Charakteristika von Krebszellen. Assoziales Verhalten von Tumorzellen : Tumorwachstum geht auf Kosten des Gesamtorganismus

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1 Charakteristika von Krebszellen Unkontrolliertes Wachstum Invasives Wachstum Metastasierung Assoziales Verhalten von Tumorzellen : Tumorwachstum geht auf Kosten des Gesamtorganismus

2 Unterschied zwischen gutartigen und bösartigen Tumoren Bösartige Tumorzellen durchbrechen die Basalmembran und dringen in benachbartes Gewebe ein (Invasiveness)

3 Klassifizierung maligner Tumoren Karzinome: stammen von Epithelzellen ab (80-90% aller menschlichen Tumore) Sarkome: stammen von Muskel- Knochen- oder Bindegewebszellen ab Leukämien: stammen von hämatopoietischen Zellen ab Neurologische Tumore

4 Krebs resultiert aus mehreren somatischen Mutationen Chemische Carcinogene, ionisierende Strahlung und Viren verursachen Krebs durch DNA Schädigung Eine Zelle muss normalerweise mehrere Mutationen akkumulieren, bevor sie entartet: dafür spricht die mit dem Alter zunehmende Krebshäufigkeit sowie das Phänomen der Tumorprogression

5 Der Mehrstufenprozess der Carcinogenese am Beispiel des Cervixcarcinoms Rot: proliferierende, nicht differenzierte Zellen Weiss: Differenzierte, nicht proliferierende Zellen Gelb: Basalmembran Blau: Bindegewebe

6 Akkumulation von Mutationen bei der Tumorgenese Krebs entsteht durch mehrere Runden Mutation und Selektion Die meisten Krebszellen sind genetisch instabil: Defekte in der DNAReparatur oder bei der Erhaltung der Chromosomenintegrität: erhöhte Mutationsrate

7 Epigenetische Veränderungen in Tumoren Verändern nicht das Genom, aber die Expression bestimmter Gene: vererbbar auf die Tochterzellen, aber reversibel: A.) Spezifische Änderungen der Histonmodifizierung B.) Spezifische Änderungen der DNA Methylierung

8 Genetische und epigenetische Veränderungen in Tumoren

9 Mutationen und epigenetische Veränderungen, die Krebsentstehung begünstigen Veränderungen, die Zellproliferation erhöhen Veränderungen, die Zelldifferenzierung hemmen Veränderungen, die Apoptose hemmen Veränderungen, die genetische Stabilität reduzieren

10 Wichtige Eigenschaften von Tumorzellen Reagieren nicht mehr auf Signale, die die Proliferation regulieren Entkommen dem programmierten Zelltod Entkommen replikativer Seneszenz Differenzieren nicht mehr Verlassen das ursprüngliche Gewebe Überleben und teilen sich in fremden Organen

11 Replikative Seneszenz Beobachtung: die meisten menschlichen Zellen können, zumindest in der Kultur, nur eine bestimmte Zahl an Zellteilungen durchmachen: replikative Seneszenz Vermutlich bedingt durch die Verkürzung der Telomere Die wenigsten normalen Zellen exprimieren Telomerase, jedoch die meisten Tumorzellen

12 Krebs und Stammzellen Krebs-Stammzellen: 1.) Self-renewal: Produktion weiterer Krebs-Stammzellen mit niedriger Proliferationsrate, können Bildung eines neuen Tumors initiieren 2.) Produktion von Transit- Amplifying Cells, die meist rasch wachsen, aber selbst keinen Tumor produzieren können

13 Metastasierung Loslösung von Nachbarzellen Eindringen in benachbartes Gewebe Eindringen in Blutgefässe oder Lymphgefässe Eindringen in neues Gewebe Proliferation in neuem Gewebe und Bildung neuer Blutgefässe

14 Der Prozess der Metastasierung

15 Angiogenese: Sprossung neuer Blutgefässe

16 Angiogenese im adulten Organismus Physiologische Angiogenese: Menstruationszyklus (Uterus, Over), Haarzyklus, Fettablagerung, Muskelwachstum Pathologische Angiogenese: Wundheilung, Herzinfarkt, Psoriasis, Diabetische Retinopathie, Rheumatoide Arthritis, Krebs

17 Vascular endothelial growth factor Bewirkt Angiogenese Expression induziert durch Hypoxie (Sauerstoffmangel): Aktivierung von Hypoxia inducible factor 1 (HIF-1): Transkriptionsfaktor, der an VEGF Promotor bindet Andere Aktivatoren der VEGF Expression: Proinflammatorische Cytokine, Wachstumsfaktoren, reaktive Sauerstoffspezies, UV, Onkogen-Produkte

18 Tumorangiogenese Tumore wachsen bis zu einem Durchmesser von mm, Sauerstoff und Nährstoffe werden durch Diffusion bereit gestellt Weiteres Wachstum benötigt Angiogenese: angiogener Switch: Bildung neuer Blutgefässe, die aber meist unreif und wenig organisiert sind

19 Die Rolle von VEGF bei der Tumorangiogenese

20 Blutgefässe ernähren den Tumor

21 Anti-angiogene Krebstherapie Beobachtung: Häufige Metastasierung nach Entfernung der Primärtumors Hypothese: Primärtumor produziert Faktoren, die das Metastasenwachstum hemmen (nicht ausreichend für die Hemmung der Angiogenese im Primärtumor, da dieser pro-angiogene Faktoren produziert) Beweis: Serum und Urin von Mäusen, die an Lungenkrebs leiden, hemmen die Teilung von Endothelzellen: Isolierung von anti-angiogenen Substanzen

22 Angiogenese-Inhibitoren Synthetische Inhibitoren (z.b. Thalidomid - Contergan) Endogene Inhibitoren (Z.B. Endostatin, Angiostatin) Antagonisten von Wachstumsfaktoren (z.b. VEGF), die Angiogenese induzieren

23 Blutgefässe sind Bestandteil des Tumor-Microenvironment Tumor besteht aus Tumorzellen selbst, sowie aus Stromazellen. Diese werden für das Tumorwachstum benötigt. Stromazellen: Fibroblasten, Zellen der Blut- und Lymphgefässe (Endothelzellen, Perizyten, glatte Muskelzellen), verschiedene Entzündungszellen

24 Wundheilung der Haut: Parallelen zu Krebs Parallelen: Fibringerinnsel, Matrixbildung, Entzündung, Angiogenese, Lymphangiogenese verstärkte Zellteilung Hauptunterschied: Invasives Wachstum der Tumorzellen durch Mutationen und epigenetische Veränderungen in diesen Zellen Aus: M. Schäfer and S. Werner. Cancer as an overhealing wound: An old hypothesis revisited. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2008

25 Ursachen der Krebsentstehung Schädigende Umwelteinflüsse: Agentien, die DNA Schäden hervorrufen: Aflatoxin, Benzpyren, alkylierende Substanzen, UV- Licht Beschleunigung der Tumorgenese durch Substanzen, die die Zellteilung fördern (z. B. Phorbolester, Östrogene) Viren oder Bakterien (etwa 15% aller menschlichen Krebsarten)

26 Viren und Bakterien: verändern direkt die DNA oder wirken als Tumorpromotoren DNA Viren: Papillomaviren: verursachen Warzen und Cervixcarcinome Hepatitis B Virus: verursacht Leberkrebs Epstein Barr Virus: verursacht Burkitt- Lymphom, Nasopharynxkarzinom, Hodgkin`s Lymphom

27 Viren und Bakterien: verändern direkt die DNA oder wirken als Tumorpromotoren Retroviren: HTLV-I: verursacht adulte T-Zell Leukämie HIV-1: verursacht Kaposisarkom (indirekt) Bakterien: Helicobacter Pylori: verursacht Magenkrebs

28 Molekulare Ursachen der Krebsentstehung Aufklärung durch Zellkulturstudien, durch transgene Mäuse bzw. Knockout-Mäuse, sowie durch Untersuchung von Personen, in deren Familien bestimmte Tumoren gehäuft vorkommen

29 Gene, die an der Entstehung von Krebs beteiligt sind Onkogene: Gain of function führt zu Tumoren dominant: 1 mutiertes Allel genügt für die tumorfördernde Wirkung Tumorsuppressorgene: Loss of function führt zu Tumoren rezessiv: beide Allele müssen defekt sein

30 Dominante und rezessive Gene bei der Tumorgenese: Onkogene und Tumorsuppressorgene

31 Identifizierung und Klonierung von Onkogenen Assay: Transformation von 3T3 Mausfibroblasten (immortalisierte Zellen, bei denen ein Onkogen für die Transformation ausreicht): Wachsen nach Transformation übereinander, bilden Kolonien im Weich-Agar und Tumore in Nacktmäusen

32 Verlust der Kontaktinhibition von Tumorzellen!

33 Identifizierung von Ras als Onkogenprodukt Ergebnis aus Transformationsassays: in 25-30% aller menschlichen Tumore findet man mutiertes Ras Ras ist auch das Tumor-induzierende Gen eines Retrovirus: virale Onkogene sind mutierte zelluläre Gene, die von den Viren aufgenommen wurden: Nach Infektion von Wirtszellen wird das veränderte Gen stark exprimiert: Transformation

34 Tumor-Retroviren: Beispiel des Rous Sarcoma Virus

35 Produkte von Protoonkogenen c-ha-ras, c-ki-ras, c-n-ras c-raf (Serin-/Threoninkinase) c-jun, c-fos, c-myc (Transkriptionsfaktoren) c-src (cytoplasmatische Tyrosinkinase) c-sis: Wachstumsfaktor c-erbb, HER2: Wachstumsfaktorrezeptoren Bcl-2 (inhibitiert Apoptose)

36 Der MAP-Kinase Signaltransduktionsweg

37 Mutationen von Onkogenen

38 Tumorsuppressorgene Entdeckt durch die Untersuchung vererblicher Tumore Bsp.: Retinoblastom, ein Tumor der Netzhaut bei Kindern Spontan: 1 Tumor an einem Auge Vererblich: mehrere Tumore an beiden Augen

39 Genotypische Veränderungen beim Retinoblastom

40 Genotypische Veränderungen beim Retinoblastom

41 Verlust der Funktion von Tumorsuppressoren durch genetische und epigenetische Veränderungen

42 Der Wirkungsmechanismus von Rb: Kontrolle der Zellteilungsrate Nach einem Wachstumsfaktorsignal wird RB durch CDK4/ CyclinD1 Komplex phosphoryliert und dadurch inaktiviert: E2F Zielgene werden angeschaltet, Zelle teilt sich

43 Der Tumorsuppressor p53 53 kd Protein, mutiert in mehr als 50% aller menschlichen Tumore Wird bei Stress (z.b. UV) induziert: p53 bindet an DNA und induziert die Expression des Zellzyklusinhibitors p21, Zellen gehen nicht mehr in S-Phase, DNA Reparatur wird induziert. Alternative bei zu starkem Schaden: Induktion von Apoptose

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45 Virale Proteine (z.b. Papillomavirusproteine E6 und E7) sequestrieren Rb und p53 Folge: Zellzykluskontrolle durch RB und p53 nicht mehr wirksam

46 Konsequenzen des p53 Verlustes in Tumorzellen Zellen mit geschädigter DNA gehen weiter durch den Zellzyklus Zellen entgehen der Apoptose Zellen mit geschädigten Chromosomen können sich teilen, dies führt zu genetischer Instabilität Zellen werden resistent gegenüber Strahlenund Chemotherapie

47 Der PI3-Kinase-PKB Signaltransduktionsweg Dephosphorylierung von PIP3 durch PTEN: Tumorsuppressor

48 PTEN: a PIP3 phosphatase

49 PTEN: phosphatase and tensin homologue deleted from chromosome 10 Dephosphoryliert PIP3 an Position 3 Klassischer Tumorsuppressor: mutiert in vielen menschlichen Tumoren, dadurch erhöhte PKB Aktivität. Konsequenz: mutierte Zellen entgehen der Apoptose Knockoutmäuse sterben vor der Geburt, heterozygote Knockoutmäuse haben erhöhtes Krebsrisiko Cowden disease: genetische Erkrankung, bei der multiple Tumore entstehen: Mutation im PTEN Gen

50 Akt Signalling Pathway fördert Zellteilung und Zellwachstum Vermehrte Aufnahme von Glucose, vermehrte Glykolyse (Lactatproduktion Warburgeffekt) Produktion von Membranbestandteilen für das Zellwachstum

51 Mutationen in TGF-β Rezeptor Signalkomponenten findet man oft in Tumoren LAP mature TGFβ LTBP Large latent TGFβ complex TGFβRIII Decorin/ Fibromodulin Cell membrane TGFβRII TGFβRI Smad 2/3 Smad 6/7 Smad 4 Nucleus Target genes Smad 4: häufig mutiert in Tumoren (DPC: deleted in pancreatic carcinoma)

52 Tumorsuppressorgene RB P53 PTEN (PI3K-Akt pathway) Smad4 (TGF-beta pathway) Tsc1 und Tsc2 (mtor control) APC (Wnt Pathway)

53 Der β-catenin - Wnt Signalweg Freies β-catenin wird in Abwesenheit von Wnt rasch abgebaut. Wnt signalling führt zur Stabilisierung von β-catenin, welches dann in den Kern geht und an TCF Transkriptionsfaktoren bindet.

54 APC: Produkt eines Tumorsuppressor-Gens Adenomatous polyposis coli (APC), oft in Darmtumoren mutiert Patienten mit einem Defekt im APC Gen bekommen multiple Polypen und häufig Darmkrebs (familial adenomatous polyposis coli (FAP) Molekulare Ursache: viel freies β-catenin, starke TCF4- induzierte Genexpression, unkontrollierte Zellteilung

55 Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) Familiäre Veranlagung für Darmkrebs, ohne vermehrtes Auftreten von Polypen Mutationen in DNA Mismatch- Reparaturgenen Mutationen in DNA Mismatch- Reparaturgenen findet man auch in vielen nicht genetisch bedingten Coloncarcinomen

56 Häufige Mutationsabfolge bei der Entstehung von Darmkrebs

57 Moderne Methoden der Krebstherapie Möglich durch Kenntnisse der zellbiologischen Grundlagen Beispiele: Hormonantagonisten, neutralisierende Antikörper oder andere Hemmstoffe gegen Wachstumsfaktorrezeptoren Toxin-gekoppelte Liganden Anti-Angiogenese

58 Moderne Methoden der Krebstherapie Behandlung der chronisch myeloischen Leukämie Ursache: Chromosomentranslokation, führt zur Bildung eines Fusionsproteins: Bcr-abl: hyperaktive Tyrosinkinase, Zellen teilen sich vermehrt und gehen nicht mehr in Apoptose: Gleevec: niedermolekularer Inhibitor der mutierten Tyrosinkinase

59 Molekulare Ursache der Chronisch-Myeloischen Leukämie

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62 Hemmung des Bcr-Abl Fusionsproteins

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64 Die Rolle von HER2 bei Brustkrebs Amplifiziert und überexprimiert in 30% aller Brusttumore Überexpression korreliert mit schlechter klinischer Prognose (diagnostischer Marker) Überexpression in transgenen Mäusen: erhöhte Tumormalignität, erhöhte Metastasierung, erhöhte Resistenz gegenüber Chemotherapie, Hormon-resistent

65 HER2 als Target für Krebstherapie Inhibition durch antisense RNAs, Ribozyme, Inhibitoren der Rezeptortyrosinkinase Rekombinanter, humanisierter monoklonaler Antikörper (HERCEPTIN): erstes zugelassenes rekombinantes Protein für Krebstherapie

66 Wirkungsmechanismus von Herceptin