Evolution und Krebs-Dr. Gebest - Heidelberger Life

Krebs und Evolution
Schülerforum
des Deutschen Krebsforschungszentrums
Freitag, den 26. September 2008
Hans-Joachim Gebest
Krebsinformationsdienst
Deutsches Krebsforschungszentrum
Heidelberg
KID
Krebs ein weltweites Thema
Die häufigsten Todesursachen
• Infektionskrankheiten
17.000.000 /Jahr
• Herz-Kreislauf
15.000.000 /Jahr
• Krebs
7.000.000 /Jahr
• Krebsneuerkrankungen 10.000.000 /Jahr
KID
Krebs weltweit
Bestimmte Krebsformen sind häufiger
in hoch entwickelten Ländern:
• Prostata, Brust, Darm
Andere Krebsformen sind häufiger in
Entwicklungsländern:
• Leber, Magen, Zervix
WHO 2006
KID
(Gebärmutterhals)
Krebs in Deutschland
• In Deutschland erkranken jährlich über
436.000 Menschen an Krebs
• Das mittlere Erkrankungsalter liegt für
Frauen bei 69 und Männern bei 68 Jahre
• 3 - 4 Millionen Menschen leben derzeit in
Deutschland mit der Diagnose Krebs
(WHO: derzeit 24,6 Millionen weltweit)
• Die Zahl der Krebskranken nimmt zu
(WHO Schätzung für 2020: ~ 30 Millionen)
* Daten bezogen auf 2004
Krebs in Deutschland - RKI 2008
KID
Konstanz des Wissens
Keplersche Gesetze
z Die Umlaufbahn eines Trabanten
ist eine Ellipse
Johannes Kepler (1571-1630)
„Die Mathematik allein
befriedigt den Geist durch
ihre außerordentliche
Gewissheit“
z In gleichen Zeiten überstreicht
die Strecke zwischen Objekt und
Gravizentrum gleiche Flächen
16. Jahrhundert
Foto. Wikipedia
KID
Wandel des Wissens
Therapieempfehlung von Paracelsus…
Paracelsus (1493-1541)
„Die Behandlung muss
mit dem vorgenommen
werden, was die
Krankheit erzeugt hat“.
z … einen lebenden Krebs mit
verbundenen Scheren auf die
befallene Brust legen und ihn dort
sterben lassen - dann sei auch "der
andre Krebs gestorben und
vergangen…
16. Jahrhundert
Foto. Wikipedia
KID
Krebsformen in Deutschland
©Robert
KID
Koch-Institut / 2008
Krebssterbefälle in Deutschland
©Robert
KID
Koch-Institut / 2008
Krebs als Todesursache
Krebstodesfälle weltweit
(deaths per year)
WHO 2006
KID
•
Lunge
(1.3 mio d/y)
•
Magen
(~ 1 mio d/y)
•
Leber
(662.000 d/y)
•
Darm
(655.000 d/y)
•
Brust
(502.000 d/y)
Krebs - Botschaften
• Das Wissen über Krebs ist rasant gestiegen
• Jeder kann sein Krebsrisiko reduzieren
• Früherkennung verbessert die Prognose
• Krebs wird zunehmend gezielter behandelbar
• Gegen Krebs kann geimpft werden
KID
Krebs - Wortstamm
• vom Griechischen „karkinos“
(seitwärts laufender Krebs)
• Venenzeichnung auf der
Bauchdecke (Magenkrebs)
• Krebs > Malignom > Karziom > Cancer
(Tumor, Neoplasie)
Abb. NEJM August 1999
KID
(engl)
Krebs ist bösartig - maligne
Trias
1. ungebremstes Zellwachstum
2. Infiltration und Zerstörung des
umgebenden Gewebes
3. Metastasierung
(Absiedlung in andere Organe)
KID
Krebs ist ...
• nicht eine Erkrankung
(über 100 verschieden Krebsarten!)
• nicht seelische bedingt
• nicht ansteckend
(aber 15-20% bedingt durch Infektionen)
• eine genetische Störung
• ohne Zellteilung nicht denkbar
• Folge der Störung eines
fundamentalen biologischen Prozesses
KID
Die Zelle
• Zellerneuerung Ç
• Der Mensch besteht aus
100 Billionen Zellen
Eine 1 mit 14 Nullen Æ 100.000.000.000.000
• Die Zellen stehen in einem
Fließgleichgewicht
• Pro Minute entstehen
etwa 300 Millionen Zellen
allein 2,5 Millionen rote Blutzellen pro Sek.
KID
• Programmierter Zelltod
(Apoptose) È
Zellteilung
„Omnis cellula e cellula“
Rudolf Virchow (1821-1902)
• Alle Zellen entstehen
durch Zellteilung
• Pro Menschenleben sind
das 1016 Zellteilungen
Eine 1 mit 16 Nullen - 10.000.000.000.000.000
• Eine Zellteilung dauert
ungefähr 24 Stunden
• Jede neue Zelle besitzt
das gesamte Genom
aus: B. Alberts, Molekulare Zellbiologie
KID
Feinbau eines Chromosoms
aus: LINDER: Biologie.Schroedel Verlag
KID
Die menschliche DNA
besteht aus circa
3 Milliarden Basenpaaren
Chromosomen eukaryoter Zellen
• Der Zellkern einer menschlichen Zelle hat
einen ungefähren Durchmesser 5-8 µm und
enthält ca. 2m DNA (Doppelhelix)
KID
Gene - Chromosomen - Genom
• 80.000 Disketten
mit 1,4 MB (112 GB)
• Gene befinden sich auf den Chromosomen
• Gene sind bestimmte Abschnitte der DNA
• Genprodukte sind Proteine (Eiweiße)
KID
• Daten Æ Gene (DNA)
• Diskette Æ Chromosom
• Stapel Æ Genom
Transskription und Translation
• 28% des Genoms kann in
RNA transkribiert werden
• nur 5% hiervon aber in
Proteine übersetzt (translatiert)
• Proteinkodierende Abschnitte
(Exons) werden von
nichtkodierenden Abschnitten
(Introns) unterbrochen
• Spleißen > Herausschneiden
von Introns
KID
KID
Vom Organismus zur DNA
aus: LINDER: Biologie.Schroedel Verlag
KID
Anzahl der Gene
nicht entscheidend
• Fadenwurm C. elegans Æ 19.000 Gene
~ 1mm lang, Lebenszeit: 7 bis 10 Tage, Genom 1998 entschlüsselt
98,7% mit dem
Schimpansen
identisch
• Mensch Æ 20.000 - 25.000 Gene*
• Reis Æ 60.000 - 80.000 Gene
* Human Gene Project, Nature 21 October 2004
KID
Mutation
Durch eine Mutation wird die in der DNA gespeicherte Information verändert
und dadurch können einzelne Merkmale (der Phänotyp) verändert werden.
aus: W. Hiddemann, Die Onkologie
KID
Mutation
• stille Mutationen
• letale Mutationen
• loss of function
• gain of function
(0,001%)
Alle Menschen sind zu 99,9 Prozent ihrer Erbinformation gleich.
Nur 0,1 Prozent unserer Gene begründen unsere Individualität
KID
Wachstumsregulation von Zellen
• Zellen teilen sich in unserem Körper nicht einfach
grundlos, sondern nur bei spezifischem Bedarf
• Beispiel: Nachproduktion von Erythrozyten
ƒ O2-Partialdruck im Geweben (Nieren)
Bildung des Hormons Erythropoeitin
über Blutweg ins Knochenmark
Nachschub von Erythrozyten angeregt
KID
Zellzyklus Checkpoints
• Die Zellteilung ist äußerst
streng geregelt
ProtoOnkogene
Tumor
SuppressorGene
aus: B. Alberts, Molekulare Zellbiologie
KID
Krebsgene
Die plakativen Begriffe
Onkogen, Tumorsuppressorgen oder Tumorgen
verweisen nicht auf die physiologische Bedeutung
dieser Gene, sondern auf eine besondere
Konsequenz ihrer Fehlregulation
KID
Krebsgene
Tumorgene sind Mitglieder einer heterogenen
Gruppe von positiven und negativen Regulatoren
der normalen Zellproliferation, Apoptose und
Gewebedifferenzierung
KID
Krebsgene
Die Anhäufung von Störungen solcher Gene,
seien sie ererbt oder im Laufe des Lebens
erworben, können schließlich nicht mehr
kompensiert werden und führen zur malignen
Transformation
KID
Mutation und Selektion
aus: www.camcases.com
KID
Stem cells
Trumpp Andreas
KID
Stem cells
Trumpp Andreas
KID
Sequenzielle Mutationen
~ 10-15 Jahre
Die sequenzielle Mutationen von Tumorgenen mündet in
Entwicklung eines kolorektalen Karzinoms
aus: C. Wagner, Molekulare Onkologie
KID
Krebswissen heute
Kebsentstehung ⎮ ein mehrstufiger Prozess
21. Jahrhundert
Quelle:
The Biology of Cancer
© Garland
KID Science 2007)
Genetik und Epigenetik
Genetik
• Organisation der DNA in Genen und
regulatorischen Sequenzen,
• Veränderung von DNA durch Mutationen
• Vererbung
Epigenetik
• Genregulation und -expression
• Expression kodierter Gene
• individuelle Ausprägung von Merkmalen
KID
(Phänotyp)
Genexpression
Das Realisieren der
Information, die in der DNA
eines Gens gespeichert ist,
nennt man Genexpression
BioTeach
KID
Genexpression
KID
Epigenetische Regulation
DNA-Hypermethylierung
• Promotorregion
(Startregion für RNA-Polymerase)
• gesteuert von Histonproteinen
• Promotorregion Æ Gen-Inaktivierung
(gene silencing)
• Cytosin
(CG-Sppression)
(gefolgt von Guanin)
CpG-Dinukleotid
• Hypomethylierung Æ genetische Instabilität
(Neoplasie)
• Tumorzelle Æ Methylierung Æ Wachstumsvorteil
KID
DNA-Methylierung
HTA: Histonacetyltransferase, DMNTs: DNA-Methyltransferase
HDACs: Histonacetylasen, MBDS: Methylgruppen bindende Domänen
T: Transskriptionsfaktoren
DÄB 101, 27, 2.Juli 2004
KID
DNA-Methylierung beim Prostata-CA
DÄB 101, 27, 2.Juli 2004
KID
Krebs - Verlauf
• Mit einer Krebserkrankung beginnt ein willentlich
nicht beeinflussbarer Prozess
• Der spontane Verlauf ist von eigendynamischen
biologischen Prozessen gekennzeichnet
• Spontanheilungen sind möglich, werden aber nur
sehr selten beobachtet
KID
Krebsentstehung
• Triebkraft ist das Prinzip der Evolution
Mutation und Selektion
• Krebszellen entkommen der Zellzyklusregulation
• Störungen der zellulären Signalmechanismen
• Krebsentstehung ist ein mehrstufiger Prozess
KID
Krebsprävalenz in Schweden
Causes of increasing cancer prevalence in Sweden
aus: The Lancet 1999; Vol 354
KID
Krebs und Alter
Beziehung zwischen Alter und
Auftreten kolorektaler Karzinome
100
Inzidenz-Rate pro 100.000
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
Alter
Die Krebsgefahr steigt mit
zunehmenden Lebensalter
Robert Koch - Institut
©
KID
60
70
80
C. Wagener
Krebs und Lebensstil
Krebs hat auch etwas mit unserem Lebensstil zu tun!
aus: W. Hiddemann, Die Onkologie
KID
Neuerkrankungsraten Lungenkrebs
Stadt-Land-Vergleich in Utha (USA)
aus: W. Hiddemann, Die Onkologie
KID
Krebs und Lebensstil
aus: W. Hiddemann, Die Onkologie
KID
Erstaunen…
Der Beginn aller Wissenschaften
ist das Erstaunen, dass die Dinge sind,
wie sie sind.
Aristoteles (384-322 v. Chr.)
KID