Молекулярные основы канцерогенеза
группа заболеваний, характеризующая ненормальным и неконтролируемым ростом клеток; возникает в результате потери контроля над нормальным ростом клетки в нормальных тканях уровень размножения клеток и уровень клеточной смерти находится в равновесии; при раке это равновесие нарушается в результате: неконтролируемого деления клеток потери клетками способности к апоптозу
группа, состоящая из больше чем 100 различных особых заболеваний ; процессы происходящие в различных типах опухолей могут быть совершенно различными, что касается и х возникновения, развития, диагностики, лечения; р ейтинг встречаемости злокачественных опухолей в России (2015 год): 1. рак кожи – 14,2%; 2. рак молочной железы – 11,4%; 3. рак легкого – 10,2%; 4. рак ободочной кишки – 6,6%; 5. р ак предстательной железы – 6,6%; 6. Рак желудка – 6,4%
наличие в опухолевых тканях большого числа хромосомных перестроек, как численных изменений числа хромосом, так и их структурных повреждений; наличие в опухолевых тканях большого числа мутаций в генах; существование наследственных форм рака; онкогенное действие ряда вирусов, способных взаимодействовать с геномом хозяина и встраиваться в молекулы ДНК; химические вещества и физические воздействия, обладающие мутагенным эффектом, имеют также и канцерогенный эффект;
По экспериментальным оценкам около 200 генов мутируют в злокачественных опухолях молочной железы и толстого кишечника, со средним показателем – 11 мутаций в каждой опухоли. Аномально метилированные промоторные районы ( CpG -островки) составляют 100-400 в каждой опухоли.
Генетическая нестабильность: наличие изменений в хромосомах, как числа хромосом (анеуплоидия и полиплоидия), так и внутренних хромосомных перестроек ( делеций, инсерций, транслокаций ); наличие точковых мутаций в генах, приводящих к активации или инактивации генной функции; существование нестабильности микросателлитных повторов. Эпигенетическая нестабильность: нарушение баланса метилирования / деметилирования : деметилирование транспозонов и вирусных частиц, инактивированных в нормальной клетке деметилирование гетерохроматина, в том числе и центромерного, что приводит к нарушению распределения хромосом при делении клетки гиперметилирование регуляторных районов генов- супрессоров, приводящее к отсутствию их экспрессии.
В клетках эукариотов средняя продолжительность S -фазы – 8 часов G 2 - фазы – 4 часа М-фазы – около 1 часа G 1 -фазы – вариабельна по длительности Все фазы клеточного цикла регулируются специфическими белками, кодируемыми генами клеточного цикла ( cdc -генами) деление интерфаза М R S G 1 G 0 G 2 Точка рестрикции Ключевые регуляторы клеточного цикла : - циклин -зависимые киназы, - циклины, - ингибиторы циклин -зависимых киназ.
ПРООТОНКОГЕНЫ Позитивные регуляторы, способные индуцировать деление клетки ГЕНЫ-СУПРЕССОРЫ Негативные регуляторы, препятствующие делению клетки В нормальных тканях имеют фоновый уровень экспрессии В норме экспрессируются почти во всех тканях Действие проявляется в результате активации протоонкогена даже в гетерозиготном состоянии (достаточно активации одного аллеля ) Действие проявляется только при наличии повреждения обоих аллелей (полная инактивация функции) АКТИВАЦИЯ 1. Нарушение экспрессии: - гиперэкспрессия ; - эктопическая экспрессия 2. Производство нового химерного белка с аномальной функцией Механизм: - точковая активирующая мутация - амплификация гена - переход гена под более активный промотор, или активация промотора старого ИНАКТИВАЦИЯ 1. Мутации гетерозиготы по мутантным аллелям генов- супрессоров имеют повышенную предрасположенность к опухолям 2. Потеря гетерозиготности в опухолевах тканях - делеции районов локализации генов- супрессоров 3. Метилирование регуляторных районов, приводящее к отсутствию экспрессии гена
Вирусные онкогены: вирус папилломы → рак шейки матки; вирус Эпштейн- Барр → рак носоглотки; вирус гепатита В → рак печени. Онкогены: мутантные формы клеточных протоонкогенов ; протоонкогены кодируют белки, регулирующие нормальный клеточный рост и дифференцировку; онкогены являются мутированными генами, чьё присутствие может стимулировать развитие рака; Обладают способностью к передачи сигнала, индуцирующего клетку к делению, в отсутствии внешнего стимула
Клеточные онкогены( протоонкогены ): Факторы роста Тирозинкиназы Некиназные рецепторы G-белки ассоциированные с мембраной Цитоплазматические регуляторы Факторы транскрипции Белки, контролирующие клеточный цикл
HER-2/ neu кодирует клеточный рецептор, стимулирующий клеточное деление; амплифицирован в 30% случаев рака груди; RAS продукт гена вовлечён в сигнальный киназный путь, который строго контролирует транскрипцию генов регулирующих клеточное деление и дифференциацию; MYC белок Myc является транскрипционным фактором и контролирует экспрессию нескольких важных генов; SRC • был первым открытым онкогеном; белок Src является тирозин киназой, регулирующей клеточную активность; hTERT кодирует фермент – теломеразу.
Перемещение гена в другой локус, под более активный регуляторный элемент, с образованием химерных генов; Амплификация онкогенов; Мутации в собственном регуляторном элементе; Активирующие мутации самого протоонкогена.
Перемещение гена в другой локус под более активный регуляторный элемент: без изменения структуры протоонкогена Лимфома Беркита : транслокация гена MYC (8q24) в область генов иммуноглобулинов IGH (14q32), IGK (2p12), IGL (22q11) )
Перемещение гена в другой локус под более активный регуляторный элемент: с образованием химерных генов ( транслокации, инверсии, небольшие делеции ) Хроническая миелоидная лейкемия: транслокация хромосом 9 и 22, приводящая к появлению филадельфийской хромосомы (химерный ген ABL-BCR )
ABL 9 22 BCR tel tel 9 22 tel tel der (9) der (22) Probe designed to flank both sides of breakpoints on chromosome 9 and both sides of breakpoints on chromosome 22 Used for diagnosis / prognosis, minimum residual disease detection or monitoring Normal Chromosome 9 Chromosome 22 Chromosome 9 der (9): 1 fusion Chromosome 22 der(22): 1 fusion Abnormal = Breakpoint
Многие из перестроек характерны только для определенного типа заболевания: саркома Юинга ( FLI1-EWSR1 ); неходжкинская лимфома ( REL-NRG ); Существуют химерные гены, которые могут провоцировать опухоли различных гистогенетических типов: ( ETV6-NTRK3 t(12;15)(p13;q25) ): острая миелоидная лейкемия, мезобластная нефрома почек, фибросаркома мягких тканей, аденокарцинома молочной железы.
Амплификация онкогенов: Амплификация гена EGFR ( 7 хромосома) Оценка количественного статуса гена EGFR при помощи FISH. В качестве референсного использован центромерный зонд CEP7 ( зеленый цвет )
Мутации в собственном регуляторном элементе Активирующие мутации самого протоонкогена
кодирует рецепторную тирозинкиназу ; э кспрессия обнаруживается в тканях – производных нервного гребня, включая симпатические ганглии, мозговое вещество надпочечников, С-клетки щитовидной железы и почек, а также в некоторых опухолях – нейробластоме, феохромоцитоме и медуллярной тиреокарциноме ; существует зависимость функционального выражения мутаций этого гена от тканевой специфичности его экспрессии и сайта мутации. Злокачественные опухоли щитовидной железы: Папиллярная тиреокарцинома ~ 70-80% - относительно благоприятная форма рака - возникает в результате радиоактивного загрязнения Фолликулярная тиреокарцинома ~ 10-20% - агрессивная форма рака Медуллярная карцинома ~ 5-10% - имеет C- клеточное ( парафолликулярное ) происхождение - составляют 20-30% всех случаев МРЩЖ - Наследственные формы, аутосомно-доминантный тип наследования - 3 клинических синдрома (МЭН-2А, МЭН-2Б, СМРЩЖ ) Анапластическая тиреокарцинома ~ 5%
RET 10q11.2 Схема строения протоонкогена RET, доменная структура кодируемого белка RET
Механизмы образования химерных генов, определяемых в папиллярном раке щитовидной железы
В результате парацентрической инверсии длинного плеча хромосомы 10, происходит слияние тирозинкиназного домена RET с 5 ’- последовательностью гена Н4. Продуктом слияния является химерный трансформированный ген RET/PTC1. Экстрацеллюлярный домен ( E С ); трансмембранный домен (ТМ) ; тирозинкиназный домен (ТК).
составляют 20-30% всех случаев медуллярного рака щитовидной железы, 5-10% всех злокачественных опухолей происходит из парафолликулярных ( кальцитонинпродуцирующих ) C- клеток - аутосомно-доминантный тип наследования 3 клинических синдрома МЭН-2А (синдром Сиппла )- МРЩЖ, феохромацитома (50%), гиперпаратиреоз (10-25%) МЭН-2Б (синдром Горлина ) - МРЩЖ, феохромацитома, ганглионейроматоз, марфаноидные изменения скелета СМРЩЖ- изолированная тиреокарцинома Наследственные формы медуллярного рака щитовидной железы Точковые мутации в кодонах 609, 611,618, 620, 634, 768, 804 в 10-14 экзонах гена RET характерны для синдрома МЭН-2А Мутация в 918 кодоне 16 экзона гена RET является маркером синдрома МЭН-2В
МЭН-2А ( Синдром Сиппла ) Синдром характеризуется наличием медуллярной карциномы щитовидной железы, феохромоцитомы (единичной, билатеральной или множественной) и гиперпаратиреоза Клиническая картина: одним из первых проявлений синдрома МЭН-2А типа является медуллярная карцинома щитовидной железы, которая имеет длительный латентный доклинический период, характеризующийся С-клеточной гиперплазией с микроочагами медуллярного рака. Клинический период медуллярной карциномы при МЭН 2А типа варьирует у разных лиц от 3—5 до 10 лет. Медуллярная карцинома щитовидной железы — самая частая патология у больных с МЭН 2А типа. Соотношение лиц мужского и женского пола — 1:1. Возраст пациентов при установлении диагноза лежит в пределах 30—40 лет. Следующей по частоте патологией при МЭН-2А типа является феохромоцитома, ранним клиническим проявлением которой может быть умеренная транзиторная или постоянная гипертензия. Возраст больных, у которых диагностировали ранние стадии опухолей из хромаффинной ткани коры надпочечников при МЭН 2А типа, в 62% случаев был менее 40 лет. Ранние клинические признаки гиперпаратиреоза при синдроме МЭН-2А типа заключаются в жалобах больных на отсутствие аппетита, незначительное снижение массы тела, подташнивание, неприятные ощущения в мезогастрии.
При синдроме МЭН - 2Б, наряду с медуллярной карциномой щитовидной железы и феохромоцитомой наблюдаются множественные ганлионейромы слизистой оболочки всего желудочно-кишечного тракта, начиная от губ и слизистой полости рта, заканчивая анусом. Для большинства больных характерен марфаноподобный внешний облик - удлиненные конечности и пальцы, чрезмерная подвижность суставов, тремы между зубами, деформация митрального клапана сердца МЭН-2Б
в нормальной клетке действуют как замедляющие сигналы: в течении G1 фазы клеточного цикла; для остановки или замедления клеточного цикла перед S фазой; отсутствие этих генов приводит к возникновению рака, обычно для этого необходимо возникновение мутаций в обоих аллелях гена; одни из известных генов- супрессоров опухолевого роста : p53, Rb, APC
ген ретинобластомы ; располагается на 13 хромосоме; этот ген был найден первым в числе подавляющих опухоль; с гена считывается белок, негативный регулятор клеточного цикла; активная, гипофосфорилированная форма белка, связывает фактор транскрипции E2F1; влияя на активность транскрипционных факторов контролирует клеточное деление
Глазное дно при экзофитно растущей опухоли. Лейкокория (белый цветовой рефлекс) в правом глазу. злокачественная опухоль глаза, развивается преимущественно в детском возрасте из тканей эмбрионального происхождения. Пик заболевания приходится на 2 года. Почти все случаи заболевания выявляются до 5-летнего возраста. Распространенность ретинобластомы небольшая – примерно 1 случай на 20 000 новорожденных. односторонняя спорадическая форма двусторонняя семейная форма
Формы ретинобластомы
Ген RB1 расположен в проксимальном отделе длинного плеча хромосомы 13q14.1, и, занимает 180 т.п.н. геномной ДНК. Он включает промоторную область около 1,5 т.п.н. и состоит из 27 экзонов. Разброс размеров интронов от 80 п.н. (15 интрон ) до 70,5 т.п.н. (17 интрон ). Экзоны содержат от 31 нуклеотида (24 экзон ) до 1889 оснований (27 экзон, содержащий стоп-кодон и сигнал к полиаденилированию ). Ген кодирует мРНК длиной 4,7 тысяч нуклеотидов экспрессирующуюся в норме во всех клетках организма.
является транскрипционным фактором, регулирующим клеточное деление и смерть
эти гены обеспечивают аккуратное копирование каждой цепи ДНК во время деления клетки; мутации в генах репарации ДНК приводят к увеличению частоты мутаций в других генах, таких как протоонкогены и гены- супрессоры опухолевого роста; вовлечены в репарацию ДНК: гены, участвующие в развитии рака груди ( BRCA1 и BRCA2 ); гены, участвующие в развитии наследуемого неполипозного рака кишечника ( MSH2, MLH1, PMS1, PMS2 ); мутации в этих генах вызывают опухолеобразование
BRCA1 является важным компонентов клеточных путей, регулирующих ДНК- репарацию, прохождение клеточного цикла, убитиквинилирование, и транскрипционную регуляцию.
MSH2 является геном- супрессором опухолевого роста, который участвует в мис - матч репарации в форме гетеродимера с MSH6 белком
Гены- супрессоры ХКЦ (хранители клеточного цикла) RB1, p16, p15, NF1, NF2, VHL, TSC1,2, WT1, FHIT, APC ГОК (гены общего контроля MSH2, MSH6,MLH1, PMS1, PMS2 BRCA1, BRCA2 XPC-HP23B, XPB, XPD, RP-A2, XPG, ERCC1-XIF p53 задержка клеточного цикла образование репарационных комплексов репарация неспаренных оснований репарация неспаренных оснований эксцизионная репарация
Наиболее изученные гены- супрессоры, мутация которых ассоциирована с канцерогенезом
Инактивирующие м утации : гетерозиготы по мутантным аллелям генов- супрессоров – повышенная предрасположенность к опухолям; Потеря гетерозиготности в опухолевах тканях - делеции районов локализации генов- супрессоров ; Метилирование регуляторных районов, приводящее к отсутствию экспрессии IVS9+5G → A интрон 9 WT1 Результаты анализа ПГ по внутригенному микросателлтному маркеру MGMT-AC -1 i гена MGMT. Результаты анализа метилирования промоторной области гена MGMT методом МЧ-ПЦР
Развитие опухоли Развитие опухоли Мутации ГС в соматических клетках приводят к спорадическим ракам Герминальные мутации ГС в приводят к семейным ракам «Первый удар» – мутация в одной копии ГС «Второй удар» – делеция в другой копии ГС «Первый удар» герминальная мутация в ГС «Второй удар» – делеция в копии ГС в соматической клетке
Потеря гетерозиготности ПГ связывали исключительно с утратой одной из копий участка хромосомы ( делециия ); при некоторых типах рака (миелоидный лейкоз, миеломоноцитарный лейкоз, колоректальный рак, рак легкого) выявляются случаи, так называемой, копий-нейтральной ПГ, или однородительской дисомии (ОРД ) ; п ри ОРД происходит утрата одной копии участка хромосомы и восстановление ее нормальной копийности за счет дупликации участка оставшейся хромосомы. считается, что, как правило, делятируется нормальный аллель, а измененный аллель удваивается, что приводит к инактивации генов- супрессоров, расположенных в таких участках; Механизм: митотическая гомологичная рекомбинация устранение потери хромосомного материала на матрице оставшегося в процессе митоза
Поддержание структуры хроматина и стабильности хромосом Инактивация повторов и интегрированной чужеродной ДНК Формирование тканеспецифичного паттерна экспрессии генов Тканеспецифичное подавление генной экспрессии Гиперметилированы : - сателлиты и рассеянные повторы провирусные копии и транспозоны транскрипционно неактивные гены Гипометилированы : - транскрипционно активные гены
1. Метильные группы нарушают ДНК-белковые взаимодействия, выступая в большую бороздку ДНК и препятствуя связыванию специфических транскрипционных факторов. 2. Метилированные районы ДНК специфически связывают транскрипционные репрессоры. 3. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина.
Злокачественная опухоль Молекулярные маркеры Рак простаты Метилирование GSTP 1 Колоректальный рак Метилирование p 16, MLH 1, APC, микросателлитная нестабильность Рак желудка Метилирование p 16, MLH 1 Рак пищевода Метилирование p 16, APC, наличие HPV 16, 18 Рак мочевого пузыря Метилирование p 16, DAPK 1, RAR -β Рак печени Метилирование p 16, p 15 Рак поджелудочной железы Метилирование p 16 Немелкоклеточный рак легкого Метилирование p 16, MGMT, DAPK 1, мутации KRAS Рак шейки матки Метилирование p 16, HIC 1, наличие HPV 16, 18 Рак молочной железы Метилирование p 16, CCND 2, TWIST, RAR- β Молекулярные маркеры, определяемые на ранних стадиях канцерогенеза.
mi РНК – онкогены и гены- супрессоры опухолевого роста
( в переводе с лат. cancerogenesis ; cancero — рак, и с греч. genesis, зарождение, развитие) — сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли; для возникновения опухоли в клетке должны произойти две последовательные мутации. п о современным представлениям, от трёх до шести дополнительных генетических повреждений (в зависимости от природы исходной или предрасполагающей мутации, которая может предопределить путь развития заболевания) требуются для того, чтобы завершить процесс образования опухоли Злокачественная трансформация - это сложный, многоэтапный процесс, включающий случайную активацию онкогенов и (или) сайленсинг генов- супрессоров опухоли и осуществляемый посредством генетических или эпигенетических событий. Все это называют " двухударной теорией Кнудсона "
Мутации в генах, участвующих в канцерогенезе ; Изменение экспрессии генов ; Изменение эпигенетического профиля генома
Джон Дик ( Dick J. E., 1997) и его группа из университета Торонто провели опыты на мышах. Они инфицировали мышей кровью больных лейкозом. Однако раком заболели лишь несколько животных, т.е. не все лейкозные клетки способны быть причиной болезни в новом организме Вывод : при лейкозе в организме имеется множество клеток, но лишь некоторые из них являются раковыми стволовыми клетками СКР – редкие клетки, способные к неограниченному самоподдержанию
СКР возникают из стволовых клеток СКР возникают из клеток-предшественников СРК возникают из зрелых дифференцированных клеток
Наследственные опухолевые синдромы – группа заболеваний, проявление которых заключается в передаче из поколения в поколение предрасположенности к тому или иному виду рака, с высоким риском развития опухоли в течение жизни Клинические признаки наследственной формы рака •• существование семейного онкологического анамнеза; •• ранняя манифестация заболевания; •• синхронное или метахронное возникновение нескольких опухолевых очагов; •• существование морфологических или иммуногистохимических характеристик опухоли, свидетельствующих о высокой вероятности наследственного синдрома.
Ген Локали- зация Опухоли Синдром Частота Типичные опухоли p53 17p13.1 практически все Ли-Фраумени 1:50000 карцинома мол.железы, саркомы, лейкемия, опухоли мозга RB1 13q14.1 ретинобластома, остеосаркома, карциномы мол. железы, простаты, мочевого пузыря, легких Ретинобластома 1:13000 ретинобластома и остеосаркома PTEN 10 q2 3.3 глиобластомы, рак простаты, РМЖ, неходжкинские лимфомы Ковдена, Банаяна-Зонана, Банаяна-Райли-Рувалкаба 1:20000 рак молочной, щитовидной, предстательной желез, яичников, эндометрия BRCAI BRCA2 17 q21 13q 12 рак молочной, яичников, предстательной и поджелудочной железы, желудка ? Наследственный рак молочной железы и /или яичников рак молочной железы, яичников, рак грудной железы у мужчин WT1 11p13 нефробластома Нефробластома 1:10000 нефробластома TSC 1 TSC 2 9 q 34 16 p 13.3 гамартомы Туберозный склероз 1:10000 гамартомы мозга, глаз, кожи, почек, легких, сердца, костей NF1 NF2 17q11 22q шваннома шванномы и менингиомы Нейрофиброматоз I Нейрофиброматоз II 1:3000 1:30000 нервные ткани периферические шванномы и менингиомы ЦНС p16 9p21 мезотелиомы, меланомы, глиобластомы Семейная меланома, диспластический невус 1:20000 меланома RET 10q21 медуллярная, папиллярная карциномы щит. железы МЭН 2А и 2В, семейный медуллярный рак 1:30000 медуллярный рак щит. желе- зы, феохромацитома VHL 3p25 феохромацитома, светлоклеточная карцинома почки фон Хиппель-Линдау 1:36000 гемангиобластома, почечно-клеточная карцинома
Спасибо за внимание!
Slide-Share