Genetische Ursachen der Krebsentstehung Molekularbiologie menschlicher Tumoren

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1 Genetische Ursachen der Krebsentstehung Molekularbiologie menschlicher Tumoren Literatur Molekulare Onkologie Entstehung und Progression maligner Tumoren C. Wagener Thieme Verlag Was ist Krebs? Zellzyklus Onkogene Tumorsuppressorgene Genetische Veränderungen in menschlichen Tumoren Mutationen Chromosomale Aberrationen Epigenetik

2 Was ist Krebs? Neoplasie/Tumor : Krebs : abnorme Vergrößerung eines Gewebes, welches durch autonome, progressive und überschießende Proliferation körpereigener Zellen entsteht. maligne Tumoren, die sich von benignen Tumoren durch infiltratives und destruktives Wachstum sowie die Fähigkeit zur Metastasenbildung unterscheiden. Krebs Solide Tumoren Nichtsolide Tumoren (Leukämien) Karzinome von Epithelien ausgehend Sarkome vom Mesoderm ausgehend

3 Was ist Krebs? Normal ptis pt4

4 Was ist Krebs? Zellen teilen sich nicht unkontrolliert. Zellen teilen sich dann, wenn ein spezifischer Bedarf nach einer bestimmten Zellart besteht. Dieser Bedarf wird meist von anderen Zellen gemessen und durch Signalmoleküle mitgeteilt. Wenn sich eine Zelle, die zur Proliferation fähig ist, teilen muß, müssen viele Gene die in G0/G1 aktiv waren, abgeschaltet werden und andere angeschaltet werden (zb die, die zur Replikation benötigt werden). Dabei hat die Zelle mehrere Kontrollpunkte, an denen der Zellzyklus aufgehalten oder sogar unterbrochen werden kann, wenn etwas schief läuft.

5 ATM p21 u.a. Wachstums-Stop p14 ARF MDM2 p53 Bax u.a. Apoptose G1-Phase M-Phase G2-Phase Zell Zyklus G1-S S-Phase Rb E2F Rb P p16 P cdk4/6 cycd E2F P c-myc cdk2 cyca cyce cyca cyce p21, p27, p57 Kontrolle: G1-S-Übergang

6 Onkogene Gen, das durch Veränderung kodierender oder regulatorischer Sequenzen den malignen Phänotyp aktiv beeinflußt Klasse I : Wachstumsfaktoren Klasse II : Rezeptoren für Wachstumsfaktoren Klasse III: Signaltransduktionsmoleküle Klasse IV: Transkriptionsfaktoren Klasse V : Bestandteile der Zellzykluskontrollmaschinerie

7 Onkogene Beispiel: RAS Familie Häufigkeiten von RAS Mutationen in menschliche Tumoren Tumor Pankreaskarzinom Schilddrüsenkarzinom Kolorektales Karzinom Multiples Myelom Lungen Adenokarzinom Akute myeloische Leukämie Ph negative CML Häufigkeit von Mutationen > 75 % > 50 % > 40 % ca. 30 % ca. 25 % ca. 30 % > 50 % Bos, 1989

8 Onkogene Beispiel: RAS Familie RAS: Zentrale Schaltstelle der Signalübertragung Membran

9 Onkogene Beispiel: RAS Familie RAS Überexpression

10 Tumorsuppressorgene Definition Gene, die durch Funktionsverlust die Entwicklung von Tumoren fördern G1-Phase M-Phase M-Phase Zell Zyklus G1-S p14 ARF MDM2 G1-Phase ATM p53 p21 u.a. Bax u.a. Wachstums -Stop Apoptose G2-Phase S-Phase

11 Tumorsuppressorgene Beispiel p53 Häufigkeiten von p53 Mutationen in menschliche Tumoren Tumor Leukämien Cervix Mamma Leber Blase Prostata Magen Kolon Lungenkarzinom Tumoren gesamt Häufigkeit von Mutationen < 10 % 3 % 24 % 30 % 40 % 42 % 48 % 55 % % 40 50%

12 Tumorsuppressorgene APC Modell

13 Genetische Veränderungen in Tumoren Mutationen Chromosomal Epigenetik Punktmutationen Deletion Insertion Polyploidisierung Verlust Zugewinn Translokation Inversion Methylierungsveränderungen

14 Punktmutationen

15 Punktmutationen... A C G T

16 Punktmutationen Wildtyp-Sequenz (T) Mutante Sequenz (C+T) A C G T Normal A C G T Tumor

17 Punktmutationen Beispiel Chemische Karzinogene: Epidemiologische Untersuchungen: Karzinogen Tabak Schimmelpilz Ruß Anilinfarben Karzinogener Inhaltsstoff Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Aflatoxine Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Aromatische Amine Tumorlokalisation Mund, Rachen, Kehlkopf, Speiseröhre, Lunge, Blase Leber Skrotum (Schornsteinfeger) Blase (Anilinfarbenarbeiter)

18 Punktmutationen Beispiel Aflatoxin B1 (Naturprodukt) Es wird vom Pilz Aspergillus flavus gebildet, der gute Wachstumsbedigungen vorfindet, wenn Pistazien, Erdnüsse und Getreide warm und feucht gelagert werden. Aflatoxin ist primär nicht mutagen. Nach Aufnahme in den Darm gerät es in die Leber, wo es metabolisch aktiviert wird. Dieses aktive Produkt ist ein Karzinogen, das mit N7 von Guanin reagiert. Durch Reparaturversuche findet sich schließlich ein Thymin an der Stelle des ursprünglichen Guanins. G > T Mutationen

19 Mutationen Mutationen treten auch spontan auf: 10 6 Mutationen pro Gen pro Zellteilung Ein Mensch macht ca Zellteilungen im Leben durch Mutationen treffen im Lauf des Lebens jedes Gen

20 Genetische Veränderungen in Tumoren: Two-Hit-Modell

21 Deletionen Beispiele Deletionen Gen Deletion Erkrankung APC RB WT1 del(5)(q15-22) del(13)(q14.11) del(11)(p13) Familiäre adenomatöse Polyposis coli Retinoblastom Wilms Tumor Familiäre adenomatöse Polyposis coli ist eine autosomal dominant erbliche Erkrankung. Im späten Kindesßund frühen Erwachsenenalter entwickeln sich bis zu 1000 und mehr Polypen in der Schleimhaut des Dickdarms. Jeder Polyp kann sich yu einem Kolon Karzinom entwickeln. Retinoblastom Ist ein von der undifferenyierten Retina (Netzhaut) ausgehender Tumor des Säuglings- und frühen Kindesalter in einem oder beiden Augen. Wilms Tumor Der Wilms-Tumor ist ein bösartiger relativ seltener, Tumor der Niere und die häufigste Form des Nierenkrebses im Kindesalter.

22 Insertion Cancer Res Feb 1;52(3): Disruption of the APC gene by a retrotransposal insertion of L1 sequence in a colon cancer. Miki Y, Nishisho I, Horii A, Miyoshi Y, Utsunomiya J, Kinzler KW, Vogelstein B, Nakamura Y. Department of Biochemistry, Cancer Institute, Tokyo, Japan. Retroelement Insertion Gen

23 Translokation Beispiel Philadelphia Translokation Das Philadelphia Chromosom entsteht durch reziproke Translokation ywischen Chromosom 22 und Chromosom 9. t(9;22)(q34;q22) 22 9

24 Polyploidisierung Vervielfältigung eines haploiden Chromsomensatzes um mehr als das Doppelte. Chromosomaler Verlust (teilweise oder ganze Chromosom) Chromosomaler Zugewinn (teilweise oder ganze Chromosom)

25 Zugewinn/Verlust Gen AKT2 CyclinD1 CyclinE CDK4 ERBB ERBB2 FGFR1 FGFR2 H RAS K RAS MDM2 MYB MYC N MYC Lokalisation 19q13 11q13 19q12 12q14 7p12 17q11 8p12 10q25 11p15 12p13 12q14 6q23 8q22 2p24 Tumor Ovarialkarzinom Speiseröhre, Mamma, Leber Magenkarzinom Sarkom Glioblastom Mamma, Ovarialkarzinom Mammakarzinom Mammakarzinom Kolorektales Karzinom Kolorektales, Magen Karzinom Sarkom Kolorektales Karzinom Mamma, Ovarial, Lunge, Speiseröhre Ka Neuroblastom

26 Methylierungsveränderungen

27 Methylierungsveränderungen Beispiel Punktmutation: C m T p53 Gene silencing: C C m p16 Krebs: Ursache oder Folge? Fehler der DNA Methylatierung: Activatierung von Protooncogenen: Chromosomale Instabilität C m C K-ras

28 Methylierungsveränderungen TFs Transkription TFs CH 3 Transkription (1) Methylierungsabhängige Transkriptionsfaktoren (2) Aktive Repression: MBD MBD MBD Methyl bindende Proteine zb: MeCP2 CH 3 CH 3 CH 3

29 Methylierungsveränderungen

30 Methylierungsveränderungen

31 Methylierungsveränderungen TGTGTACCGGTACGTAAACGTGCA SAM

32 Methylierungsveränderungen Transposable Elemente: Können prinzipiell im Genom springen

33 Genetische Veränderungen in Tumoren: Methylierungsveränderungen