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 – Hund Krebs
