Defekte in Caretaker-Genen und Tumorgenese

Defekte in Caretaker-Genen und
Tumorgenese
allg. Literatur: Knippers, Molekulare Genetik (8.Aufl.) Kap 20: Somatische Mutationen
und die molekularen Grundlagen von Krebserkrankungen
Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/I
Gen
Prozess Syndrom
Erbgang
XPA, XPB, XPC, XPD
XPE, XPF, XPG
NER
Xeroderma Pigmentosum
AR
XPV
TLS
Xeroderma Pigmentosum
AR
CSA, CSB, XPB, XPD
XPG
TCR
Cockayne Syndrome
AR
TTDA, XPB, XPD
Tran.
Trichothiodystrophie
AR
MLH1, MSH2, MSH6
MLH3, PMS1, PMS2
MMR
HNPCC
AD
MYH
BER
Multiples colorectales Adenom AR
Lig4, Artemis
NHEJ
? bisher nur vereinzelt
?
Organverteilung der häufigsten Krebsarten
(Neuerkrankungen)
ca. 200 000
Neuerkrankungen
ca. 194 000
Neuerkrankungen
ca. 108 000
Sterbefälle
ca. 100 000
Sterbefälle
(2000, Deutschland)
(2000, Deutschland)
http://www.rki.de/cln_011/nn_225840/DE/Content/GBE/DachdokKrebs/krebs__inhalt.html__nnn=true
Frauen
Verteilung der
Krebs-Neuerkrankungen
nach Alter
(Saarland 1989-98)
Mittleres Erkrankungsalter
67 J.
Männer
Mittleres Erkrankungsalter
66 J.
Cases of Cancer (millions)
Balducci u. Ershler, Nature Reviews Cancer, 5:655 (2005)
3.0
Vorhersage zur Krebsentwicklung in USA:
Anzahl der Patienten verdoppelt sich zwischen
2000 und 2050, wegen Zunahme in
älteren Patienten
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
2000 2010
Age in years
2020 2030
Year
2040
2050
Ursachen:
höhere Lebenserwartung - Alterskrebs "wird
sichtbar"
Latenzzeit des Carcinogenese-Prozesses
(heute noch erhöhte Tumorinzidenz
in Überlebenden der Atombomben)
Besondere Anfälligkeit in Älteren
(z.B. reduzierte Immunüberwachung)
Suche nach den Ursachen von Krebserkrankungen:
1. Epidemiologie:
Definition: Lehre von der Häufigkeit
und geographischen Verteilung von Krankheiten.
Ziel: Identifzierung von Ursachen und Risikofaktoren
1713 Ramazzini: Unter Nonnen prakt. kein Zervixcarcinom, aber erhöhte Brustkrebsinzidenz
LIFESTYLE
1775 Pott: Unter Kaminkehrern erhöhte Inzidenz von Krebs des Skrotums
KARZINOGENE
Inzidenz von Dickdarm-Krebserkrankungen (Männer)
Parkin, Oncogene 23:6329-6340 (2004)
Inzidenz von Brustkrebs in Frauen
Parkin, Oncogene 23:6329-6340 (2004)
Lebensbedingungen unterschiedlich?
oder
Menschen unterschiedlich?
Korrelation zwischen Dickdarmkrebs und
Fleischkonsum
McCullough, Oncogene 23: 6349-6364
Relatives Risiko für Krebsmortalität bei hohem BMI
BMI=body mass index=
Gewicht [kg]/Größe[m]2
(normal 18.5-24.9)
Migrationsstudien:
z.B. Japanerinnen in USA: deutlich erhöhte
Brustkrebsinzidenz
Lifestyle und Umweltfaktoren:
•Rauchen
•Übergewicht
•Ernährung (z.B. Fett, Aflatoxine)
•Alkohol
•keine Bewegung
•Unsafe Sex (HPV16 o. 18; Hepatitis B, Hepatitis C)
•UV-Strahlung
•Radon und andere Noxen
Schätzung: 30-60% aller Krebstodesfälle vermeidbar
Suche nach den Ursachen von Krebserkrankungen:
1. Epidemiologie
2. Suche nach genetischer Komponente
a) familiäre Häufung, hohe Penetranz
Erbkrankheiten mit erhöhter Krebsinzidenz
Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/II
Gen
Syndrom
Erbgang
WRN
Werner‘s Syndrome (WS)
AR
BLM
Bloom‘s Syndrome (BS)
AR
RecQ4
Rothmund-Thomson S. (RTS)
AR
ATM
Ataxia teleangiectatica (AT)
AR
Mre11
AT-like Disorder (ATLD)
?
NBS1
Nijmegen Breakage Syndrome AR
FANC-A, C, D1, D2
E, F, G
Fanconi Anämie
AR
BRCA1, BRCA2, RAD51
erbl. Brustkrebs
AD
Krebsgene (Cancer Genes)
Onkogene
Tumorentstehung
nach gain-of-function
Mutation
Tumorsuppressorgene
Tumorentstehung durch loss-of-function Mutation
Knudson-Hypothese (initiiert durch Studien zum Retinoblastom):
Beide Allele eines TS-Gens müssen mutiert sein
Erweiterte Hypothese berücksichtigt auch epigenetische
Stilllegung, Haploinsuffizienz und dominant-negative Mutationen
The Knudson “Two Hit” Hypothesis for the Generation of RB
Alfred Knudson, PNAS 68:820 (1971)
Krebsgene (Cancer Genes)
Onkogene
Tumorentstehung
nach gain-of-function
Mutation
Tumorsuppressorgene
Tumorentstehung durch loss-of-function Mutation
Gatekeeper
Caretaker
Landscaper
Kinzler und Vogelstein:
Gatekeeper sind alle direktem Wachstumsinhibitoren
(supprimieren Wachstum, induzieren Apoptose oder
fördern Differenzierung)
Caretaker vermindern die Rate an genetischen
Veränderungen (Reparaturfaktoren und andere
Komponenten der Zellantwort auf DNA-Schäden)
Es sind mehrere genetische Veränderungen
(Mutationen) nötig, damit aus einer
normalen Zelle eine Krebszelle wird
Krebs ist eine Krankheit der Gene
Von der
normalen
Zelle
zur Krebszelle
From
normal cell
to cancer
cell
(Multistep-Modell der Karzinogenese)
www.
binf.ku.dk/users/tlitman/ binf/binf2kursus/2004-02-03TL.ppt
Colon tumor progression
Inactivation of both
copies of APC gene
Normal colonic
Epithelium cells
Late
Adenoma
(still benign)
Loss of both
copies of DCC gene
Early
adenoma
Dominant mutation in
K-ras gene
Intermediate
adenoma
Adenocarcinoma
(malignant)
Loss of p53
Metastasis
Other changes
©2001 Lee Bardwell
Normal
colon
Late adenoma
Carcinoma
polyp
Lumen
of Colon
Basement
Membrane
Wall of
Colon
©2001 Lee Bardwell
Blood
vessel
Invasion
Metastasis
Loeb-Hypothese: Normale Mutationsrate zu gering
für ausreichend Mutationen bei Multi-StepTumorgenese.
Nötig ist Mutator-Phänotyp.
passt gut zu Caretaker-Modell und Beobachtung, dass Defekt in
Reparatur/Damage-Response-Genen zu erhöhter
Krebsinzidenz führt.
Aber: z.T. umstritten (erhöhte Teilungsrate könnte reichen,
ev. Rechenfehler,
Aberrationen relevanter als kleine Mutationen)
Tatsächlich bei Leukämie und Lymphomen oft kausaler Zusammenhang
zwischen spez. Aberrationen und Krebsentstehung.
Bei soliden Tumoren unklar, ob Aberrationen kausal
oder unspez. Folge von genomischer Instabilität
bcr-abl Fusion durch t(9;22)
(Philadelphia Chromsome)
Chronisch Myeloische
Leukämie (CML)
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages
Aktivierung der Tyrosinkinase Abl; größere Teilungsaktivität
und reduzierte Apoptose. Gezielte Hemmung durch Gleevec
Karyotyp eines strahleninduzierten
Schilddrüsenkarzinoms
Komplexe Aberrationen:
mind. 3 Brüche auf
mind. 2 Chromosomen
H. Zitzelsberger, GSF-Institute of
Molecular Radiation Biology
Homologe Rekombination / Partnerwahl
A
B
C
Endverknüpfung u. SSA / Partnerwahl
D
E
Das Doppelstrangbruch-Reparatur-Modell der
homologen Rekombination
DSB-Induktion
Endenprozessierung
Eindringen des 3' -Endes in Donor
Branch Migration und Neusynthese
Bildung der 2. Holliday Junction
a
b
Auflösung ohne Cross-over
Auflösung mit Cross-over
Repair of IR-Induced DNA Double-Strand Breaks
in Ku-Deficient Cells
Hamster
S. cerevisiae
120
120
100
V16 (Ku80-/-)
80
60
40
20
residual damage [%]
residual damage [%]
CHO9 (WT)
YKU70/YKU70
yku70/yku70
100
80
60
40
20
0
0
0
100
200
repair time [min]
0
5
10
15
repair time [h]
20
25
Regulation von DSB-Reparatur:
•Prokaryonten, niedere Eukaronten: HR >> EJ
•höhere Eukaronten: HR ~ EJ;
G1: EJ > HR
S/G2: HR > EJ
Loss-of-Heterozygosity (LOH)
•Verlust eines ganzen Chromosom (Aneuploidie)
•Verlust eines Chromosomenteils (Deletion)
•Homozygotisierung durch Genkonversion
•Epigenetische Stillegung
oder
oder
oder
Defekte in RecQ-Helicasen:
Syndrom
Klin. Phänotyp
Krebs-Prädisposition
Werner‘s Syndrome
(WRN)
vorzeitige Alterung
(Haare, Haut, Knochen,
Katarakte, Diabetes,
Arteriosklerose)
kleinwüchsig
mesenchymale Tumoren
(Sarkome, Melanome)
Bloom‘s Syndrome
(BLM)
Zwergwuchs, Erytheme
für die meisten Typen
Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien
häufige Infektionen
Brust, Darm, Haut
Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig,
(RecQ4)
Haarverlust,
Hautveränderungen
Hickson Nature Reviews Cancer, 3:169-178 (2003)
verschieden, v.a. Osteosarcome
Werners Syndrom: Progerie bei Erwachsenen
•vorzeitige Alterungserscheinungen an
Haut, Haar, Knochen; Katarakte, Diabetes
Arteriosklerose
•Prädisposition für Sarkome und Melanome
(mesenschymale Tumoren)
•Defekte in Replikation, Reparatur,
Rekombination, Telomermetabolismus
Vergleiche: Progerie bei Kindern
(Hutchinson-Gilford-Syndrom)
Beispiel eines 50-jährigen Mannes
Opresko Carcinogenesis 24:791-802 (2003)
RPA
RPA
BLM
BLM
RPA
Polδ
δ
Polδ
δ
Rekombination
Apoptose
DNA Replikation
p53
WRN
FEN1
Reparatur
p53
FEN1
Polδ
δ
Transkription
3‘-5‘ Helicase
3‘-5‘ Exonuklease
p53
Telomererhalt
BER(LP)
Polβ
β
NHEJ
Ku
DNA-PKcs
Rekomb.
Reparatur
BLM
T
R
F
2
BLM
p53
Ku
DNA-PKcs
Zelluläre Defekte in Werner‘s Syndrome
• Genomische Instabilität
–Chromosomenrearrangierungen
–Große spontane Deletionen
• Telomerdefekte
• Replikationsdefekte
–reduzierte replikative Lebensspanne
–verlängerte S-Phase
–reduzierte Häufigkeit von Initiationsorten
–verkürzte Telomere
• Reparaturdefekte
• Rekombination
–Hyper-rec Phänotyp
–Rekombinationsdefekte
• reduzierte p53-abh. Apoptose
–Hypersensitivität gegen crosslinker,
Topo.Hemmern
Defekte in RecQ-Helicasen:
Syndrom
Klin. Phänotyp
Krebs-Prädisposition
Werner‘s Syndrome
(WRN)
vorzeitige Alterung
(Haare, Haut, Knochen,
Katarakte, Diabetes,
Arteriosklerose)
kleinwüchsig
mesenchymale Tumoren
(Sarkome, Melanome)
Bloom‘s Syndrome
(BLM)
Zwergwuchs, Erytheme
für die meisten Typen
Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien
häufige Infektionen
Brust, Darm, Haut
Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig,
(RecQ4)
Haarverlust,
Hautveränderungen
Hickson Nature Reviews Cancer, 3:169-178 (2003)
verschieden, v.a. Osteosarcome
SCE (Sister Chromatid Exchange)
"normal"
Bloom's Syndrom
„Harlekin-Chromosomen“
Defekte in RecQ-Helicasen:
Syndrom
Klin. Phänotyp
Krebs-Prädisposition
Werner‘s Syndrome
(WRN)
vorzeitige Alterung
(Haare, Haut, Knochen,
Katarakte, Diabetes,
Arteriosklerose)
kleinwüchsig
mesenchymale Tumoren
(Sarkome, Melanome)
Bloom‘s Syndrome
(BLM)
Zwergwuchs, Erytheme
für die meisten Typen
Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien
häufige Infektionen
Brust, Darm, Haut
Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig,
(RecQ4)
Haarverlust,
Hautveränderungen
Hickson Nature Reviews Cancer, 3:169-178 (2003)
verschieden, v.a. Osteosarcome
Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/II
Gen
Syndrom
Erbgang
WRN
Werner‘s Syndrome (WS)
AR
BLM
Bloom‘s Syndrome (BS)
AR
RecQ4
Rothmund-Thomson S. (RTS)
AR
ATM
Ataxia teleangiectatica (AT)
AR
Mre11
AT-like Disorder (ATLD)
?
NBS1
Nijmegen Breakage Syndrome AR
FANC-A, C, D1, D2
E, F, G
Fanconi Anämie
AR
BRCA1, BRCA2, RAD51
erbl. Brustkrebs
AD
A-T
NBS
ATLD
Protein
ATM
NBS1
hMre11
Tumoren
Lymphome, Leukämien
Brust, Magen, Leber etc.
Lymphome
unbekannt
Microcephalie
mentale Retardierung
Vogelgesicht
Entwicklungsstörung
Immundefizenz
strahlensensibel
wie A-T
aber keine
Teleang.
klin. Phänotyp progressive Ataxie
Teleangiectasie
Immundefizienz
kleine Statur
vorzeitige Alterung
strahlensensibel
zell. Phänotyp
chromosomale Instabilität, IR-Sensitivität, radioresistant DNA Synth.
G1/S/G2 Checkpoints defekt
Zellzyklus-Checkpoints
G2/M Checkpoint
M
G1
G2
S
G1/S Checkpoint
Intra-S Checkpoint