Die Tumorzelle Übersicht
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Die Tumorzelle Molekularbiologie und Genetik Kristian Müller, Sommersemester 2006 Zellen eines Hirntumors Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Altersstatistik Neuerkrankungen Mittleres Alter 67 Jahre Mittleres Alter 65 Jahre Krebs in Deutschland 2002 Krebsstatistik nach Lokalisation Neuerkrankungen: Männer n=200.018, Frauen n=194.662 Sterbefälle: Männer n=108.835, Frauen n=100.349 Arbeitsgemeinschaft Bevölkerungsbezogener Krebsregister in Deutschland. Daten 2000. Krebs in Deutschland. 4. Ausgabe, 2004 Krebspatienten Nino de Angelo, Sänger, Lymphdrüsenkrebs, 1996 Lance Armstrong, Radfahrer, Hodenkrebs, 1996 Heiko Herrlich, Stürmer Borussia Dortmund, Hirntumor, 2000 Sheryl Crow, Sängerin, Brustkrebs 2006 Anastacia, Sängerin, Brustkrebs, 2003 Kylie Minogue, Sängerin und Schauspielerin, Brustkrebs, 2005 http://www.ard.de/leben/themenwoche Begriffsbestimmung • Ein Tumor ist eine abnorme Vergrößerung eines Gewebes, er ensteht durch autonome, progressive und überschießende Proliferation körpereigener Zellen. Tumor wird auch Synomym mit Neoplasie (Neubildung) verwendet. • Krebs ist eine maligner Tumor, der sich durch infiltratives und destruktives Wachstum auszeichnet. Der Begriff „karkinos“ wurde vermutlich von Hippokrates (460- 375 v. Chr.) eingeführt. • Ein Karzinom ist ein Tumor der von Epithelien ausgeht z.B. Verdaungsorgane, Lunge, Haut, Brust Prostata Brust, Prostata. • Ein Sarkom ist Tumor der vom Bindegewebe, Muskelzellen oder den Blutgefäßen ausgeht. • Leukämie und Lymphom sind Tumore, die vom hämatopoetischen System ausgehen • Gliom und Retinoblastom sind Tumore, die vom Nervensystem und dem Auge ausgehen. • Es gibt weitere Tumorarten. Die Namen sind teilweise historisch geprägt. • Man unterscheidet auch solide Tumore, die im Zellverband wachsen, und nicht solide Tumore. • Ca. 90 % der malignen Tumore des Menschen sind Karzinome. Begriffbestimmung: Onkologie Onk- oder Onko: Wortteil mit der Bedeutung Geschwulst, von griechisch ογκος Umfang, Größe Onkogen: Dominant wirkendes Gen, das zur Transformation der Zelle beiträgt, wenn es zum falschen Zeitpunkt oder im falschen Gewebe exprimiert oder überexprimiert wird. Diese Gene können sehr unterschiedliche Proteine kodieren, z.B. Wachstumsfaktoren, Rezeptoren, Proteinkinasen. Virales Onkogen: Gene, die von Viren assimiliert Transformation von Zellen beitragen. Abkürzung: v-onc wurden und die zur Protoonkogen: Gene, die an der Kontrolle normaler Wachstums- und Differenzierungsprozesse (Zellproliferation) beteiligt sind und die homolog zu viralen Onkogenen sind. Abkürzung: c-onc. Da Onkogene heutzutage ohne Viren gefunden werden, wird mittlerweile auf das „c-“ verzichtet. Onkologie: Teilgebiet der Medizin, das sich mit der Entstehung und Behandlung von Tumoren beschäftigt. Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Zellzyklus (zur Erinnerung) M Restriktionspunkt G1 Restriktionspunkt G2 Restriktionspunkt Zellzyklus und Proliferation Zu- und Abflüsse der Zellpopulation Typisches Wachstumsverhalten eines Tumors am Beispiel des Brustkrebses Die Entwicklung eines Tumors im Überblick normale Zelle Reperatur DNA Schaden somatische Mutation Onkogen Aktivierung gestörte Apoptose Suppressorgen Inaktivierung Überexpression, veränderte Genprodukte, Verlust der Regulation Klonale Evolution progressives Wachstum, autonomes Wachstum, maligner Tumor Die klonale Evolution eines Tumors: Morphologie Beispiel Cervix Karzinom Gesund Verlust der Differenzierung undifferenzierte Proliferation Invasion Gewebeschnitt Pap (Papanicolaou) smear: Normal Dysplasie Karzinom Die klonale Evolution eines Tumors: Der Chromosomen Satz Durch Mutation entsteht aus einer Normalzelle ein Klon mit Wachstumsvorteil, der sich weiter verändert. Häufig gehen die Veränderungen mit einer Veränderung des Chromosomensatzes (Aneuploidie) einher. Klonale Entwicklung des Kolorektal-Karzinoms Ca. 75% der Patienten tragen APC Mutationen, K-Ras Mutationen treten bei ca. 30% und p53 Mutationen bei ca. 50% auf. Bis heute ist die Ursache der vielen Mutationen nicht ganz geklärt . Die klonale Evolution eines Tumors: Äußere Faktoren und Gene Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Veränderungen der Zelle • DNA Schaden • Primäre Anomalien: Kausaler Zusammenhang mit der Tumorentstehung, z.B. Chomosomenbrüche mit Translokation • Sekundäre Anomalien: Veränderungen im Laufe des Tumorwachstums, kann d dem Tumor T zusätzliche ät li h Wachstumsvorteile W h t t il verleihen l ih Spontane Mutation der DNA Depurinierung p g durch spontane p Hydrolyse y y ergibt g „„apurinic p (AP) sites“. Reperatur durch Endonukleasen. Spontane Deaminierung von Cytosin zu Uracil kann durch DNAGlykosylasen repariert werden. Bei 5-Methyl-Cytosin, das häufig in CpG Dinukleotiden vorkommt erfolgt jedoch eine Umwandlung in Thymin. Ist der sense Strang betroffen ergibt sich eine C-T Transition, ist der anti-sense Strang betroffen ergibt sich eine G-A Transition. Dies sind die häufigsten Mutationen in menschlichen Genen. Mögliche Folgen einer Punktmutation in einer splice site (SS) Spontane Deletionen Deletionen entstehen, wenn sich repetitive Sequenzen während der Replikation gegeneinender verschieben. Hierbei können sich Schleifen bilden, die durch das Reperatursystem entfernt werden. Deletionen ergeben sich auch aus homologen ungleichen Rekombinationen (Austausch auf korrespondierenden Allelen an unterschiedlichen Positionen) oder illegitimen Rekombination. Sauerstoffradikale Sauerstoffradikale wie Superoxid-Anionen und Hydoxyl-Radikale enstehen z.B. während des Stoffwechsels, sie werden bei Entzündungsreaktionen freigesetzt oder bilden sich durch Radiolyse. Kanzerogene Substanzen der Umwelt Metabolische Aktivierung und Addukt-Bildung des AflatoxinB1 aus Schimmelpilz Schematische Darstellung der durch N-MethylNitrosoharnstoff verursachten G:C zu A:T Transition. Gifte im Tabak BaP, benzo[a]pyrene NNAL, 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanol NNK, 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone NNN, N′-nitrosonornicotine PAH, polycyclic aromatic hydrocarbons Detoxifizierung und Aktivierung im Körper glutathione-S-transferases (GST); UDP-glucuronosyl transferases (UGT); N-acetyl transferases (NAT) Ames Test Strahlung UV-Strahlung bewirkt die kovalente Verknüpfung von Pyrimidin Resten, z.B. Thymin-Dimer (Cyclobutan-Pyrimidin Dimer). Genetische Disposition Genetische Disposition Nach den Mendelschen Regeln vererbte Erkrankungen machen 1-2% aller Krebserkrankungen aus. Retinoblastom Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: Chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Beispiele für Viren chronisch akut transformierend hepatozelluläres Karzinom eines Patienten mit Hepatitis B Integration eines Virus in den Wirt Identifizierung von Onkogenen durch chronisch transformierende Retroviren: Beispiel MYC Genom eines chronisch transformierenden Retrovirus In die Wirtszelle integrierter Provirus (R: repetitive Sequenz; U: unique 5´- , 3´ Region; LTR: long terminal repeat; pol:Polymerase, gag:group specific antigens; env: envelope) Aktivierung des MYC-Gens durch Integration des ALV-Retrovirus. Bevorzugter Integrationsort und typische Deletion führen zur Transkription durch einen Promotor im 3´-LTR. Onkogen und Supressorgen "krebskritische Gene" Aktivierung eines Proto-Onkogens Proto-Onkogen: Gen / Genprodukt, das durch Mutation zum Onkogen wird Onkogene aus chronisch transformierenden Viren Identifizierung von Onkogenen durch akut transformierende Viren Akut transformierende Viren sind chronisch transformierende Viren, die zusätzliche Gene enthalten. Diese ersetzen in der Regel virale Sequenzen und werden virale Onkogene v-onc g genannt. Viren können die Regulation der Zelle ausschalten und die Proliferation anschalten • Papillomavirus bildet die Proteine E6 und E7 die Rb und p53 binden, blockieren und für deren Abbau sorgen • SV40 bildet das "große T Antigen" mit beiden Funktionen • Therapieansatz "Onkolytische Viren": vermehren sich nur in Zellen mit defektem Rb bzw. p53 Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Tumorentstehung: Gentransfer Bestimmte murine Fibroblasten z.B. NIH3T3 lassen sich durch Aufnahme menschlicher Tumor-DNA transformieren. Die Transformation gelingt auch mit normaler humaner DNA, die Effizienz ist jedoch 100-fach geringer. Hierdurch gelang erstmals der Nachweis transformierender Gene. V Verantwortlich t tli h für fü die di Transformation T f ti i t in ist i ca. 80% der d Fäll die Fälle di Ras R Genfamilie (H-Ras, K-Ras). Zelluläre Ras-Onkogene werden durch singuläre Punktmutationen aktiviert, die nur 3 Kodone betreffen. Reperaturmechanismen Reperaturmechanismen • base excision repair (BER) • mismatch repair (MMR) • nucleotide excision repair (NER) Ein Defekt, der an der Reperatur beteiligte Proteine kann die Entstehung von Krebs begünstigen. - global genomic repair (GGR) - transcription-coupled repair (TCR) Tumorentstehung: Fehler bei der Fehlerkorrektur Chromosomale Anomalien Chromosomen eines Brust-Krebs dargestellt mit einer DNA-Färbung und mit Vielfarbenfluoreszenz in situ Hybridisierung (multi color FISH) Replikation geschädigter DNA • Spontan möglich vorallem aber infolge von defektem p53 führt zu: • Chromosomen Anomalien • Genamplifikation • Genverlust Verlust von Tumorsupressor Genen: zahlreiche Möglichkeiten Fehlerverteilung Verlust von Tumorsupressor Genen Experimente Unterschiedliche Repeats in allelen Loci erlauben den Verlust der Heterozygotie nachzuweisen Entdeckung der „Tumorsuppressorgene“ durch Zell-Zell Hybridisierung Häufigkeit von Allelverlusten (weiß: q-Arme, schwarz: p-Arme) bei kolorektalem Karzinom Chromosomen Translokation Philadelphia Chromosom Leukämien und Lymphome besser Untersucht, da zytogenetisch besser zugänglich, mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) genauere Analyse möglich. 9 Translokation t(9,22)(q34;q11) bei chronischer myeloischer Leukämie (CML) führt zur Entstehung des Philadelphia-Chromosoms Ph1, das in 85-90% der Fälle nachweisbar ist. (Bezeichnung: Chromosom-Nr / p kurzer q langer Arm / Banden-Nr.Subbande t Translokation, del Deletion, inv Inversion) Chromosomen Translokation - MYC-Gen • Burkitt-Lymphom: Tumor von Lymphozyten der B-Zellinie • Bruchstelle auf Chromosom 8 translociert mit Immunglobulin Regionen • Endemische Form vergesellschaftet mit Epstein-Barr-Virus (vorallem Afrika) Bruchstelle in der J-Region (frühe B-Zell Entwicklung) • Sporadische Form Bruchstelle in der S-Region (späte B-Zell Entwicklung) • Große Variabilität der Translokation, aber immer mit Immunglobulin Loci und Dysregulation Mechanismen der MYC-Aktivierung durch Burkitt-Lymphom-assoziierte Translokation von MYC bzw. Immunglobulin Genen Liste Chromosomaler Anomalien I Kind mit Burkitt-Lymphom Junge mit Leukämie, 3d vor Exitus Liste Chromosomaler Anomalien II Amplifikationen können in Metaphasen Chromosomenanalysen als homogen gefärbte Regionen (Homogenously Stained Regions, HSR) erscheinen. Amplifikationen können: - den malignen Phänotyp beeinflussen - die Therapie erschweren (DHFR Amplifikation bei Methotrexat Therapie) - als Marker für eine gerichtete Therapie dienen (Her2/neu für den Antikörper „Herceptin“) Amplifikationen von Proteinen können auch durch veränderte Expression eines einzelnen Gens erfolgen. Kolorektales Karzinom Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Kleiner Ausschnitt der Signalverschaltung Zellzyklus, Tumor und Akürzungen • Cycline (Cyclin A, B, D, E) • CDK • CAK • CKI cyclin dependent kinase (CDK 1, 2, 3, 4, 5, 6) CDK activating kinase (Hefe) cyclin dependent kinase inhibitor • CIP (=KIP, =WAF) CDK interacting protein (p21CIP oder nur p21, p27) • INK4 (=CDKN) polypeptide INhibitors of CDK4, 6 (p16INK4a, p15ink4b, p18ink4c, p19ink4d) • ARF Alternate Reading Frame des p16ink4a, =p14ARF , (=p19ARF in Maus) • PCNA • HDAC1 Proliferating Cell Nuclear Antigen, Untereinheit der Polymerase δ Histon-Deacetylase 1 • DNA-PK DNA dependent Protein Kinase • ATM Krankheitsgen der Ataxia teleangiectasia • ATR ATM-related ATM related • GADD45 Growth Arrest and Damage Dependent, • E2F Transkriptionsfaktor (E2F1, 2, 3, 4, 5, 6) •Ubiquitin Ligasen • MDM2 • SCF Murine Double Minute chromosome-2, bindet p53, eine E3 Ligase Abbau von CKI • APC Annaphase Promoting Complex, Abbau von M-Cyclin • Achtung auch: APC Adenomatous Polyposis Coli, Tumorsuppressor bindet ß-Catenin Nomenklatur im „Alberts“ CYCLIN–CDK VERTEBRATES BUDDING YEAST COMPLEX CYCLIN CDK PARTNER CYCLIN G1-Cdk cyclin D* Cdk4, Cdk6 Cln3 G1/S-Cdk cyclin E Cdk2 Cln1, 2 S-Cdk cyclin A Cdk2 Clb5, 6 M-Cdk cyclin B Cdk1** Clb1, 2, 3, 4 * There are three D cyclins in mammals (cyclins D1, D2, and D3). ** The original name of Cdk1 was Cdc2 in both vertebrates and fission yeast, and Cdc28 in budding yeast. CDK PARTNER Cdk1** Cdk1 Cdk1 Cdk1 Warum KEIN Tumor entsteht NATURE REVIEWS CANCER VOLUME 4 AUGUST 2004 592 DNA Schaden führt zum Stop in G1 Normalerweise führt zuviel Myc zur p53 Kontrolle Vom Mitogen zum Zellzyklus Tumorigene Transformation humaner Zellen im Labor TRENDS in Molecular Medicine Vol.10 No.11 November 2004 Übersicht • • • • • • • Einführung: Auftreten von Tumoren und Begriffe Die klonale Entwicklung eines Tumors Die Tumorentstehung: primäre Anomalien Die Tumorentstehung: Viren Die Tumorentstehung: chromosomale und sekundäre Veränderungen Veränderungen im zellulären Kontext Wichtige Proteine im Detail Rezeptor Tyrosinkinasen (RTKs) Tyrosinkinase Domäne Eine Auswahl an Rezeptor Tyrosin Kinasen, denen eine Bedeutung für Entstehung oder Progression maligner Tumoren beigemessen wird. Die EGF-R (erbB) Familie Ligands EGF TGF-α Amphiregulin β-cellulin HB-EGF Epiregulin No specific ligands often acts as dimer partner Heregulins NRG2 NRG3 Heregulins β-cellulin Extracellular Cysteine-rich p domain Receptor Membrane Intracellular Tyrosine kinase domain K K K K erbB1 HER1 EGFR erbB2 HER2 neu erbB3 HER3 erbB4 HER4 Bild adaptiert Astra-Zeneca, urpsr. J. Wells EGFR Signaltransduktion Ligand EGFR K PI3-K EGFR-TK K pY pY pY GRB2 SOS RAS RAF STAT3 PTEN AKT MEK Gene transcription Cell cycle progression MAPK PP Proliferation / maturation DNA Myc JunFos Myc Cyclin D1 Cyclin D1 Survival (anti-apoptosis) Chemotherapy / Metastasis radiotherapy Angiogenesis resistance GRB2: Growth factor Receptor-Bound protein 2 SOS: Son Of Sevenless Pathologische Aktivierung einer RTK (EGF-R) 1 Increased expression of EGFR protein 2 R K 5 Mutant EGFR K R R K K K K Ligand / autocrine loop S S S S Mitogenic signals K R K R K K R R K K R R TGF-α EGF S K 4 S K K K K K K R R R R R R S S K S S 3 Heterodimerization decreased Phosphatase and cross-talk RAS – Zentrale Schaltstelle der Signalübertragung RAS-Gene urspünglich durch Transfektion von NIH3T3-Fibroblasten entdeckt Zwei RAS-Gene zu retroviralen Onkogenen homolog, daher Bezeichnung entsprechend der viralen Onkogene: H(arvey)-RAS, K(irsten)-RAS weiteres RAS-Gen in Neuroblastom gefunden: N-RAS. RAS-Gene gehören zu den am häufigsten in Tumoren mutierten Genen. RAS Mutationen werden bereits in frühren Tumorstadien gefunden. Mit Karzinogenen können gezielt Punktmutationen hervorgerufen werden. werden Das RAS-Genprodukt wird als p21RAS oder nur als RAS bezeichnet. RAS gehört zu den kleinen GTP-bindenden Proteinen. Die gefundenen Mutationen liegen im Bereich der GTP/GDP Bindung. RAS besitzt zudem einen Effektor postranslatorisch modifiziert wird. genetische Organisation der RAS-Gene Bereich und ein CAAX-Motiv, das Mutationen in RAS-Genen Signaltransduktion und Signalwege zu RAS Aktivierung über RTKs Der GTPase Zyklus von p21RAS Alternative Wege der Aktivierung GAP s: GTPase activating proteins GEF s: guanine nucleotide exchange factors z.B. SOS GTP Signalwege von RAS P53, Wächter des Genoms P53 gehört mit zu den am häufigsten mutierten Genen. P53 wurde als zelluläres Bindeprotein des SV40 Virus entdeckt. DNA Schäden durch externe Faktoren führen zur Induktion von P53. In vielen Tumoren geht ein Allel verloren, das verbleibende Allel ist in der Regel mutiert. Keimbahnmutationen im p53-Gen sind die Grundlage für das LiFraumeni Syndrom, Syndrom einer genetischen Disposition für Tumore. Tumore Dies führt zu genomischer Instabilität (Aneuplodie). In kolorektalen Karzinomen überwiegen G:C zu A:T Transitionen, die überwiegend in CpG-Dinukleotide betreffen, d.h. spontan erfolgen. In Lungentumoren überwiegen G:C zu T:A Transversionen, die typischerweise durch Kanzerogene hervorgerufen werden. „Hotspots“ der Mutation sind die Codone 157, 248 und 273. Das wichtigste Kanzerogen des Tabakrauchs ist Benzo(a)pyren, das zu einem Epoxid metabolisiert wird. Werden menschliche Zellen mit diesem Kanzerogen behandelt, können Addukte der Chemikalie mit den Guaninresten in den Codonen 157, 248 und 273 nachgewiesen werden. p53 im Überblick p53 in Aktion einfache Darstellung komplexe Darstellung Aufbau und Mutationen im p53 Gen Struktur, funktionelle Domänen, Proteinbindungsstellen und Position mutierter Aminosäuren von P53. Die Position der vertikalen Linien markiert die Position von Mutationen in menschlichen Tumoren, die Höhe der Linien entspricht der relativen Mutationshäufigkeit. ATM, Mitglied der Familie von DNA-Proteinkinasen; CKI und II, Caseinkinasen I und II; CDK, Cyclin-abhängige Kinase; PKC, Proteinkinase C; RPA, „replication protein A“ (nach Ko & Prives, 1996). p53 posttranslationale Modifikationen Problem 1994 bereits beschrieben zum Trost: es gibt vermutlich weniger als 25000 Proteine, und nicht alle Proteine haben Spleißvarianten Das Retinoblastom Protein (Rb) Retinoblastom Tasche (As 380-785) mit Peptid des Transkriptionsfaktors E2F2 (As 410-427) PDB 1N4M Rb und Eintritt S-Phase Mögliche Inaktivierungen des Rb = INK4a Inactivation of Rb or p16 / Ink4a by mutation encourages cell division (tumor suppressor) overactivity of Cdk4 or cyclin D1 encourages cell division (proto-oncogene). Telomerase The RNA subunit (purple) has the template sequence of Tetrahymena telomerase. Proteins include the catalytic subunit, TERT (yellow), and additional less-conserved proteins (orange). Zusammenfassung Literatur http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/km/lehre Pelengaris, Khan et al., The Molecular Biology of Cancer, Blackwell Publishing Alberts et al., Molekularbiologie der Zelle, 4. Auflage 2004, Wiley-VCH Verlag Karp Cell and Molecular Biology, Karp, Biology 4th Ed. Ed 2005, 2005 Wiley Wagener, Molekulare Onkologie, 2. Auflage 1999, Thieme (nicht mehr im Handel) Watson et al., Molecular biology of the gene, 5th Ed. 2003, Benjamin Cummings
