Περιβαλλοντικός ή κληρονοµικός καρκίνος; * 85% των καρκίνων προκαλούνται από περιβαλλοντικούς παράγοντες

Aιτιολογία του καρκίνου Μοριακή βάση της καρκινογένεσης Β. Ζολώτα, Εργαστήριο Παθολογικής Ανατοµίας, Ιατρικό Τµήµα, Πανεπιστήµιο Πατρών

Θεµελιώδεις αρχές Μια µη θανατηφόρα γενετική βλάβη αποτελεί το εναρκτήριο γεγονός της καρκινογένεσης Τρεις αρχικές κατηγορίες φυσιολογικών γονιδίων αποτελούν τον πρωταρχικό στόχο της γενετικής βλάβης (πρωτοογκογονίδια, ογκοκατασταλτικά γονίδια, γονίδια που ρυθµίζουν την απόπτωση) Μια τέταρτη κατηγορία αφορά τα γονίδια επιδιόρθωσης του DNA Η καρκινογένεση είναι µια πολυσταδιακή διαδικασία σε φαινοτυπικό και γονιδιακό επίπεδο

Περιβαλλοντικός ή κληρονοµικός καρκίνος; * 85% των καρκίνων προκαλούνται από περιβαλλοντικούς παράγοντες * Υπόλοιποι καρκίνοι: κληρονοµική * Υπόλοιποι καρκίνοι: κληρονοµική προδιάθεση

Η γεωγραφική κατανοµή µερικών καρκίνων καταδεικνύει τη σηµασία περιβαλλοντικών παραγόντων

HCC

Καρκινογόνο *Παράγοντας που προκαλεί καρκίνο *Τρεις κατηγορίες : Χηµικά καρκινογόνα Ακτινοβολία (φυσικά αίτια) Ογκογόνοι µικροοργανισµοί (κυρίως ιοί)

Xαρακτηριστικά του καρκίνου Αυτονοµία στα µηνύµατα ανάπτυξης Μη ανταπόκριση στα ανασταλτικά της ανάπτυξης µηνύµατα Αποφυγή της απόπτωσης Ανεξάντλητο δυναµικό πολ/µού Συντηρούµενη αγγειογένεση Ικανότητα διήθησης και µετάστασης Cell 2000

Πέντε αλλαγές χρησιµοποιούν τα καρκινικά κύτταρα για να αποκτήσουν αυτονοµία στα µηνύµατα ανάπτυξης(1) Αυξητικοί παράγοντες (καρκινικά κύτταρα συνθέτουν αυξητικούς παράγοντες, π.χ. PDGF από γλοιοβλαστώµατα και TGF-a από σαρκώµατα) Υποδοχείς αυξητικών παραγόντων (µεταλλάξεις ή υπερέκφραση υποδοχέων, π.χ. ΕGFR, c-erbb2 erbb2) Πρωτείνες µεταγωγής σήµατος (π.χ. RAS, ABL) Πυρηνικοί µεταγραφικοί παράγοντες (MYC, MYB, JUN, FOS) π.χ. απορρύθµιση MYC λόγω t(8;14) οδηγεί σε λέµφωµα Burkitt Κυκλίνες και κυκλινοεξαρτώµενες κινάσες

Παράδειγµα οικογένειας RAS 30% των καρκίνων έχουν RAS µεταλλάξεις (κωδόνια 12, 13, 61): κυρίως Ca παχέος εντέρου και παγκρέατος Οther feedback loops: loss of PTEN or mtor amplify PIEK signaling

Περίπτωση ABL Το ABL πρωτοογκογονίδιο έχει δράση τυροσινικής κινάσης η οποία φυσιολογικά βρίσκεται σε καταστολή. Στη XML αυτή η δραστηριότητα είναι απελευθερωµένη γιατί το ABL είναι µετατοπισµένο (9;22), και συνδεδεµένο µε το BCR (breakpoint cluster region). Το σύµπλεγµα BCR-ABL έχει δραστηριότητα κινάσης και ενεργοποιεί τα µονοπάτια RAS-RAF RAF

Πολύπλοκη λειτουργία του ABL στην ογκογένεση

Τα σύµπλοκα κυκλινών και κυκλινοεξαρτώµενων κινασών είναι οι κύριοι ρυθµιστές της εξέλιξης του κυτταρικού κύκλου CDK Cyclin CDK Cyclin ATP binding site Substrate binding site

Τα σύµπλοκα cyclin-cdk ενεργοποιούνται σε διαφορετικές φάσεις του κυτταρικού κύκλου Τουλάχιστον 9 Τουλάχιστον 20 CDK4 Cyclin D1, D2, D3 G1 CDK6 Cyclin D1, D2, D3 G1 CDK2 Cyclin E G1/S CDK2 Cyclin A S CDK1 Cyclin A G2/M CDK1 Cyclin B Mitosis CDK7 Cyclin H CAK, all phases

Η έκφραση των συµπλόκων cyclin/cdk κατά την εξέλιξη του κυτταρικού κύκλου είναι υψηλά οργανωµένη (1) Σύνθεση της κυκλίνης (2) Δηµιουργία του συµπλέγµατος cyclin/cdk (3) Πρωτεόλυση της κυκλίνης από την ουµπικουϊτίνη

Ο κυτταρικός κύκλος ρυθµίζεται θετικά και αρνητικά Θετικοί ρυθµιστές Αρνητικοί ρυθµιστές

Αctivities of CDKs are controlled by the ubiquitin-mediated proteolysis of key regulators such as cyclins and CDK inhibitors

Μη ανταπόκριση στα ανασταλτικά της ανάπτυξης µηνύµατα (2) Πρωτείνες ογκοκατασταλτικών γονιδίων: παρέχουν φρένα στον κυτταρικό πολ/µό και η αποδιοργάνωσή τους καθιστά τα κύτταρα µη ευαίσθητα στα σήµατα αναστολής της ανάπτυξης Γονίδιο RB και κυτταρικός κύκλος TP53: Ο φύλακας του γονιδιώµατος Μονοπάτι του TGF-β Αδενωµατώδης πολυποδίαση του κόλου (APC) µονοπάτι β-κατενίνης

Σηµεία ελέγχου του κυτταρικού κύκλου (Checkpoints) Ρυθµίζουν την εξέλιξη του κυτταρικού κύκλου µε βάση περιβαλλοντικά σήµατα (αυξητικοί παράγοντες, εξωκυττάρια ουσία, διακυτταρικές συνδέσεις) Διακόπτουν τον κυτταρικό κύκλο όταν απειλείται η Διακόπτουν τον κυτταρικό κύκλο όταν απειλείται η ακεραιότητα του γονιδιώµατος

Το ευκαρυωτικό κύτταρο έχει τρια (3) σηµεία ελέγχου Τα χρωµοσώµατα έχουν συνδεθεί στις ατράκτους? M G1 Σηµεία ελέγχου του κυτταρικού κύκλου Είναι κατάλληλο το περιβάλον? Είναι ακέρaιο το DNA? Λειτουργεί η µηχανή αναδιπλασιασµού? S Το κύτταρο συνεχίζει τον έλεγχο του DNA για την παρουσία βλάβης Είναι ακέραιο το DNA και αναδιπλασιασµένο σωστά?η µιτωτική µηχανή λειτουργεί? G2

Σηµείο περιορισµού (Restriction point): «Ο δρόµος χωρίς επιστροφή»

Γονίδιο RB RB: πρώτο ογκοκατασταλτικό γονίδιο που ανακαλύφθηκε και προκαλεί το νεόπλασµα ρετινοβλάστωµα (60% σποραδικό, 40% οικογενές) Ασκεί τη δράση του στη µετάπτωση G1/S του κυτταρικού κύκλου Υποφωσφορυλιωµένο/ενεργές υπερφωσφορυλιωµένο/ανενεργές

Γονίδιο RB (συνέχεια) Όταν τα αδρανή κύτταρα ενεργοποιηθούν από αυξητικούς παράγοντες, οι συγκεντρώσεις των D και Ε κυκλινών αυξάνουν και η εκ του αποτελέσµατος ενεργοποίηση της κυκλίνης D/CDK4, κυκλίνης D/CDK6 και κυκλίνης E/CDK2, οδηγεί στη φωσφορυλίωση της RB Η φωσφορυλιωµένη µορφή του RB απελευθερώνει τους Ε2F µεταγραφικούς παράγοντες και ενεργοποιεί την αντιγραφή πολλών γονιδίων στόχων Πολλοί DNA ογκογόνοι ιοί δρουν εξουδετερώνοντας την ανασταλτική δράση της RB!!

Η φωσφορυλίωση του RB ρυθµίζει την πρόοδο της G1

Η απώλεια του ελέγχου του φυσιολογικού κυτταρικού κύκλου είναι κεντρικής σηµασίας για την κακοήθη εξαλλαγή και τουλάχιστον ένας από τα τέσσερις ρυθµιστές-κλειδιά του κυτταρικού κύκλου (CDKN2A, κυκλίνη D, CDK4, RB) αδρανοποιούνται µέσω µεταλλάξεων στους περισσότερους καρκίνους στον άνθρωπο.

TP53 γονίδιο: φύλακας του γονιδιώµατος Καταγραφέας του stress (ανοξία, καταστροφή του γονιδιώµατος) Kατευθύνει τα κύτταρα στην προσωρινή αναστολή του κυτταρικού κύκλου ή την απόπτωση µέσω της µεταγραφής του αναστολέα CDKN1A (p21). > 70% των ανθρώπινων καρκίνων:βλάβη TP53 Οµόζυγη έλλειψη του TP53 έχει βρεθεί σε κάθε τύπο καρκίνου (πνεύµονος, παχέος εντέρου, µαστού, κ.α) Οι DNA ογκογόνοι ιοί που αναστέλλουν τη δράση του TP53 είναι: HPVs, HBV και πιθανόν EBV!!

Μονοπάτι TGF-β Στα περισσότερα φυσιολογικά επιθηλιακά, ενδοθηλιακά και αιµοποιητικά κύτταρα, ο TGF-β είναι ένας δυνητικός αναστολέας πολλαπλασιασµού. Οι αντιϋπερπλαστικές δράσεις του TGF-β διαµεσολαβούνται, στο µεγαλύτερο µέρος, µε ρύθµιση των RB µονοπατιών. Ο TGF-β σταµατά τα κύτταρα στη φάση G1 του κυτταρικού κύκλου µέσω ενεργοποίησης της παραγωγής της CDKI p15 (αναστολή της µεταγραφής των CDK2, CDK4 και των κυκλινών Α και Ε) 100% καρκίνων παγκρέατος και 85% καρκίνων παχέος εντέρου: µετάλλαξη TGF-β µονοπατιού

Αδενωµατώδης πολυποδίαση του κόλου- µονοπάτι β-κατενίνης Η APC είναι µια κυτταροπλασµατική πρωτείνη η οποία ρυθµίζει τα ενδοκυττάρια επίπεδα της β-κατενίνης Η β-κατενίνη συνδέεται αφ ενός µεν µε την Ε- καντχερίνη, αφ ετέρου µετατοπίζεται στον πυρήνα και ενεργοποιεί τον πολ/µό.

Η β-κατενίνη είναι σηµαντικό στοιχείο της WNT οδού σηµατοδότησης Στα αδρανή κύτταρα, που δεν εκτίθεται στον WNT, η κυτταροπλασµατική β-κατενίνη αποδοµείται από ένα σύµπλεγµα καταστροφής,, του οποίου η APC είναι αναπόσπαστο κοµάτι.

Με απώλεια της APC (στα κακοήθη κύτταρα) η αποδόµηση της β-κατενίνης αναστέλλεται και η απάντηση στη WNT σηµατοδότηση είναι συνεχώς ενεργής. Αυτό οδηγεί στην µεταγραφή γονιδίων που προάγουν την ανάπτυξη όπως κυκλίνη D1 και MYC.

Απώλεια του APC γονιδίου είναι συχνή στον καρκίνο του παχέος εντέρου Τα άτοµα που γεννήθηκαν µε ένα µεταλλαγµένο APC αλληλόµορφο εµφανίζουν πολλαπλούς πολύποδες στο παχυ έντερο, ενώ για να αναπτυχθεί κακοήθης εξαλλαγή χρειάζονται επιπλέον µεταλλάξεις 70% των σποραδικών καρκίνων του παχέος εντέρου παρατηρείται απώλεια και των δυο αλληλίων του γονιδίου APC στα σωµατικά κύτταρα

Οικογενής πολυποδίαση παχέος εντέρου

NF2 gene product Contact inhibition

Μηχανισµοί αποφυγής της απόπτωσης(3)

Μηχανισµοί αποφυγής της απόπτωσης(3) Μειωµένα επίπεδα CD95 Απενεργοποίηση death induced complex Μειωµένη απελευθέρωση του κυτοχρώµατος C που οφείλεται στη θετική ρύθµιση του BCL2 Μειωµένα επίπεδα προ-αποπτωτικού BAX λόγω απώλειας του TP53 Απώλεια του APAF-1 Θετική ρύθµιση των αναστολέων της απόπτωσης (IAP)

Υπερέκφραση του αναστολέα της απόπτωσης Bcl-2 συµβαίνει στα Β-λεµφοζιδιακά λεµφώµατα λόγω µιας χαρακτηριστικής µετατόπισης του γονιδίου BCL2 από το 18q21 στο 14q32 όπου βρίσκονται και τα γονίδια της βαριάς αλυσίδας της Ig ανοσοσφαιρίνης. Η υπερέκφραση του Bcl-2 προστατεύει τα λεµφοκύτταρα από την απόπτωση και τους επιτρέπει να επιβιώνουν για µεγάλες περιόδους

O ρόλος των ΒΗ3-only The BH3-only members of the Bcl-2 protein family are essential initiators of programmed cell death and are required for apoptosis induced by cytotoxic stimuli. These proteins have evolved to recognise distinct forms of cell stress. In response, they unleash the apoptotic cascade by inactivating the protective function of the prosurvival members of the Bcl-2 family and by activating the Bax/Bax-like pro-apoptotic family members.

Ανεξάντλητο δυναµικό πολ/µού (4) Τα περισσότερα ανθρώπινα κύτταρα διαθέτουν ικανότητα 60 έως 70 συνεχών αναδιπλασιασµών Τα καρκινικά κύτταρα αναπτύσσουν µηχανισµούς ώστε να αποφύγουν την κυτταρική γήρανση Ενεργοποίηση του ενζύµου τελοµεράση το οποίο διατηρεί φυσιολογικό το µήκος του τελοµεριδίου. Η τελοµεράση είναι ενεργή στα φυσιολογικά αρχέγονα βλαστικά κύτταρα (stem cells) αλλά απουσιάζει από τα στρωµατικά κύτταρα. Η διατήρηση του τελοµεριδίου παρατηρείται σε όλους τους τύπους των καρκίνων (σε 85-95% αυτό συµβαίνει λόγω έκφρασης του ενζύµου τελοµεράση)

Cancer cells produce an enzyme called telomerase (purple), which adds DNA sequences (TTAGGG) to the telomeres preventing them from shortening.

Συντηρούµενη αγγειογένεση (5) Ένας καρκίνος χωρίς να αγγειοποιηθεί µπορεί να φτάσει 1-2 mm και αποτυγχάνει να αναπτυχθεί πέρα απ αυτό το µέγεθος γιατί η υποξία επάγει την απόπτωση µέσω ενεργοπoίησης του TP53 Η διαπότιση τον τροφοδοτεί µε θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο, τα ενδοθηλιακά κύτταρα διεγείρουν τα καρκινικά κύτταρα εκκρίνοντας ILGFs, PDGF και GM- CSF Αγγειοβλάστες, Προϋπάρχοντα αγγεία Πρόδροµα ενδοθηλιακά κύτταρα που µεταναστεύουν από το µυελό των οστών

Συντηρούµενη αγγειογένεση (5) Αγγειογενετικοί παράγοντες που παράγουν τα κύτταρα του όγκου ή από τα φλεγµονώδη κύτταρα που διηθούν τους όγκους (VEGF, bfgf) Η υποξία εισάγει την αγγειογένεση µέσω του hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) Ογκοκατασταλτικό γονίδιο VHL: διασπά τον HIF-1 σε φυσιολογικές συνθήκες Μεταλλάξεις VHL (καρκίνος νεφρού, αιµαγγειώµατα) Αντιαγγειογενετκοί παράγοντες (αγγειοστατίνη, ενδοστατίνη) Wild type TP53 αναστέλλει την αγγειογένεση εισάγοντας τη σύνθεση του αντιαγγειογενετικού παράγοντα θροµβοσπονδίνη-1

Διήθηση και µετάσταση (6) Μόνο µερικοί κλώνοι από τον ετερογενή πληθυσµό του όγκου θα κατορθώσουν να ολοκληρώσουν όλες τις φάσεις της διεργασίας και να δηµιουργήσουν µεταστατικές εστίες σε αποµακρυσµένες θέσεις Δυο φάσεις του καταρράκτη της µετάστασης Α) Διήθηση της εξωκυττάριας ουσίας Β) Αγγειακή διασπορά και εγκατάσταση των καρκινικών κυττάρων

Η ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΑΣΗ ΤΗΣ ΠΟΛΥΣΤΑΔΙΑΚΗΣ (ΚΛΙΜΑΚΩΤΗΣ) ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΚΑΡΚΙΝΟΓΕΝΕΣΗΣ Δεδοµένου ότι οι κακοήθεις όγκοι θα πρέπει να αναπτύξουν τις 6 θεµελιώδεις διαταραχές εξυπακούεται ότι ο καρκίνος είναι το αποτέλεσµα συσσώρευσης πολλών µεταλλάξεων Η ακριβής χρονική ακολουθία διαφέρει από όργανο σε όργανο

ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΟΓΚΟΥ = ΟΓΚΟΙ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟ ΕΠΙΘΕΤΙΚΟΙ ΜΕ ΑΥΞΗΜΕΝΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΚΑΚΟΗΘΕΙΑΣ Η αυξανόµενη κακοήθεια αποκτάται µε προσθετικό τρόπο Διαδοχική εµφάνιση υποπληθυσµών κυττάρων τα οποία διαφέρουν σε διάφορα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά όπως: διήθηση, γρήγορη ανάπτυξη, µετάσταση, διαφυγή από την ανοσολογική επιτήρηση = ΦΑΙΝΟΤΥΠΙΚΗ ΚΑΙ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΑ

Ηαnaha and Weinberg, Cell 2011

Αστάθεια του γονιδιώµατος (Καταλύτης της κακοήθειας) Η προδιάθεση για ν αναπτυχθεί µια µετάλλαξη είναι αποτέλεσµα µικρών είτε πιο σοβαρών απωλειών στη διόρθωση του DNA

Κληρονοµούµενες µεταλλάξεις στα γονίδια επιδιόρθωσης του DNA (επιδιορθωτές κειµένων) Σύνδροµο κληρονοµούµενου µη πολυποδιασικού καρκινώµατος παχέος εντέρου (σύνδροµο HNPCC) Μελαγχρωµατικό ξηρόδερµα (αυξηµένη ευαισθησία για ανάπτυξη καρκίνου του δέρµατος µετά από έκθεση σε UV) Αυτοσωµατικές υπολειπόµενες νόσοι (σύνδροµο Bloom, αταξία-τηλαγγειεκτασία, τηλαγγειεκτασία, αναιµία Fanconi): υπερευαισθησία στην ιονίζουσα ακτινοβολία και τα νιτρώδη Κληρονοµικός καρκίνος του µαστού (Γονίδια BRCA1 και BRCA2)

BRCA1 και BRCA2: γονίδια επιδιόρθωσης λανθασµένου ταιριάσµατος βάσεων Μεταλλάξεις στα δυο γονίδια ευθύνονται για 80% των περιπτώσεων οικογενούς καρκινώµατος µαστού BRCA1: Ca ωοθήκης και προστάτου BRCA2: Ca ωοθηκών, προστάτου, παγκρέατος, χολαγγείων, στοµάχου και µελανώµατα Aπενεργοποίηση και τα δυο αντιγράφων BRCA 1 ή BRCA 2 για ν αναπτυχθεί ο καρκίνος Ρήξεις στα χρωµατοσώµατα και σοβαρού βαθµού ανευπλοειδία Διαταραχή στην οδό επιδιόρθωσης µε οµόλογο ανασυνδυασµό DNA

Αν και υπάρχει αποδεδειγµένη σχέση των BRCA1 και BRCA2 µε τον οικογενή καρκίνο του µαστού, αυτά τα γονίδια σπανίως είναι απενεργοποιηµένα σε σποραδικές περιπτώσεις καρκίνου του µαστού. Απ αυτή την άποψη, τα BRCA1 και BRCA2 συµπεριφέρονται διαφορετικά από άλλα ογκοκατασταλτικά γονίδια, (APC και ΤΡ53), τα οποία είναι απενεργοποιηµένα τόσο στις οικογενείς όσο και στις σποραδικές περιπτώσεις

Φλεγµονή που προάγει τον όγκο

MiRNAs και καρκίνος Πρόσφατες µελέτες εµπλέκουν τα mirnas στην ανάπτυξη του εγκεφάλου (Krichevsky 2003), στη χρόνια λεµφοκυτταρική λευχαιµία (Calin 2004), το αδενοκαρκίνωµα του παχέος εντέρου (Michael 2003), στο λέµφωµα Burkitt (Metzler 2004),

Επιγενετική και καρκίνος p16ink4a σε διάφορες µορφές καρκίνου p14arf Ca παχέος εντέρου ΒRCA1 Ca µαστού VHL Ca νεφρού MLH1 Ca ορθού

Παράδειγµα καρκινογένεσης σποραδικού καρκινώµατος παχέος εντέρου ή κληρονοµούµενου µη πολυποδιασικού καρκινώµατος παχέος εντέρου

Kondo et al. Nature Reviews Cancer 6, 292 306 (April 2006) doi:10.1038/nrc1836

Ηαnaha and Weinberg, Cell 2011

...We continue to foresee cancer research as an increasingly logical science, in which myriad phenotypic complexities are manifestations of a small set of underlying organizing principles Hanahan and Weinberg 2011