Εισαγωγή στη Βιολογία του καρκινου

Εισαγωγή στη Βιολογία του καρκινου Ε. Μπριασούλης Καθηγητής Ογκολογίας Ιατρική Ιωαννίνων 1

2 δεν σπανίζει

Lifetime Probability of Developing Cancer, by Site, Men, 2001-2003* Site Risk All sites 1 in 2 Prostate 1 in 6 Lung and bronchus 1 in 12 Colon and rectum 1 in 17 Urinary bladder 1 in 28 Non-Hodgkin lymphoma 1 in 47 Melanoma 1 in 49 Kidney 1 in 61 Leukemia 1 in 67 Oral Cavity 1 in 72 Stomach 1 in 89 All Sites exclude basal and squamous cell skin cancers and in situ cancers except urinary bladder. Source: DevCan: Probability of Developing or Dying of Cancer Software, Version 6.1.1 Statistical Research and Applications Branch, NCI, 2006. http://srab.cancer.gov/devcan 3

διαρκής καταστολή καρκινικής έναρξης και προαγωγής Αλλαγές στο γενετικό υλικό (Genetic mutations) είναι συνήθη κυτταρικά γεγονότα: κάθε γονίδιο παθαίνει αλλαγές με συχνότητα 1/20.000 κύτταρα. Δεδομένου ότι ο οργανισμός έχει τρισεκατομμύρια κύτταρα, κάθε στιγμή, εκατομμύρια κύτταρα προδιατίθενται μοριακά (primed) να γίνουν καρκινικά. Pre-tumoral tissue Pre-malignant tumour τα πλείστα εξουδετερώνονται μέσω μηχανισμών κυτταρικής απόπτωσης, γήρανσης, ανοσοεπιτήρησης Figure 1 Manipulating the threshold for NATURE Vol 464 18 March 2010 5

Leading Sites of New Cancer Cases and Deaths 2015 Estimates Male Prostate 220,800 (26%) Lung & bronchus 115,610 (14%) Colon & rectum 69,090 (8%) Urinary bladder 56,320 (7%) Melanoma of the skin 42,670 (5%) Non-Hodgkin lymphoma 39,850 (5%) Kidney & renal pelvis 38,270 (5%) Oral cavity & pharynx 32,670 (4%) Leukemia 30,900 (4%) Liver & intrahepatic bile duct 25,510 (3%) All sites 848,200 (100%) Estimated New Cases* Female Breast 231,840 (29%) Lung & bronchus 105,590 (13%) Colon & rectum 63,610 (8%) Uterine corpus 54,870 (7%) Thyroid 47,230 (6%) Non-Hodgkin lymphoma 32,000 (4%) Melanoma of the skin 31,200 (4%) Pancreas 24,120 (3%) Leukemia 23,370 (3%) Kidney & renal pelvis 23,290 (3%) All sites 810,170 (100%) Male Lung & bronchus 86,380 (28%) Prostate 27,540 (9%) Colon & rectum 26,100 (8%) Pancreas 20,710 (7%) Liver & intrahepatic bile duct 17,030 (5%) Leukemia 14,210 (5%) Esophagus 12,600 (4%) Urinary bladder 11,510 (4%) Non-Hodgkin lymphoma 11,480 (4%) Kidney & renal pelvis 9,070 (3%) All sites 312,150 (100%) Estimated Deaths Female Lung & bronchus 71,660 (26%) Breast 40,290 (15%) Colon & rectum 23,600 (9%) Pancreas 19,850 (7%) Ovary 14,180 (5%) Leukemia 10,240 (4%) Uterine corpus 10,170 (4%) Non-Hodgkin lymphoma 8,310 (3%) Liver & intrahepatic bile duct 7,520 (3%) Brain & other nervous system 6,380 (2%) All sites 277,280 (100%) *Excludes basal cell and squamous cell skin cancers and in situ carcinoma except urinary bladder. 2015, American Cancer Society, Inc., Surveillance Research 6

8 τα βασικά του καρκίνου

What Is Cancer? 9

καρκίνος έκρυθµος, µη ελεγχόµενος πολλαπλασιασµός κυττάρων τα οποία έχοντας υποστεί συσσωρευµένες γενωµικές & επιγενετικές βλάβες δηµιουργούν ιστικές µάζες που λειτουργούν εκτός κανόνων ιστικής οµοιοστασίας και αποκτούν πλεονέκτηµα ανάπτυξης επί των φυσιολογικών ιστών!10

Είδη καρκίνου Καρκινώµατα Πνεύµονα Μαστού Λευχαιµίες κυκλοφορούντα αιµατοκύτταρα Λεµφώµατα Λεµφαδένες Εντέρου Ουροδόχου Προστάτη Σαρκώµατα λίπος οστά µύς 13

Απώλεια ελέγχου φυσιολογικής κυτταρικής ανάπτυξης Φυσιολογικό κύτταρο Απόπτωση Μη επισκευαζόµενη γενετική βλάβη Καρκινικός µετασχηµατισµός 1 η µετάλλαξη 2 η µετάλλαξη 3 η µετάλλαξη Χ µετάλλαξη Ανάπτυξη εκτός ελέγχου 14

Φυσιολογική κυτταρική ανάπτυξη Αποµάκρυνση νεκρών κυττάρων Επιδερµίδα Κυτταρική µετανάστευση Πολλαπλασιασµός κυττάρων βασικής στοιβάδας µε ασύµµετρη διαίρεση Δερµίδα 15

Καρκινική ανάπτυξη 16

Καρκινική ανάπτυξη 17

Καρκινική ανάπτυξη 1 Διήθηση παρακειµένων ιστών 2 Είσοδος στην κυκλοφορία 3 Εποίκιση σε άλλους ιστούς 18

Κύτταρα καλοήθων όγκων αναπτύσσονται µόνο τοπικά. Δεν διηθούν Δεν µεταναστεύουν Καρκινικά κύτταρα: Διηθούν περιβάλλοντες ιστούς Εισέρχονται στην κυκλοφορία Μεταναστεύουν Time 19

Κάθε καρκίνος έχει την δική του φυσική ιστορία (πορεία) Εγκέφαλος Λεµφαδένες Ήπαρ Μελάνωµα 20

Η διάγνωση απαιτεί βιοψία Ιστοπαθολογία Πρωτεωµικό προφίλ Γενωµικό προφίλ 21

Μικροσκοπικοί χαρακτήρες 22

Διαβάθμιση κακοήθειας καρκίνου & πρόγνωση 100% Ποσοστό επιβίωσης Low grade High grade 1 2 3 4 5 χρόνια 23

Στάδιο μελανώματος & πρόγνωση 100% 50% I II III Κλινικό στάδιο κατά την διάγνωση 24

Age World population, 2000 and 2050 Low and medium resource countries 100 + 100 + 95-99 95-99 90-94 90-94 85-89 85-89 80-84 80-84 75-79 75-79 70-74 70-74 65-69 65-69 60-64 60-64 55-59 55-59 50-54 50-54 45-49 45-49 40-44 40-44 35-39 35-39 30-34 30-34 25-29 25-29 20-24 20-24 15-19 15-19 10-14 10-14 5-9 Men Women 5-9 0-4 0-4 -300-200 -100 0 100 200 300 50 Population (Millions) 2000 2050 High Resource Countries* 0 50 Source: U.S. Census Bureau, International Data Base, June 2009 data release * Population is projected to decrease between 2000 and 2050 in age groups <55 yrs old in developed countries; difference not shown 26

Year: 2002 2010 2030 2050 Estimated cancers (millions): 10.8 12.8 18.9 24.0 Source: IARC, Globocan 2002 High resource countries Low and middle resource countries Fig. 2. Number and distribution of cancer cases by level of economic development and year assuming no change in the annual incidence rate. 27

Ιοί και βακτήρια Χηµικά Ιοντίζουσα ακτινοβολία κληρονοµικότητα Δίαιτα Ορµόνες αίτια, αίτια, αίτια, αίτια 28

ιοί χηµικά ακτινοβολία κληρονοµικότητα 29

DNA µεταλλάξεις DNA C A A G C T A A C T Normal gene C A A G C G A A C T Single base change C A A G G C G C T A A C T C A Additions A G A A C T C T Deletions 31

32 Μερικοί εξωγενείς παράγοντες Δεδοµένα από το NCI

Heredity? Behaviors? Other Factors? 100 Colon Cancer (Number of new cases per 100,000 people) 100 Stomach Cancer (Number of new cases per 100,000 people) 70 50 5 0 7 0 Japan Japanese families in U.S. U.S. Japan Japanese families in U.S. U.S. 33

, ( 34

Tobacco Use and Cancer Some Cancer-Causing Chemicals in Tobacco Smoke 35

Low-Strength Radiation High Dallas Skin Cancer Incidence Detroit Pittsburgh Low Least Annual Sunshine (UV radiation) Most 36

High-Strength Radiation High Leukemia Incidence Low Least X-ray Dose (atomic radiation) Most 37

Avoid Carcinogens at Work Some Carcinogens in the Workplace 38

39 Σε μοριακό επίπεδο

Extracellular Signals HER family, PDGFR, IGF-IR, TGF-α Grb2 Shc S O S Ras GTP 14 3 3 PI-3K Raf Ral/Cdc42 PLC PTEN PIP3 MEK-1/2 MEKK1 DAG Ras GRP PDK-1/2 Rac PKC p120 ERK-1/2 JNKK/SEK PKB IKK p38 Apoptosis AKT mtor JNK/SAPK Rho IKβ NF-kβ Nuclear Transcription c-jun, Fos, c-myc, Elk-1, CREB, SRF prb 41

42 1902 ο καρκίνος γενετική κλωνική νόσος particular, incorrect combination of chromosomes would generate a malignant cell endowed wit the ability of unlimited growth which would pass the defect on to its progeny. Boveri, T. Uber mehrpolige mitosen als mittel zur analyse des zellkerns. Verh. D. Phys. Med. Ges. Wurzberg N. F. 35, 67-90 (1902) Boveri, T. In Zur Frage der Entstehung Maligner Tumoren 1-64 (Gustav Fisher, Jena, 1914)

«καρκινικά» γονίδια } Αρκετά έχουν ταυτοποιηθεί. } Μεταλλαγές των υπεύθυνων γονιδίων οδηγούν σχηµατισµό πρωτεϊνών που } Υπερλειτουργούν } δυσλειτουργούν } υπολειτουργούν. 44

«καρκινικά» γονίδια } ταξινοµούνται σε 3 κατηγορίες: Ογκογονίδια Ογκοκατασταλτικά γονίδια Επιδιορθωτικά του DNA 45

[πρωτο]-ογκογονίδια λειτουργούν ελεγχόµενα ως: } αυξητικοί παράγοντες } Υποδοχείς αυξητικών παραγόντων } Ενδοκυττάριες πρωτεϊνες µεταγωγής σήµατος } Αντι-αποπτωτικές πρωτεϊνες } Πυρηνικές µεταγραφικές πρωτεϊνες 46

} οδηγεί σε: } Υπερπαραγωγή-υπερδραστηριότητα } Αυξηµένο κυτταρικό πολλαπλασιασµό } Απώλεια αποπτωτικής λειτουργίας 47

48 Ογκοκατασταλτικά γονίδια

το καρκινικό γονιδίωµα είναι µεταλλάξιµο develop in basal-like breast cancer (which is mutation. They found that the prevalence of CTGAATGCT CTGCAGAGCTTC GAATGCTAGCTGT CAGAGCTTCGTACG TGCTAGCTGTTGTG GCTTCGTACGTGCT GTTACGGCATCGA GCTGATCGTGA GCCCTC Figure 1 Covering all the bases in metastatic assessment. Ding et al. 4 performed genome-wide analysis on three tumour samples: a patient s primary breast tumour; her metastatic brain tumour, which formed despite therapy; and a xenograft tumour in a mouse, originating from the patient s breast tumour. They find that the primary tumour differs from the metastatic and xenograft tumours mainly in the prevalence of genomic mutations. 989 49

το καρκινικό γονιδίωµα είναι µεταλλάξιµο 120 Xenograft Tumour Error Metastasis Normal 100 Mutant allele frequency (%) 80 60 40 20 0 FLNC SNED1 PTPRJ PARVA CCDC85A ZNF799 SLC44A1 PPPDE1 CHST7 NRK KCNG4 PAQR7 WWTR1 PRKG2 KIAA0467 ADCY3 RBM47 PID1 MUC17 ENSG00000222487 EFHC2 RBMX2 DYNC2H1 MAP3K8 FAM107B ZNF786 PTCH2 TADA2L NALCN SHE DHDDS UBE2G2 ENSG00000167459 CHRNA9 GTF3C3 CSMD1 DLG5 CHGB GUK1 OR4Q3 TXNDC6 DDX11 DPEP3 IRAK2 JAK2 ZRSR2 FOXI1 TP53 MYCBP2 TGFBI 50 Vol 464 15 April 2010 doi:10.1038/nature08989

} Τα ογκοκατασταλτικά γονίδια (TSG) } Προλαβαίνουν } γονιδιωµατική αστάθεια } Επιτηρούν την καλή λειτουργία: } Κυτταρικού κύκλου } Σηµείων ελέγχου } Μεταγωγής σήµανσης 51

Ογκοκατασταλτικά: «κληρονομική υπόθεση» } Υπεύθυνα για την κληρονοµούµενη προδιάθεση για εκδήλωση καρκίνου 52

Ογκοκατασταλτικά: «κληρονομική υπόθεση» } p53 } πολλοί καρκίνοι, Li-Fraumeni } BRCA1, BRCA2, CHEK2 } µαστού - ωοθηκών } retinoblastoma - rb } ρετινοβλάστωµα } p16 } µελάνωµα 53

2010: o καρκίνος είναι γενετικη & επιγενετική νόσος 55

56!56 oncomirs

!57 RNA

AAAA TF pol II/III DNA Microprocessor Drosha-DGCR8 m 7 G pri-mirna (primary microrna transcript) nucleus cytoplasm RanGTP 5 Exportin-5 3 pre-mirna (precursor microrna) Dicer 5 3 TRBP PACT 5 mirna : mirna* ds complex mirna* Ago2 Helicase mirisc ORF assembly 3 UTR 5 AAAA AB!58 m 7 G

αποακετυλιωμένα άκρα RΝΑ Πολυμεράση ΙΙ Πυρήνας Ιστόνης ιστονών Μεθυλιωμένα ζεύγη DNA Μεταγραφικοί CpGπαράγοντες MBP ακετυλιωμένα άκρα ιστονών RΝΑ Πολυμεράση ΙΙ ιστόνες Μεταγραφικοί Ζεύγη παράγοντες CPG DNA Ουρά Ιστόνης νουκλεόσωμα Ετεροχρωματίνη Μεθυλιωμένο DNA Ευχρωματίνη Μη μεθυλιωμένο DNA μεταγραφή mrna% 59

Epigenetics*in*cancer* global hypomethylation and gene promoter-associated (CpG island-specific) hypermethylation 60

61 μικρο-περιβάλλον του ξενιστή

Original image from Ide et al (1939) showing an extensive vascular network in transplanted rabbit epithelioma 62

Science 2008 63

64 αγγειογένεση

Μικρός όγκος (1 2mm) Μεγάλος, αγγειοβριθής µε µεταστατικό δυναµικό όγκος Αγγειογόνος διακόπτης 68

Φυσιολογικά αγγεία Αγγεία που διηθούν ένα κακοήθη όγκο Παράγοντες διαφοροποίησης ΟΧΙ αυξητικοί παράγοντες Ισχυρές συνδέσεις Περικύτταρα Αυξητικοί παράγοντες (VEGF) Ιντεγκρίνες Διαφυγή Λιγότερα περικύτταρα 69

70 σύµφυτη µεταστατική ικανότητα

Νόσος καρκινικών βλαστικών κυττάρων? 72