Änderung des Stoffwechsels Apoptose (programmierter Zelltod) Zellteilung Das Signal zur Zellanpassung wird durch Hormone z.b. Wachstumsfaktoren)

Transkript

1 5.5 Krebs Protoonkogene: Eine lebende Zelle in einem multizellulären Organismus passt sich den wechselnden Lebensanforderungen an. Hierbei kann die Zelle folgende Umwandlungen durchlaufen: Differenzierung zu einer spezialisierten Zelle Änderung des Stoffwechsels Apoptose (programmierter Zelltod) Zellteilung Das Signal zur Zellanpassung wird durch Hormone z.b. Wachstumsfaktoren) von außen an die Zelle herangetragen. Die Wachstumsfaktoren binden an Rezeptoren, die in der Zellmembran verankert sind. Die Rezeptoren besitzen eine extrazelluläre Domäne, an die der Botenstoff bindet, und eine cytosolische Domäne, die durch die Bindung verändert wird. Diese Konformation aktiviert weitere cytosolische Proteine, die das Signal durch Protein-Proteinkontakte und häufig auch durch Proteinphosphorylierung weiterleiten (Signalkaskade). Damit kann das Signal in den Zellkern gelangen, wo es Transkriptionsfaktoren aktiviert. Die Transkriptionsfaktoren aktivieren dann die Transkription von spezifischen Genen, die gebildete RNA wird translatiert und die erzeugten Proteine steuern das Zellverhalten wie zum Beispiel die Zellteilung. Jede Zelle besitzt mehrere, unterschiedliche Rezeptoren. Das von dem Rezeptor weitergeleitete Signal wird nicht ausschließlich von einer Signalkaskade weitergeleitet werden, vielmehr existiert ein Netzwerk von Proteinen, die sich gegenseitig aktivieren. Deshalb führt der Ausfall eines dieser Proteine nicht zum Tod der Zelle. Alle an der Transduktion von Wachstumssignalen beteiligten Proteine gehören zu den Protoonkogenen, die durch Mutation in eine dauerhaft aktive Onkogenform überführt werden können. Die Namen der - 1 -

2 Protoonkogene werden durch drei Buchstaben abgekürzt, vor denen ein c (für cellular) steht, zum Beispiel c-src, c-ras, c-raf, c-myc usw.. Die Protoonkogene können in mindestens fünf Klassen unterteilt werden: 1) Wachstumsfaktoren (Hormone; Beispiel c-sis) 2) Tyrosinkinasen (Rezeptoren; Beispiel c-kit, c-src) 3) GTP-bindende Proteine (an der cytosolischen Membran verankert; Beispiel c-ras) 4) Serin-Threonin-Kinasen (cytosolische Proteine; Beispiel c-raf) 5) Transkriptionsfaktoren (Beispiel c-myc) Jeder Organismus benutzt Protoonkogene, um die Differenzierung und das Wachstum der Zelle zu steuern. Werden die Protoonkogene durch Mutation verändert, kann dies zu ungebremstem Wachstum (Krebs) führen. Man spricht dann von aktivierten Onkogenen. Mutationen in Onkogenen sind meist dominant, weil ein mutiertes Gen ausreicht, um eine Signalkette zu aktivieren. Wenn zum Beispiel ein Rezeptor so verändert ist, dass er unabhängig von der Bindung eines Wachstumsfaktors sein Signal sendet, führt dies zur vermehrten Zellteilung. Dies nennt man eine gain-of-function-mutation. Solche somatischen Mutationen bleiben meist ohne Konsequenzen, weil der Defekt durch das Netzwerk der Protein-Protein-Wechselwirkungen ausgeglichen wird. Daher reicht eine einzige Mutation in den Signalkaskaden nicht aus, um Krebs zu erzeugen (siehe auch: Mehrstufenprozess). Der Zellzyklus: Die wachsende Zelle durchläuft bei der Zellteilung vier physiologisch unterschiedliche und nicht umkehrbare Phasen: G 1 -Phase: Alle Proteine, Membranlipide, Zucker und Nukleotide für die Replikation der DNA werden produziert. Die Dauer dieser Phase ist je nach Zelltyp unterschiedlich S-Phase: Die DNA wird repliziert, aus dem diploiden Chromosomensatz einer somatischen Zelle wird ein tetraploider Chomosomensatz. G 2 -Phase: Die Zelle bereitet sich auf die Zellteilung vor. Es erfolgt eine räumliche Orientierung (Polarisierung) der Zelle und die Festlegung der Teilungsebene. M-Phase: Die Zelle teilt sich. Nach der Zellteilung kann die Zelle entweder in eine neue G 1 - Phase oder in eine G 0 -Phase (Ruhephase) übergehen

3 Kontrollpunkte des Zellzyklus und Tumorsuppressorgene (Antionkogene): Die Entscheidung, den nächsten Schritt im Zellzyklus einzuleiten, bedeutet jeweils die Aktivierung eines Kontrollpunktes einer Phase. Dies geschieht durch Proteinkomplexe, die aus Cyclinen (ihre Konzentrationen steigen und fallen in Abhängigkeit vom Zellzyklus) und Cyclin-abhängigen Kinasen (Cdk-Cyclin Komplexe) bestehen. Die verschiedenen Cdks werden durchnummeriert, die verschiedenen Cycline werden mit Großbuchstaben bezeichnet. Ferner spielt das RB Protein eine wichtige Rolle. RB ist ein Tumorsuppressor (= Produkt eines Tumorsuppressorgens). Es wirkt als Bremse des Zellzyklus, indem es in Abwesenheit von Wachstumssignalen die Zelle in der G1-Phase hält. Allgemein können Tumorsuppressoren als Hemmstoffe des Zellzyklus verstanden werden. Folgende Komplexe haben Bedeutung für das Durchlaufen der Phasen: G1-Phase: Cdk6/Cyclin D Cdk4/Cyclin D (phosphoryliert und inaktiviert damit das RB-Protein) Übergang G1-S: Cdk2/Cyclin E (phosphoryliert und inaktiviert damit das RB-Protein) S-Phase: Cdk2/Cyclin A Übergang G2-M: Cdk1/Cylclin A M-Phase: Cdk1/Cyclin B (RB-Protein wird dephosphoryliert und so aktiviert) Die Hemmung des Zellzyklus durch das RB-Protein kann physiologisch nur durch mitogene Signale (Wachstumssignale) aufgehoben werden. Wenn das RB-Gen mutiert ist, wird das RB- Protein nicht mehr als Bremse wirksam sein. Damit entsteht eine Situation, in der das Vorhandensein von Wachstumssignalen vorgetäuscht wird: der Zellzyklus wird durchlaufen, obwohl die physiologischen Bedingungen zur Zellteilung nicht erfüllt sind. Eine solche Mutation nennt man loss-of-function-mutation. Durch diese Mutation geht die Funktion eines Alleles verloren. Das menschliche Genom ist aber diploid und das verbleibende zweite Allel des RB-Gens ist ausreichend, um die Zelle in G1 zu halten. Eine loss-of-function-mutation ist daher reszessiv. Erst wenn in der Zelle auch das zweite Allel ausgeschaltet ist, wird die Zelle zur Teilung vorbereitet. p53: Tp53 ist das am häufigsten mutierte Gen in der Krebszellen. Das von ihm codierte Protein p53 wirkt als Transkriptionsfaktor und reguliert mehrere Gene. Bei der Schädigung des Genoms aktiviert es das Gen eines Inhibitors für Cyclin-abhängige Kinasen. Dadurch wird der Zellzyklus nach DNA-Schäden angehalten, und die Zelle gewinnt Zeit, die Schäden zu beheben. p53 hat damit die Charakteristik eines Tumorsuppressor. p53 kann auch den programierten Zelltod (Apoptose) einleiten. Dies erfolgt, wenn die DNA-Schäden ein so großes Ausmaß erreichen, dass die Kapazität des Reparaturapparates nicht mehr ausreicht

4 p53 wird daher auch als Wächter über die Integrität des Genoms bezeichnet. Menschen, die mit mutiertem Tp53 geboren werden, haben eine hohe Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken, weil bereits ein Allel ausgefallen ist (Li-Fraumeni-Syndrom). Die Wahrscheinlichkeit, dass in einer Zelle beide Allele geschädigt sind, eine Voraussetzung für die Begünstigung der Zellteilung durch den Ausfall eines Tumorsuppressorgens, ist so drastisch erhöht. Das Li-Fraumeni-Syndrom äußert sich durch das Auftreten unabhängiger Karzinome, Sarkome und Hirntumoren in frühem (Kindes-)Alter. p53 ist für die Tumortherapie von großer Bedeutung. Viele Behandlungsmethoden wirken, indem sie DNA-Schäden bei schnell proliferierenden Zellen induzieren. Ein intaktes p53 leitet dann in diesen Zellen den apoptotischen Prozess ein. Deshalb sprechen Tumore, in denen p53 intakt ist, häufig gut auf die Therapie an. Bei Patienten, die beide Allele von Tp53 verloren haben, ist die Prognose meist fatal. Weitere Tumorsuppressoren: Weil die Cdk/Cyclin-Komplexe zu einem Fortschreiten im Zellzyklus führen, wirken Hemmer dieser Komplexe als Bremsen im Zellzyklus und damit als Tumorsuppressoren. Man unterscheidet Proteine die an Cdk/Cyclin-Komplexe binden (p21 CIP/WAF1, p27 Kip1, p57 Kip2) und Proteine, die an Cdk4 binden und die Wechselwirkung mit Cyclin D verhindern (p16 INK4a, p15 INK4b, p18 INK4c und p19 INK4d) Krebs als Mehrstufenprozess: Krebs entsteht durch das Zusammenspiel von aktivierten Onkogenen (gain-of-function) und dem Verlust von Tumorsuppressorgenen (loss-of-function). Es sind immer mehrere Gene betroffen. Eine erste Mutation ermöglicht der betroffenen Zelle sich schneller zu teilen als andere Zellen im Gewebe. Bei schnellerer Zellteilung kommt es zwangsläufig zu Replikationsfehlern und damit zu weiteren Mutationen, die einen Wachstumsvorteil gegenüber normalen Zellen ermöglichen. Durch weitere Mutationen wird ein unreguliertes Wachstum erzeugt. Krebsentstehung ist also ein evolutionärer Prozess, der mehrere Jahre oder Jahrzehnte in Anspruch nehmen kann

5 Schematisierter Entwicklungsgang eines Tumors Die Zellen sammeln kontinuierlich Mutationen an, die intrinsischen Ungenauigkeiten der Replikation und auch äußeren Einflüssen entstammen. Ab der ersten Mutation, die die Zellteilungsrate steigert (Driver), beginnt eine klonale Expansion. Defekte von DNA- Reparaturmechanismen erhöhen die Mutationsrate. Es werden immer mehr Mutationen angesammelt, unter denen viele das Tumorgeschehen nicht beeinflussen (Passenger). Die Kooperation von aktivierten Onkogenen kann in einem Zellkulturexperiment demonstriert werden: Man kann aus einem Organ Zellen entnehmen und sie in Petrischalen kultivieren (Primärkultur). Die Zellen zeigen Kontaktinhibition, das heißt, wenn sie beim Wachstum aneinander stoßen, stellen sie das Wachstum ein. Zellen aus Primärkulturen können sich bis zu 70 mal teilen, dann sterben sie ab. Zellen von Zelllinien tragen bereits Mutationen. Auch sie zeigen Kontaktinhibition, sind aber unsterblich, das heißt, sie können unbegrenzt kultiviert werden. Überträgt man nun die DNA eines aktivierten myc Onkogens auf eine Primärkultur und eine Zelllinie, dann zeigt die Primärkultur keine Veränderung, aber die Zellen der Zelllinie verlieren ihre Kontaktinhibition und wachsen zu Zellklumpen übereinander (Foci). Ein aktiviertes Onkogen reicht also bei normalen Zellen nicht aus, um hyperproliferatives Wachstum einzuleiten. In der präformierten Zelllinie erzeugt das Onkogen aber verstärktes Wachstum. Das gleiche Experiment kann auch mit einem aktivierten ras Onkogen durchgeführt werden. Auch hier bleibt die Primärkultur unverändert, während die Zelllinie die Kontaktinhibition verliert. Überträgt man nun beide Onkogene myc und ras auf die Primärkultur, dann kooperieren die Gene und beseitigen auch in normalen - 5 -

6 Zellen die Kontaktinhibition. Es sind also mindestens zwei Ereignisse zur Transformation von normalen Zellen notwendig. Der Mehrstufenprozess kann modellhaft an der Entwicklung des Kolonkarzinoms beschrieben werden: In den Normalzellen entwickelt sich eine Mutation im Tumorsuppressorgen APC (adenomatous polyposis coli). Dies führt zu gutartigen, potentiell reversiblen Tumoren. Eine Mutation im c-ras Protoonkogen aktiviert das ras Onkogen, der Tumor hat sich zu einem Adenom weiterentwickelt und teilt sich vermehrt (Tumorpromotion). In über 60% aller Kolonkarzinome ist eine Deletion auf dem langen Arm des Chromosoms 18 nachweisbar. Im deletierten Abschnitt befindet sich das DCC- Gen (detected in colon carcinoma) welches die Tumorprogression einleitet. Der Verlust beider Allele des Tumorsuppressorgens Tp53 hat die irreversible Veränderung zum malignen Phänotyp zur Folge. Weitere Mutationen erlauben die Fähigkeit zur Metastasierung. Bisher haben wir uns hauptsächlich mit der Wachstumskontrolle in Krebszellen beschäftigt. Für die Ausbildung eines soliden Tumors kommen aber noch weitere Veränderungen gegenüber den somatischen Zellen hinzu, die als typische Kennzeichen von Tumoren beschrieben werden (Hanahan & Weinberg, Hallmarks of Cancer: The next Generation. Cell 144 (2011) ) aber nicht unbedingt alle auftreten müssen. So ist eine Versorgung mit Blutgefäßen - 6 -

7 nur für solide Tumoren notwendig aber nicht für Tumoren der blutbildenden Zellen. Dagegen findet man in den meisten Tumorzellen die Reexpression der Telomerase, sodass viele Zellteilungen stattfinden können. Es gibt vor allem indirekte Hinweise darauf, dass entartete Zellklone schon in frühen Stadien vom Immunsystem eliminiert werden. Entsprechend häufig findet man in etablierten Tumoren Mutationen, die die Erkennung durch das Immunsystem beeinträchtigen. Auch die Veränderung des Stoffwechsels hin zur eher anaeroben Glykolyse unter Lactatbildung wird häufig detektiert. Sie ist aber noch weitgehend unverstanden. Grundlegende Literatur: Löffler, Basiswissen Biochemie, 7. Auflage S Löffler Petrides Heinrich, Biochemie & Pathobiochemie, 8. Auflage S Rassow Hauser Netzker Deutzmann, Biochemie, 3. Auflage S , Themen, die im Vortrag angesprochen werden sollten: Protoonkogene Signaltransduktion Wachstumskontrolle Onkogene Zellzyklus Ablauf Regulation Tumorsuppressorgene (Antionkogene) RB p53 Mehrstufenprozess der Krebsentstehung Kennzeichen von Krebszellen - 7 -