Defekte in Caretaker-Genen / II

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1 Defekte in Caretaker-Genen / II

2 Kinzler und Vogelstein: Gatekeeper sind alle direktem Wachstumsinhibitoren (supprimieren Wachstum, induzieren Apoptose oder fördern Differenzierung) Caretaker vermindern die Rate an genetischen Veränderungen (Reparaturfaktoren und andere Komponenten der Zellantwort auf DNA-Schäden)

3 Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/I Gen rozess Syndrom Erbgang XA, XB, XC, XD XE, XF, XG XV CSA, CSB, XB, XD XG TTDA, XB, XD MLH1, MSH2, MSH6 MLH3, MS1, MS2 MYH Lig4, Artemis NER Xeroderma igmentosum AR TLS Xeroderma igmentosum AR TCR Cockayne Syndrome AR Tran. Trichothiodystrophie AR MMR HNCC AD BER Multiples colorectales Adenom AR NHEJ? bisher nur vereinzelt?

4 Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/II Gen Syndrom Erbgang WRN BLM RecQ4 ATM Werner s Syndrome (WS) Bloom s Syndrome (BS) Rothmund-Thomson S. (RTS) Ataxia teleangiectatica (AT) AR AR AR AR Mre11 AT-like Disorder (ATLD)? NBS1 FANC-A, C, D1, D2 E, F, G BRCA1, BRCA2, RAD51 Nijmegen Breakage Syndrome Fanconi Anämie erbl. Brustkrebs AR AR AD

5 Defekte in RecQ-Helicasen: Syndrom Klin. hänotyp Krebs-rädisposition Werner s Syndrome vorzeitige Alterung mesenchymale Tumoren (WRN) (Haare, Haut, Knochen, (Sarkome, Melanome) Katarakte, Diabetes, Arteriosklerose) kleinwüchsig Bloom s Syndrome Zwergwuchs, Erytheme für die meisten Typen (BLM) Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien häufige Infektionen Brust, Darm, Haut Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig, (RecQ4) Haarverlust, Hautveränderungen verschieden, v.a. Osteosarcome Hickson Nature Reviews Cancer, 3: (2003)

6 Werners Syndrom: rogerie bei Erwachsenen vorzeitige Alterungserscheinungen an Haut, Haar, Knochen; Katarakte, Diabetes Arteriosklerose rädisposition für Sarkome und Melanome (mesenschymale Tumoren) Defekte in Replikation, Reparatur, Rekombination, Telomermetabolismus Vergleiche: rogerie bei Kindern (Hutchinson-Gilford-Syndrom) Beispiel eines 50-jährigen Mannes

7 Zelluläre Defekte in Werner s Syndrome Genomische Instabilität Chromosomenrearrangierungen Große spontane Deletionen Telomerdefekte verkürzte Telomere Rekombination Hyper-rec hänotyp Rekombinationsdefekte Replikationsdefekte reduzierte replikative Lebensspanne verlängerte S-hase reduzierte Häufigkeit von Initiationsorten Reparaturdefekte Hypersensitivität gegen crosslinker, Topo.Hemmern reduzierte p53-abh. Apoptose

8 Opresko Carcinogenesis 24: (2003) RA RA FEN1 BLM olδ BLM olδ Apoptose Rekombination DNA Replikation p53 RA FEN1 p53 olδ BER(L) olβ Ku Reparatur NHEJ DNA-Kcs WRN 3-5 Helicase 3-5 Exonuklease Rekomb. Reparatur BLM Telomererhalt T R F 2 Ku Transkription p53 p53 BLM DNA-Kcs

9 Defekte in RecQ-Helicasen: Syndrom Klin. hänotyp Krebs-rädisposition Werner s Syndrome vorzeitige Alterung mesenchymale Tumoren (WRN) (Haare, Haut, Knochen, (Sarkome, Melanome) Katarakte, Diabetes, Arteriosklerose) kleinwüchsig Bloom s Syndrome Zwergwuchs, Erytheme für die meisten Typen (BLM) Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien häufige Infektionen Brust, Darm, Haut "vogelartiges Gesicht" Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig, (RecQ4) Haarverlust, Hautveränderungen verschieden, v.a. Osteosarcome Hickson Nature Reviews Cancer, 3: (2003)

10 Bloom's Syndrom: Schmetterlingsförmiges Erythem

11 SCE (Sister Chromatid Exchange) "normal" Bloom's Syndrom Harlekin-Chromosomen

12 Harlequin Chromosome- BUdR staining

13 Defekte in RecQ-Helicasen: Syndrom Klin. hänotyp Krebs-rädisposition Werner s Syndrome vorzeitige Alterung mesenchymale Tumoren (WRN) (Haare, Haut, Knochen, (Sarkome, Melanome) Katarakte, Diabetes, Arteriosklerose) kleinwüchsig Bloom s Syndrome Zwergwuchs, Erytheme für die meisten Typen (BLM) Diabetes, In/Subfertilität v.a. Lymphome, Leukämien häufige Infektionen Brust, Darm, Haut Rothmund-Thomson S. kleinwüchsig, Skelettanomalien, (RecQ4) Haarverlust, Hautveränderungen verschieden, v.a. Osteosarcome Hickson Nature Reviews Cancer, 3: (2003)

14 Rothmund Thomson: Skelettanomalien, Hautveränderungen

15 Defekte in Caretaker-Genen und erbliche Krankheiten/II Gen Syndrom Erbgang WRN BLM RecQ4 ATM Werner s Syndrome (WS) Bloom s Syndrome (BS) Rothmund-Thomson S. (RTS) Ataxia teleangiectatica (AT) AR AR AR AR Mre11 AT-like Disorder (ATLD)? NBS1 FANC-A, C, D1, D2 E, F, G BRCA1, BRCA2, RAD51 Nijmegen Breakage Syndrome Fanconi Anämie erbl. Brustkrebs AR AR AD

16 A-T (ca. 1/40000) NBS ATLD rotein ATM NBS1 hmre11 umoren Lymphome, Leukämien Lymphome unbekannt Brust, Magen, Leber etc. lin. hänotyp progressive Ataxie Microcephalie wie A-T Teleangiectasie mentale Retardierung aber keine Immundefizienz Vogelgesicht Teleang. Cerebellum-Degeneration kleine Statur Entwicklungsstörung vorzeitige Alterung Immundefizenz Cerebellum-Deg. extrem strahlensensibel extrem strahlensensibel ell. hänotyp chromosomale Instabilität, IR-Sensitivität, radioresistant DNA Synth. G1/S/G2 Checkpoints defekt

17 AT: Teleangiectasie im Auge NBS: vogelartiges Gesicht, Microcephalie

18 Zellzyklus-Checkpoints G2/M Checkpoint M G2 G1 S G1/S Checkpoint Intra-S Checkpoint

19 p53 Loss = Loss of G 1 DNA-damage checkpoint control Wild-type cells p53 Null cells No radiation No radiation Cell number 8 hrs post radiation Cell number 8 hrs post radiation G S 1 G 2 fluorescence G S 1 G 2 fluorescence "radioresistant DNA synthesis" = RDS Nathan Davies

20 Signaltransduktionskaskade nach DNA-Schadens-Induktion Signal: DSB,... Sensoren: Transduktoren: Black Box ATM Effektoren: Reparatur, Transkriptionsregulation, Zellzykluskontrolle, Apoptose...

21 Kevin Spring et al., Nature genetics 2002 Strahlenempfindlichkeit in ATM -/- und HUMAN ATM +/- Zellen MICE Normal lymphocytes Normal mice ATM +/- mice +/- parents of ATM patient ATM patient ATM -/- mice

22 roteinkinasen: target SQ/TQ Motiv J. Bradbury, Cambridge

23 Seckel Syndrom roportionierter Kleinwuchs (schon bei Geburt) Microcephalie, vogelartiges Gesicht Mentale Retardierung (z.t.) Zellen UV-sensitiv offenbar keine erhöhte Tumorinzidenz verantwortliches Gen: ATR Stern TV Der Junge ist 4 Jahre alt und 53 cm groß

24 Aktivierung von ATM Kinase Inaktiver ATM-Komplex ps1981 ps DSB Intermolekulare hosphorylierung ps1981 Aktiver ATM-Komplex H2AX SMC1 p53 Chk2 Abraham Bioessays 25: (2003)

25 γ-h2ax als Indikator für DSB Downs und Jackson Nature 424, (14 August 2003);

26 Strahleninduzierte Foci Viele Reparatur- und Signalfaktoren bilden Anhäufungen an Doppelstrangbrüchen, die als Foci nachweisbar sind Bestrahlung: Einzelionen-Mikrobestrahlung Matrix mit 4 µm Abständen Immunfluoreszenz-Nachweis von γ H2AX (grün) und 53B1 (rot) Signalamplifikation, ATM-Targets versammelt

27 Levitt und Hickson Trends Mol Medicine 2002 ATM-Targets Chk1 Cdc25 G2/M Checkpoint Chk2 NBS Mre11 Rad50 Rad51 BRAF35 BRCA2 Reparatur BLM Mlh1 BRCA1 A T M FANCD2 SWI/SNF B A R D 1 WRN p53 Transkriptionsregulation G1/S-Arrest Apoptose Chromatin Remodelling RNA rozessierung Rb-E2F Zellzykluscheckpoints

28 Der MRN-Komplex: upstream und downstream von ATM Signal Schaden Sensor Mre11 Rad50 Nbs Transduktor ATM Mre11 Rad50 Nbs Effektoren

29 early damage-induced histone modification constitutive histone modification, hidden in undamaged chromatin Bekker-Jensen et al. JCB 170:

30 MRN-Komplex: Signalfunktion + Strukturfunktion Functional domains of Rad50 Similarity to the SMC (structural maintenance of chromosomes) proteins Walker A Hinge Walker B Coiled-coil Coiled-coil Uni Sydney, Biochemie 3

31 ALTES MODELL Walker A Walker B Walker B Walker A ATase

32 NEUES MODELL: Zinc-hook motifs mediate dimerisation of Rad50 ZNF-31 ATase domain 4 cysteines ligate 1 Zn ATase domain Uni Sydney, Biochemie 3

33 freier Komplex DNA-gebundener Komplex Inter-Komplex Interaktion ZUSAMMENHALTEN VON DNA-ENDEN Moreno-Herrero 2005 Nature 437:

34 Levitt und Hickson Trends Mol Medicine 2002 BRCA1-associated super complex Chk1 Cdc25 G2/M Checkpoint Chk2 Rad51 BRAF35 BRCA2 Reparatur NBS Mre11 Rad50 BLM Mlh1 BRCA1 A T M B A S C FANCD2 SWI/SNF B A R D 1 WRN p53 Transkriptionsregulation G1/S-Arrest Apoptose Chromatin Remodelling RNA rozessierung Rb-E2F Zellzykluscheckpoints

35 Brustkrebs trifft etwa jede 10. Frau ca. 10% aller Fälle "erblich" davon größter Teil wegen Mutationen in BRCA1 und BRCA2 BRCA2 = FANCD1

36 Fanconi Anämie Wachstumsverzögerunge, Missbildungen (Skelett, Herz, Nieren), kleiner Kopf, oft Taubheit, reduzierte Fertilität, igmentstörungen aplastische Anämie durch Knochenmarksversagen besondere Sensitivität gegen Crosslinker rädisposition für AML (akute Myeloische Leukämie) und lattenepithelkarzinom sehr heterogen 11 Komplementationsgruppen, 9 FA-Gene kloniert FANC-A,C,E,F,G: orphan proteins, nur in Vertebraten, Kernkomplex FANCD2: evol. älter FANCD1=BRCA2

37 Fanconi Anämie

38 Crosslinks etc. Fanconi Kernkomplex FANCD2 A F G E C BRCA1 BRCA2(FANCD1) 51 FANCD2 Ubi Reparatur (HR) West, Nat Rev Mol Cell Biol 4:1-11 (2003)

39 Brustkrebs und Fanconi Anämie ATM Rad50 Mre11 Nbs1 TEN Mdm2 p53 CHEK2 Brca1 S-Arrrest DSB repair MSH2, MSH6, MLH1 MMR G1-Arrest Apoptose Ubi Fanc-D2 Rad51 HR Fanc-A,C,E,F,G Brca2= Fanc-D1

40 p53 guardian of the genome in >50% aller Tumoren mutiert (oft dominant negativ); oder Mutationen in anderen up- oder downstream Komponenten Transaktivator; agiert als Tetramer Keimbahndefekt in Li-Fraumeni-Syndrom (AD; erhöhte Tumorinzidenz, v.a. Sarkome und Brust) Li-Fraumeni auch bei Keimbahndefekt in CHK2 (selten) Durch MDM2 (Ubi-Ligase) Markierung von p53 für Abbau; TEN wiederum inhibiert MDM2; d.h. wenn TEN inaktiv ist, wird p53 degradiert und kann seine Funktion nicht erfüllen Keimbahnmutation in TEN: Cowden Disease (AD) (Wucherungen und erhöhte Brustkrebsinzidenz)

41 Brustkrebs trifft etwa jede 10. Frau ca. 10% aller Fälle "erblich" davon größter Teil wegen BRCA1 und BRCA2 weitere Gene (geringere enetranz): ATM, CHEK2, TEN, p53, Rad51

42 familiärer Brustkrebs: Gen +/- -/- Brca1 fam. Brustkrebs embr. letal? Brca2 fam. Brustkrebs Fanconi Anämie ATM fam. Brustkrebs Ataxia teleangiectatica CHK2 fam. Brustkrebs/? Li Fraumeni p53 Li Fraumeni? TEN Cowden Disease? Rad51 fam. Brustkrebs embr. letal?

43 Suche nach den Ursachen von Krebserkrankungen: 1. Epidemiologie 2. Suche nach genetischer Komponente a) familiäre Häufung, hohe enetranz Erbkrankheiten mit erhöhter Krebsinzidenz b) familiäre Häufung, niedrige enetranz

44 Literatur zu Brustkrebs: Science (Vol302) Genetische Faktoren: major genes (BRCA1, BRCA2) modifier genes Nicht-genetische Faktoren: Geburtskohorte Alter bei Menarche Gewicht/Diät Sport andere reproduktive/ hormonale Faktoren Umwelteinflüsse

45 Keimbahndefekt von Reparaturgenen: erhöhtes Krebsrisiko (z.b. HNCC/MMR-Defekt; attenuierte FA/MutY-Defekt) erhöhtes Krebsrisiko + andere Folgen verminderter Reparatur (z.b. X: Haut, Schleimhaut) erhöhtes Krebsrisiko + komplexe Symptomatik (z.b. Werner, Bloom, Rothmund-Thomson, Fanconi Anämie) Loeb-Hypothese (Mutator-hänotyp nötig) ABER: Loeb-Gegner (Aberrationen wichtig oder vermehrtes Wachstum wichtig)