Biologia hormonów i nowotworów- ćwiczenie 5
Transformacje nowotworowe a apoptoza
Termin apoptoza pochodzi z języka greckiego i nawiązuje do opadanie liści z drzew i płatków kwiatów.
Apoptoza- zaprogramowana śmierć komórki, dzięki temu mechanizmowi usuwane są niepotrzebne lub uszkodzone komórki. Można ją przyrównać do zaplanowanego „ samobójstwa” komórki w organizmie wielokomórkowym mające na względzie dobro całego organizmu.
Apoptoza
è immunologia (zanik komórek systemu odpornościowego, autoalergie AIDS)
è Onkologia ( podłoże rozwoju nowotworów, oporność komórek rakowych na czynniki indukujące apoptozę)
è Biologia rozwoju (kształtowanie narządów podczas rozwoju embrionalnego
Genetycznie zaprogramowana śmierć komórek i organów.
Komórki ulegające apoptozie w dojrzałym organizmie
Komórki co jakiś czas ulegające apoptozie znajdują się we wszystkich tkankach. Zwykle popełniają samobójstwo dla dobra całego organizmu.
OKO à soczewki oka, które formują się podczas rozwoju zarodkowego, zbudowane są z komórek apoptycznych.
JELITAàkomórki tworzące wypustki w ścianie jelita powstają u nasady kosmka i w ciągu kilku dni migrują w kierunku jego czubka
SKÓRAàkomórki skóry rozpoczynają swe życie w najgłębszych warstwach skóry a następnie przesuwają się w kierunku powierzchni, ulegając po drodze apoptozie.
GRASICA
MACICA
ETAPY APOPTOZY
Kurczenie się komórki, kondensacja chromatyny > obkurczanie się błony komórkowej, tworzenie wypukleń > dezintegracja jądra, tworzenie się większych wypukleń błony komórkowej> formowanie ciał apoptycznych
Morfologia komórek apoptycznych
1. Utrata wody (odwodnienie):
-obkurczenie komórki do 50 % wielkości pierwotnej
-zanik kontaktów z sąsiednimi komórkami w tkance
-zanik specyficznych struktur błonowych (mikrokosmków, desmosomów)
-zagęszczenie organelli w cytoplazmie (gęsta cytoplazma)
2. kondensacja chromatyny
-postępująca ku obrzeżom jądra, formowanie jąder pyknotycznych
-dezintegracja jąderka
-zanik kompleksów porowych
-fragmentacja jądra (karioreksja)
3. Odpączkowywanie błony komórkowej i formowanie ciał apoptycznych , zawierających cytoplazmę organelle , fragmenty jądra.
4. Fagocytoza ciałek apoptycznych przez sąsiednie komórki lub makrofagi.
Białka zaangażowane w proces apoptozy :
è Proapoptotyczne : P53, Bax, Bcl-rambo, Bad,Bid, BclXs, Noxa, Puma
è Antyapoptotyczne: Bcl2. Bcl-Xl, Bcl-W, Mc1-1
Białka proapoptotyczne znajdują się w przestrzeni międzybłonowej , czesciowo w zewnętrznej błonie, zaś białka antyapoptotyczne znajdują się w zewnętrznej błonie mitochondrialnej.
INDUKCJA APOPTOZY MITOCHONDRIALNEJ
W momencie kiedy pojawiają się sygnały apoptotyczne mogą prowadzić do wtórnych zmian DNA. Uwolnienie cytochromu C i czynników białkowych, cyt. C łączy się z białkiem apaf-1 i łączy się struktura zwana apoptosomem. Taki kompleks przyłącza prokaspazę 9, to powoduje jej aktywację. Czynnikiem niezbędnym do aktywacji jest ATP. Kaspaza 9 powoduje uaktywnienie innych Kaspaz.
Apoptoza może być indukowana przez receptory śmierci albo przez mitochondria.
> aktywacja kaspazy, inhibicja translacji mRNA
>kondesacja organelli komórkowych i komórek
>kondensacja chromatyny , fragmentacja DNA
>dezintegracja błony komórkowej
>błony pozostają nieprzepuszczalne
>formowanie ciałek apoptycznych
NEKROZA
>wydzielanie cytokinin i substancji prozapalnych
>pęcznienie komórek i organelli komórkowych
>kondensacja chromatyny
>natychmiastowa utrata nieprzepuszczalności błony
>eksplozja błon komórkowych , pozostałości komórek występują razem.
-regulacja cyklu komórkowego odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i de fosforylacji białek
-fosforylacja (przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na odpowiednią resztę aminokwasowa białka docelowego ) jest katalizowana przez różnorodne kinazy białkowe, a de fosforylacja przez fosfatazy
-substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy , a najczęściej fosforyzowanymi aminokwasami tych białek są tyrozyna i treonina.
-fosforylacja i defosforylacja jest jednym z najczęściej używanych przez komórkę sposobów zmiany aktywności białek.
Punkty kontrolne, sygnalizacja.
Zatrzymanie lub uszkodzenie widełek replikacyjnych à dwuniciowe pęknięcia DNA
Charakterystyka kinaz białkowych
-kinazy białkowe układu kontroli cyklu komórkowego są obecne w komórkach dzielących się podczas całego cyklu
-są jednak aktywowane tylko w odpowiednim okresie cyklu, po czym szybko tracą aktywność
-aktywność każdej z tych kinaz cyklicznie zwiększa się i zmniejsza
Uaktywniane są cykliny różne w różnych fazach cyklu, one są cały czas , tylko w pewnych etapach cyklu są aktywowane.
Aktywność kinaz białkowych zależy to od innego zestawu białek układu kontroli- od cyklin
Cykliny same nie mają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego , zanim kinazy te mogą zyskać aktywność enzymatyczną. Stąd kinazy układu kontroli cyklu komórkowego są nazywane kinazami białkowymi zależnymi od cyklin. Nazwa cyklin pochodzi stąd , że przeciwnie niż poziom Cdk, ich stężenie zmienia się cyklicznie w cyklu komórkowym.
Cykliny występują w komórkach jako cykliny A, B oraz C, D , E . w czasie cyklu komórkowego cykliny A,C,D,E, są syntetyzowane de novo i ich stężenie w komórce rośnie w miarę upływu cyklu, zaś cyklina B jest syntetyzowana w fazie G2. Maksymalne stężenie cyklin występuje w metafazie/ anafazie mitozy , po czym ulega ono obniżeniu na skutek trawienia ich przez proteazy.
Charakterystyka cyklin
-cykliny same nie posiadają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego, zanim kinazy te mogą zyskać aktywność enzymatyczną.
-cykliny są więc białkami regulatorowymi kompleksu, a kinazy pełnią funkcje katalityczne
-kompleks cyklina/ kinaza CDK jest odpowiedzialny za aktywację szeregu kinaz uczestniczących w procesach mitotycznych a oddziałuje także bezpośrednio na pewne składniki komórki , których fosforylacja prowadzi do takich zmian na początku mitozy jak : kondensacja chromosomów, rozpad otoczki jądrowej oraz zmiany w cytoszkielecie komórki.
Punkty kontrolne cyklu komórkowego
Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach czasowych (punktach kontrolnych) cyklu komórkowego:
1. W fazie G1 ( co prowadzi do przejścia G1à S, tj. zapoczątkowanie syntezy DNA). Każdy rodzaj kompleksu cyklina – Cdk działa na różnych zestaw białek docelowych w komórce.
2. Pod koniec fazy G2 (co prowadzi do przejścia G2àM, tj. zapoczątkowanie mitozy)
Połączenie cykliny p34 cdc2 lub jej homologiem:
-wyzwala enzymatyczną aktywność kinazy
-nadaje jej specyficzność substratowa
-wpływa na jej lokalizację wewnątrzkomórkową
-reguluje jej funkcje i dostęp do licznych czynników regulacyjnych
Podobny do MPF , kompleks SPF , indukuje fazę S poprzez fosforylację i aktywacje białek niezbędnych do replikacji DNA.
W komórkach ludzkich i zwierzęcych stwierdzono dotąd obecność 10 kinaz CDK , jednak prawdopodobnie tylko dwie z nich ( CDK1, CDK2 ) pełnią kluczowe funkcje regulacyjne w cyklu komórkowym.
NAJWAŻNIEJSZE PUNKTY !!!
1. G1 DNA damage checkpoint
2. Punkt przy przejściu z fazy G1 do S
3. S-phase DNA damage
4. S-M (replication checkpoint)
5. G2 DNA damage checkpoint
6. Blokada inicjacji mitozy na brak rozłączenia chrmatyd
7. Blokada przebiegu mitozy w odpowiedzi na brak rozłączenia chromatyd w centromerach
MOLEKULARNE PODSTAWY TRANSFORMACJI NOWOTWOROWEJ
Zaburzenia regulacji cyklu komórkowego
Komórki mogą zdemontować swój układ kontroli i opuścić cykl komórkowy .
Układ śmierci samobójczej jest regulowany sygnałami z innych komórek. Niektóre działają jak sygnały zabijania, aktywując mechanizm samobójstwa komórki. W ten sposób działa hormon tarczycy w ogonie kijanki podczas metamorfozy. Inne działają jako sygnały przeżycia, hamując samobójstwo , by utrzymać komórkę przy życiu.
W organizmie wielkokomórkowym programowana śmierć komórki jest zdarzeniem zwyczajnym, normalnym i ogólnie łagodnym. Natomiast niewłaściwa proliferacja i przeżywanie zbędnych komórek stanowią rzeczywiste niebezpieczeństwo – prowadzą do powstania nowotworów.
BIAŁKO p53
Aktywacja > p53: i dalej à
à różnicowanieàzahamowanie procesu angiogenezy
àprocesy starzeniaàapoptoza, śmierć komórki
ànaprawa DNAà zablokowanie cyklu komórkowego
Najważniejszym znanym genem supresorowym jest gen p53 zwany strażnikiem genomu.
Funkcje punktu kontrolnego w fazie G1 są ściśle związane z p53- supresorowym białkiem nowotworów . Sygnały aktywujące i stabilizujące p53 inicjowane są za pośrednictwem czynników generujących pęknięcia w cząsteczkach DNA , czynników blokujących ruch widełek replikacyjnych, a także w stanie niedobory rybo nukleotydów, niedotlenienia oraz pod wpływem innych oddziaływań traumatycznych.
Około 50 % nowotworów u człowieka wykazuje mutacje w obrębie genu TP53 kodującego białko p53.
Białko p 53 jest czynnikiem transkrypcyjnym, który- w odpowiedzi na uszkodzenia DNA –aktywuje transkrypcję licznych genów. Najważniejszym z nich jest gen kodujący p21Waf1/Cip1. Białko to jest inhibitorem cyklino-zależnych kinaz decydujących o przejściu G1àS.
W wielu ludzkich nowotworach złośliwych oba allele p53 są nieaktywne; cząsteczki DNA- mimo uszkodzeń- mogą wówczas replikować. W niektórych przypadkach prowadzi to do złośliwych transformacji guzów.
Ostatnie wyniki badań dowodzą , że powstawanie nowotworów związane jest również z zaburzeniami dotyczącymi inhibitorów CDK.
Gen CDKN2 koduje białko jądrowe p16, stanowiące inhibitor kompleksu cyklina D.CDK4 . Delecje genu CDKN2 prowadzące do zniesienie jego funkcji hamujących kompleks D/CDK4, związane są z niekontrolowaną proliferacją komórkową.
Choroby wywołane zaburzeniem procesu apoptozy :
Nadmierna apoptoza:
-atak serca
-udar
-choroby neurodegeneracyjne: Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona, stwardnienie zanikowe boczne (Lou-Geringha)
Zahamowanie apoptozy:
-nowotwory
-choroby wirusowe (wirus Epsteina-Baar, wirus brodawczaka wywołujący raka szyjki macicy)
-AIDS
Transformacja nowotworowa
Białko Ras = małe białko G = białko p21
Jest to białko wiążące nukleotydy guaninowe (GTP, GDP)
Do tej rodziny zalicza się geny :
- Ha-ras ( v-onc wirus mięsaka Harveya )
Ki-ras (v-onc wirus Kristena)
N-ras (neuroblastoma)
Zlokalizowane jest po wewnętrznej stronie błony komórkowej, ich zakotwiczenie w błonie gwarantują kwasy tłuszczowe.
Białko Ras występuje w formie aktywnej(po związaniu z GTP) i nieaktywnej (po hydrolizie GTP i do GDP)
Czynnikiem regulującym działanie białka p 21 jest białko aktywujące GTPazę (GAP)- w warunkach prawidłowych nasila proces hydrolizy GTP co znosi przekazywanie sygnału przez białko p21.
Aktywne białko p21 pełni rolę w transdukcji oraz wzmocnieniu sygnałów przekazywalnych z błonowych receptorów komórkowych.
MUTACJA PUNKTOWA GENU RAS I JEJ NASTĘPSTWA
Mutacja pktowa genu Ras> powstanie zmienionego białka p21 opornego na hydrolityczne działanie GAP > nie ma hydrolizy GTP do GDP> ras jest cały czas połączone z GTP – jest aktywne> w sposób ciągły przekazuje sygnał> stymulacja komórki do podziałów
Mutacje pktowe genów z rodziny ras występują w około 30 % nowotworów
Dla niektórych nowotworów są bardzo specyficzne , np.:
-mutacje w Ha-ras w gruczolakorakach jelita grubego
-mutacja w Ki-ras w raku trzustki
Gen Myc- czynnik transkrypcyjny
Czynnik transkrypcyjny , to na którą drogę prowadzi komórkę zależy od równowagi pomiędzy miogenami a cytostatykami
Przewaga mitogenów w komórce (cytokiny wzrostowe ) à proliferacja
Przewaga cytostatyków w komórce ( interferon ,leki) àapoptoza
Geny z rodziny myc: c-myc, N-myc, L-myc
Geny myc ulegają amplifikacji w wielu nowotworach złośliwych
-n-myc w neuroblast omach
-L-myc- w drobnokomórkowych rakach płuc
-c-myc- w rakach sutka
Ponadto aktywacja tego genu dokonuje się również w wyniku translokacji z chromosomu 8 na 14 lub 2 lub 22 (obok genów kodujących łańcuchy immunoglobulin)à
àGen myc pod kontrolą promotorów genów 0legających aktywnej ekspresji
àznacznie większa ilość kopii genu myc ( Chłoniak Burkitta)
Czego potrzeba do metastazy ?
-enzymów (normalnie nie występujących ) zdolnych do rozpuszczenia powłok otaczających całość organu
-zdolności lokalnego nowotworu do inwazji układu krążenia przez który może dotrzeć do innego organu à w odległym organie te napływające komórki muszą być zdolne do wzrostu w obcym otoczeniu (tzn. nie posiadają wsparcia ze strony tkanek komplementarnych, pochodzących z tego organuàsą to zdolności nie występujące normalnie u komórek à więc mogą zaistnieć tylko po kolejnych zmianach genetycznych
NOTOTWORZENIE ?
Ognisko pierwotne à naciek komórek nowotworowychà zator z komórek nowotworowychà ekspansjaàrozrost i tworzenie naczyń krwionośnychàprzerzuty w wątrobie
Nowe naczynia tworzone są w 2 procesach :
-waskulogeneza : formowanie naczyń krwionośnych w okresie płodowym poprzez różnicowanie i proliferacje komórek śródbłonka w oparciu o komórki macierzyste, proces ten doprowadza do wytworzenia podstawowego splotu naczyniowego
-angiogeneza: formowanie naczyń krwionośnych ze śródbłonka naczyń już istniejących
Agniogenezą nazywamy tworzenie nowych naczyń krwionośnych na bazie naczyń już istniejących
Fizjologicznie angiogeneza występuje podczas :
-gojenia się raz
- w krezce jelita
-menstruacji
-implitacji zarodka
W warunkach fizjologicznych angiogeneza jest procesem ściśle regulowanym przez szereg czynników aktywujących i hamujących , poprzez podziały komórek endotelialnych
Zwykle poziom inhibitorów angiogenezy jest większy hamując podziały komórek i wzrost naczyń.
Endogenne stymulatory angiogenezy : VEGF , FGS, płytkowy czynnik wzrostu PDGF
Angiogeneza odgrywa zasadniczą rolę w rozwoju guza nowotworowego , warunkuje wzrost (tlen, składniki odżywcze), tworzenie przerzutów .
W nowotworach proces angiogenezy wymyka się spod mechanizmów kontrolnych à komórki guza nowotworowego w sposób ciągły uwalniają
Bez naczyń krwionośnych guz nowotworowy może osiągnąć rozmiar ok. 1- 2 mm à niedotlenienie komórek prowadzi do tworzenia naczyń krwionośnych przez produkcję przez komórki nowotworowe białek aktywujących ten proces > hipoksja może także prowadzić do apoptozy
Stan równowagi pomiędzy proliferacją a apoptozą trwa do czas, aż w pewnej grupie komórek pojawi się fenotyp angiogenny à komórki guza nowotworowego w sposób ciągły uwalniają czynnik wzrostu o działaniu angiogennym à osłabienia negatywnych regulatorów czy inhibitorów wzrostu naczyń à tworzenie nowych naczyń krwionośnych (neowaskularyzacja) àtworzenie przerzutów i wtórnych ognisk nowotworowych
Wczesne ognisko nowotworowe à nabycie fenotypu angiogennego ...
kot_fredek