4/7/2014

1

GENETSKA KONTROLA ĆELIJSKOG RASTA

1

Ćelijski rast = ćelijske deobe=proliferacija

Deoba ćelije tipična za eukariote je mitoza.

Biološka uloga mitoze: reprodukcija jednoćelijskih eukariota, a u višećelijskim eukariotima obezbeđuje rast, razviće i regeneraciju organizma i obnavljanje i reparaciju tkiva.

Od jedne roditeljske nastaju dve ćerke ćelije sa identičnim naslednim materijalom, jer se izvrši precizna podela hromozoma roditeljske ćelije.

Zato je uslov za mitozu da hromozom prethodno bude precizno replikovan.

2

Ćelijski ciklus

To je niz istih procesa u istom redosledu koje prolazi svaka generacija ćelija.

Ključni događaji u ćelijskom ciklusu su mitoza i replikacija hromatida.

Faze ciklusa: G1 (presintetska), S (sintetska), G2 (postsintetska) i M (mitoza).

Periodi G1, S i G2 = interfaza (oko 90% ćelijskog ciklusa).

3

Kontrolne tačke ćelijskog ciklusa

4

Nereplicirana ili oštećena DNK

Nepravilno poređani hromozomi

Oštećena DNK Nereplicirana ili oštećena DNK

Uslovi za ulazak u ključne faze i procese su:

1) da je ćelija strukturno i funkcionalno sposobna za novi način funkcionisanja;

2) da postoje takvi zahtevi njene mikrookoline

Kontrolne tačke su vrlo kratki periodi u kojima dolazi do reorganizacije ćelije u novo funkcionalno stanje.

G1 kontrolna tačka - na kraju G1 perioda; provera da li je ćelija dovoljno velika i da li postoji potreba za deobom; ako su ispunjeni ovi uslovi, ćelija ulazi u replikacione procese.

G2 kontrolna tačka - na kraju G2 perioda; provera da li je izvršena replikacija DNK, da li su DNK lanci reparirani ako je bilo mutacija,da li je ćelija dovoljno velika i da li postoji potreba za deoboma.

M kontrolna tačka - u metafazi; provera da li su hromozomi i deobni aparat spremni za separaciju sestrinskih hromatida.

5

Kontrolne tačke U jednom ciklusu hromozomi mogu samo jednom da se

replikuju i jednom da se podele.

Bez stimulatora deobe (faktora rasta) ćelija može dugo da miruje čekajući ulazak u S period = G0 period (mirujući period).

Kada ćelija jednom uđe u S period ona nezavisno od svoje okoline nastavlja put ka deobi; restrikciona (R) tačka je momenat u G1 posle kojeg je ćelija ograničena samo na put ka deobi (put "bez povratka“).

R = G1 = S (kod kvasaca) kontrolna tačka.

Trajanje G1 perioda je varijabilno, jer zavisi od faktora mikrookoline ćelije. Zbog toga od trajanja G1 zavisi trajanje celog ciklusa.

6

4/7/2014

2

1) tip satnog mehanizma

2) mehanizam za podešavanje sata prema potrebi unutrašnje i spoljašnje sredine ćelije

7

Molekularni mehanizmi kontrole

ćelijskog ciklusa

Efektorni molekuli sata su posebne proteinske kinaze.

Protein kinaze fosforilišu proteine i tako regulišu njihovu aktivnost; imaju regulatorne i katalitičke subjedinice.

Regulatorne subjedinice kinaza koje regulišu deobu nazvane su ciklini (ciklične promene tokom ciklusa)

Svaki tip ciklina se pojavljuje u samo određenom periodu ćelijskog ciklusa.

Katalitičke subjedinice su ciklin-zavisne kinaze (Cdk, od eng. cyclin-dependent kinase) - poseduju kinaznu aktivnost samo ako su udružene sa nekim ciklinom.

Vrsta ciklina određuje koji će proteini biti fosforilisani.

Jedna vrsta Cdk može biti asocirana sa različitim ciklinima; ista vrsta ciklina može da se udruži sa različitim vrstama Cdk.

Svaku fazu ć. ciklusa karakterišu određeni kompleksi Cdk-ciklin.

8

Satni mehanizam kontrole ćelijskog ciklusa

Kretanje nivoa M-ciklina tokom ćelijskog ciklusa

Nivo M-ciklin tokom interfaze je nizak i raste tokom mitoze kada se postiže vrh koncetracije

M-cdk aktivnost je takođe niska tokom interfaze interfaze i raste u mitozi.

Regulacija ćelijskog

ciklusa Cdk-

ciklin kinazama

10

Cdk proteini = Cdc kinaze;

Svaki tip Cdk kinaza je

obeležen posebnim

arapskim brojem;

Ciklini su obeleženi velikim

slovima alfabeta (A, B itd.)

ili oznakom perioda ć.

ciklusa.

Mehanizam za podešavanje cdk-ciklin kinaza

11

Cdk-ciklin kinazni kompleks integriše delovanje svih regulatornih faktora ćelijske deobe (integrišu informacije o stanju ćelijskog metabolizma, o uslovima izvan ćelije, ...).

Integrišuću ulogu imaju i fosfataze (vrše defosforilaciju).

Cdk-ciklin kinazni kompleks je regulisan inhibitorima iz dve familije:

1) p21 familija,

2) inhibitori p15 i p16.

Drugi fiziološki inhibitori deluju preko nekog od inhibitora iz navedenih familija. Primer: transformišući faktor rasta beta (TGF-).

GENETSKI MEHANIZMI KONTROLE ĆELIJSKOG RASTA

12

4/7/2014

3

13

Deobe ćelija u višećelijskom organizmu moraju da budu dobro sinhronizovane i koordinisane.

Organizam i samo tkivo mora da generišu i upute za deobu ćelije i njeno uvođenje u mirujuće stanje.

Regulatorni faktori ćelijske deobe, regulišu i diferencijaciju ćelija i apoptozu (genetski programiranu ćelijsku smrt).

Genetsku kontrolu ćelijskog rasta vrše:

1) PROTOONKOGENI (ćelijski onkogeni) - geni čiji proteinski produkti stimulišu i podržavaju deobne procese

2) KANCER ili TUMOR SUPRESORNI GENI (KSG) - geni čiji produkti blokiraju signal za deobu ili samu deobnu mašineriju.

Da bi do ćelijske deobe došlo moraju adekvatno odreagovati oba programa.

Protoonkogeni

14

Oni su genetski program za ćelijsku deobu, diferencijaciju genetski programiranu smrt ćelija (apoptozu), a time i za embriogenetske procese, razviće i regeneraciju organizma, obnavljanje i reparaciju tkivu, tj. genetska kontrola tkivnog homeostazisa.

U humanom genomu je stotinak protoonkogena.

Visoka evolutivna konzervativnost.

Protoonkogen = ćelijski onkogen, a njihov promenjeni homolog, koji uzrokuje nekontrolisanu deobu, zove se onkogen.

Ćelijski onkogen se obeležava slovom c (eng. cell) ispred, uglavnom troslovne oznake gena, a virusni onkogen ima ispred skraćenice za gen slovo v.

Oznaka gena se piše italikom (iskošeno), a ako se istim slovima označava i proteinski produkt, onda se piše normalnim slovima sa velikim slovom na početku.

Protoonkogeni

15

Kontrolišu sintezu više tipova proteina koji se nalaze na svim etapama stimulatornog puta deobe, ali i drugih važnih za ćelijski ciklus.

Stimulatorni put ćelijske deobe počinje delovanjem faktora rasta -mesendžera iz tkiva ili seruma koji se ponašaju kao specifični stimulatori deobe.

Ćelija se stimuliše vezivanjem faktora rasta za specifičan receptor na membrani, što je praćeno njegovom prolaznom aktivacijom, što aktivira proteine za prenos signala, smeštene na unutrašnjoj strani membrane.

Prenos primljenog signala u jedro vrši se preko sekundarnih (drugih) glasnika.

Na kraju stimulatornog puta za deobu ćelije je aktivacija transkripcionih faktora koji kontrolišu gene od čijih produkata zavisi prolaz u S period.

Glavni produkti protoonkogena su faktori rasta, receptori za koje se oni vežu, intracelularni prenosioci signala i transkripcioni faktori.

Put signala za

deobu ćelije iz

ekstraćelijske

sredine do

nuklearne

DNK

16

Transkripcioni faktori

17

Kada signal dođe u nukleus, prvo se transkribuju tzv. geni ranog odgovora, jer se njihova aktivnost registruje unatar 15-tak minuta od vezivanja FR za membranski receptor. Njihova ekspresija se pojavljuje sredinom G1, a mogu da budu indukovani na transkripciju bez prethodne proteinske sinteze. Ovoj grupi pripadaju protoonkogeni fos, jun, myc, čiji su proteinski produkti transkripcioni faktori za gene uključene u replikacione procese DNK.

Sledeća grupa gena su geni kasnog odgovora koji su eksprimirani sve do granice G1 i S. Njihova aktivnost zavisi od biosinteze proteina, i zato se javljaju kasnije, obično posle jednog sata od prijema signala.

Kancer (tumor) supresorni geni

Sprečavaju ćelijsku deobu:

isključuju mehanizam za ćelijsku deobu blokiraju signal za deobu

preveniraju nastanak tumora (antionkogeni)

evolutivno su vrlo konzervativni

18

4/7/2014

4

KSG: TP53

aktivira se kada negde nastane jednolančani segment DNK ili u slučaju drugih oštećenja

tada zadržava ćeliju u G1 periodu što sprečava da se mutacija replikuje

ćelija može biti zaustavljena u ciklusu i za vreme i posle replikacije da bi ćelija imala vreme za reper

sprečava da nereplikovana DNK prođe G2 i uđe u deobu

kada se izvrši reper DNK, protein p53 se raspada

19

KSG: TP53

I sam učestvuje u reparacionim mehanizmima

Ako ne uspe reper, p53 aktivira mehanizme samouništenja - APOPTOZU ili genetski programiranu smrt ćelije

Poznat je kao monitor ćelijskog zdravlja ili čuvar genoma

Delovanje p53 se ostvaruje kroz stimulaciju sinteze inhibitora (p21) koji blokira Cdk-ciklinske kinaze

Gen p53 se nalazi na poziciji 17p13 (kratki krak hromozoma 17, bend 13).

20

21

KSG: gen Rb

Mutirani Rb dovodi do razvoja retinoblastoma Protein Rb je glavni "kočničar" u G1 periodu

Inaktivacijom pRb prolazi se kroz G1 kontrolnu tačku

Inaktivira se fosforilacijom pomoću Cdk-ciklin komleksa (Cdk2-ciklinD i Cdk4-ciklinD)

Tako se oslobađa transkripcioni faktor (E2F) koji aktivira gene koji uvode ćeliju u stanje replikacionih i deobnih događaja

22

Tumori (neoplazme) Tumor ili neoplazma - abnormalna ćelijska masa zbog gubitka kontrole

ćelijskog rasta

Prema sposobnosti širenja u druge delove tela mogu biti benigni i maligni tumori.

Benigni tumori rastu sporo i kompaktno i obično se nalaze u vezivnoj kapsuli.

Maligni tumori ili kanceri imaju brz rast i širenje.

Invazija - širenje u susedno tkivo.

Metastaza – širenje u udaljena tkiva (posle stimulacije rasta krvnih sudova)

Prema tkivu u kome nastaju razlikuju se sarkomi (mišićno i vezivno tkivo), karcinomi (epitelna tkiva), limfomi (limfoidno tkivo), leukemije i mijelomi (leukociti) i dr..

23

Tumori (neoplazme)

24

4/7/2014

5

Karakteristike maligne ćelije

Brze deobe.

Ne odgovaraju na regulatorne signale iz tkiva.

Odsustvo komunikacije i normalnih veza sa drugim ćelijama => neorganizovan rast i infiltarcija u normalna tkiva.

Pleomorfnost u veličini i obliku.

Jedra su hiperhromatična, varijabilnog oblika i krupna, (nukleo-citoplazmatski odnos je 1:1 umesto 1:4 do 1:6).

Varijabilan kariotip.

Nukleolusi su veliki i brojni.

U ćelijskoj kulturi rastu bez kontaktne inhibicije i formiraju više slojeva, rastu bez seruma (autokrina stimulacija), kao imortalne.

25

ONKOGENI – geni kancera

Transformišu normalnu ćeliju u tumorsku

Nastaju iz protoonkogena promenom strukture gena, pa se vrši sinteza abnormalnih

produkata sa abnormalnom funkcijom

promenom regulacije ekspresije čiji je rezultat pojačana ili neadekvatna produkcija strukturno normalnih regulatora i faktora uključenih u ćelijsku deobu (EKSPRESIONI EFEKAT)

Abnormalni produkti ili strukturno normalni, ali u povećanoj količini, zovu se ONKOPROTEINI

26

Mehanizmi onkogene aktivacije

1. point mutacije – strukturne promene

2. strukturne hromozomske aberacije – strukturne i ekspresione promene

3. amplifikacija protoonkogena - ekspresione promene

4. Pomoću virusa (transdukcijom) - strukturne i ekspresione promene

27

Point mutacije

Dominantnog su tipa

Primer ras:

GTP-aznom aktivnošću Ras-a dobija se GDP (gvanozn difosfat). GDP čini Ras neaktivnim, a aktivira se GTP-om.

Point mutacije redukuju GTP-aznu aktivnost Ras proteina. Takav Ras ostaje vezan sa GTP-om i zato stalno aktivan.

Primer c-fms:

Kontroliše receptor za hematopoetski faktor rasta CSF-1 (colony stimulating factor). Mutacija aktivira tirozin kinaznu aktivnost

receptora

Prisutan u nekim akutnim mijeloidnim leukemijama

28

Hromozomske strukturne aberacije

Uglavnom su translokacije.

Primeri:

1. Burkitt-ov limfom - t(8;14), ali i t(2;8) i t(8;22)

2. Folikularni B-limfom - t(18;14)

3. Filadelfija hromozom - t(9;22)

29

Burkitt-ov limfom

30

4/7/2014

6

Hromozomske strukturne aberacije: t(18;14) i t(9;22)

31

Amplifikacije gena

To je reduplikacija i višestruka amplifikcija (umnožavanje) protoonkogena => prekomerna ekspresija.

Loš su prognostički znak. Citogenetske promene: DM (duble minutes) hromozomi i

HSR (eng. homogeneous staining region) regioni hromozoma.

DM - hromatinski fragmenti; može ih biti u dvocifrenom broju. HSR - regioni hromozoma bez G bendova. Primeri: N-myc (neuroblastom) L-myc (mikrocelularni

karcinom pluća) i c-erb-B2 (kancer dojke).

32

Virusna karcinogeneza

5% kancera čoveka je rezultat virusnih infekcija. DNK ili RNK kao nasledni materijal. Virusna infekcija izaziva kancer direktno ili indirektno. Direktna karcinogena aktivnost: virusni geni uzrokuju malignu

transformaciju ćelije, pa se virusi zovu transformišući. Integrisani su u domaćinovu DNK (nema samoreplikacije) Indirektno: izaziva imunodeficijentno stanje (npr. non-Hodgkin

limfom pri HIV infekciji), stimuliše proliferaciju već transformisanih ćelija, sinergizam sa infektivnim (malarijska infekcija i Epstein Barr-ov virus) ili hemijskim agensima (aflatoksin i virus hepatita B).

33

Transformišući DNK virusi Ređi su od litičkih (netransformišućih). Ćelija domaćin je nepermisivna (od eng. permissive) za litičku

infekciju. Implantirani geni su specifični za virus (nema ćelijskog

homologa), a pokreću deobne procese. Nisu onkogeni. DNK tumorski virusi su iz grupa: adenovirusi, papovavirusi i

herpesvirusi. Papovavirusi: majmunski SV40 (Simian virus 40), humani

papilomavirusi (subtipovi 16 i 18) Papilomavirusi: mnogi benigni tumori, preko 90% cervikalnih

kancera; seksualna transmisija; češći kod žena Herpesvirusi: Epstein-Barr-ov (humani limfomi i karcinomi)

____________________________________________ Virusi hepatita B i C: 80% kancera jetre; verovatnije je indirektno i

multifaktorsko delovanje. 34

RNK virusi

Ne ubijaju ćeliju domaćina (izuzev HIV virusa), ali je retko transformišu i to uglavnom iz grupe retrovirusa, kod kojih virusna RNK mora da se transkribuje u DNK (reverznom transkriptazom).

Uglavnom su tumorski virusi kod životinja; kod čoveka samo HTLV (human T-cell leukemia virus).

35

RNK virusi Prema načinu delovanja : akutni i hronični viruse.

Akutni RNK virusi u genomu nose onkogene i zato transformišu ćeliju brzo (za 2-4 nedelje) i efikasno (u in vitro uslovima 100%).

Nose više od 50 onkogena.

Pripadaju im: virusi sarkoma pilića (Rousov, Fujinamov), virus mišje leukemije (Abelsonov) i dr.

Hronični RNK virusi: transformacija posle 4-12 meseci i kod 20-60% primalaca (in vitro su su neefikasni).

Pripadaju im: virus ptičje leukemije, leukemije glodara, virus mišjeg tumora dojke itd. Kod čoveka HTLV i HIV (eng. human immunodeficiency virus).

HTLV izaziva T-leukemije i limfome.

HIV infekciju prate Kapošijev sarkom i non-Hodžkinov limfom, što je pre svega posledica imunodeficijentnog stanja izazvanog infekcijom.

36

4/7/2014

7

Karcinogeneza

Genetski proces, jer je posledica mutacije gena koji kontrolišu ćelijsku deobu (somatske mutacije).

Posle fuzije sa normalnom ćelijom hibrid se ponaša kao normalna ćelija => kancerski fenotip je recesivan.

Mutageni koji izazivaju karcinogenezu, zovu se karcinogeni (80% promena protonkogena u onkogen)

Faze karcinogeneze: inicijacija - genetska lezija (inicijatori karcinogeneze) i promocija - olakšavaju i pospešuju karcinogenezu, stimulišući ćelijsku proliferaciju (promotori).

Multistepni proces - sukcesivne mutacije ćelijskih onkogena i kancer supresornih gena (različita je kod pacijenata sa različitim vrstama tumora, ali i kod različitih pacijenata sa sličnim tumorima)

Mulifaktorska etiologija - nasledni i nenasledni faktori uključeni u patogenezu. Mnogi nenasledni faktori deluju preko genetskih.

37

Karcinogeneza

38

Hromozomske aberacije i tumori

Postoji povezanost nekih naslednih hromozomskih aberacija i pojave tumora: Daunov sindrom i leukemije (oko 1% pacijenata), delecija 13q14.1 i retinoblastom, delecija 11p13 i Vilmsov tumor bubrega dece i dr.

Stečene hromozomske aberacije se javljuju u većini malignih neoplazmi (aberacije se razvijaju tokom nastanka neoplazme).

Aberacije karakteristične za tip tumora: Translokacija t(8;14)(q24;q32) - Barkitov limfom; hronična mijelocitna leukemija (CML) - t(9;22)(q34; q11) i del(22)t(9;22) poznat kao Filadelfija hromozom.

Aberacije karakteristične za različita stanja istog tumora: t(8;21) je za akutnu mijelocitnu leukemiju (AML) dobar prognostički znak, a t(9;22) loš.

Aberacije mogu da pokazuju evoluciju procesa: AML udružena sa t(8;21) ima benigni tok, a pojava trizomije 8 ide u maligni oblik.

Često su prisutne multipne hromozomske abnormalnosti (različite hromozomske promene u istom tipu tumora kod različitih pacijenata; iste promene u različitim tipovima neoplazmi; različite hromozomske aberacije u različitim ćelijama istog tumora).

39

Genetski rizici za pojavu tumora

Genetske promene su na somatskom nivou. Može da se nasledi predispozicija (manje od 5% tumora) kao

prosta mendelska osobina. Nasledni tumori se ne razlikuju po tipu ili histologiji od

nenasleđenih, ali se javljaju ranije tokom života i imaju tendenciju da budu bilateralne i multifokalne.

Predispozicija za malignost može biti veoma visoka (75%-100%), ali se ipak u većine nosilaca predispozicije ne razvijaju tumori, jer su potrebni i drugi uslovi da ćelije postanu neoplastične.

40

Genetske predispozicije za kancer Sindromi multipnih benignih ili malignih neoplazmi (mutacije KSG i c-onc)

- povećan broj i vrsta tumora tokom života

- autozomske dominantne osobine

- primeri: neurofibromatoza, multipne endokrine neoplazme, familijarni adenomatozni polip kolona, Li-Fraumeni sindrom i dr.

Abnormalnosti popravka DNK i hromozoma

- abnormalan popravak DNK ili uvećanje frekvencije hromozomskih prekida

- autozomske recesivne osobine

- udruženi sa drugim fenotipskim abnosrmalnostima: Xeroderma pigmetosum, Fankonijeva pancitopenija, ataksija telangietazija.

- nasledni nepolipozni kancer kolona (HNPCC) je autozomska dominantna osobina (4 mutacije u genima za mismeč reparaciju), defekt u popravci pogrešno sparenih nukleotida, bez drugih fenotipskih ispada. Rizik za kancer kolona je veliki (oko 10% ljudi sa ovim kancerom imaju mutacije za mismeč reper), ali i za druge tipove kancera.

Sindromi imunodificijencije

- urođene abnormalnosti imunskih funkcija - recesivne autozomske ili X-vezane (agamoglobulinemija i Wiskott-Aldrich-ov sindrom).

41

Komparacija mutacija gena koji kontrolišu deobu

Mutacije protoonkogena su uglavnom somatske i dominantnog tipa. Redak primer nasleđivanja onkogena je c-ret kao predispozicija za multipne endokrine neoplazije (MEN)

Mutacija TSG može biti germinativna ili somatska. Mutacije TSG (tumor supresornih gena) su obično recesivne na ćelijskom (somatskom) nivou. Razvoj neoplazije je rezultat gubitka funkcije obe kopije gena. Svaki TSG je uključen u razvoj više različitih tumora. Kada je mutacija TSG germinativna, onda je ona predispozicija za kancer i nasleđuje se dominantno.

42

4/7/2014

8

Mutacije gena Rb i retinoblastom

- Normalan Rb gen prevenira razvoj retinoblastoma i drugih neoplazmi. - Retinoblastom je maligni tumor retine koji se razvija rano u detinjjstvu

i obično je fatalan ako se ne leči (1 na 20 000 ro|enih). Približno 10% pogođene dece imaju roditelje sa retinoblastomom.

- Rb je uključen i u razvoj mikrocelularnog karcinoma pluća i osteosarkoma

- U naslednom retinoblastomu, hromozom jednog od roditelja sadrži alel Rb. Alel od drugog roditelja može biti normalan, ali se somatski izgubi ili inaktivira => fenotip retinoblastoma je recesivna osobina na ćelijskom nivou, a predispozicija za retinoblastom se prenosi dominantno na nivou organizma.

- Nasle|ena mutacija Rb uzrokuje i multipne kongenitalne anomalije. - Kod sporadičnih retinoblastoma gubitak ili inaktivacija oba Rb alela je

somatska; taj klon ćelija se razvija u tumor.

43

Gubitak ili inaktivacija Rb

Delecija 13q14.1 je u većini naslednih retinoblastoma. One su vrlo male i nevidljive za citogenetske metode.

Gubitak celog hromozoma 13 je opšti somatski mehanizam.

Mitotoski krosingover može proizvesti homozigotnost mutiranog Rb.

44

Ostali KSG i tumori Gen TP53

To je najčešće mutirani gen u kancerima. Homozigotna recesivna mutacija je nađena u 70% kancera kolona i 50% kancera dojki i pluća (najčešći humani kanceri), ali i u leukemijama, limfomima, sarkomima, neurogenim tumorima.

Uglavnom su somatske mutacije, a mogu biti i nasleđene(sindrom Li-Fraumeni).

Zbog mutacije p53 kancerska ćelija je nesposobna za apoptozu i to je jedan od genetskih uzroka njene imortalnosti.

Mutacije WT-1 (11p13) uzrokuju Vilmsov tumor dece. Uglavnom se nasleđuje.

Mutacije APC i NF-1 gena prvo dovode do razvoja beningnih tumora, koji su predispozicije za karcinome.

APC (adenomatuos polipy coloni) u heterozigornom stanju je predispozicija za multiple polipe kolona. Mutacije APC su nađene i u nekim gastričnim i pankreatičnim kancerima.

Osobe koje nasleđuju NF-1 gen razvijaju benignu neurofibromatozu sa tendencijom da progredira u neurofibrosarkom.

Mutirani gen BRCA1 je predispozicija za razvoj kancera jajnika i dojke, a BRCA2 za razvoj kancera dojke.

45

Ostali KSG i tumori

46