Daganatok áttétképzését gátló génjeink Élő adás előadássorozat 2014. 05.07. Vellainé Takács Krisztina

A daganatképződés, a daganat fejlődése és terjedése többlépcsős folyamat, amely mutációk, genetikai és sejtbiológiai változások sorozatára vezethető vissza. E változásokon keresztül a daganatsejtek egyre több képességet szereznek, amelyek lehetővé teszik, hogy növekedjenek, majd terjedjenek és áttéteket képezzenek. Klonális eredet? Korábbi elképzelés Ma: ismert, hogy a tumorok többféle sejttípusból állnak

Onkogének és tumorszuppresszor gének jelátvitelben betöltött szerepe - ONKOGÉNEK (proto-onkogének) SZUPPRESSZOR GÉNEK Sejtszaporodás (sejtciklus) Genom- stabilitás fenntartása (hibajavítás) Apoptózis serkentés gátlás igen - gátlás serkentés Mutáció tumorokban funkciónyeréssel járó mutációk funkcióvesztéssel járó mutációk

TUMORS WITH MUTATIONS (%) Table 23-3. Some Genetic Abnormalities Detected in Colorectal Cancer Cells GENE CLASS PATHWAY AFFECTED TUMORS WITH MUTATIONS (%) K-Ras oncogene receptor tyrosine-kinase signaling 40 β-catenin Wnt signaling 5–10 p53 tumor suppressor stress/genetic-damage response 60 APC > 60 Smad4 TGFβ signaling 30 TGFβ receptor II 10 MLH1 and other DNA DNA mismatch repair 15   mismatch repair genes (often silenced by methylation) Néhány onkogén és tumorszuppresszor gén, amelyek mutációi gyakran előfordulnak különböző tumorokban

Hallmarks of Cancer: a tumorsejtek sajátosságai növekedési szignálok folyamatos fenntartása rezisztencia a sejthalállal szemben növekedést gátló szignálok elkerülése érképzés indukciója invázió és metasztázis aktiválása halhatatlanság Cell (2011) 144:646-674

A VASTAGBÉLRÁK KIALAKULÁSÁNAK GENETIKAI MODELLJE (Vogelstein, 1990) A B C Ras mutáció 5 DNA metilálás elvesztése 12 APC Hiperproliferatív epitélium Korai adenóma Középső adenóma D E TP53 17 18 DCC Karcinóma Késői adenóma

A tumorsejtek genetikai állománya instabil

A metasztázis többlépcsős folyamat eredménye 8 8

A metasztázis folyamata

Metasztázis szuppresszor gének (MSGs) Gátolják a makroszkópikus áttét képződést (in vivo kísérletekben is). A primer tumorban kifejeződnek, az áttétben viszont nem vagy csökkent mértékben expresszálódnak. Eltérőek az onkogénektől és tumorszuppresszor génektől. A primer tumor növekedésére nincs hatásuk. A metasztatikus kaszkád különböző lépéseiben hatnak. 10 10

Napjainkig több mint 20 MSG-t (metasztázis inhibitor gént) írtak le Horak et al., APMIS 116: 586-601, 2008

E-cadherin expresszió elvesztése: kulcs az EMT (epiteliális-mesenchymális tranzíció) folyamatához, majd az invázióhoz A sejt adhéziós kapcsolatok egyik fő komponense az E-cadherin. Az E-cadherin és az aktin citoszkeleton között a citoplazmatikus sejt adhéziós komplex révén a β-catenin létesít kapcsolatot. Metasztázisokban alacsony E-cadherin szint → hiányában a β-catenin felhalmozódik a citoplazmában → abnormális TCF/LEF aktiváció 12 12

A β-catenin a Wnt/Wingless jelátvitel kulcs molekulája A β-catenin a sejtmagba transzlokálódva, a TCF/LEF transzkripciós faktorral együtt differenciálódási folyamatokat szabályoz.

EMT: epiteliális – mesenchymális tranzíció A TGF- β aktivációja a Smad-interacting fehérjéken, a Snail és Slug-on (cink-ujj transzkripciós faktorok) keresztül az E-cadherin repressziójához vezet, ami a β -catenin „kiszabadulásán” és TCF/LEF aktivációján keresztül EMT-hez vezet. A sejtek motilitása fokozódik, mátrix-degradáló enzimek (MMP-k) expresszálódnak, a sejtek rezisztensebbé válnak az apoptózissal szemben.

EMT: epiteliális – mesenchymális tranzíció Lee et al., 2006, J. Cell Biol, 172: 973-81.

Kai1 – DARC kapcsolat A primer tumorsejtek bekerülnek véráramba, sorsuk függ attól, hogy expresszálják-e a Kai1 MSG-t → ha van Kai1 marker → interakció DARC receptorral (Duffy antigen receptor for chemokines)→ szenescens jel, a cdk inhibitor p21 fokozott expresszióját eredményezi, így a tumor sejt nem képes az S fázisba belépni → ha nincs Kai1 marker → tumorsejtek osztódnak → metasztázis képzés p53 mutáció  Kai1 down-regulációt okoz: metasztázis előrehaladott állapota Iiizumi et al., 2007 Cancer Res. 67: 1411-4

MKK4: a MAP2K család tagja, aktivációja a JNK/p38 MAPK modulon keresztül apoptózist ill. a sejtciklus leállását eredményezi MKK4-et ektopikusan kifejező tumorsejtek képtelenek új kolónia formálására  célzott terápia 17 17

Az MSG-k a metasztatikus kaszkád különböző folyamataiban hatnak Az E-cadherin az elsődleges tumorból való kiszakadás, az invázió kezdeti lépéseiben hat. A Kai1 a migráló sejtek erekből való kilépését akadályozza meg. Az MKK4 és az Nm23-H1 pedig a másodlagos tumor növekedést befolyásolják. 18 18

Metasztázis szuppresszor gének Megismerésük lehetőséget ad olyan klinikai markerek fejlesztésére, amelyek kimutatnák a szövettani elváltozásokat és a metasztázis képződését. Potenciális gyógyszer célpontok a metasztatikus tumorsejtek alvó fázisban tartásához. Aguirre-Ghiso J. A. (2007), Nat.Rev. Cancer, 7: 834-46 19 19

Caenorhabditis elegans, mint genetikai modell Előnyei: Laboratóriumban könnyen fenntartható Egyszerű anatómia (959 szomatikus sejt, 302 neuron, átlátszó testfal) Kis testméret (1.2 mm) Nagyszámú utódnemzedék (250 utód) Gyors életciklus Speciális szexuális dimorfizmus: öntermékenyítő hermafroditák és hímek 7. Invariáns sejtleszármazás

A C. elegans nm23-H1/2 ortológ ndk-1 lf mutációja sterilitást és kitüremkedő vulva fenotípust okoz LGI TAA ATG 1 -523 600 634 deléció: ok314 Fenotípus: sterilitás, vulva fejlődési defekt Masoudi N, …Takács-Vellai K (2013) Development 140, 3486-3495 Takács-Vellai K (2014) J Mol Signal (in press) ndk-1(ok314)

A C. elegans hermafroditák két U-alakú gonádkarral rendelkeznek

Tumorfejlődés a C.elegans csíravonalában Kirienko et al. (2010) Dev. Dyn. 239:1413–1448

C. elegans mint sejtmigrációs modell: a gonád disztális csúcsi sejtjeinek (distal tip cells, DTCs) vándorlása A DTC-k speciális vezető sejtek, amelyek a gonád alakját alakítják ki vándorlásuk során.

ndk-1(-) mutánsok DTC migrációja abnormális Wild type ndk-1(ok314) Egy menekítő, transzlációs NDK-1::GFP konstrukció expresszálódik a DTC-kben. gonad arm DTC NDK-1::GFP L4 larva NDK-1::GFP

Az NDK-1 overexpressziója a humán Nm23-H1/2-höz hasonlóan gátolta egy invazív emlőkarcinóma sejtvonal migrációs potenciálját Fancsalszky L. …M. Herak Bosnar…Takács-Vellai K., PlosOne 2014, 9(3):e92687

A DTC migráció és az apoptotikus testek bekebelezése analóg folyamatok: közös géneket használnak Wu YC and Horvitz HR, Nature, 1998 Mindkét folyamat membránok átszervezését és a citoszkeleton átalakítását igényli.

S. Brenner, J. Soulston and R. H S. Brenner, J. Soulston and R.H. Horvitz: Nobel prize in physiology (2003) for defining the genetic pathway of programmed cell death B. Conradt, D. Xue, Wormbook, 2005

Az apoptotikus testek bekebelezésének molekuláris modellje   INA-1 According to B. Conradt and D. Xue, Wormbook, 2005

Az ndk-1(-) mutáns embriókban és RNSi-kezelt állatok gonádjában felhalmozódnak az apoptotikus testek ndk-1(RNAi) NDK-1::GFP NDK-1::GFP

I Az NDK-1::GFP az apoptotikus testek körül fejeződik ki a gonád tok sejtjeiben Fancsalszky L….Takács-Vellai K., Plos One (2014)

DTC migration and engulfment ndk-1 Nm23 ina-1 -integrin unc-73 Trio ced-2 CrkII ced-5 Dock180 ced-12 Elmo vab-3 Pax6 mig-2 RhoG ced-10 Rac1 abl-1 Abl abi-1 Abi ced-7 Abc1 ced-1 Megf10 ced-6 Gulp dyn-1 Dynamin engulfment DTC migration and engulfment

Az apoptotikus bekebelezés jelátviteli útvonalai az aktin polimerizációhoz vezetnek CHC-1 and EPN-1 promote actin polymerization in response to CED-1 signaling. (A) Two parallel pathways that regulate apoptotic-cell engulfment. The mammalian homologs of C. elegans proteins are indicated in parentheses. (B) Model depicting how CHC-1 and EPN-1 regulate cytoskeleton polymerization and promote pseudopod extension. In response to the ‘eat me’ signal, CED-1 initiates a signaling pathway that recruits EPN-1 to the plasma membrane at the site of engulfment through PtdIns(4,5)P2 and perhaps direct interaction. EPN-1 further recruits CHC-1 to the same site. CHC-1 oligomerizes into a scaffold upon which actin molecules assemble into polymers, driving pseudopod extension around the apoptotic cell. Shen Q et al. Development 2013;140:3230-3243

2000-2011: 4 új jellegzetesség az energiaháztartás újraprogramozása az immunrendszer sejtpusztító folyamatainak elkerülése a daganatsejtek genomja instabillá válik tumor progressziót segítő gyulladások

Tumor progressziót elősegítő gyulladás A tumorokba a veleszületett és az adaptív immunrendszer sejtjei is infiltrálódnak, és gyulladáshoz hasonló körülményeket tükröznek. A tumor-asszociált gyulladási válasz – paradox módon - a tumor progressziót segíti.

A tumor mikrokörnyezetében lévő immunsejtek tumor progressziót elősegítő faktorokat termelnek Az immune inflammatory sejtek által termelt faktorok: -EGF, -VEGF, FGF2 (angiogenic), -chemokines, cytokines -matrix metalloproteinases (MMP-9, invasion)

Apoptotikus testek felhalmozódása Potential significance of our work... NDPK funkció hiánya Apoptotikus testek felhalmozódása Gyulladás J. Martinez et al., PNAS, 2011 Kedvező körülmény a tumor progresszióhoz Hanahan D and Weinberg R, Cell, 2011 Gyulladás

Köszönöm a figyelmet!

Iiizumi M et al. , Biochim Biophys Acta Iiizumi M et al., Biochim Biophys Acta. 2008 December ; 1786(2): 87–104.

Iiizumi M et al. , Biochim Biophys Acta Iiizumi M et al., Biochim Biophys Acta. 2008 December ; 1786(2): 87–104.