Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Z. Kolář Ústav klinické a molekulární patologie a Laboratoř molekulární patologie LF UP a FN Olomouc
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Již mnoho let je známo, že vznik a vývoj nádorů je provázen četnými genetickými aberacemi a že v kontextu těchto poznatků je možné nádory považovat za geneticky podmíněné choroby. V posledních letech pak naše poznatky byly rozšířeny na detailnější poznání úlohy jednotlivých specifických genů, zejména tzv. onkogenů a nádorových supresorů.
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Během vývoje tumoru dochází k akumulaci genetických chyb a pravděpodobnost jejich vzniku je přímo úměrná proliferační aktivitě exponované tkáně. Proto bylo velkým pokrokem podrobné poznání regulace buněčného cyklu, které ukázalo, že mnohé z onkogenů a nádorových supresorů působí přímo v jeho průběhu.
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Přehled některých onkogenů protein onkogen nádor funkce proteinu Myc myc četné typy kontrola buněčné proliferace a diferenciace Fos fos četné typy transkripční faktor (messenger pathway) AP1 c-jun četné typy transkripční regulátor pp60 src c-src četné typy tyrozin kináza Abl c-abl lymfomy a jiné tyrozin kináza (fúzní protein Gag-Abl) ErbA c-erba různé kontrola diferenciace ErbB c-erbb1-4 četné typy tyrosin kináza FGF rnt-1 ca prsu růstový faktor PDGF sis různé růstový faktor p21 ras ras četné typy signální transduktor, kontrola proliferace E6HPV E6 epidermoidní ca inaktivátor nádorového supresoru E7HPV E7 epidermoidní ca inaktivátor nádorového supresoru MDM2 mdm2 četné typy inaktivátor nádorového supresoru Bcl-2 bcl-2 četné typy blokáda apoptózy
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Přehled některých nádorových supresorů protein nádor funkce proteinu p53 četné typy nejčastějších nádorů transkripční faktor prb retinoblastom, osteosarkom regulátor transkripce NF-1 neurofibrom, gliální nádory protein aktivující GTPázu NF-2 neurinom, meningiom cytoskeletální spoj k membráně APC karcinom tlustého střeva suspektální regulátor β-cateinu WT1 Wilmsův nádor transkripční faktor PTEN četné typy nejčastějších tumorů fosfatáza BRCA1 karcinom mléčné žlázy, ovarií atd. oprava DNA BRCA2 karcinom mléčné žlázy oprava DNA p16 melanoblastom, karcinom pankreatu inhibitor cdk TSC2 tuberózní skleróza protein aktivující GTPázu DPC4 karcinom pankreatu signální dráha TGFβ
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Některé nejčastěji užívané termíny Amplifikace Overexprese (nadměrná exprese) Translokace Delece LOH ztráta heterozygosity (heterozygotnosti)
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Proces nádorové transformace je zpravidla provázen mutacemi vedoucími ke vzniku genomové nestability (chromosomální nestabilita, mikrosatelitní nestabilita), což je spojeno s defekty buněčných genů odpovědných za opravu (1) chybného párování a (2) excisní opravu.
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů The DNA damage responses in tumorigenesis and cancer treatment J. Bartek and J Lukas, Nature 2010 Aktivace onkogenů Reaktivní kyslíkové radikály Metabolický stres Poškození telomer Neřízená replikace Replikační stres Zlomy dvouvláknové DNA Aberantní replikační struktury ATM ATR Zástava buněčného cyklu Apoptóza Genomická nestabilita a progrese nádoru ATM Ataxia Telangiectasia Mutated ATR Ataxia Telangiectasia and Rad3 related
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Kromě této skupiny defektů se mohou vývoje nádorů účastnit i poruchy genů odpovědných za produkci různých proteolytických enzymů, které se účastní procesů umožňujících: (1) ztrátu buněčné kohezivity a adhezivity (2) invazivní růst (3) metastazování
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Dále bylo zjištěno, že během nádorové transformace může rovněž docházet k epigenetickým změnám (změny, při kterých je genetická informace ovlivněna modifikacemi nukleotidů a terciální i kvarterní strukturou DNA), jako například ke změnám metylace DNA, či acetylace histonů, ke změnám organizace jádra atd.
Molekulární mechanismy kancerogeneze solidních nádorů Defekty opravy DNA Reparační systémy podílející se na opravě genomu lze podle současné úrovně znalostí rozdělit na dva typy: (a) reparace chybného párování (b) postreplikační reparace.
Molekulární mechanismy kancerogeneze Přehled genů odpovědných za opravu chybného párování hmsh2 (2p21) hpms1 (2q31-33) hpms2 (7p22) hmlh1 (3p21-23) GTBP (rodina 5 příbuzných genů, jejichž produkty vytváří dimery s produkty genu hmsh2) Aby došlo k selhání reparace musí být mutovány obě alely. Zvyšuje se tím pravděpodobnost mutací jiných genů (např. nádorových supresorů), a tím pravděpodobnost vzniku nádorů.
Vývoj karcinomů plic Malobuněčný karcinom (SCLC small-cell lung cancer) 20-25% všech karcinomů plic rizikový faktor kouření tabáku průměrnou délkou přežití 1,5 až 4 měsíce pěti-leté přežití jen u 0,5% pacientů biologické chování je v zásadním rozporu se skutečností, že tento nádor je zpravidla velmi sensitivní vůči záření i chemoterapii. LOH 9p delece krátkého raménka 3. chromosomu (3p14-p23) postihují přibližně 90% SCLC (ztráta funkce více než jednoho supresorického genu) delece dlouhého raménka 5. chromosomu (zde je lokalizován např. gen APC) 10-20% má amplifikaci některého ze členů rodiny myc (c-myc, N-myc nebo L-myc), která vede k nadměrné expresi produktu Myc, mutace nebo delece genu pro prb
Vývoj karcinomů plic Nemalobuněčný karcinom (NSCLC non-small-cell lung cancer ) * 75-80% všech karcinomů plic * 5-leté přežití lze očekávat jen asi u 15%.
Vývoj karcinomů plic Nemalobuněčný karcinom (NSCLC non-small-cell lung cancer ) * LOH 3p, 9p * delece krátkého raménka 3. chromosomu (3p14-p23) postihují přibližně 50% NSCLC * delece dlouhého raménka 5. chromosomu (zde je lokalizován např. gen APC) * delece a translokace na krátkém raménku 9. chromosomu (9p21) gen pro inhibitor cyklin dependentní kinázy 4 (ICDK4) p16 INK *amplifikace myc je vzácnou událostí (pokud se vyskytuje má nádor vyšší metastatický potenciál, postiženy jsou karcinomy se spinocelulární diferenciací) * mutace K-ras v kodonu 12, nebo nadměrná exprese jeho produktu p21 ras *u spinocelulárních ca amplifikace nebo nadměrná exprese c-erbb-2 (HER2/neu) a příbuzného receptoru EGFR, mutace p53, Bcl-2
Vývoj karcinomů plic Genetická predispozice ke vzniku karcinomů plic, zejména v souvislosti s kouřením, může souviset s polymorfismem genu CYP1A1, který patří do rodiny lidských cytochromů p450. Rovněž se ukázalo, že polymorfismy dalších členů této genové rodiny (CYP2D6, CYP2E1) a genu pro glutation S transferázu (GSTM) mají význam pro predikci účinku karcinogenů v epitelu dýchacích cest.
Vývoj karcinomů jícnu Dlaždicobuněčné karcinomy TP53 mutations Overexpression of Cyclin D1 LOH at 3p2; LOH at 9p31 LOH 3p14 (FHIT); LOH 17q25 (TOC) Multiple LOH Amplification of CMYC, EGFR, CYCLIN D1, HST1 Normal oesophagus Oesophagitis Low-grade High-grade InvasiveSCC intraephitelial neoplasia Amplifikace nebo nadměrná exprese genu CCND1/PRAD1 pro cyklin D1 (postihuje 50-60% případů, výhradně ve skupině dlaždicobuněčných karcinomů).
Barrettův jícen Vývoj karcinomů jícnu Adenokarcinomy
Vývoj karcinomů jícnu Adenokarcinomy
Vývoj karcinomů jícnu Adenokarcinomy 5-leté přežití méně než 20% pacientů. 50% případů karcinomu jícnu byla nalezena LOH 9p a následně mutace MTS1 genu LOH (13q14) gen pro nádorový supresor Rb mutace p53 amplifikace části 11. chromosomu (11q13) amplifikace nebo nadměrná exprese genu CCND1/PRAD1 pro cyklin D1 (50-60% případů výhradně ve skupině spinocelulárních karcinomů) Se zvýšenou expresí cyklinu D v nádorech jícnu může souviset nalezená zvýšená exprese autokrinních růstových faktorů EGF a TGF.
Vývoj karcinomů žaludku Dvě rozdílné signální dráhy pro vývoj špatně diferencovaných a dobře diferencovaných karcinomů žaludku (Tahara 1995). Málo diferencované karcinomy, které jsou zpravidla totožné s difusním typem karcinomu dle Laurenovy klasifikace, vznikají přímo z normálních buněk Klíčovou úlohu při jejich vývoji hraje vznik genetické nestability a defekty reparačních mechanismů. Dobře diferencované karcinomy, konzistentní se skupinou intestinálního typu karcinomu dle Laurenovy klasifikace, prodělávají během vývoje typická morfologická mezistadia přes intestinální metaplasii, adenom a různé stupně dysplasie. Na počátku celého transformačního postupu stojí opět vznik genetické nestability v metaplasticky změněných buňkách. V poslední době se ukázalo, že v etiologii velké části karcinomů žaludku se pravděpodobně uplatňuje EB virus.
Vývoj karcinomů žaludku Málo diferencované karcinomy (1) Pro zahájení vývoje vedoucího přímo ke vzniku časného karcinomu však musí dojít k defektům p53 a alelické ztrátě c-met (onkogen kódující transmembránovou tyrosin kinázu s funkcí receptoru pro SF/HGF). (2) Pro další vývoj karcinomu vedoucí k lokálnímu růstu a větší agresivitě jsou nutné LOH (1p), snížení až vymizení exprese cadherinu, nadměrné expresi TGF a změnám jeho receptoru (TGFR) a rovněž k chybné transkripci CD44. (3) Schopnost metastazovat pak je předurčena LOH (7q), amplifikací genu c-met a KSAM (člen rodiny receptorů pro fibroblastický růstový faktor) a pravděpodobně též snížením exprese nm23.
Vývoj karcinomů žaludku Dobře diferencované karcinomy Pro vznik adenomu jsou důležité mutace p53, K-ras a APC. Vývoj dysplastických změn, směřujících ke vzniku časného karcinomu, je spojen s LOH (5q), kde se nachází gen APC a se ztrátou p53. K tomu se přidružují změny typu nadměrné exprese c-met. Vývoj směrem k více agresivnějšímu a progredujícímu karcinomu je do jisté míry podobný jako u výše popisovaného málo diferencovaného karcinomu (to znamená změny TGFR a CD44). Rozdíly spočívají v tom, že u této dráhy nenastává ztráta exprese cadherinu, místo LOH krátkého raménka 1. chromosomu se objevují LOH dlouhého raménka (1qLOH) a bývají časté delece dlouhého raménka 18. chromosomu, které jsou místem genu DCC ( deleted in colorectal cancer ). Rovněž genetické změny predisponující vývoj metastatického fenotypu žaludečního karcinomu jsou podobné změnám v obdobném místě karcinogenetické dráhy málo diferencovaného karcinomu LOH (7q), redukce exprese nm23. Navíc k nim přistupuje amplifikace genu c-erbb-2 (HER2/neu).
Vývoj karcinomů tlustého střeva a rekta Hereditární karcinomy tlustého střeva a rekta Netvoří homogenní skupinu. Kromě dobře poznaných jednotek jako jsou hereditární nepolypózní kolorektální karcinom (HNPCC), která tvoří asi 5% všech karcinomů tlustého střeva a karcinomu při familiární adenomatózní polypóze (FAP), tvořící jen asi 1% všech kolorektálních karcinomů, existuje ještě poměrně rozsáhlá skupina karcinomů s familiárním výskytem (přibližně 19% všech karcinomů této oblasti), které nelze zařadit do žádné z výše uvedených skupin.
Vývoj karcinomů tlustého střeva a rekta Sporadické karcinomy (SC) Představují asi 3/4 (75%) karcinomů. Karcinomy při FAP a také většina (85-90%) sporadických karcinomů a familiárních karcinomů, které nesouvisí s HNPCC nebo FAP, vznikají v na základě chromosomální nestability, zatímco všechny HNPCC a zbytek (10-15%) ostatních karcinomů vzniká v souvislosti s indukovanou mikrosatelitní nestabilitou.
Vývoj karcinomů tlustého střeva a rekta Karcinomy jejichž vznik a vývoj souvisí s chromosomální nestabilitou se vyvíjí na podkladě postupných genetických změn v buňkách kolorektální sliznice a mají řadu morfologicky definovaných mezistupňů. Jsou přesně definovány mutace a delece jednotlivých onkogenů a nádorových supresorů. Pro změnu normálního epitelu v dysplastický je nezbytná LOH 5q, mutace nebo dalece APC a amplifikace myc. Hypometylace DNA potom vede k vývoji adenomů. Mutace genu K-ras a delece DCC na 18q ke vzniku adenomu s těžkou dysplasií. Po LOH 17p a mutaci p53 může dojít ke vzniku invazivního karcinomu. Po deleci nm23 spolu s LOH 8p dochází k vývoji metastatického fenotypu.
Vývoj karcinomů tlustého střeva a rekta Vogelsteinův model vývoje karcinomů tlustého střeva a rekta hypometylace DNA LOH 17p a mutace p53 Normální Dysplastický Adenom Adenom s těžkou Karcinom Metastázy epitel epitel dysplasií LOH 5q mutace K-ras delece nm23 mutace nebo delece APC delece DCC na18q LOH 8p amplifikace myc
Vývoj karcinomů tlustého střeva a rekta Karcinomy jejichž vznik a vývoj souvisí s mikrosatelitní nestabilitou tvoří okolo 15% sporadických a do jiných skupin nezařaditelných nádorů, které vykazují mikrosatelitní nestabilitu označovanou někdy jako RER pozitivitu (replication error). Sporadické nádory s touto charakteristikou mají řadu vlastností podobných HNPCC. Jsou totiž často diploidní nebo blízce diploidní, vyskytují se v pravé části tračníku a mají lepší prognózu. U pacientů s HNPCC je tato nestabilita způsobena mutacemi genů odpovědných za opravu chybného párování (zejména hmlh1 a hmsh2). Tyto mutace vedou ke zvýšené incidenci bodových mutací a delecí/inzercí v krátkých opakujících se sekvencích DNA tzv. mikrosatelitech. To je doprovázeno rovněž zvýšenou frekvencí mutací onkogenů a nádorových supresorů a aberací částí chromosomů, kde se tyto geny nachází.
Vývoj karcinomů prsu DCIS G1 DCIS G2 DCIS G3 TDLU terminal ductulo-lobular unit UDH ADH Byla popsána kaskáda morfologických změn vedoucí k malignímu nádoru, zahrnující běžnou duktální a lobulární hyperplasii (UDH, ULH, risk zvýšen 0-2x), atypickou duktální a lobulární hyperplasii (ADH, ALH, risk zvýšen 4-6x) až po duktální a lobulární karcinom in situ (DCIS, LCIS, risk zvýšen 10x), který je bezprostředním prekurzorem invazivního karcinomu.
Vývoj karcinomů prsu normální epitel hyperplasie atypická hyperplasie LCIS DCIS(dobře) DCIS(stř.) DCIS(málo) ILC IDC(G1) IDC(G2) IDC(G3) pleomorf. ILC Genetické defekty se vyskytují už ve stadiu UDH a ADH a postihují více než 10 různých chromosomů (nejčastější jsou defekty 17p,17q, 10q). Týkají se četných onkogenů a nádorových supresorů: např. p53, Rb, PTEN, BRCA1,2, erbb-2 atd.
Vývoj karcinomů prostaty * Karcinom prostaty obyčejně vzniká v zadním laloku prostaty (periferní zóna). * Nádor vyrůstá ze žlázového epitelu (submukózní a hlavní žlázky) a vyznačuje se různým stupněm diferenciace. * Genetické alterace zahrnují nádorové supresorové geny (chromozomy 7, 10 a 16) a různé onkogeny. * Růst a přežití buněk primárních nádorů prostaty jsou do značné míry závislé na androgenech.
Vývoj karcinomů prostaty
Vývoj karcinomů endometria Během posledních několika let došlo na základě poznání dvou molekulárních signálních drah k rozdělení endometriálních karcinomů do dvou typů: (1) Endometroidní karcinomy tvořící asi 80% všech děložních malignit. Vznikají na základě atypické hyperplasie endometria a jsou podmíněny estrogenní stimulací. Vyskytují převážně u žen v premenopauze a perimenopauze a jsou provázeny obezitou, hyperlipidémií, anovulací, neplodností a pozdním nástupem menopauzy. (2) Non-endometroidní karcinomy představují asi 10% děložních malignit. Histologicky se zpravidla jedná o papilární a serózní karcinomy vznikající někdy v endometriálních polypech nebo z prekancerózních lézí vyvíjejících se v atrofickém endometriu. Tento typ nádorů není závislý na estrogenní stimulaci a nevzniká na podkladě hyperplasie. Velmi často roste invazivně do myometria a proniká do cév. Jeho prognóza je špatná, úmrtnost na něj je vysoká.
Vývoj karcinomů endometria Vlastnost Typ I Typ II Histologický typ endometroidní non-endometroidní Věk nižší vyšší Menopauzální stav pre- a perimenopauza postmenopauza Hyperplasie předchází ano ne Invaze do myometria minimální hluboká Estrogen dependentní ano ne Biologické chování pomalu progredující rychle progredující Stupeň (grade) nízký vysoký Prognóza dobrá špatná Mikrosatelitní nestabilita ano ne Ztráta heterozygosity (LOH) ne ano Alterace genů pro PTEN, β-katenin p53
WHO
Mikročipová analýza DNA(RNA)