ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ Μηχανισμοί Ογκογένεσης Δρ. Α. ΓΑΛΑΝΗΣ agalanis@mbg.duth.gr
Μηχανισμοί Ογκογένεσης Ενότητα 4. Απορρύθμιση του κυτταρικού κύκλου και καρκίνος
Figure 8.1 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 29.1 Περίληψη: η μεσόφαση διαιρείται στις περιόδους G1, S και G2. Ένας κυτταρικός κύκλος διαχωρίζεται από τον επόμενο με τη μίτωση (Μ). Τα κύτταρα μπορεί να αποσυρθούν από τον κυτταρικό κύκλο στην G0 ή να εισέλθουν ξανά σε αυτόν.
Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 29.2 Mέσα στo κύτταρο, το RNA και οι πρωτεΐνες συντίθενται διαρκώς, αλλά η σύνθεση του DNA συμβαίνει μόνο στη διακριτή περίοδο της φάσης S. Οι μονάδες της μάζας που παρουσιάζονται είναι αυθαίρετες.
Figure 8.3b The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Figure 8.3a The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
H ικανότητα του κυττάρου να προχωρήσει στον κύκλο ρυθμίζεται από τα σημεία ελέγχου, στα οποία προσδιορίζεται κατά πόσο έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία τα προηγούμενα στάδια. Figure 8.4 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Εικόνα 29.4 H ικανότητα του κυττάρου να προχωρήσει στον κύκλο ρυθμίζεται από τα σημεία ελέγχου, στα οποία προσδιορίζεται κατά πόσο έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία τα προηγούμενα στάδια. Μια οριζόντια κόκκινη ράβδος επισημαίνει το στάδιο στο οποίο ένα σημείο ελέγχου εμποδίζει την πρόοδο του κύκλου. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004
Εικόνα 29.36 Ένας αζευγάρωτος κινητοχώρος προκαλεί την αναστολή της ενεργότητας της CDC20 από το μονοπάτι Mad.
Εικόνα 29.33 Δύο εκδοχές του APC χρειάζονται για τη δίοδο διαμέσου της ανάφασης. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 APC : Anaphase Promoting Complex Σύμπλοκο προώθησης της ανάφασης Σύμπλοκο 8 υπομονάδων Υπεύθυνο για την επιλογή υποστρωμάτων που αποικοδομούνται στην ανάφαση Λειτουργεί ως μια Ε3 λιγάση ουβικιτίνης
Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 29.35 Η πρόοδος της ανάφασης απαιτεί την αποικοδόμηση της Pds1p από το APC, ώστε να επιτραπεί στην Esp1p να απομακρύνει την Scc1 από τις αδελφές χρωματίδες.
Το κεντρικό τμήμα του συμπλόκου των κοχεσινών είναι ένα ετεροδιμερές πρωτεϊνών της οικογένειας SMC SMC : Structural Maintenance of Chromosome δομική διατήρηση χρωμοσώματος
R point : Σημείο περιορισμού Kατά τη φάση G1, το κύτταρο δεσμεύεται να προβεί σε αντιγραφή, ενώ κατά τη φάση G2 δεσμεύεται να προβεί σε διαίρεση. Figure 8.6 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Εικόνα 29.4 H ικανότητα του κυττάρου να προχωρήσει στον κύκλο ρυθμίζεται από τα σημεία ελέγχου, στα οποία προσδιορίζεται κατά πόσο έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία τα προηγούμενα στάδια. Μια οριζόντια κόκκινη ράβδος επισημαίνει το στάδιο στο οποίο ένα σημείο ελέγχου εμποδίζει την πρόοδο του κύκλου. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004
Figure 8.8 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Figure 8.9 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Η διακύμανση της δραστικότητας του MPF κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου σε έμβρυα Xenopus
Figure 8.10 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Μια πλειάδα μιτογονικών σηματοδοτικών μονοπατιών ελέγχει τα επίπεδα συγκέντρωσης της D1. Figure 8.26 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
CKIs : Cyclin Kinase Inhibitors Aναστολείς των διμερών cdk - κυκλίνης Δύο οικογένειες : Η οικογένεια INK4 είναι ειδική για τις cdk4 και cdk6, και έχει τέσσερα μέλη: τις p16 INK4A, p15 INK4B, p18 INK4C, p19 INK4D. Η οικογένεια Kip αναστέλλει όλα τα ένζυμα cdk των φάσεων G1 και S και περιλαμβάνει τρία μέλη: τις p21 Cip/WAF1, p27 Kip1, p57 Kip2.
Η p27 καταστέλλει τη δράση του συμπλόκου CDK2 Cyclin A, μπλοκάροντας την θέση πρόσδεσης του ΑΤP στο καταλυτικό κέντρο της κινάσης. Figure 8.13b The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Figure 8.15a The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Table 6.3 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Η Akt/PKB φωσφορυλιώνει το p27 Kip1 και μπλοκάρει την είσοδο του στον πυρήνα. Στα πρωταρχικά στάδια του καρκίνου του μαστού, τα επίπεδα της ενεργοποιημένης Akt είναι χαμηλά, επιτρέποντας στο p27 Kip1 να περάσει στον πυρήνα. Στα προχωρημένα όμως στάδια τα επίπεδα της ενεργοποιημένης Akt είναι πολύ υψηλά, με αποτέλεσμα το p27 Kip1 να παραμένει εγκλωβισμένο στο κυτταρόπλασμα.
Figure 8.16b The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Η p16 αλληλεπιδρά με την CDK6 μπλοκάροντας την θέση πρόσδεσης της αντίστοιχης κυκλίνης. Παράλληλα αλλοιώνουν τη θέση πρόσδεσης του ΑΤP μειώνοντας την καταλυτική ενεργότητα του ενζύμου. Figure 8.13c The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Η p16 προσδένεται στις cdk4 και cdk6 και στα διμερή cdk4, 6-κυκλίνης. Αναστέλλοντας την ενεργότητα της cdk-κυκλίνης D, η p16 αποτρέπει τη φωσφορυλίωση της RB και διατηρεί αδρανοποιημένο τον E2F, ώστε να αδυνατεί να πυροδοτήσει την έναρξη της φάσης S. Οι p21 και p27 αναστέλλουν τη συναρμολόγηση και την ενεργότητα των cdk4, 6-κυκλίνης D και cdk2-κυκλίνης E. Επίσης, αναστέλλουν την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου ανεξάρτητα από την ενεργότητα της RB. Η p16 αναστέλλει τόσο τη συναρμολόγηση όσο και την ενεργότητα της cdk4-6-κυκλίνης D.
Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 30.29 Ένα εμπόδιο που ελέγχει τον κυτταρικό κύκλο αίρεται όταν η RB φωσφορυλιώνεται ή όταν δεσμεύεται και απενεργοποιείται από ένα καρκινικό αντιγόνο.
Εικόνα 29.28 Μια φραγή στον κυτταρικό κύκλο αίρεται όταν η RB φωσφορυλιώνεται από μια cdkκυκλίνη. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004
H RB είναι μια ογκοκατασταλτική πρωτεΐνη που ελέγχει τον κυτταρικό κύκλο Το ρετινοβλάστωμα είναι μία ανθρώπινη ασθένεια που εμφανίζεται στην παιδική ηλικία και χαρακτηρίζεται από όγκο στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού. Μπορεί να παρουσιάζεται είτε ως κληρονομικό χαρακτηριστικό είτε σποραδικά (από σωματική μετάλλαξη). Συχνά σχετίζεται με ελλείμματα της ζώνης q14 του χρωμοσώματος 13. Το γονίδιο RB έχει εντοπιστεί σε αυτή τη θέση με κλωνοποίηση.
Η ογκοπρωτεΐνη Myc επηρεάζει θετικά τα μονοπάτια φωσφορυλίωσης της prb και αποσταθεροποιεί τους μηχανισμούς ελέγχου της προόδου του κυτταρικού κύκλου.
H ογκοπρωτεΐνη Μyc σχετίζεται με το 15% 30% των καρκίνων του ανθρώπου. Ανήκει στην οικογένεια των bhlh μεταγραφικών παραγόντων. Αλληλεπιδρώντας με τo μεταγραφικό παράγοντα Μax, επίσης της οικογένειας των bhlh πρωτεϊνών, ρυθμίζει την έκφραση σειράς από γονίδια, τα προϊόντα των οποίων σχετίζονται άμεσα με την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου. Καθώς τα κύτταρα διαφοροποιούνται, τα επίπεδα της πρωτεΐνης Mad αυξάνονται. Η Mad αντικαθιστά την Μyc και το σύμπλοκο Mad Max δρα ως μεταγραφικός καταστολέας.
Το Myc ως ρυθμιστής του κυτταρικού κύκλου
Το σύμπλοκο SCF συνιστά μια Ε3 λιγάση ουβικιτίνης Figure 8.37b The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Εικόνα 8.67 Ο κύκλος της ουβικιτίνης περιλαμβάνει τρεις ενεργότητες. Το ένζυμο E1 συνδέεται με την ουβικιτίνη. Το E3 προσδένεται στο πρωτεϊνικό υπόστρωμα. Το E2 μεταφέρει την ουβικιτίνη από το E1 στο υπόστρωμα. Οι επαναλήψεις του παραπάνω κύκλου δημιουργούν την πολυουβικιτίνη. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004
Figure 8.37d The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Figure 8.35 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Το Myc ως ρυθμιστής του κυτταρικού κύκλου
Estrogen Receptor Η Myc δρα απουσία ισχυρών μιτογονικών σημάτων προωθώντας τον κυτταρικό κύκλο αδρανοποιημένων στη φάση Gο κυττάρων Figure 8.29 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Ογκογονίδια και ογκοκατασταλτικά γονίδια Τα ογκογονίδια (oncogenes) αρχικά ταυτοποιήθηκαν σε ιούς ως τα γονίδια εκείνα που προκαλούν μετασχηματισμό στα κύτταρα-ξενιστές. Εν συνεχεία αποκαλύφθηκε ότι στα κύτταρα των ευκαρυωτικών οργανισμών υπάρχουν ομόλογα τέτοιων ιικών ογκογονιδίων που ενέχονται σε φυσιολογικές κυτταρικές λειτουργίες. Τα γονίδια αυτά καλούνται πρωτο-ογκογονίδια (proto-oncogenes). Η δημιουργία ενός ογκογονιδίου χαρακτηρίζεται ως κέρδος λειτουργίας (gain-offunction) ενός κυτταρικού πρωτο-ογκογονιδίου που φυσιολογικά θα παρέμενε ανενεργό. Αντίστροφα, οι υπολειπόμενες μεταλλάξεις (loss-of-function) που οδηγούν σε απώλεια της λειτουργίας του προσβεβλημένου γονιδίου μπορεί να εξαλείψουν ή να αδρανοποιήσουν ογκοκατασταλτικά γονίδια (tumor suppressor genes), των οποίων τα φυσιολογικά προϊόντα είναι απαραίτητα για τον έλεγχο του πολλαπλασιασμού των κυττάρων.
Εικόνα 30.20 Τα ογκογονίδια μπορούν να κωδικοποιούν εκκρινόμενες, διαμεμβρανικές, κυτταροπλασματικές ή πυρηνικές πρωτεΐνες. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004
Σχηματική απεικόνιση της πρωτεΐνης c-myc. Εμφανίζονται οι θέσεις φωσφορυλίωσης, και οι πιθανές θέσεις ουβικιτινίωσης.
Σχηματική απεικόνιση των μεταγραφικών μονοπατιών που επηρεάζουν τα επίπεδα φωσφορυλίωσης της c-myc.
Ο TGF-β επηρεάζει αρνητικά τα μονοπάτια φωσφορυλίωσης της prb και αναστέλλει την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου.
Το μονοπάτι μεταγωγής σήματος του TGFβ
Figure 8.31 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) VS
Στο 50% του καρκίνου του παγκρέατος εμφανίζονται μεταλλαγμένες μορφές του Smad4. Χωρίς την ύπαρξη του Smad4, τα σύμπλοκα Smad2-Smad4 και Smad3-Smad4 δεν μπορούν να σχηματιστούν. Σε άλλες μορφές καρκίνου (π.χ καρκίνος του παχέους εντέρου) εμφανίζονται μεταλλαγμένες μορφές των υποδοχέων TGF-βΙΙ. Οι απενενεργοί υποδοχείς αδυνατούν να μεταφέρουν το σήμα ενεργοποίησης των Smad και να δράσουν ως αρνητικοί ρυθμιστές της προόδου του κυτταρικού κύκλου.
Table 8.3 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 22.27 Ένα διμερές HLH με δύο υπομονάδες τύπου bhlh μπορεί να προσδεθεί στο DNA. Όμως, όταν η μία υπομονάδα στερείται της βασικής περιοχής, δεν μπορεί να προσδεθεί στο DNA.
Table 8.3 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Έχει βρεθεί ότι ο έλεγχος της κυκλίνης D είναι ιδιαίτερα σημαντικός στον καρκίνο του μαστού. Το γονίδιο της κυκλίνης D1 έχει πολλαπλασιαστεί στο 20% των περιπτώσεων όγκων του μαστού στον άνθρωπο, ενώ η πρωτεΐνη υπερεκφράζεται σε >50% των καρκινωμάτων του μαστού. Ο ρόλος της κυκλίνης D1 έχει επιβεβαιωθεί σε μοντέλα ποντικών, αποδεικνύοντας ότι η αυξημένη έκφραση της D1 αυξάνει τη συχνότητα εμφάνισης καρκίνου του μαστού, ενώ έλλειψη του γονιδίου της κυκλίνης D1 παρεμποδίζει ορισμένα ογκογονίδια να τον προκαλέσουν.
Table 8.3 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Table 8.4 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Figure 8.35 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Σημαντικές Έννοιες Ο κυτταρικός κύκλος είναι μια ακριβής σειρά προγραμματισμένων γεγονότων που οδηγεί στο διπλασιασμό του κυτταρικού περιεχομένου και στο σχηματισμό δύο θυγατρικών κυττάρων. Η σειρά των γεγονότων ελέγχεται από μηχανισμούς που αποτελούν το ρολόι του κυτταρικού κύκλου. Οι κυκλινο-εξαρτώμενες κινάσες (CDKs) αποτελούν τους τελεστές των διαφόρων βημάτων του κυτταρικού κύκλου. Τα διάφορα στάδια του κυτταρικού κύκλου ελέγχονται από τα επίπεδα και τη διαθεσιμότητα των κυκλινών. Ο ρόλος των κυκλινών είναι να ενεργοποιούν την καταλυτική δράση των CDKs.
Σημαντικές Έννοιες Σημεία ελέγχου λειτουργούν καθ όλο τον κυτταρικό κύκλο βεβαιώνοντας ότι ένα στάδιο προόδου του κυτταρικού κύκλου δεν πραγματοποιείται εάν πρώτο δεν έχει ολοκληρωθεί με επιτυχία το προηγούμενο. Το σημείο περιορισμού (R point) αποτελεί ένα σημείο στο οποίο το κύτταρο δεσμεύεται να ολοκληρώσει τον κυτταρικό κύκλο.
Σημαντικές Έννοιες Η απόφαση σχετικά με την προώθηση ή την παύση του κυτταρικού κύκλου εξαρτάται από τα επίπεδα φωσφορυλίωσης της πρωτεΐνης Rb. Οι κυκλίνες D και Ε ελέγχουν τα επίπεδα φωσφορυλίωσης της prb. Η prb ελέγχει το πέρασμα από το σημείο περιορισμού προσδένοντας ή απελευθερώνοντας τους μεταγραφικούς παράγοντες E2F. Οι E2F προωθούν τη μεταγραφή γονιδίων που σχετίζονται με την πρόοδο του κυττάρου από τη φάση G1 στη φάση S.
Σημαντικές Έννοιες Στα καρκινικά κύτταρα τη λειτουργία της prb έχει χαθεί. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω μεταλλάξεων του γονιδίου Rb, πρόσδεση της prb με μια ιική ογκοπρωτεΐνη, υπέρμετρα μιτωτικά σήματα (άρα και αυξημένα επίπεδα των κυκλινών D) ή από τη δράση κυτταρικών ογκοπρωτεϊνών όπως η Myc. Οι μηχανισμοί ελέγχου της κυτταρικής διαφοροποίησης συμβαδίζουν με τους μηχανισμούς ελέγχου της προόδου του κυτταρικού κύκλου. Στις περισσότερες μορφές καρκίνου, οι μηχανισμοί ελέγχου της κυτταρικής διαφοροποίησης έχουν μερικώς ή ολικώς χαθεί.