A rák genetikai alapjai Rákos sejt, melyet az immunsejtek támadnak

Az amerikai halálozási adatok, 2006 Rank Cause of Death % 1. Heart Diseases 631,636 26.0 2. Cancer 559,888 23.1 3. Cerebrovascular diseases 137,119 5.7 4. Chronic lower respiratory diseases 124,583 5.1 5. Accidents (unintentional injuries) 121,599 5.0 6. Diabetes mellitus 72,449 3.0 7. Alzheimer disease 72,432 3.0 8. Influenza & pneumonia 56,326 2.3 9. Nephritis 45,344 1.9 10. Septicemia 34,234 1.4

2009 A jósolt halálozási adatok különböző ráktípusokra (USA) Men 292,540 Women 269,800 Lung & bronchus 30% Prostate 9% Colon & rectum 9% Pancreas 6% Leukemia 4% Liver & intrahepatic 4% bile duct Esophagus 4% Urinary bladder 3% Non-Hodgkin 3% lymphoma Kidney & renal pelvis 3% All other sites 25% 26% Lung & bronchus 15% Breast 9% Colon & rectum 6% Pancreas 5% Ovary 4% Non-Hodgkin lymphoma 3% Leukemia 3% Uterine corpus 2% Liver & intrahepatic bile duct 2% Brain/ONS 25% All other sites

A tumorok lehetnek rosszindulatúak és jóindulatúak. A rák egy összefoglaló név azon betegségekre, ahol genetikai változás eredményeként egy sejt utódjai egy olyan populációt alkotnak, mely szabályozatlan osztódás révén a szerv működését gátolja. A tumorok lehetnek rosszindulatúak és jóindulatúak. Normális bélcsatorna Rosszindulatú daganat Jóindulatú

Kb. 1014 sejt egy emberben, egy emberöltőn keresztül egy sejt mutációja elegendő a rák kialakulásához. Három emberből egy szenved rákos megbetegedéstől az élete során. A leggyakrabban a gyakran osztódó sejtpopulációkban fordul elő (epitéliális sejtek a bélben, a tüdőben és a prosztatában). Ritka formáiban a ráknak az amúgy nem osztódó sejtek indulnak osztódásnak (izom, ideg sejtek).

Karcinogének A normális sejtek rákossá történő alakításában szerepe lehet sugárzásnak, kémiai mutagéneknek és bizonyos vírusoknak. Ezeket összefoglaló néven karcinogéneknek nevezzük. Karcinogének: Sugárzás: gamma sugárzás UV röntgen sugárzás belélegezett anyagok: azbeszt dioxin cigaretta füst (nitrozaminok, benzo-pirén) mikrobiális: AflatoxinB1 (Aspergillus f., gabonamagvak, mogyoró, mogyorókrém) humán vírusok: Rous sarcoma vírus (1910) Hepatitis B humán papilloma vírus kémiai anyagok: aldehidek, formaldehid benzol származékok vinil-klorid, EMS stb....

Az AflatoxinB1 karcinogén hatása

Karcinogének A rák kialakulásának aránya a karcinogénnel (2-naftilamin) való fertőzés idejének arányában egy kémiai üzemben. A rák egy viszonylag hosszú periódus után jelenik meg. A leukémiás betegek robbanásszerű megjelenése 5 évvel az atombomba ledobása után volt Hiroshimaban és Nagasakiban.

A vírusfertőzöttek száma nagyobb, mint ahány dagantos eset regisztrált. Egyéb faktorok is szükségesek a rák kialakulásához: -Vannak közvetetten rákot okozó vírusok, pl a HIV. A HIV a segítő T limfocitákat roncsolja és a herpesz vírus emiatt tud támadni. -A hepatitis-C vírus krónikus májgyulladást okoz, amelyből könnyebben alakul ki a májrák.

A rák genetikai alapja A rákos folyamatok genetikai módosítás eredményeként alakulnak ki: -rákos sejtnek rákosak az utódsejtjei is -bizonyos vírusok rákos elváltozásokat indukálnak -mutagén anyagok és ionizáló sugárzás tumorképződést indukál -bizonyos rákos megbetegedések családi felhalmozódást, örökletességet mutatnak (retinoblastoma, vastagbélrák) -bizonyos ráktípusok (leukémia, lymphoma) kromoszóma rendellenességekhez köthetők Az 1980-as években tudták molekuláris módszerekkel a rákos elváltozásokat génekhez kötni. Általában több mutáció együttes jelenléte kell a rák kialakulásához.

Genetikai és epigenetikai faktorok a rák kialakításában A DNS hibás heterokromatinba csomagolása A DNS hibás metilációja Mutáció a DNS-ben

Epigenetikai faktorok a rák kialakításában

Egészséges sejtek érzékelik a szomszédos sejteket, kontakt gátlás a további osztódások megakadályozására. A kontakt gátlás hiányában a rákos sejtek folyamatosan osztódnak, ránőnek egymásra. Gyakran van szervezetlen citoszkeleton, abnormális kromoszóma szám-aneuploidok.

A rák és a sejtciklus A sejtciklus áttekintése a sejt morfológia, kromoszómaszám, időbeli eloszlás alapján. A sejtciklusban fontosak az ellenőrző pontok (G1,S,G2,M) melyek nem engedik a sejtet tovább a következő stádiumba hiba esetén.

A rák és a sejtciklus A sejtciklus mesterregulátorai a ciklinek és a ciklin függő kinázok és az azok lebontásást végző ubiquitin függő APC és SCF fehérje komplexek. Periódikus aktivításuk irányítja a helyes sejtosztódást. Hiba (DNS károsodás, orsó összeszerelődési hiba) esetén az ellenőrző pont aktivizálódik és a nem engedi tovább a sejtet a következő stádiumba.

A rák és a sejtciklus A sejt normális körülmények (sejtosztódást serkentő jel hiánya, kontakt gátlás) között a G1 fázisból a G0 nyugalmi fázisba megy. Aktív ellenőrző pont esetén a hibás sejtben beindul a programozott sejthalál mechanizmusa. Az ellenőrző pont hibája tovább kiengedi a sejtet és elkezd osztódni, hibákat halmozva fel.

A rák és a sejtciklus Az ellenőrző pontok hiányában a sejt mitózisba megy és hibákat halmoz fel. Centroszóma hibák (elvesztés vagy megsokszorozódás) tumoros sejtekben

A programozott sejthalál (apoptózis) és a rák A élőlényekben felhalmozódó hibás vagy szükségtelen sejteket a programozott sejthalállal távolítja el a sejt. Az apoptózis a felelős az ujjak közötti sejtek eltávolításáért

A programozott sejthalál (apoptózis) és a rák

A programozott sejthalál (apoptózis) és a rák A rák kivédésének egyik módja a hibás sejtek eltávolítása apoptózissal. Kezdő Kaszpázok Pro-apoptótikus jel végrehajtó Kaszpázok Kaszpáz kaszkád Apoptosis

Az apoptótikus útvonal A rák kivédésének egyik módja a hibás sejtek eltávolítása apoptózissal. előidézők módosítók végrehajtók szubsztrátok sejtpusztulás . Sejtalkotó fehérjék . DNS . Növekedési faktor hiánya . Sejtadhézió elvesztése . Sugárzás, kemoterápia . FADD . TRADD . FLIP . Bcl-2 family . Cytochrome c . p53 . Mdm2 . Kaszpázok

A két fő apoptótikus útvonal Apoptosis Caspases Pro-apoptotic receptor Pro-apoptotic ligand Sejten kívüli útvonal Sejten belüli útvonal BAX BCL2 PUMA Stress Mitochondria

A rák kialakulásában szerepet játszó géncsoportok Két nagy géncsoportot azonosítottak a rák kialakításában: Onkogének: ezekben történt mutációk vagy epigenetikai módosítások aktívan beindítják a sejtosztódást (általában funkció nyeréses mutációk) Tumor szupresszorok: ezekben történt mutációk vagy epigenetikai módosítások miatt nem képesek a sejtosztódás gátlására (általában funkció vesztéses mutációk)

Tumor kialakulását előidéző retrovírus onkogének

Tumort indukáló retrovírusok és virális onkogének Az RNS vírusok a fertőzés után az RNS-üket használják templátnak a komplement DNS szintetizálásához, majd az beépül több helyre is a kromoszómákba. A DNS szintetizálását RNS-ről a reverz transzkriptáz enzim végzi. Az első daganatot előidéző vírus 1910-ben lett azonosítva csirkében a Rous sarcoma vírus. Rous sarcoma vírus 4 gént tartalmaz: -gag-kapszid fehérjéje a virionnak -env-burokfehérje -pol-reverse transzkriptáz -v-src-protein kináz, a plazma membránba épül be. v-src hiányában is képes fertőzni, de nem tud tumort indukálni. A v-src felelős a tumorképzésért. v-src képes foszforilálni a sejtciklust szabályozó fehérjéket. Virális onkogének viselkedhetnek, mint transzkripciós faktorok (v-jun, v-fos, v-myc).

A virális onkogénekkel homológ sejten belüli protoonkogének A v-src és a c-scr szerkezete és azok heteroduplex formálása Evolúcionárisan a v-src a c-src mRNS-éből alakulhatott ki retrovírusba épüléssel.

Hogyan azonosíthatók a rákos burjánzásért felelős DNS szakaszok -DNS izolálás és jelölés a rákos sejtekből -transzfektálás normális sejtekbe, beépülés -az onkogént tartalmazó sejt rákos burjánzást okoz. -rákos sejtek szelektálása és növesztése -DNS izolálás a rákos sejtekből és a gén meghatározása

A Ras fehérje szignálút és a rák kapcsolata Első azonosított onkogén a Ras gén volt. Normális Ras fehérje szignál útvonal 1. Sejten kívüli szignál indukálja a Ras fehérje aktivációját. 2. Ras-GDPRas-GTP 3. Az aktív Ras fehérje által szállított szignál eljut a sejtmagig 4. A sejtmagban transzkripciós faktorok aktiválódnak, melyek sejtosztódásban játszanak szerepet 5. Beindul a normális ellenőrzött sejtosztódás

A Ras fehérje szignálút és a rák kapcsolata A folyamatosan aktív Ras gén onkogénként viselkedik. Egy kópia mutációja elegenedő az tumorképződés beindításához. 1. Sejten kívüli szignál nélkül is a Ras fehérje aktív. 2. Ras-GTP formában 3. A mutáns aktív Ras fehérje által szállított szignál folyamatosan jut sejtmagba 4. A sejtmagban folyamatosan transzkripciós faktorok aktiválódnak, melyek sejtosztódásban játszanak szerepet 5. Beindul egy folyamatos, ellenőrizetlen sejtosztódás, mely rákos elburjánzáshoz vezet

Kromoszóma átrendeződések és a rák Krónikus mieloid leukémia 22. kromoszóma hibájához köthető. Philadelphia-ban lett felfedezve, innen a név. Reciprok transzlokáció a 22. és 9. kromoszóma között. A 9. kromoszómás töréspont az c-abl onkogénben van a 22. kromoszómán pedig a bcr-ben. Fúziós fehérje keltkezik a bcr és abl-ről, amely tartalmazza a abl kináz doménjét és rákos burjánzást okoz. Az abnormális kináz aktivitás foszforilálja számos sejtciklusban szerepet játszó fehérjéket.

Reciprok transzlokáció szerepe a Burkitt’s lifóma kialakításában Reciprok transzlokáció a 8. kromoszóma és a 2., 14., vagy 22. kromoszóma között. A c-myc onkogén imunoglobulin nehéz lánc mellé kerül, mely a c-myc túltermelését eredményezi a B-limfocitákban, melyek rákos elváltozást mutatnak.

Tumor szupresszor gének Tumor szupresszorok: A sejtosztódás gátlásáért felelős gének. Ezekben történt mutációk miatt nem képesek a sejtosztódás gátlására (általában funkció vesztéses mutációk). Knudson hipotézise (two hit theory):bizonyos daganatok kialakulásához a tumor- szupresszor géneket érintő, két egymást követő mutációs esemény szükséges. A tumor szupresszor gének mutációi recesszívek, azaz két mutáns kópia kell a teljes funkcióvesztéshez, a tumor kialakulásához. Ebből az egyik általában már öröklötten jelen van, míg a másik csak egy vagy bizonyos szervekben alakul ki, így a korábbi heterozigóta állapot elvész, és a homozigóta mutáns tumor szupresszor gén miatt kialakul a daganat.

Örökletes rák típusok Knudson hipotézise igaznak bizonyult számos örökletes rák estetében. Minden esetben más tumorszupresszor gén érintett. Csupán egy 1%-a az összes ráktípusnak örökletes.

A retinoblasztóma 40% 60% Ritka szembetegség, 1: 15000 élve születésre. Ratinoblasztóma gén egy tumorszupresszort kódol. Örökletes és sporadikus változata létezik.

Retinoblastoma retina scan a kemoterápia előtt és után

Az Rb szerepe a sejtciklus előrehaladásában Rb gén esszenciális,105kDa fehérje. Mutáns Rb: retinoblasztóma, tüdőrák, hólyagrák, méhnyakrák, prosztatarák. Sejtciklus függő foszforilációja szabályozza az aktivítását.

Az Rb szerepe a sejtciklus előrehaladásában A Rb tumorszupresszor gén. A sejtciklus G1 fázisában kötődik a E2F transzkripciós faktorhoz. A kötött E2F fehérje nem képes beinditani a célgénjeinek a transzkripcióját Cyclin-CDK komplex foszforilálja pRB-t. A foszforilált Rb elengedi a kötött E2F fehérjét, ami így már kepes aktiválni a célgéneket. Az E2F célgénjei transzkripciós faktorok, melyek a sejtciklus előrehaladásában játszanak szerepet. A sejtek A G1 végén mennek keresztül a START ellenőrző ponton, belépnek a S fázisba és replikálják a DNS-üket. Beindul a sejtosztódás

Transzkripciós aktivációs domén Oligomerizációs domén A p53 A p53 (TP53) tumorszupresszor fehérje. Bizonyos DNS vírusok rákkeltő hatásának vizsgálata során lett felfedezve. Mutáns a p53 a Li-Fraumeni szindrómában szenvedőkben. Domináns mutáció miatt többféle daganat kialakulhat. Szomatikus mutációk gyakran találhatók a rákos szövetekben. p53 egy transzkripciós faktort kódol. A p53 a sejtet ért stresszre válaszol. Normális sejtben alacsony az expressziója, majd károsodás (DNS) hatására expresszálódik és beindít egy kaszkádot, mely a sejtciklus gátlását vagy sejthalált eredményez. A p53 fő fehérje doménjei TAD Transzkripciós aktivációs domén DNS kötő domén Oligomerizációs domén

Transzkripciós aktivációs domén Oligomerizációs domén A p53 TAD Transzkripciós aktivációs domén Rescesszív funkció vesztéses mutációk DNS kötő domén Oligomerizációs domén Domináns negatív mutációk A DBD mutációk meggátolják a DNS-hez való kötődését ezzel nem tudja a célgéneket aktiválni. A OD mutáns fehérje képes a vad típussal kapcsolódni, meggátolva a transzkripciós aktivítását a vad típusnak.

DNS károsodásra a p53 aktív A p53 szerepe a DNS károsodásra adott válaszban DNS károsodásra a p53 aktív Sejtciklus megreked Transzkripciós faktorként elősegíti a p21 fehérje szintézisét. A p21 meggátolja a ciklin függő kinázok (CDK) aktivizálását. Az Rb fehérje CDK hiányában foszforilálatlan marad. A foszforilálatlan pRb gátolja az E2F transzkripciós faktort, mely nem segíti a célgénjei kifejeződését. E2F célgénjeinek hiányában a sejtciklus gátolt. Apoptótikus út Traszkripciós faktorként segíti a a BAX fehérje szintézisét. A BAX fehérje gátolja BCL-2 fehérjét, amely az apoptótikus út gatlója. A gátlás hiányában az apoptótikus út beindul és a sejt elpusztul.

A sejten belüli apotótikus út aktiválása a p53-as útvonalon keresztül Chemotherapy Radiotherapy Caspase 3, 6, 7 Apoptosis p53 BAX, BAK Sejten belüli útvonal BCL2, BCLXL, MCL1 Mitochondria SMAC/DIABLO Caspase 9 DNA damage PUMA, NOXA APAF1 Cytochrome c IAP A programozott sejthalál beindítását célozzák meg a kemoterápiával és a sugárterápiával.

Oligomerizációs domén Az APC Az APC egy 310kDa fehérje (adenomatous polyposis coli). Az bél epitéliális sejtjeinke osztódásában, és diferenciálódásában van főleg szerepe. Hiányában a bél ujjszerű kitüremkedéseket képez, melyek nem differenciálódnak és folyamatosan osztódnak, polipokat képeznek. Az örökletes formája 1:7000, átlag életkor 42 év. Az APC a sejtciklust irányítja a B-cateninhez kapcsolódva. B-catenin kötő domén Oligomerizációs domén Bázikus domén

Az APC hatása a sejtciklusban A B-catenin egy szignál hatására szintetzálódik. A B-catenin komplexet képez a Lef és a TCF transzkripciós faktorokkal. A B-catenin transzkripciós faktor komplex bejut a magba és ott aktiválja a sejtciklust szabályozó géneket. Fiatal osztódó sejt, sejten kívüli szignál Érett sejt, nincs sejten kívüli szignál B-catenin komplexet formál az APC-vel B-catenin/APC komplex elindítja a a B-catenin lebontását.

A vastagbélrák kialakulása és az áttétképződés Normális bél epitélium Rendellenes bél epitélium Korai adenóma Átmeneti adenóma Késői adenóma Rákos daganat Áttétes vastagbél-rák Az APC tumorszupresszor gén inaktivációja A K-ras onkogén aktiválása A 18q tumorszup-resszor inaktivációja A p53 tumorszup-resszor inaktivációja További tumorszup-resszorok inaktivációja

A rák kialakulásához szükséges sejten belüli tényezők A rákos sejtek képesek saját sejtosztódásuk és növekedésük fenntartására 2. A rákos sejtek kevésbé érzékenyek az osztódást gátló szignálutakra A sejtosztódást stimuláló szignál domináns a gátló szignál felett. 3. A rákos sejtek kitérnek a proramozott sejthalál, apoptózis elől Főleg a p53 hibájára vezethető vissza, nem képes a hibás sejtekben az apoptózist beindítani. DNS és kromoszóma hibák halmozódnak fel.

A rák kialakulásához szükséges sejten belüli tényezők 4. Korlátlan számú osztódásra képesek a rákos sejtek Egy normális sejt 60-70 osztódásra képes. (kromoszóma vegéről telomer vesztés minden osztódás során) A genetikailag nem stabil sejt normális esetben elpusztul. A rákos sejtek nem pusztulnak el, tovább osztódnak és meg több hibát halmoznak fel, de a telomervesztést képesek kijavítani a telomeráz enzim aktivációjával. Képesek “halhatatlanná” tenni magukat.

A rák kialakulásához szükséges sejten belüli tényezők 5. A rákos sejtek kialakítják maguk körül a tápláló ereket  angiogenezis A sejteknek szükséges tápanyagokat az erek szállítják. A kezdődő tumorok lassan nőnek, nincs jó vérellátásuk, kevesebb tápanyag. A rákos sejtek képesek az érnövekedést  angiogenezist serkenteni a környezetükben. Ennek eredménye a daganat gyors növekedése. Angiogenezis Kicsi tumor -erek nélküli „szunnyadó” Nagy tumor -erekkel átszőtt -gyorsan növő, áttétképződésre hajlamos

A rák kialakulásához szükséges sejten belüli tényezők 6. A rákos sejteknek megvan a tulajdonságuk, hogy más szöveteket is megtámadjanak és ott is daganatokat alakítsanak ki. Több mint 90%-a rákban meghalt betegeknek áttétképződés miatt hal meg. Áttétképződés: A rákos sejtek leválnak a daganatról és a véráramon keresztül más szervekben is kolóniákat képeznek. Ezek a másodlagos tumorok. Nehezen kezelhetők és követhetők.