obezitu a další poruchy (podíl PPARα.) Cílové geny RXRPPAR 80 Schéma signálních drah PPAR L PPAR PPARPPAR RXR RXR RXR CoRep CoActCoRep CoAct CoRep? L PPRE PPRE PPARs fungují jako heterodimery s jejich obvyklým partnerem – retinoidním receptorem (RXR) CoRep korepresor, Co Act koaktivátor,RXR receptor pro retinovou kyselinu X, PPRE responsivní element pro PP 81 Sainis I et al., PPAR Research 2008 Signální dráhy a funkce PPARs a jejich ligandů 82 Feige JN et al., Progress in Lipid Res 2006, 45:120 Změny korepresorů/koaktivátorů závislé na ligandu 83 Hlavní metabolické funkce regulované PPARs Feige JN et al., Progress in Lipid Res 2006, 45:120 Využití a metabolizmus lipidů, ukládání lipidů a citlivost k inzulinu 84 Michalik L et al., Nature Rev Cancer 2004 Funkce PPARs ve vztahu ke karcinogenezi 85 Marion-Latellier R et al., Gut 2009, 58:586 Mechanizmy působení n-3 PUFAs v zánětu střeva N-3 PUFAs aktivují PPARγ, který inhibuje signální dráhu NFκB a mohou inhibovat tolllike receptor 4 (TLR4). Mohou také modulovat složení membránových fosfolipidů vedoucí ke snížení produkce prozánětlivých eikosanoidů odvozených od AA a zvýšení produkce protizánětlivých resolvinů. Tyto regulační dráhy snižují produkci prozánětlivých cytokinů a expresi adhezívních molekul To vede ke snížení zánětu střeva. 86 Přírodní zdroje modulátorů PPARγ a účinky u zánětlivých onemocnění střeva Marion-Latellier R et al., Gut 2009, 58:586 87 Michalik L et al., Nature Rev Cancer 2004 Mutace PPARγ v lidských nádorech a účinky agonistů PPARγ u různých buněčných typů 88 Voutsadakis IA, J Cancer Res Clin Oncol 2007, 133:917 Důležité signální dráhy a molekuly indukované či inhibované PPAR PPARγ indukuje fosfatázu PTEN vedoucí k inhibici kinázy Akt. Akt má antiapoptické účinky (inhibice kaspázy-9). PPARγ způsobuje zástavu bun. cyklu represí cyklinu D, indukcí p18, p21, p27 a interakcí s Rb. PPARγ rovněž potlačuje beta-katenin a COX-2 podporující karcinogenezi kolonu. 89 Vnitřní a parakrinní účast NFκB v přežívání a proliferaci nádorů. Aktivace NFκB vede k rezistenci k apoptóze, Buňky na okraji rychle rostoucího nádoru podléhají nekróze, když chybí ATP. Nekrotické nádorové buňky uvolňují prozánětlivé faktory. Tyto faktory aktivují imunitní odpověď nádorového mikroprostředí, která vede k syntéze prozánětlivých cytokinů závislé na NFκB , což podporuje růst nádoru. 90 Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/ 91