Chemische Kanzerogenese
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Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Institut für Rechtsmedizin Chemische Kanzerogenese Dr. rer. nat. Cornelius Courts 28.05.2014 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Definitionen und Begriffe Krebs von griech. karkinos / lat. cancer „… und an der Brust sahen wir häufig Tumoren, die der Gestalt eines Krebses sehr ähnlich waren. So wie die Beine des Tieres an beiden Seiten des Körpers liegen, so verlassen die Venen den Tumor, der seiner Form nach dem Krebskörper gleicht.“ – Galenos von Pergamon Tumor: Krebsgeschwulst Bezeichnung maligner Tumoren mit Endung „-om“: - Karzinom (Deckepithel) - Sarkom (Stützgewebe) - Lymphom (Blut/Knochenmark) 02.06.2014 Lungenkarzinom Seite 2 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Definitionen und Begriffe Chemische Kanzerogenese: Initiation eines Prozesses von unkontrollierter Neubildung (Neoplasie) von Geweben infolge der Einwirkung krebserzeugender Stoffe. Karzinogene/Kanzerogene: Substanzen, die eine Umwandlung von normalen Zellen in Tumorzellen durch Veränderung der DNA und damit Initiation eines Tumors bewirken. ⇒ Krebs ist eine genetische Erkrankung 02.06.2014 Seite 3 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Die sechs Kennzeichen von Krebs* 1.) Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren 2.) Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren 3.) Immunität gegen Apoptose 4.) Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung 5.) fortgesetzte Angiogenese 6.) Gewebeinfiltration und Metastasierung 7.) Deregulierung des Energiestoffwechsels 8.) Umgehen der Immunantwort Kennzeichen „auf Probe“ a) Genomische Instabilität b) tumorfördernde Entzündungsreaktion aktivierende Charakteristika 02.06.2014 * Cell. 2011 Mar 4;144(5):646-74. Seite 4 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Krebs – Epidemiologie häufigste Todesursachengruppen (2007, Deutschland) 02.06.2014 Seite 5 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Krebs – Epidemiologie Prozentanteil ausgewählter Tumorlokalisationen an allen Krebsneuerkrankungen (Deutschland) 02.06.2014 Seite 6 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Krebs – Epidemiologie Die 20 häufigsten Krebstodesursachen 2007 Altersstandardisiert, pro 100.000 Männer 02.06.2014 Frauen Seite 7 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Übersicht • Zellzyklus und DNA • Der Ablauf der Kanzerogenese - Drei-Stufen-Modell (veraltet) - Onkogene und Tumorsuppressorgene - Mehrstufen-Modell • • • • Die Auslöser (Kanzerogene) DNA-Modifikationen: Schäden und Mutationen Physikalische und biologische Kanzerogenese Chemotherapie → demnächst hier: http://www.rechtsmedizin.uni-bonn.de/studium/ 02.06.2014 Seite 8 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Der Zellzyklus Der Zellzyklus ist in mehrere Phasen unterteilt: ¾ G0-Phase: Phase zwischen den Zellzyklen ¾ G1/G2-Phasen: Ausdehnungsphasen mit Nährstoffaufnahme ¾ S-Phase: DNA-Replikation (Chromatiden werden verdoppelt) ¾ M-Phase: Eigentliche Teilungsphase (M: Mitose) Die Steuerung des Zellzyklus‘ und damit der Zellteilung unterliegt einer strengen Kontrolle! 02.06.2014 Seite 9 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Grundstruktur und Nomenklatur der DNA-Bausteine Pyrimidine Purine T=A Deoxyadenosin-5-phosphat (dAMP) Deoxythymidin-5-phosphat (dTMP) Bindungspartner Grundbauplan von Nukleotiden C≡G Deoxycytidin-5-phosphat (dCMP) 02.06.2014 Deoxyguanosin-5-phosphat (dGMP) Seite 10 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Ausschnitt aus einem DNA-Einzelstrang 5‘-Ende » Orientierung von 5´-Phosphatende in Richtung 3´OH-Ende (5‘→ 3‘) -O » Verbindung der Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen: R-O- P- O-R =O » Es gibt versch. Kurzschreibweisen für DNA-Ketten: 3‘-Ende 02.06.2014 Seite 11 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Struktur: Doppelhelix » Grundlagen für die Aufklärung der DNA-Struktur: – Chargaff´sche Regel der Basenverhältnisse: (T + C) = (A + G) – Hinweis auf Komplementarität der Basenpaare A-T und G-C – Röntgenstrukturanalysen (durchgeführt v.a. durch Maurice Wilkins u. Rosalind Franklin) » Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und antiparallel (5´-3´- bzw. 3´-5´- Strang) » Implikationen aus der DNA-Struktur: Sequenz der Nukleotide für genet. Information verantwortlich Replikationsmodell wurde vorgeschlagen » Nobelpreis 1962 für J. Watson u. F. Crick » 2013: DNA wird 60! 02.06.2014 (34 Angström = 3,4 nm) DNS-Doppelhelix nach James Watson & Francis Crick, Nature, 1953 Seite 12 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Was hält die Doppelhelix zusammen? Δ = 1,24 Elektronegativität 02.06.2014 Institut für Rechtsmedizin Seite 13 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Wasserstoffbrückenbindungen 5‘- Ende 3‘- Ende Angström 2x 3‘- Ende 5‘- Ende 3x » Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren 02.06.2014 Institut für Rechtsmedizin Seite 14 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Struktur der DNA-Doppelhelix Zucker-PhosphatRückgrat 3D 2D 02.06.2014 Seite 15 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Entstehung von Krebs „Drei-Stufen-Modell“ (veraltet) Normale Zelle DNA-Schäden durch Chemikalien, Strahlung, Viren etc. (Mutationen sammeln sich an) Initiation Initiierte Zelle (Selektive klonale Expansion) Promotion Progression 02.06.2014 Präneoplastische Läsion (genetische Veränderungen) Bösartiger Tumor (Metastasierung) Seite 16 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemische Kanzerogenese Schematisch I n i t i a t i o n Nahrung enthält DNA mutiert Reparatur Kanzerogen mutierte DNA leitet ein P r o KANZEROGENESE m o Co-Kanzerogen führt zu hemmt beschleunigt t (Promotor) i o KREBS n 02.06.2014 Zelltod Antipromoter Seite 17 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Beispiele für Promotoren Ethanol ! Saccharin Männer: max. 24 g/d! Frauen: max 12 g/d! Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) Phenobarbital 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin Butylhydroxytoluol (BHT) E321 02.06.2014 Seite 18 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Zusammenwirken von Initiation und Promotion Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Proto-onkogene und Onkogene »Proto-Onkogene sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden »Proto-Onkogene steuern das ‚Teilungsverhalten‘ der Zellen; es gibt mehrere Klassen (kodierte Proteine sind an Regulation der Proliferation und Differenzierung beteiligt) »Proto-Onkogene mutieren zu Onkogenen Î krebsfördernde Gene (erhöhte Expression oder Expression zur falschen Zeit sowie qualitative Veränderungen der Onkogenprodukte können krebsauslösend sein) »Abweichung vom physiolog. Genexpressionsmuster trägt zur Umwandlung in Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum bei Î maligne Transformation 02.06.2014 Seite 20 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Tumorsuppressorgene (TSG) »TSG sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden »TSG begrenzen das Zellwachstum, stoppen den Zellzyklus bei DNA-Schäden oder leiten den programmierten Zelltod ein »Das TSG tp53 ist in ~50% aller menschlichen Tumore durch Mutationen deaktiviert! »Die Deaktivierung von TSGs trägt zur Umwandlung Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum und Immunität gegen den programmierten Zelltod bei Î maligne Transformation 02.06.2014 Seite 21 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Entstehung von Krebs „Mehrstufen-Modell“ Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren Unempfindlich keit gegen Hemmfaktoren Deregulierung des Energiestoffwechsels Immunität gegen Apoptose Immunantwort umgehen KREBS tumorfördernde Entzündungsreaktion Genomische Instabilität fortgesetzte Angiogenese 02.06.2014 Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung Gewebeinfiltration und Metastasierung Seite 22 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Die „Auto-Analogie“ „Mehrstufen-Modell“ Eigener Tanklaster fortgesetzte Angiogenese Gaspedal festgeklemmt Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren Motorabriegelung deaktiviert Immunität gegen Apoptose Verlassen der Strasse Gewebeinfiltration und Metastasierung Bremsen kaputt Unempfindlich keit gegen Hemmfaktoren 02.06.2014 Lenkung außer Kontrolle Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung Seite 23 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Allgemeines Die Ursachen von Krebs - Alter (Mutationen sammeln sich an) - Vererbung (Prädispositionen) - Umwelteinflüsse auf DNA (Karzinogene, Strahlen, Viren) » Wirkungskumulation: Gesamtzeit des Kontaktes mit karzinogener Substanz bestimmt die Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung; Latenzperiode von 10-20 Jahren 02.06.2014 Seite 24 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Allgemeines » im Gegensatz zu Einzellern besitzen vielzellige Organismen komplexe Steuerungsmechanismen der Zellteilung (Regelkreise für koordiniertes Wachstum) » Aufgaben der Ausgangszelle werden nicht (mehr) erfüllt (Hormonproduktion, Abwehr etc.): Zellen verlieren Identität (Entdifferenzierung) » Stadium der Zunahme der Bösartigkeit (Malignität) durch Hinzukommen neuer mutativer Ereignisse = Progression 02.06.2014 Seite 25 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Allgemeines » ca. 1016 Zellteilungen im Laufe eines Menschenlebens; spontane Fehlerrate bei 1:106 bis 1:108; jedes Gen hat 108 - 1010 mal die Chance spontan zu mutieren (+ fremdstoffinduzierte Mutationen) (Hinweis: der Zug einer Zigarette erzeugt bis zu 10.000 Punktmutationen!) » pro Zelle müssen Ø 2-7 mutagene Ereignisse eintreffen, damit sie maligne entarten kann (Abhängigkeit vom Alter) Die Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken, steigt mit der Lebenserwartung an: Krebs ist eine Erkrankung des Alters! 02.06.2014 Seite 26 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Wie häufig ist chemische Kanzerogenese? > 65 % aller Krebstodesfälle! 02.06.2014 Seite 27 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Krebsrisikofaktoren gem. WHO ⇒ Stoffe oder Prozesse, die im Tierversuch einen der folgenden Vorgänge induzieren: • Inzidenz von spontanen Tumoren (ohne Zufuhr von kanzerogenen Substanzen) wird erhöht • Tumore werden erzeugt, die nicht spontan beobachtet werden • die Latenzzeit bis zum Auftreten eines Tumors wird verkürzt • die Zahl der Tumore pro Einzeltier wird erhöht 02.06.2014 Seite 28 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Typische Eigenschaften von Krebsrisikofaktoren Komplette Kanzerogene Bedingt krebsauslösende Faktoren - Reagieren mit DNA; mutagen - Reagieren nicht mit DNA; nicht mutagen - lösen DNA-Reparatur aus - wirken proliferationssteigernd - initiieren - promovieren - Wirkung ist irreversibel und additiv - Wirkung ist reversibel und kann additiv sein - Keine Wirkungsschwelle - Wirkungsschwelle möglich 02.06.2014 Seite 29 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Einteilung der chemischen Kanzerogene Einteilung der Chemischen Kanzerogene in drei Gefahrenkategorien (§ 1.4.2.1 GefStoffV Anhang 1 und Richtlinie 67/548/EWG) • Kategorie 1 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 1“) - krebserzeugende Wirkung beim Menschen ist bekannt - Kausalzusammenhang zw. Exposition und Krebsentstehung ist belegt • Kategorie 2 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 2“) - begründeter Verdacht, daß Exposition zu Krebsentstehung führt (z.B. durch Langzeitversuche etc.) • Kategorie 3 (R40) - möglicherweise krebserzeugend beim Menschen - noch nicht genügend Information/Belege für Kat. 2 02.06.2014 Seite 30 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Beispiele für chemische Karzinogene Kategorie 1 Kategorie 2 Kategorie 3 Asbest Acrylamid Ozon Benzol Benzpyren Oxazepam Dieselabgase Ottokraftstoff Heizöl (Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4 Acrylamid Chrysotilasbest Oxazepam Benzol 02.06.2014 3,4-Benzpyren Seite 31 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Nitrosamine, Nitrosamide • N-Nitrosamine entstehen endogen im sauren Milieu des Magens aus sek. Aminen (diese entstehen aus Proteinen beim Kochen o. Braten) durch Umsetzung mit Nitrit (enthalten in Pökelsalz oder bakterielle Entstehung im Speichel aus Nitrat (Dünger); freigesetzte Amine werden nitrosiert (hemmbar durch Vit. C) • Nitrosamide reagieren spontan, Nitrosamine erst nach enzym. Oxidation; gleiche Reaktion auch bei Hydrazin- und AzoxyVerbindungen • heute Aufnahme < 0,5 μg Nitrosamine/d; vor Jahren Bier mit 6,8 μg/L (Veränderung der Malzgewinnung und Verzicht auf Gerstentrocknung mit heißer Luft); Pökelfleisch mit 12 μg/kg (jetzt Ascorbinsäure) 02.06.2014 Seite 32 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Kanzerogene Naturstoffe Mycotoxine (z.B. Aflatoxin) » Vorkommen in Schimmelpilzen » hochgradig karzinogen, lösen Leberkrebs aus » Aufnahme durch verschimmelte Nahrungsmittel (v.a. Brot, Nüsse, Getreide) » Regional differentielle Aufnahme zw. 4-222 µg/kg KG, was gut mit Inzidenz von Lebertumoren korreliert (1-13 / 100.00 Einwohner / Jahr) 02.06.2014 Seite 33 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Weitere chemische Karzinogene • polyzyklische Aromaten; PAK (Benzol, 3,4Benzpyren…) • aromatische Amine (Oxazepam…) • freie Radikale • aliphatische Epoxide (Klebstoffe….) 02.06.2014 Seite 34 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikationen Schäden und Mutationen 02.06.2014 Seite 35 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Maßstäbe von Mutationen Die DNA kann auf verschiedenen Organisationsebenen mutiert werden: + Genommutation Maßstab Veränderung des Chromosomensatzes durch Verlust/Zugewinn ganze Chromosomen (z.B. bei Fehlern in der Mitose) - Chromosomenmutation - Chromosomenbrüche und Verlust von Teilen - Chromosomentranslokation: Austausch von Chromosomenstücken Genmutation - Einzelnukleotidaustausche, Insertion, Deletion, Inversion, Verdoppelungen 02.06.2014 Seite 36 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Schäden und Mutationen - DNA-Schäden und DNA-Mutationen sind nicht identisch - DNA-Schäden erzeugen nicht immer Mutationen - Schäden können erkannt und repariert werden - bei schwersten Schäden zerstört sich die Zelle selbst - Mutationen werden nicht immer durch DNA-Schäden erzeugt - Mutationen können spontan entstehen - DNA-Schäden selbst lösen keinen Krebs aus; Mutationen können Krebs auslösen: DNA-Schaden (→) DNA-Mutation (→) Krebs 02.06.2014 Seite 37 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Veränderungen im Überblick Bezeichnung Typ Beispiel Basenmodifikation S 8-Oxo-7,8-Dihydroguanin , Thymindimere Strangbruch S Einzelstrangbruch, Doppelstrangbruch AP-Läsion S Verlust einer Base, z.B. Guanin Quervernetzung S Vernetzung zwischen Basen desselben Stranges oder zwischen den Strängen Interkalation S Einlagerung von Molekülen, die die Struktur der DNA verzerren Substitution M AGCTAGCTA → AGCTGGCTA Insertion M AGCTAGCTA → AGCATGTAGCTA Deletion M AGCTAGCTA → AGCCTA Inversion M AGCTAGCTA → AGGATCCTA S: Schädigung M: Mutation 02.06.2014 Seite 38 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation Basenmodifikation - DNA-Addukte durch Reaktion elektrophiler Fremdstoffe oder Fremdstoffmetabolite mit Basen - Reaktion mit Sauerstoffradikalen - Bestrahlung mit UV-Licht einer Wellenlänge, die von DNA absorbiert wird (Absmax: 260 nm) - Spontane Basenmodifikation: z.B. Desaminierung von Cytosin zu Uracil (100x/Zelle/d); U ist komplementär zu A statt zu G: falsche Basenpaarung in Tochtergeneration 02.06.2014 Seite 39 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation Basenmodifikaton: Mutation durch Fehlpaarung -CH3 Die normale Basenpaarung (A:T und C:G) Thymin = Adenin Methylierung von Guanin zu O6-Methylguanin führt zur Paarung mit Thymin (statt Cytosin). Cytosin ≡ Guanin Ein neu gebildeter Tochterstrang trägt also ein T statt ein C: Mutation! Thymin ≡ O6-Methylguanin Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation Strangbrüche Strangbruch = Hydrolyse einer Zucker-Phosphat-Bindung eines Nucleotids • Reaktion mit Sauerstoffradikalen (Bldg. u.a. durch Röntgen-, Gamma- und UVStrahlung) • Beeinflussung der Enzymaktivität von DNAsen, Topoisomerasen, und Endonucleasen durch Fremdstoffe • Fremdstoffe, die die intrazelluläre CaKonzentration erhöhen und damit die Caabhängigien Endonucleasen aktivieren 02.06.2014 Seite 41 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation AP-Läsionen AP-Läsion = Hydrolyse glykosidischer Bindung und Verlust einer Base • Alkylierende Fremdstoffe erleichtern die Hydrolyse von Guanin-Zucker-Bindungen durch N7-Substitution der Purine • Bei radikalischem Angriff können oxidierte AP-Läsionen entstehen ⇒ Pro Tag gehen etwa 5000 Purinbasen aus dem Genom einer menschlichen Zelle durch therm. Hydrolyse der glykosidischen Bindung zur Desoxyribose verloren 02.06.2014 Seite 42 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation Quervernetzung Vernetzung - der beiden Stränge (interstrandcrosslink) - zweier Basen des gleichen DNAStranges (intrastrand-crosslink) - zwischen Kernprotein (z.B. Histon) und DNA ( DNA-Proteincrosslink) ⇒ Ausgelöst durch bifunktionelle Elektrophile (LostDerivate, cis-Platin-Abkömmlinge) 02.06.2014 Seite 43 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Modifikation Interkalation Interkalation = Einlagerung von Fremdstoffen zwischen Basenpaare und Veränderung der räumlichen Anordnung ⇒ Flache, positiv geladenen Moleküle können mit den Phosphat-Resten der DNA wechselwirken und sich zwischen die Basenpaare einschieben Interkalatoren: Ethidiumbromid (Fluoreszenzfarbstoff), Proflavin 02.06.2014 Seite 44 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Genmutation Mögliche Folgen Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen • Falsche Base führt nicht zu einer Änderung der codierten Aminosäure → stumme Mutation, keine schädlichen Folgen • Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion nicht-essentiellen Aminosäure → neutrale Mutation, keine schädlichen Folgen • Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion essentiellen Aminosäure → schädliche Mutation, möglicherweise gefährlich 02.06.2014 Seite 45 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Genmutation Mögliche Folgen Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen • Es wird eine Base übersprungen → Deletion (frame-shift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich • Es wird eine Base zuviel eingebaut → Insertion (frameshift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich • Es wird eine Base betroffen, die an Rekombination beteiligt ist → irreguläre Rekombinationsprosse, Duplikation von DNA-Abschnitten, sehr wahrscheinlich schädlich 02.06.2014 Seite 46 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chromosommutation Mögliche Folgen DNA-Strangbrüche gehen voraus • Chromosomenbruch → Teile gehen verloren • Translokation → Teile werden auf anderes Chromosom übertragen 02.06.2014 Seite 47 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Krebs durch Translokation Ein Beispiel Blutkrebs: myeloische Leukämie Translokation von Chromosom 22 und Chromosom 9 » Auf Chromosom 9 liegt ein ProtoOnkogen, das vor allem im Rückenmark die Ausbildung weißer Blutzellen steuert » Dieses wird durch die Translokation an einen Platz versetzt, der oft abgelesen wird » Dadurch entsteht eine „Überdosis“ des Proto-Onkogens und die Steuerung der Zellteilung wird dysreguliert ⇒ Blutkrebs 02.06.2014 Seite 48 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Genommutation Mögliche Folgen • Verlust oder Erwerb eines ganzen Chromosoms → Kern wird aneuploid; immer schädlich 02.06.2014 Seite 49 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Reparatur von DNA-Schäden? Ja, aber nicht so! 02.06.2014 Seite 50 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts DNA-Reparatur → DNA-Reparatur: Bezeichnung für eine Vielzahl an Prozessen, durch die eine Zelle Schäden an der DNA detektieren und reparieren kann (man kennt mind. 34 vererbliche Mutationen in DNA-Reparatur-Genen, die das Krebsrisiko erhöhen) → Verschiedene Reparaturmechanismen für verschiedene Arten von Schäden • Direkte Reparatur (Schaden wird „rückgängig“ gemacht; z.B. Thymin-Dimere durch Photolyase) • Einzelstrangreparatur (BER, NER, MMR) • Doppelstrangreparatur (NHEJ, MMEJ, HR) • Transläsionale Reparatur („Drüberschreiben“) 02.06.2014 Seite 51 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Reparatur von DNA-Schäden Beispiel: Einzelstrangreparatur, NER 02.06.2014 Seite 52 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Wie schädigen Kanzerogene die DNA? am Beispiel von • Aliphatischen Epoxiden • PCKWs • kanzerogene Naturstoffen • Aflatoxin B1 • Freie Radikalen 02.06.2014 Seite 53 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Aliphatische Epoxide (Vinylchlorid) • • Mischfunktionelle Oxygenase + spontane Umlagerung das Chloracetaldehyd o. auch schon das Epoxid reagiert mit nucleophilen Stellen an DNA-Basen (z.B. Adenin) Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) » Entstehen beim Braten und Räuchern v.a. über offenem Feuer. » Sind auch in Farben und Lösungsmitteln enthalten ⇒ Wirken kanzerogen aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den DNA-Basen PAK Adenin Guanin 02.06.2014 Seite 55 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Kanzerogene Naturstoffe können metabolisch zu direkt gentoxischen Elektrophilen aktiviert werden 02.06.2014 Seite 56 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Kanzerogene Naturstoffe Aflatoxin B1 Epoxidierung Überwiegend Reaktion mit Guanin 02.06.2014 Seite 57 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Freie Radikale O2 + NADPH NADPHoxidase .O - + Fe +++ .O - + 2 H + - O2 + Fe 2 H2O2 H2O2 + Fe + O2 + NADP + H 2 ++ + ++ .OH + OH - + Fe+++ .OH ist elektrophil und greift DNA-Basen an 02.06.2014 Seite 58 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Direkte (ultimate) und indirekte (proximale) Kanzerogene » Direkte Kanzerogene sind aktiv ohne metabolische Aktivierung, reagieren direkt mit DNA » Indirekte Kanzerogene werden erst nach metabolischer Aktivierung aktiv (Kapazität der metabol. Aktivierung sowohl spezies- als auch individual- und organspezifisch, daher Spezies- und Organspezifität (z.B. Anilin - Harnblase; Vinylchlorid - Angiosarkom in Leber) 02.06.2014 Seite 59 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Ursachen für Organotropie » bevorzugte Aufnahme in bestimmte Zellen » ultimates Kanzerogen (K.) wird extrazellulär nur unter best. Bedingungen gebildet (z.B. pH) » proximales K. wird nur in best. Zellen zu ultimatem K. metabolisiert » nur in best. Zellen mißlingt rechtzeitige Deaktivierung ultimater K. (z.B. mit Glutathion) » betroffenes Gen wird nur in best. Zellen exprimiert, ansonsten ist Repression zu stark » K. ist unvollständig, für Promotor fehlt Rezeptor 02.06.2014 Seite 60 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Wie entsteht Krebs durch DNA-Mutationen? Zusammenfassung bisher: - Krebs = bösartiger Tumor: besteht aus entarteten Zellen, die die Kontrolle über Teilung, Wachstum und Funktion verloren haben - Bestimmte Chemikalien können die DNA schädigen - DNA-Schäden können Mutationen bedingen → Mutationen können Krebs auslösen ⇒ Mutationen in verschiedenen Genen können unterschiedliche Auswirkungen auf die Zelle haben und alle Merkmale einer Krebszelle bedingen z.B. Aktivierung von Proto-Onkogenen Deaktivierung von Tumorsuppressorgenen 02.06.2014 Seite 61 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Andere Wege der Kanzerogenese » Drei Klassen von Kanzerogenen - wobei zur kanzerogenen Wirkung noch eine mögliche familiäre Disposition hinzukommt: ¾Chemische Kanzerogene ¾Physikalische Kanzerogene ¾Biologisch-virale Kanzerogene 02.06.2014 Seite 62 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Physikalische Kanzerogene Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe: • Ionisierende Strahlung, die Atombindungen zerstört (kürzerwellig als Licht, Röntgen-, Gammastrahlung) • UV-Strahlung, die falsche Paarungen in der DNA auslöst, die die DNA-Raumstruktur verzerren 02.06.2014 Seite 63 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Physikalische Kanzerogene Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe: • Radioaktive Strahlung (α- und β-Strahlung) • Radionuklide, also Kontrastmittel für Röntgen-Untersuchungen, führten früher zur Ausbildung bösartiger Lebertumoren 02.06.2014 Seite 64 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Physikalische Karzinogene Was Strahlung in der DNA anrichtet hν Chromosomen a und b normaler Zustand 02.06.2014 Chromosomenbrüche Reparierte Chromosomen Reparaturmechanismus Translokation! Seite 65 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Physikalische Karzinogene Was Strahlung in der DNA anrichtet Photocycloaddition 02.06.2014 Seite 66 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Physikalische Karzinogene Was Strahlung in der DNA anrichtet Quervernetzung! 02.06.2014 Seite 67 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Biologische Kanzerogenese vor allem Viren und Bakterien! ¾ Helicobacter pylori (Bakterium) verursacht chronische Gastritis und ist an der Entstehung der meisten Magenkarzinome beteiligt! Ca. 40-50% der Bevölkerung sind infiziert. ¾ Viren werden mit 15% aller Krebsleiden in Verbindung gebracht. ¾ Bei 90% aller an Gebärmutterhalskrebs erkrankter Frauen wurde im Tumorgewebe Erbsubstanz des Papillmovirus‘ (HPV) gefunden. ¾ Das Epstein-Barr-Virus kann u.a. Burkitt-Lymphome auslösen. 02.06.2014 Seite 68 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Biologische Kanzerogenese Virale Kanzerogenese » Viren binden spezifische Zelloberflächenantigene (z.B. CD4), fusionieren mit oder perforieren die Zellmembran und importieren ihre Erbsubstanz in die Wirtszelle Wirtszelle » Bei einigen Viren wird die DNA in die Wirtszell-DNA integriert, was kanzerogene Wirkung haben kann. Viren (viel kleiner) 02.06.2014 Seite 69 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Zusammenfassung » Es gibt viele Arten von DNA-Mutationen » Kanzerogene (darunter bestimmte Chemikalien) können DNAMutationen auslösen » Krebs entsteht, wenn DNA-Mutationen die Entartung einer Zelle bewirken (z.B. durch Transformation von Proto-Onkogenen zu Onkogenen oder die Deaktivierung von Tumorsuppressor-genen) » Die Regulation der Zellteilung wird aufgehoben, die Zellen entdifferenzieren, wachsen und teilen sich unkontrolliert und bilden schließlich Tumore 02.06.2014 Seite 70 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Medikamentöse Therapie von Tumoren Ziel der Tumortherapie ist vollständige Elimination aller Tumorzellen. Problem bei jedem Behandlungsschritt wird nur ein bestimmter Anteil getroffen (Elimination nach Kinetik 1. Ordnung) Bsp.: Tumor von 100 g enthält ca. 1011Zellen; wenn in mehreren Schritten 99% eliminiert sind, bleiben 109 Zellen übrig (1 g) → Folge: zwar komplette Remission (keine klinischen Symptome), aber keine Heilung!! 02.06.2014 Seite 71 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapeutika Phasen-spezifisch wirksame Stoffe: Mitosehemmstoffe und Antimetabolite (Hemmung der Bereitstellung von Vorstufen für die DNA-Synthese) Zyklus-spezifisch wirksame Stoffe: Alkylantien und Antibiotika wirken phasen-unspezifisch, evtl. abhängig von Proliferation 02.06.2014 Seite 72 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Typische Verläufe 1: Behandlung muß nach 4 erfolgreichen Applikationen unterbrochen werden, die verbleibenden Zellen wachsen weiter. 2: Wirksamkeit der Behandlung wird durch Resistenzentwicklung vermindert 3: Erfolgreich Behandlung in wenigen gleichbleibend wirksamen Schritten Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Nebenwirkungen » außer Hormonen fungieren alle Chemotherapeutika als Zytostatika UND bewirken Zytolyse auch in normalen Zellen (vor allem betroffen sind Wechselgewebe wie Knochenmark, MagenDarm-Epithel, Haut) » bei intermittierender Chemotherapie werden Pausen eingelegt, wodurch gleichzeitig Synchronisationsprozesse gefördert werden (Rekrutierung aus G0-Phase) » bei Stoßtherapie hohe Dosen in größeren Abständen (wenig resistente Zellen!) » niedrig dosierte Dauertherapie ist der Erhaltungstherapie vorbehalten 02.06.2014 Seite 74 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Antimetabolite haben Affinität zu Enzymen der Biosynthese von Nukleinsäurebasen; wirken vor allem in S-Phase, da dort besonderer Bedarf an Nukleotiden besteht » Folsäure-Analoge Methotrexat blockiert Umwandlung von Dihydrofolsäure zur Tetrahydrofolsäure (wichtig für Thymidin- und Purin-Synthese) » Pyrimidin-Analoge 5-Fluoruracil blockiert Thymidilatsynthethase » Purin-Analoge Mercaptopuren hemmt ersten Schritt der Purinbiosynthese 02.06.2014 Seite 75 Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Antimetabolite Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts Chemotherapie Antibiotika → mit zytotoxischen Eigenschaften bes. in S-Phase (trifft sich schnell teilende Zellen) » Dactinomycin interkaliert in DNA, wodurch RNA-Polymerase und Zellwachstum gehemmt werden » Daunorubicin und Doxorubicin interkalieren, produzieren aber auch Sauerstoffradikalanionen für Einzel- u. Doppelstrangbrüche und Schwesterchromatidaustausch » Bleomycin bildet Chelat mit Metallionen und erzeugt als Oxygenase Sauerstoffradikalanionen 02.06.2014 Seite 77
