Медицинская генетика 1 Тема: Онкогенетика 2 План лекции: 1. Канцерогенез, определение, стадии опухолевой трансформации клеток. 2. Канцерогенные факторы, классификация, характеристика. 3. Протоонкогены, онкогены, характеристика, их роль в канцерогенезе. 4. Вирусный онкогенез. 5. Гены – супрессоры опухолей (ГСО), характеристика. 6. Биологические особенности и свойства злокачественных опухолевых клеток. 3 По статистике в мире выявляют более 6 млн. случаев заболеваний раком пяти основных органов (легких, желудка, груди, прямой кишки, шейки матки). Около половины образом определяется потребностями заболевших погибает (Из: Alberts et al., 1994, p. 1256). 4 Первый признак злокачественности Главным признаком злокачественной опухоли является ее выход за пределы территории, предназначенной для данной ткани. Если опухоль врастает в подлежащую ткань, происходит инвазия (внедрение) опухолевых клеток. Инвазия первый признак злокачественной опухоли. 5 6 Второй признак злокачественности Если опухолевые клетки отрываются от основного очага, разносятся лимфой или кровью по организму, оседают в других, отдаленных органах (чаще всего в лимфатических узлах, печени, легких), и образуют там вторичные очагио пухолевого роста, происходит метастазирование, т.е. распространение опухолевого процесса по организму 7 Особенно опасны микрометастазы мельчайшие очажки опухолевого роста, которые зачастую нельзя ни увидеть, ни удалить хирургически. Когда опухоль становится обнаружимой, она уже достаточно велика и содержит около миллиарда клеток: при числе клеток в опухоли 10х8 она становится видимой в результате рентгеновского обследования, при числе 10х9 - она пальпируется. Смерть пациента наступает, когда опухоль состоит примерно из 10х12 клеток. 8 Соседствующие ткани влияют друг на друга и взаимно не выходят за границы своих территорий. Злокачественные опухоли не чувствуют этих влияний. Они внедряются на чужие территории (инвазия) и способны расти в чуждом окружении. Способность к метастазированию - это не столько способность к отрыву и распространению, сколько именно к росту на чужих территориях и в чуждом микроокружении. 9 10 11 Третий признак опухоли Бессмертие ее клеток. Нормальные клетки смертны, их жизненный цикл включает запрограмированную смерть апоптоз. Будучи высаженными в культуру, они погибают, пройдя несколько циклов деления. Клетки опухоли не знают предела для размножения ни в организме, ни вне его. 12 Четвертый признак опухоли моноклональность. Злокачественная опухоль развивается из одной генетически измененной клетки. В этом смысле она представляет собой клон, т.е. потомство генетически однородных клеток, возникших из одной клетки. Признаки ткани, из которой развилась опухоль, до конца никогда не исчезают полностью. Это важная особенность опухоли, позволяющая точно определить, где и из чего она возникла и к какому лечению будет чувствительна. 13 Структура заболеваемости 3 место после болезней сердечно-сосудистой системы и травм. Ежегодно более 6 млн вновь заболевших. Наиболее частая локализация опухолей мужчины женщины рак легкого рак желудка рак предстательной железы рак молочной железы рак желудка матки легкого прямой и толстой кишки кожи Летальность – 20% от общего уровня смертности 5-летняя выживаемость – 40% Номенклатура и классификации название органа или ткани + «ома». гепатома, менингиома, невринома, липома фиброма и т.д. карцинома - злокачественная из эпителиальной ткани, саркома - злокачественная опухоль из неэпителиальной ткани. Классификация TNM • T (tumor) – величина и местное распространение опухоли; • N (node) – наличие и характеристика метастазов в регионарных лимфатических узлах; • M (metastasis) – наличие отдаленных метастазов; TNM-клиническая классификация (например, для рака желудка) Т – первичная опухоль Tx – недостаточно данных для оценки первичной опухоли T0 – первичная опухоль не определяется Tis – преинвазивная карцинома (интраэпителиальная опухоль без прорастания собственной пластинки слизистой оболочки) T1 – опухоль инфильтрирует стенку желудка до подслизистого слоя T2 – опухоль инфильтрирует стенку желудка до субсерозной оболочки T3 – опухоль прорастает серозную оболочку без инвазии в соседние структуры T4 – опухоль распространяется на соседние структуры N – регионарные лимфатические узлы Nx – недостаточно данных для оценки регионарных лимфатических узлов N0 – нет признаков метастатического поражения лимфатических узлов N1 – имеются метастазы в 1-6 лимфатических узлах N2 – имеются метастазы в 7-15 лимфатических узлах N3 – имеются метастазы более, чем в 15 лимфатических узлах M – отдаленные метастазы Mx – недостаточно данных для оценки M0 – нет признаков отдаленных метастазов M1 – имеются отдаленные метастазы Причины возникновения опухолей 22 Канцерогенные вещества - от простых, как четыреххлористый углерод (CCl4) до весьма сложных полициклических гетероциклических соединений как метихолантрен или бензантрацен. Чаще всего они вызывают сходные биологические эффекты - стимулируют размножение клеток-предшественниц 23 каменноугольный деготь вызывает так называемый “рак трубочистов” 24 Лучевой канцерогенез. Раки кожи. Лейкозы, т.е. различные формы опухолей кроветворной системы. 25 Соматическая мутация, вызывающая рак. 26 27 Опухолеродные вирусы. Это могут быть крупные ДНКсодержащие вирусы или РНКсодержащие ретровирусы. Все они обладают уникальной способностью к интеграции с геномом клетки-хозяина. 28 29 Онкогены в вирусе саркомы содержится ген, вызывающий и поддерживающий злокачественность. Он был назван онкогеном. Опухолевые вирусы вызывают опухоли не сами по себе, а потому, что вносят онкоген в генетический аппарат клетки и закрепляют его там. Если удалить онкоген из генетического аппарата вируса, то он, не лишаясь способности размножаться и интегрироваться в геном клетки, утратит возможность вызывать формирование злокачественных опухолей. 30 Некоторые представители опухолеродных вирусов Геном вируса Семейство вирусов Вызываемые опухоли ДНК – линейная, двухцепочечная. Вирусы герпеса Вирусы оспы Папова вирусы Ретровирусы Инфекционный мононуклеоз Контагиозный моллюск ДНК – кольцевая молекула РНК -одноцепоченая,(+цепь) Папилломы Лейкемии (у человека), Саркома Рауса (у птиц) 31 Роль генотипа. Еще одна важная причина рака генетическая. У мышей путем отбора получены чистые линии со 100% вероятностью возникновения определенных форм опухолей лейкозов, рака молочных желез и рака легких. 32 Протоонкогены Геномы нормальных клеток позвоночных содержат последовательности, которые похожи, но не полностью идентичны гену src, входящему в состав вируса саркомы Рауса. Поэтому их называют несколько по разному: v-srcвирусный (онкоген),csrc- клеточный (протоонкоген). 33 Протоонкогены во всех нормальных клетках есть гены, очень близкие по структуре к известным вирусным онкогенам. Их известно уже около 100. они регулируют нормальное поведение клетки ее ответы на ростовые факторы, на гормоны, нормальный темп и “расписание” ее делений. Протоонкогены находятся под контролем других генов. Мутации протоонкогенов выводят их изпод воздействия контролирующих генов и в результате чего они становятся автономными. 34 35 36 37 38 Гены-супрессоры опухолевого роста (антионкоген, опухолевый супрессор) Ген, продукт которого обеспечивает профилактику опухолевой трансформации клеток. Белковые продукты генов-супрессоров называют белкамисупрессорами или антионкобелками. Кроме того, антионкогены могут кодировать и микроРНК. Генысупрессоры обычно обнаруживаются при инактивирующих мутациях, которые фенотипически проявляются в формировании опухолей. Функционально гены-супрессоры противоположны онкогенам и часто негативно регулируют деление и рост клеток, а также уход от апоптоза. 39 40 Главный представитель этих генов - ген р53 , контролирующий синтез белка р53 (р53 - от protein, белок, молекулярный вес которого 53 000 дальтон). Этот ген, вернее, его продукт р53 жестко контролирует активность протоонкогенов, разрешая ее только в строго определенные периоды жизни клетки, когда, например, надо, чтобы клетка вступила в процесс деления. р53 контролирует также апоптоз, запрограммированную гибель клетки, направляя клетку к самоубийству, если у нее поврежден генетический аппарат - ее ДНК. Тем самым р53 стабилизирует генетическую структуру клетки, предотвращая появление вредоносных мутаций, в том числе и опухолеродных. Онкогены некоторых вирусов связывают р53 и инактивируют его, а это ведет к освобождению клеточных протоонкогенов, отмене апоптоза и тем самым к накоплению жизнеспособных мутаций в клетке. 41 Процессы, которые могут вести к изменению активности генов и вызывать онкогенез. 42 Протоонкогены и их онкогены Протоонкоген ЭФР-R (EGF-R, ERBB1) Функция кодируемого им белка Белок ЭФР-R – рецептор ЭФР (эпидермального фактора роста); обладает тирозинкиназой активностью RAS Ras – адаптерный белок, (различают гены K-,N- и H- передающий сигнал от ростовых RAS) факторов или от ПК-С на каскады МАПК. В активном состоянии связывает ГТФ, а разрушая его, инактивируется SRC c-ABL Белок SRC – нерецепторная тирозинкиназа; передает сигнал от интегринов (при прикреплении клетки к опоре) на каскады МАПК Белок с-Abl – тирозинкиназа с двойной функцией: она активирует а) не только белок р53 в ходе апоптоза; б)но и компоненты МАПК, стимулируя деления клетки Изменения гена, ведущие к онкогенезу Новообразования Амплификация и гиперэкспрессия гена Нейрогенные опухоли: глиобластома и др. Мутации в трех кодонах гена Мутантная форма белка постоянно находится в активном состоянии (видимо из-за утраты ГТФазной активности) Указанные мутации наблюдаются а) в 70% рака поджелудочной железы, б) а также в ряде других опухолей Мутации в кодоне 531. Мутантная форма белка постоянно находится в активном состоянии Так же образовался аналогичный ген (v-src) вируса саркомы Рауса Перемещение гена из хромосомы 9 в хромосому 22. Образуется т.н. филадельфийская хромосома и в ней – химерный ген BCRABL, который постоянно стимулирует пролиферацию клеток Некоторые опухоли толстого кишечника на поздних стадиях Саркома Рауса культивируется (путем перевивок) у животных а)все хронические миелолейкозы. б)часть острых лимфолейкозов 43 Продолжение табл. Ген β- катенина (CTNNB) Гены семейств FOS (хромосома 2) и JUN Ген циклинаD1 (PRAD) β-Катенин– транскрипционный фактор, который при отсутствии сигнала от кадгеринов (о межклеточном контакте) участвует в активизации генов митоза Мутации, снижающие Наследственный аденоматозный сродство β-катенина к полипоз толстой кишки; многие кадгеринам формы других опухолей Отсутствие контактного торможения Гены раннего ответа при Из-за делеции в гене FOS Связь с различными опухолями – на мутагенной стимуляции, чьи его м- РНК оказывается стадии излучения продукты – транскрипционные очень стабильной факторы для генов позднего ответа. Комплекс циклин D-Cdk4(6) Амплификация и (или) Рак молочных и слюнных желез инициирует события G1- фазы гиперэкспрессия гена цикла (путем инактивации ингибитора рRb) BCL2 Белок Bcl2: закрывая каналы Перемещение гена BCL2 Фолликулярная лимфома митохондрий, препятствует из одной хромосому в развитию апоптоза другую – под контроль регуляторных элементов иммуноглобулинов MDM2 Белок Mdm2: выключает фактор Амплификация и (или) Некоторые р53 («диспетчер» апоптоза) – гиперэкспрессия гена тканей снижает его активность и ускоряет распад остеосаркомы мягких 44 Супрессорные гены (белки) и их функции Супрессорный ген Новообразования Функции кодируемого им белка TbR – II Белок TAPβ-R (TGFβ-R) – трансформирующего фактора роста, ингибирует деление многих клеток SMAD2, SMAD3 Белки SMAD2 и SMAD3 при действии TAPβ (ингибирующего деление) передают сигнал от мембранного рецептора на SMAD4 Белок SMAD4: стимулирует синтез белков р15 и р21 – ингибиторов Cdks и их комплекса Раки толстой кишки, поджелудочной железы APC Белок АРС (анафазу обеспечивающий комплекс) – убиквитинлигаза, ускоряющая распад стимуляторов митоза – циклина В и β-катенина Опухоли толстой кишки: наследственный аденоматоз и др. INK4 (p16)/ ARF Благадаря варьированию рамки считывания, ген кодирует 2 белка: а) р16 – ингибитор комплекса циклин D – Cdk4 (6) и б)ARF – ингибитор распада белка р53 Наследственные меланомы и многие спорадические (ненаследуемые опухоли) Rb (в хромосоме) Белок рRb – ингибитор транскрипционных факторов E2F и DP, запускающих G1- фазу цикла При делеции в гене – наследственная ретинобластома (Rb) и многие спорадические опухоли NF1 Белок NF1 (нейрофибромин) – член семейства GAP; Нейрофиброматоз (первого типа) переводит белок Ras из активной формы в неактивную SMAD4 рецептор Инактивация гена при раках толстой который кишки (наследственных и спорадических) легкого, Юношеский полипоз желудка кишечника; другие опухоли 45 и Продолжение табл. VHL Е - Кадгерин р53 WTI (в хромосомах) BRCA (1.2) PTEN/ / MMAC 1 PML (в хромосоме) При инактивации гена VHL – множественные Белок VHL подавляет экспрессию генов наследственные гемангиомы, а также эндотелинов или факторов роста эндотелия, спорадические опухоли почек (светлоклеточные которые (гены) активируются при гипоксии карциномы) С помощью кадгеринов устанавливаются Наследственные раки межклеточные контакты. В тканьях, где таких спорадические опухоли контактов быть не должно, сигнал от кадгерина останавливает деление и инициирует апоптоз Белок р53 – транскрипционный фактор, участвующий в развитии многих видов апоптоза Белок WTI – транскрипционный фактор: связывается с белком р53 и усиливает его эффекты желудка; многие а)большинство спорадических опухолей б)наследственный синдром Ли-Фраумени При делеции в гене – опухоль Вильмса (наследственная нефробластома) Продукты данных генов участвуют в узнавании и Наследственные опухоли молочной железы и (или) репарации повреждений ДНК, а при яичников неустранимости повреждений активируют белок б) Ряд спорадических опухолей р53 Белок PTEN – протеинфосфатаза с проапоптозным влиянием Белок PML а) участвует в индукции апоптоза (активируя ряд каспаз и белок Вах), б) тормозит клеточный цикл в) стимулирует дифференцировку кроветворных клеток а) многие опухоли б) наследственная болезнь Коудена При транслокации в хромосому 17 образуется химерный ген PML / RAR-α1, продукт которого ингибирует нормальный белок PML. Это наблюдается при некоторых гемобластозах 46 Характеристики некоторых вирусных онкогенов и протоонкогенов Онко- ген аbl erb- B Функции протоонкогена Источник вируса Опухоль, индуцируемая данным вирусом Лейкемия, саркома Эритролейкемия, фибросаркома Протеинкиназа (тирозин) Протеинкиназа (тирозин): рецептор эпидермального фактора роста (EGF). Мутантный рецептор фактора роста непрерывно пересылает сигналы к пролиферации Мышь, Кошка Курица fes Протеинкиназа (тирозин) Саркома fms Протеинкиназа (тирозин): рецептор колониестимулирующего фактора (M –CSF) Кошка, Курица Кошка Ассоциирующиеся продукты, образующие ген, регулирующий белок АР1 Мышь, Курица Остеосаркома фибросаркома kit Протеинкиназа (тирозин) Кошка Саркома raf Протеинкиназа (серин/ треонин), активируемый белком RAS Курица/ Мышь Саркома myc Ген, регулирующий белок из семейства HLH. Ядерный фактор, активность которого ведет к непрерывному делению клеток Курица Саркома, миелоцитома, карцинома, лейкоз птиц и многие опухоли человека и животных fos, jun Н-rac, K-ras rel sis src Саркома GTR – связывающий белок, цитоплазматический Крыса активированный передатчик сигналов в клетку, ведущий к ее пролиферации Саркома, эритролейкемия Ген, регулирующий белок, связанный с NFkB Ростовой фактор тромбоцитов – PDGF Протеинкиназа (тирозин), активированный передатчик сигналов в клетку, ведущий к ее пролиферации Ретикулоэндомиелоз Саркома Саркома птиц и млекопитающих Индейка Мартышка Курица 47 Многоступенчатость формирования опухоли Для большинства типов раков шанс заболеть резко увеличивается с возрастом: например, если в возрасте 40 лет выявляемость первого заболевания раком составляет 8 случаев на 100000 человек (данные для женщин Англии и Уэльса), в 60 лет - уже около 60, а в 70 - 120. Формирование многих опухолей является многоступенчатым процессом, включающим аккумуляцию мутаций по ряду генов. Статистика возникновения опухолей у человека показывает, что необходимо накопление в клетке6-7мутаций в течение последних десятилетий жизни для того, чтобы рак развился. 48 При развитии рака толстой кишки происходят следующие события: Утрата гена-супрессора APC (adenomatous polyposis coli) и возникновение небольшой опухоли. В сочетании с гипометилированием ДНК может развиться аденома I класса (небольшой полип из эпителия толстого кишечника или прямой кишки). Далее, если вследствие мутации протоонкоген ras превращается в онкоген, размер опухоли увеличивается (аденома класса II). Если затем происходит гомозиготизация мутации опухолевого супрессора DCC опухоль снова увеличивается в размерах (аденома III класса). Утрата обеих копий гена p53 превращает доброкачественную аденому в злокачественную карциному. Потеря каких-то других генов вызывает метастазы этой опухоли. 49 Схема многостадийного канцерогенеза 50 Благодарю за внимание 52 53
