Onkogene

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Molekularbiologie von Krebs
Ethiologie von
menschlichem Krebs
1
Krebs ist eine genetische Krankheit
Todesursachen:
1. Herz-Kreislauf-Erkrankungen (34%)
2. Krebs (23%)
Ursachen von Krebs
20% Infektion (14% Virus)
10% vererbbar
70% sporadisch
Ethiologie: Ursache der Krankheiten
Krebsgeweben
Karzinom (Epithelzellen, 85%)
Sarkom (mesodermale
Zellen)
Leukämie (weisse Blutzellen)
KREBS
Tumoren
•Gutartige
•Prämaligne
•Bösartige (Krebs)
Durchbruch:
•Beim Verstehen der Krebsentstehung
•Bei der Krebsdiagnostik:
molekularbiologische und nicht-invasive Techniken
Kein Durchbruch: bei der
Krebsheilung
2
Intelligente Tumoren
(1) Teilung der Zellen unter solchen Umständen,
wo sie normalerweise im Ruhezustand sind
- Aktivierung der Onkogene
(2) Unbeachtung der Teilungsstop-Befehle
- Inaktivierung der Tumorsuppressoren
(3) Verlust der Selbstmordfähigkeit
– Inaktivierung der Tumorsuppressorgenen
– Unbeachtung der Todessignale
– Unbeachtung der Abwesenheit von Überlebungssignalen
(4) Überzeugung der nahelegenden Blutgefässen,
dass sie den Tumor einnetzen
– O2, Nahrung – Aktivierung der Angiogenese-Gene
(5) Erreichen der Immortalität
–
Regeneration der Telomere
(6) Invasion
– Aktivierung der Metastasegene
(7) Dem Immunsystem ausweichen entsprechenden Gene
Aktivierung oder Inaktivierung der
3
Onkogene
- abnormale Zellteilung
4
Tumorsuppressorgen
Protoonkogen
Normales Gen (reguliert die Zellteilung)
(Protoonkogen)
K
R
E
B
S
Tumorsuppressorgen
Mutation (führt zur beschleunigten Zellteilung)
(Onkogen)
K
R
E
B
S
Protoonkogen wird zum Onkogen
Mutation in Tumorsuppressorgenen 5
Tumorsuppressorgen
K
R
E
B
S
Normales Gen
Tumorsuppressorgen
1. Mutation (empfänglicher Träger)
Aktives Onkogen K
R
E
B
S
Keine Bremse!
2. Mutation oder Chromosomverlust
(kann zum Krebs führen)
Keine Bremse!
Aktives Onkogen
K
R
E
B
S
K
R
E
B
S
Die Zweitreffer-Theorie
(1971)
Kein Krebs
Keimbahnmutation
Somatische Mutation
Krebs
6
Verlust der Heterozygotie
7
Krebsempfänglichkeitsgen
Normales Allel
Mutantes Allel
Verlust des normalen Allels
Chromosomverlust
Deletion
Ungleiche
Verlust, dann
Mitotische
Translokation Wiederverdoppelung Rekombination
Punktmutation
8
Mehrtreffer-Hypothese
Dickdarmkrebs
Vererbung des
mutanten FAP
Allels
Mutation des
normalen FAP
Allels
Normales
Epithel
FAP:
K-Ras:
DCC:
DNA
Hypomethylierung
Atypisches
(displastisches)
Epithel
familial adenomatous polyposis
Kristen rat sarcoma
deleted in colorectal carcinoma
Aktivation des
K-Ras Gens
Frühes
Adenom
Mutation des
DCC Gens
Provisorisches
Adenom
Mutation des
P53 Gens
Spätes
Adenom
Adenokarzinom
METASTASE
(familiäre adenomatose Polypose)
Entzündung und Krebs
9
Entzündung kann durch die Infektion von einem Erreger oder ohne Erreger entstehen
Transkriptionsfaktor NF- B: Verbindung zwischen Entzündung und Krebs
Helicobacter pylori: weniger als 1% der Infektionen führt zum Magenkrebs
2005
Barry J Marshall
J Robin Warren
„Für die Entdeckung des Bakteriums Helicobacter pylori
und seine Rolle beim Magengeschwür"
Magengeschwür
10
ONKOGENE
(1) Virale Onkogene
(2) Zelluläre Onkogene
a. strukturelle Mutation
b. regulatorische Mutation
c. epigenetische Veränderungen
11
Rous-Sarkomvirus
Peyton Rous
Michael Bishop
Harold Varmus
1966
Virusgenom (RNA)
1989
typischer Retrovirus
zelluläre DNA
zelluläres Onkogen
Rous-Sarkomvirus
virales Onkogen
12
Humanes
Papillomavirus
Harald zur Hausen
HPV verursacht 50% der Gebährmutterhalskrebs
2008
Gebährmutterhals
E6
E7
p53-Degradierung (Ubiquitinierung)
stört die normale Rb-Funktion (bindet Rb, welches dann TF-E2F nicht blockieren kann,
TF-E2F aktiviert die Gene, welche für die DNA-Replikationsenzyme kodieren
an
die DNA-Replikation springt
Zelluläre Onkogene
13
1. Genetische Mechanismen
zelluläres Protoonkogen
genetische Änderung
Punktmutation
Normale Kontrolle der Zellteilung
Translokation
Amplifikation
gestörte Kontrolle
QUANTITATIVE und QUALITATIVE Änderung
Normale Fortpflanzung
Normale Zellteilung
Erhöhte Fortpflanzungsrate
Tumor
2. Nicht-genetische Mechanismen
Keine genetische Änderungen in den Protoonkogenen, sondern ihre
Funktion wird von irgendeinem Faktor (zB. während einer Entzündung oder
Virusinfektion), oder durch epigenetische Prozesse verändert.
Jagd auf Onkogene
src-spezifische radioaktiv markierte Probe
Denaturierte chromosomale DNA
aus Hühnchen
68 C
src cDNA erkennt das src Gen
von Hühnchen
Verdauung mit S1-Nuklease
Src Probe hybridisiert mit den
homologen Hühnchensequenzen
(entfernt einzesträngige Nukleinsäuren)
14
Jagd auf Onkogene
Zerbrechen der DNA in
Abschnitte von 35-50
Tausend Basenpaaren
Humaner Blasentumor
DNA-Isolierung
Onkogen
15
Primäre Transformanten
Transformation
Alu-Sequenzen
Southern blot
DNA-Isolierung aus einem Klon
Humane DNA im
Mauschromosom
Zerbrechen in Abschnitte von
30-50 kbp
EcoRI-verdaute DNA mit Alu-Probe markiert
Sekundäre Transformanten
Transformation
gemeinsame Alu-Fragmente
DNA-Isolierung
EcoRI-Verdauung
Nicht-transformierte
Primäre
Zellen
Transformanten
3 sekundär
transformierte
Zellklone
Phagenbibliothek
Alu DNA
Onkogen
16
Protoonkogene
(1)Wachstumsfaktoren
FGFs, PDGF
(2)Wachstumsfaktor-Rezeptoren
EGFRs
(3)Signaltransduktionsproteine
Ras, SRC, ABL
(4)Transkriptionsfaktoren
c-Myc, c-Fos, c-Jun
(5)Zellzyklusregulatoren
Zyklin D, CDK4, CDK Inhibitoren
(6)Mikro RNAs
FGF:
PDGF:
EGFR:
CDK:
fibroblast growth factor
platelet-derived growth factor
epidermal growth factor receptor
cycline-dependent kinase
G0
G1
Wundeheilung
Zellteilung
Zellteilung
Zum Onkogen werden
v-sis (Virusonkogen): abgestumpfte Variante von PDGF
v-erbB: kürzer an beiden Enden als die zelluläre Form
17
cytoplasmatische Lokalisation anstatt von Sekretion
als würde kontinuierlich Ligand binden
Fusionsprotein: N-Terminale: unterschiedliche Peptide, C-Terminale: Tyrosinkinasedomän des RET Proteins
RAS Protein: Aminosäureänderungen in der 12. Position
C-SRC Protein: Verlust des Peptidteiles mit Tyr530
die GTPase Aktivität ist verloren: kontinuierlich „ON”
keine Hemmung durch Phosphorylierung: „ON”
c-myc: Translokation in die Nähe der Immunglobulingene
hohe Expression
c-fos: Deletion der Sequenz am 3’ Ende verantwortlich für die Instabilität oder eines Promotorelements
ABL: siehe nächste Folie
Philadelphia-Chromosom
18
Fusionsprotein mit
Tyrosin-Kinase Aktivität
(unkontrollierbar)
CML: Chronische myeloische Leukämie
TUMORSUPPRESSORGENE
Tumorsuppressorgene
(1) Zelloberflächenmoleküle
TGF-β Rezeptor
(2) Signaltransduktionsproteine
NF-1, GAP, APC
(3) Transkriptionsfaktoren
Rb, p53
(4) An der DNA-Reparatur
teilnehmende Gene
BRCA1, BRCA2, XP Gene
(5) Mikro RNA-s
TGF:
NF-1:
GAP:
APC:
BRCA:
XP:
19
transforming growth factor
neurofibromatosis factor
GTPase–activating protein
adenomatosis polyposis coli
breast cancer
xeroderma pigmentosum
Zelloberflächenmoleküle: TGF
TGF-
Serin/Threonin
Kinase Domän
Smad (1)
TGF- Rezeptor
(Typ II)
TGF- Rezeptor
(Typ I)
Smad (2)
Cytoplasma
Zellkern
Genregulatorische Proteine
Zellkern
Transkription
Zielpromotor vonTGFTGF: transfroming growth factor
20
Intrazelluläre Signaltransduktionsproteine
21
Neurofibromatose: NF-1
Normale Funktion: aktiviert die GTPase Funktion von Ras, und hemmt dadurch
die Zellteilung-stimulierende Effekte von Ras
Adenomatosis polyposis (APC)
Normale Funktion: hilft die Degradation des Zellteilung-stimulierenden ß-Catenin
Transkriptionsfaktors
Retinoblastom
22
Transkriptionsfaktoren
sporadisch
vererbbar
RB: Transkriptionsfaktor, kontrolliert im Zellzyklus den G1  S Übergang
p53
P53: repariere oder töte!
23
Transkriptionsfaktoren
P53
(proapoptotisches und Tumorsuppressorgen):
- nichtfunktionierend in ~50% menschlicher Tumoren
- Funktion:
(1)
(2)
Kleiner Defekt: Befehl zur Reparatur
Grosser Schaden der DNA : Befehl zur Apoptose
Konvenzionelle anti-Tumor Therapien
(Chemotherapie, Bestrahlungstherapie)
- Sie verursachen DNA-Schaden, welcher p53-vermittelte
Apoptose induziert
p53
P53: repariere oder töte!
DNA-Verletzung
&
sonstiger Stress
mdm2
p53
p53
Zellzyklus anhalten
DNA-Korrektur
Zellzyklus neustarten
Apoptose
24
Schlüsselrolle von p53
Zyklin
Zyklin
E
D1
Anhalten des Zellzyklus
Retinoblastomprotein
Transkriptionsfaktor
Strahlung
Proteasom
Zellzyklus
Degradation
Apoptose
Wirkungen des p53 Proteins
DNA-Verletzung
Aberrantes
Wachstumssignal,
Onkogenaktivierung
Zellstress
- Hypoxie
- Nukleotidmangel
25A
„upstream” Aktivatoren
von p53
p53
„downstream” Wirkung
von p53
Zellzyklushemmung
Apoptose
DNA-Reparatur
Hemmung der Angiogenese
Domänen des p53 Proteins
N-
Transaktivationsdomäne und
MDM2 Bindestelle
DNA-bindende
Domäne
OligomerisationsRegulierungsdomäne
domäne
Aminosäuren
Mutationsheißpunkte
-C
25B
p53 Protein – MDM2
25C
Der Spiegel des p53 Proteins wird in erster Linie durch Degradation und nicht auf der Ebene
der Genexpression reguliert.
Zellkern
Cytoplasma
aktiv
ubikvitin
niedrig
Inaktivation Degradation
Rote Pfeile: selbstregulierende Schleifen
Kernexport
Hemmung der
Transkriptionsaktivität
MDM2: eine Ubiquitin-Ligase
p53 – „upstream” Wirkungen
DNAVerletzung
Onkogenaktivierung
Zellstress
ATM
p14arf
ATR
Proteinkinasen
Proteinkinasen
ChK2
25D
Caseinkinase II
p53
aktiv
Der erste und der letzte Weg verursacht die Phosphorylierung von p53.
Alle drei Wege hemmen die p53-MDM2 Verbundenheit.
25E
p53 – „downstream” Wirkungen
PCNA (proliferating
cell nuclear antigen ):
hilft DNA-Synthese,
korrigiert Fehler
NOXA, PUMA
(mitochondriell):
Produktion von
Apoptosomen
Trombospondin
proapoptotisch
FASR: TransmembranRezeptor, erkennt
extrazelluläre
Todessignale
antiapoptotisch
Zellzyklushemmung
DNAReparatur
Apoptose
BAX: proapoptotischer
Faktor
Hemmung der
Angiogenese
IGF-BR3 (insulin-like
growth factor-binding
protein 3 ):
Blockierung der
Überlebungssignale
BCL-2:
antiapoptotisches
Protein
p53 - Beschlussfassung
25F
Zellzyklushemmung
Apoptose
Entscheidungen
Entsheidungen
Apoptose
Zellzyklushemmung
ASPP:
Kofaktor, p53
Apoptose
stimulierendes
Protein
An der DNA-Reparatur
teilnehmende Gene
Xeroderma pigmentosum
Brustkrebs: BRCA
Mutationen in den
Krebsempfänglichkeitsgenen: BRCA1
Chromosom 17.
Autosomal dominant
26
Das Protein spielt Rolle bei der Genomstabilität
~500 verschiedene Mutationen bekannt
Nonsense/frameshift Mutation
Missense Mutation
Splice-Stelle
Personen, die diese Krebsempfänglichkeitsmutation vererben,
enthalten das mutante Allel in allen Zellen
Mutationen in den
Krebsempfänglichkeitsgenen: BRCA2
Chromosom 13.
Autosomal dominant
Das Protein spielt Rolle bei der Genomstabilität
~300 verschiedene Mutationen bekannt
Nonsense/frameshift Mutation
Missense Mutation
26
Xeroderma pigmentosum
27
7 Gene, welche XP verursachen können: von XPA bis XPG
DNA-Verletzung: UV, Karzinogene
Wenn das p53 Gen auch verletzt wird → das Ergebnis ist Krebs
(1000X Risiko)
Andere Krebsgene
Andere mit Krebs zusammenhängende 28
Mutationen :
wenige Informationen
Krebszelle
Aktives
Onkogen
Normale Zelle
Zellkern Adherenz
Aktivierter
Transkriptionsfaktor
Migration
Fortpflanzung
Invasion
Vene
Tumorzelle
Ausweichen
Kapillare
Angiogenese
Lyse Adhesion
Extrazelluläre Matrix
Andere mit Krebs zusammenhängende 28
Mutationen :
wenige Informationen
Krebszelle
Rezeptor
Endothel
Verbreitung
Targeting
Penetration
Adhesion der
Tumorzelle
Metastase
Kapillarwand
Lungenmetastase
Kolonisierung
Lebermetastase
Mutationen
Suprimiertes
Immunsystem
Knochenmetastase
Instabilität
Chromosomen
Immunsuppression
Metastase
29
Die Stelle der Metastasen kann in 2/3 der Fälle mit anatomischen Gründen erklärt werden:
In den Organen nah zum Tumor können die Tumorzellen leichter haftenbleiben
1/3 der Metastasen können nicht damit erklärt werden
Same und Boden Theorie: die Krebszellen beanspruchen eine optimale Umgebung für ihre Fortpflanzung
Prä-metastatisches Nische-Konzept:
Nicht-Krebszellen bereiten sich in unterschiedlichen Stellen des Körpers auf das Empfangen von Krebszellen vor
Die VEGFR1-exprimierende, blutbildende
Präkursorzellen des Knochenmarks erscheinen
an den zukünftlichen metastatischen Stellen,
und bereiten die Stelle für den Tumor vor
(Nische).
VEGFR1
(vascular endothelial
growth factor receptor 1)
30
Metastase
Schritte
Migration
Intravasation
Transport
Extravasation
Kolonisierung
Angiogenese
Epigenetische Faktoren und Penetranz
31
Inaktive mRNA
Gen
Translationskontrolle
mRNA
RNA-Transportkontrolle
mRNA
Ribosom
aktive mRNA
Protein
inaktives
Protein
Proteinaktivitäts-kontrolle
prä-mRNA
RNA-Reifungkontrolle
DNA
Transkriptionskontrolle
Translationskontrolle
Phosphorylierung
aktives
Protein
Dasselbe Allel, andere Mutation, anderer 32
Phänotyp
5´
Cysteinreiche
Domäne
Transmembrandomäne
Tyrosinkinase 1
Tyrosinkinase 2
Aktivierende Mutationen: MEN 2A/B
3´
Unterschiedliche Mutationen in demselben Gen können unterschiedliche Phänotypen hervorrufen
RET Protoonkogen (RET: rearranged after transfection = umorganisiert nach Transfektion)
Die erblichen Mutationen führen zur Typ 2 multiplen endokrinen Neoplasie (MEN)
Die Krankheit ändert sich abhängig davon, wo die Mutation innerhalb des RET Gens erfolgte:
MEN-2A, MEN-2B, oder familiärer medullärer Schilddrüsenkrebs
Anderer Locus, derselbe Phänotyp
Chromosom 17.
Chromosom 13.
BRCA2 Gen
Krebsempfänglichkeitsmutationen (Striche)
BRCA1 Gen
Krebsempfänglichkeitsmutationen (Striche)
BRCA1
BRCA2
Vererbbarer Brust- und Eierstockkrebs
33
Autosomal dominante Vererbung 34
Männer und Frauen geben es
gleichermassen weiter
Keine „übersprungene” Generation
Alle Kinder haben 50% Chance
für die Vererbung der Krankheit
Normal
Betroffen
Autosomal rezessive Vererbung
Beide Allele müssen mutant sein
Männer und Frauen sind gleichmässig betroffen
Nicht-Träger
Nicht betroffener Träger
betroffener Träger
35
Genotyp und Phänotyp
anwesend
Weder Genotyp noch
Phänotyp anwesend
Genotyp anwesend,
Phänotyp (Krankheit) nicht
anwesend
Penetranz
36
inkomplette Penetranz:
die somatische
Mutation des zweiten
Allels ist nötig
Häufigkeit und
Gründungseffekt
Gründer
Originelle Population
Populationsverminderung,
Migration oder Isolation
Generationen später
37
Ein Beispiel: Isolation in der
Population von Ashkenazi Juden
Anhand der Schätzungen ist 1 aus 40 Ashkenazi Juden Träger(in) der
BRCA1 oder BRCA2 Mutation
BRCA1
185delAG
Häufigkeit = ~1%
5382insC
Häufigkeit =
~0.15%
BRCA2
6174delT
Häufigkeit =
~1.5%
37
Neue Theorien
Mutantes Gen Paradigma vs. Neue Theorien
Theorie der erhöhten Mutationsrate
Ein Ereignis erhöht erheblich die Mutationsrate:
- Karzinogen
- Fehler im DNA-Reparaturmechanismus
- Störung der DNA-Verdoppelung
zB. Mutation im p53 Gen
- äussere Wirkung
- innere Wirkung
100fach erhöhte Mutationsrate
38
Theorie der frühen Instabilität
39
Meister (leitende) Gene:
verantwortlich für den normalen Ablauf
der Zellteilung
- Mutation in einem von diesen Genen: verursacht
chromosomale Instabilität (Aneuploidie)
- Vor dem malignen Zustand: Verlust/Mutation von
Krebsgenen
zB. In Dickdarmpolypen
in 90% der Zellen enthielt mindestens 1 Chromosom Extra-Fragmente, oder ein Teil davon fehlte
Aneuploidie-Krebs-Hypothese
Trisomie: Protoonkogene
40
Onkogene
Monosomie: Tumorsuppressorgene - Haploinsuffizienz
Aneuploidie: Zellen mit abnormalen Chromosomensätze
Vermehrung oder Verlust bestimmter
Chromosomenabschnitte: erhöhte Gendose oder fehlende
Gene
zB. in Dickdarmtumoren
aus Chromosomen 7., 8., 13. und
20. gibt es mehrere (meisstens 3), aus dem Chromosom 18.
nur 1 Stück
Tumorstammzellentheorie
Tumorstammzellen-spezifische
Therapie
Herkömmliche
Tumortherapie
Tumorregression
Tumorneubildung
41
„Deszendente Zelle”-Theorie
kein Tumor
Stammzelle
Onkogenmutation
Epigenetischei
Mutation
Tumor
Deszendente Zelle
Expansion
Progression
Gemeinsamer
Progenitor
Verpflichteter
Progenitor
Differenzierte
Zellen
Krebsstammzelle
(cancer stem cell)
42
Unterschied zwischen Tumoren 43
„Genetische Mutation” Modell
„Deszendente Zelle” Modell
Onkogenes Ereignis
Onkogenes Ereignis
Subtyp X
A
Subtyp X
B
Subtyp Y
A
B
C
Subtyp Y
Subtyp Z
C
Subtyp Z
44
Microarray-Ergebnisse
Wenige Gene werden oft, viele nur selten mutiert
Fahrer- und Passagiermutationen
(driver
passenger)
45
46
Parasitische Tumorzellen
- Sticker-Sarkom
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