A rák genetikai alapjai

Az előadások a következő témára: "A rák genetikai alapjai"— Előadás másolata:

1 A rák genetikai alapjai
Rákos sejt, melyet az immunsejtek támadnak

2 Az amerikai halálozási adatok, 2006
Rank Cause of Death % 1. Heart Diseases 631, 2. Cancer , 3. Cerebrovascular diseases 137, 4. Chronic lower respiratory diseases 124, 5. Accidents (unintentional injuries) 121, 6. Diabetes mellitus 72, 7. Alzheimer disease 72, 8. Influenza & pneumonia 56, 9. Nephritis 45, 10. Septicemia 34,

3 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 % lymphoma Kidney & renal pelvis 3% All other sites % 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

4 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

5 Kb 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).

6 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....

7 Az AflatoxinB1 karcinogén hatása

8 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.

9 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.

10 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.

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

12 Epigenetikai faktorok a rák kialakításában

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

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

18 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

19 A programozott sejthalál (apoptózis) és a rák

20 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

21 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

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

23 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)

24 Tumor kialakulását előidéző retrovírus onkogének

25 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).

26 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.

27 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

28 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

29 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

30 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.

31 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.

32 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.

33 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.

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

35 Retinoblastoma retina scan a kemoterápia előtt és után

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

37 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

38 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

39 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.

40 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.

41 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.

42 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

43 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.

44 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

45 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.

46 A rák kialakulásához szükséges sejten belüli tényezők
4. Korlátlan számú osztódásra képesek a rákos sejtek Egy normális sejt 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.

47 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

48 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.

49