Struktura i funkcja kwasów nukleinowych
P. Anthony Weil, PhD
CELE
Po zapoznaniu się z treścią tego rozdziału
Czytelnik powinien:
zrozumieć chemiczną strukturę monomeryczną i polimeryczną materiału genetycznego, kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA, który występuje głównie w jądrze komórek eukariotycznych, ale także w organellach.
Wyjaśnić, dlaczego genomowe DNA jest dwuniciowe i silnie ujemnie naładowane.
zrozumieć, w jaki sposób informacja genetyczna DNA może być wiernie powielana w procesie replikacji DNA.
Opisać proces transkrypcji DNA oraz wyjaśnić, w jaki sposób prowadzi on do powstawania różnych klas RNA.
zrozumieć, że mRNA powstaje w wyniku obróbki potranskrypcyjnej, jest transportowane do cytoplazmy i tam ulega translacji do białek, które determinują strukturę oraz funkcję komórek, tkanek i narządów.
z N aC ze NI e BI omedYC z N e
Odkrycie, że informacja genetyczna jest zapisana wzdłuż polimerowego łańcucha zbudowanego z czterech rodzajów nukleotydów było jednym z największych osiągnięć naukowych XX wieku. Ta polimerowa cząsteczka – kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) – stanowi chemiczną podstawę dziedziczności. DNA jest zorganizowane w geny, czyli podstawowe jednostki informacji genetycznej. Ustalono także główny szlak przepływu informacji: DNA kieruje syntezą RNA, a RNA kieruje syntezą i regulacją białek. Geny nie funkcjonują autonomicznie – ich replikacja i ekspresja są kontrolowane przez liczne produkty genowe oraz elementy różnych szlaków sygnalizacyjnych. Zrozumienie budowy i funkcji kwasów nukleinowych jest kluczowe dla poznania zasad genetyki, patofizjologii oraz molekularnych podstaw wielu chorób.
d N a zaw I era INF ormaCJĘ G e N e TYC z NĄ
Dowód na to, że DNA zawiera informację genetyczną, jako pierwsi wykazali w 1944 roku w serii klasycznych doświadczeń Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarty. Zaobserwowali oni, że genetyczna determinacja otoczki swoistych pneumokoków może być przeniesiona do innych pneumokoków o wyraźnie odmiennym typie otoczki przez wprowadzenie oczyszczonego DNA. Czynnik, który dokonuje tej zmiany, autorzy ci określili jako „czynnik transformujący” (później wykazano, że był to DNA). W późniejszym okresie ten typ manipulacji genetycznej stał się powszechny. Podobne eksperymenty przeprowadza się obecnie regularnie, wykorzystując różne rodzaje komórek, w tym komórki ludzkie i zarodki ssaków jako biorców oraz molekularnie sklonowane DNA jako dawcę informacji genetycznej.
dNa składa się z czterech deoksynukleotydów
Chemiczną naturę jednostek deoksynukleotydowych DNA – deoksyadenylanu, deoksyguanylanu, deoksycytydylanu i tymidylanu – opisano w rozdziale 32. Te monomeryczne jednostki DNA są utrzymywane w postaci polimeru przez mostki 3′,5′-fosfodiestrowe, dzięki czemu tworzą pojedyncze pasmo (nić), przedstawione na rycinie 34-1. Treścią informacji DNA (kodem genetycznym) jest sekwencja, w jakiej te monomery – deoksyrybonukleotydy purynowe i pirymidynowe – są uporządkowane. Cząsteczka polimeru DNA, jak wspomniano, jest polarna; na jednym końcu ma grupę 5ʹ-hydroksylową lub fosforanową, a na drugim –grupę 3ʹ-fosforanową lub hydroksylową. Znaczenie tej polarności zostanie wyjaśnione w dalszej części rozdziału. Ponieważ informacja genetyczna jest zawarta w kolejno ułożonych jednostkach monomerycznych cząsteczki polimeru, musi istnieć mechanizm reprodukowania lub replikowania tej swoistej informacji, o bardzo dużym stopniu wierności. Wymóg ten, razem z danymi uzyskanymi w badaniach dyfrakcji promieni
rentgenowskich przez cząsteczkę DNA, a także spostrzeżenia Chargaffa, że w cząsteczkach DNA stężenie nukleotydów deoksyadeninowych (A) jest równe stężeniu nukleotydów tyminowych (T) (A = T), a stężenie nukleotydów deoksyguaninowych (G) jest równe stężeniu nukleotydów deoksycytydynowych (C) (G = C), pozwoliły zaproponować we wczesnych latach 50. XX wieku model dwuniciowej cząsteczki DNA. Propozycję taką przedstawili James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins (opracowany przez nich model zaprezentowano na rycinie 34-2). Dwie nici tej dwuniciowej helisy są utrzymywane w odpowiednim położeniu przez wiązania wodorowe (zob. ryc. 2-2) między zasadami purynowymi i pirymidynowymi odpowiednich cząsteczek liniowych oraz przez oddziaływania van der Waalsa i hydrofobowe (zob. rozdz. 2 i ryc. 2-4) między ułożonymi obok siebie parami zasad. Parowanie między nukleotydami purynowymi i pirymidynowymi na przeciwległych niciach jest bardzo specyficzne i zależy od wiązań wodorowych A z T oraz G z C (ryc. 34-2). Pary zasad A–T i G–C są często nazywane parami zasad Watsona–Cricka.
Rycina 34-1. Segment jednej nici cząsteczki DNA, w której zasady purynowe i pirymidynowe: adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) i guanina (G), są połączone przez fosfodiestrowe wiązania (szkielet) między resztami 2′-deoksyrybozylowymi, związanymi z zasadami wiązaniem N-glikozydowym. Warto zauważyć, że szkielet wiązań fosfodiestrowych wykazuje polarność (tj. ukierunkowanie). Polarność jest zwykle podawana w orientacji 5′→3′ (tzn. pGpcpTpA, gdzie: G, c, T i A symbolizują cztery zasady, a p – wiążące je reszty fosforanowe).
Rowek mniejszy
Rycina 34-2. Schemat modelu Watsona–Cricka dwuniciowej struktury formy B-DNA. Strzałka pozioma pokazuje szerokość (średnicę) podwójnej helisy (2,0 nm), a strzałka pionowa –długość jednego pełnego zwoju helisy (3,4 nm). Na jeden zwój B-DNA przypada 10 par zasad (pz), a więc 0,34 nm na jedną parę. centralna oś podwójnej helisy jest pokazana jako pionowa linia. Krótkie strzałki wskazują polarność przeciwległych nici. A – adenina, c – cytozyna, G – guanina, T – tymina, P – fosforan, S – cukier (deoksyryboza). Wiązania wodorowe między zasadami A i T oraz G i c są zaznaczone jako krótkie niebieskie poziome linie.
Rycina 34-3. Wzajemne parowanie między deoksyadenozyną i tymidyną obejmuje wytworzenie dwóch wiązań wodorowych. Trzy takie wiązania tworzą się między deoksycytydyną i deoksyguanozyną. Linie przerywane symbolizują wiązania wodorowe.
Ta powszechna forma DNA jest nazywana prawoskrętną, ponieważ gdy patrzy się wzdłuż podwójnej helisy, widać, że reszty zasad tworzą spiralę skręconą zgodnie z ruchem wskazówek zegara (w prawo). W dwuniciowej cząsteczce ograniczenia wynikające z rotacji wokół wiązania fosfodiestrowego, uprzywilejowania konfiguracji anti wiązania glikozydowego (zob. ryc. 32-5) oraz dominacji tautomerów (zob. ryc. 32-2) czterech zasad (A, G, T i C) pozwalają na sparowanie A wyłącznie z T, a G wyłącznie z C, jak to przedstawiono na rycinie 34-3. Takie ograniczenie w parowaniu zasad wyjaśnia wcześniejszą obserwację, że w dwuniciowej cząsteczce DNA liczba cząsteczek A jest równa liczbie T, a liczba G – równa liczbie C. Dwa pasma w dwuniciowej cząsteczce, każde polarne, są przeciwległe; jedno pasmo biegnie w kierunku od 5ʹ do 3ʹ, a drugie w kierunku od 3ʹ do 5ʹ
W obrębie konkretnego genu w dwuniciowych cząsteczkach DNA informacja genetyczna znajduje się w sekwencji nukleotydów na jednej nici, nici matrycowej. Jest to nić DNA, która jest kopiowana lub transkrybowana podczas syntezy kwasu rybonukleinowego (ribonucleic acid , RNA). Czasami nazywa się ją nicią niekodującą. Przeciwległa nić jest uważana za nić kodującą, ponieważ pasuje do sekwencji transkryptu RNA (ale zawiera uracyl zamiast tyminy; zob. ryc. 34-8), który koduje białko.
Dwie nici, w których przeciwległe zasady są połączone międzyniciowymi wiązaniami wodorowymi, owijają się wokół centralnej osi w formie podwójnej helisy. W probówce dwuniciowy DNA może występować w co najmniej sześciu formach (A-DNA, poprzez E-DNA i Z-DNA). Te różne formy DNA różnią się pod względem oddziaływań wewnątrz- i międzyniciowych i obejmują strukturalne przegrupowania w obrębie monomerycznych jednostek DNA. Forma B występuje zwykle w warunkach fizjologicznych. Pojedynczy zwój DNA formy B wokół długiej osi cząsteczki zawiera 10 par zasad (pz). Odległość, jaką pokonuje jeden zwój B-DNA, wynosi 3,4 nm (34 Å). Szerokość (średnica helisy) podwójnej helisy w B-DNA wynosi 2 nm (20 Å).
Rowek większy
CzĘŚĆ VII Budowa, funkcje i replikacja makrocząsteczek – nośników informacji
w cząsteczce dNa znajdują się rowki
Badanie modelu przedstawionego na rycinie 34-2 ujawnia obecność większego i mniejszego rowka, biegnących wzdłuż cząsteczki równolegle do szkieletów fosfodiestrowych. W tych rowkach białka często wchodzą w swoiste interakcje z odsłoniętymi atomami nukleotydów (poprzez specyficzne oddziaływania hydrofobowe i jonowe), rozpoznając i wiążąc określone sekwencje nukleotydowe, jak również unikatowe kształty tworzone przez te sekwencje. Wiązanie to zazwyczaj zachodzi bez zakłócania parowania zasad w podwójnej helisie DNA. Jak omówiono w rozdziałach 35, 36 i 38, interakcje białko–DNA odgrywają kluczową rolę w regulacji replikacji, naprawy i rekombinacji DNA, a także w transkrypcji określonych genów, przyczyniając się tym samym w istotny sposób do prawidłowego funkcjonowania komórki.
denaturacja (topnienie) dNa jest wykorzystywana do analizy jego struktury
Jak przedstawiono na rycinie 34-3, trzy wiązania wodorowe, utworzone przez atomy wodoru związane z elektroujemnymi atomami azotu lub tlenu, stabilizują parę nukleotydów: deoksyguaninę i deoksycytydynę. Dla porównania, druga kanoniczna para zasad, A–T, jest utrzymywana przez dwa wiązania wodorowe. Należy zauważyć, że cztery zasady nukleotydowe DNA ([dG, dA] puryny oraz [dT, dC] pirymidyny) są płaskimi, planarnymi cząsteczkami (zob. ryc. 32-1 i tab. 32-1). Te dwie kluczowe właściwości zasad nukleotydowych umożliwiają ich ścisłe upakowanie w obrębie podwójnej helisy DNA (zob. ryc. 34-2). Aromatyczne, heterocykliczne pierścienie zasad są silnie polaryzowalne i zawierają liczne atomy z ładunkami cząstkowymi, co sprzyja powstawaniu oddziaływań van der Waalsa i elektrostatycznych między sąsiadującymi zasadami. Suma tych sił określana jest jako oddziaływania stackingowe (base-stacking interactions ). Oddziaływania te są silniejsze między parami G–C niż A–T, dlatego regiony DNA bogate w G–C wykazują większą odporność na denaturację („topnienie”) niż sekwencje bogate w A–T.
dNa można odwracalnie zdenaturować i specyficznie zrenaturować zarówno w probówce, jak i w żywych komórkach W warunkach laboratoryjnych dwuniciowa struktura DNA może zostać rozdzielona lub zdenaturowana do jej dwóch składowych nici w roztworze poprzez: podwyższenie temperatury, obniżenie stężenia soli w roztworze, dodanie czynników chaotropowych, które
mogą tworzyć konkurencyjne wiązania wodorowe z poszczególnymi zasadami deoksynukleotydowymi, lub – co często stosuje się eksperymentalnie – przez kombinację wszystkich trzech sposobów. W takich warunkach dochodzi nie tylko do rozdzielenia obu nici, lecz także do rozpadu oddziaływań stackingowych między zasadami, które pozostają jednak połączone w obrębie jednoniciowych łańcuchów dzięki szkieletowi fosfodiestrowemu. Towarzyszącym zjawiskiem podczas denaturacji cząsteczki DNA do dwóch pojedynczych nici jest wzrost absorbancji optycznej w zakresie ultrafioletu (260 nm; zob. rozdz. 32) przez zasady purynowe i pirymidynowe każdej nici – zjawisko określane mianem hiperchromiczności denaturacji. Ze względu na łączną siłę oddziaływań stosów zasad oraz wiązań wodorowych między komplementarnymi zasadami w każdej nici, dwuniciowa cząsteczka DNA wykazuje właściwości sztywnego pręta. W konsekwencji natywne dwuniciowe DNA w roztworze jest materiałem o bardzo dużej lepkości. Jednakże w wyniku denaturacji roztwory DNA tracą swoją lepkość.
Nici danego dwuniciowego DNA rozdzielają się w pewnym zakresie temperatur. Punkt środkowy procesu denaturacji DNA nazywa się temperaturą topnienia (melting temperature , Tm). Wartość Tm zależy od składu zasad w DNA oraz od stężenia soli i innych składników roztworu (zob. dalej). DNA bogaty w pary G–C topnieje w wyższej temperaturze niż DNA bogaty w pary A–T, ze względu na różnice w liczbie wiązań wodorowych oraz w sile oddziaływań base stacking (omówionych wcześniej). Dziesięciokrotny wzrost stężenia kationów jednowartościowych istotnie zwiększa Tm, ponieważ neutralizuje wewnętrzne odpychanie między silnie ujemnie naładowanymi resztami fosforanowymi w szkielecie fosfodiestrowym obu nici DNA. Na przykład wzrost stężenia NaCl z 0,01 do 0,1 M podnosi Tm o 16,6°C. Z kolei czynniki chaotropowe, takie jak mocznik (NH2CONH2; zob. ryc. 28-16) czy formamid (CH3NO), mogą efektywnie tworzyć wiązania wodorowe z zasadami nukleotydowymi, co destabilizuje wiązania wodorowe między zasadami komplementarnymi. Takie warunki roztworu obniżają Tm. Dodanie chaotropów umożliwia rozdzielenie nici DNA lub komplementarnego DNA–RNA oraz wewnątrzcząsteczkowych hybryd RNA–RNA (zob. dalej) w znacznie niższych temperaturach. Niższe temperatury minimalizują ryzyko rozerwania wiązań fosfodiestrowych i chemicznego uszkodzenia nukleotydów, które mogłoby wystąpić podczas długotrwałej inkubacji w roztworze.
W żywych komórkach zarówno denaturacja, jak i renaturacja DNA (zob. dalej) zachodzą naturalnie podczas procesów replikacji DNA, rekombinacji DNA, naprawy
DNA (zob. rozdz. 35) oraz transkrypcji genów DNA (zob. rozdz. 36). We wszystkich tych przypadkach rozdzielanie i ponowne łączenie nici DNA jest mediowane przez działanie swoistych białek wiążących kwasy nukleinowe i różnych enzymów, w połączeniu z energią cieplną i/lub chemiczną dostarczaną poprzez hydrolizę ATP.
renaturacja dNa wymaga precyzyjnego dopasowania par zasad
Co istotne, rozdzielone nici DNA mogą ulec renaturacji, lub ponownemu połączeniu, gdy zostaną osiągnięte odpowiednie warunki temperatury i stężenia soli. Proces ten określany jest także często jako hybrydyzacja. Szybkość ponownego łączenia nici zależy od stężenia nici komplementarnych. Przy danej temperaturze i stężeniu soli określona nić kwasu nukleinowego będzie się łączyć ściśle tylko ze swoją nicią komplementarną. Renaturacja jest więc wysoce swoista. W istocie badania wykazały, że hybrydowe cząsteczki DNA, w których występuje nawet tylko jedna niedopasowana para zasad, mogą być łatwo wykrywane i ilościowo oznaczane.
Co ważne, hybrydowe cząsteczki DNA–DNA, DNA––RNA oraz RNA–RNA mogą również powstawać w odpowiednich warunkach. Na przykład DNA utworzy idealną dwuniciową cząsteczkę hybrydową z komplementarną sekwencją DNA (cDNA) lub z odpowiednim, komplementarnym RNA. Połączenie hybrydyzacji z różnymi zaawansowanymi technikami analitycznymi umożliwia naukowcom swoiste wykrywanie, identyfikację, a nawet określenie sekwencji niezwykle małych ilości kwasów nukleinowych (zarówno DNA, jak i RNA). Przegląd wielu technologii umożliwiających tego rodzaju analizy kwasów nukleinowych przedstawiono w rozdziale 39.
dNa istnieje w postaciach zrelaksowanej i silnie skręconej
W niektórych organizmach, takich jak bakterie, bakteriofagi, wiele wirusów zwierzęcych zawierających DNA, a także organelli, takich jak mitochondria (zob. ryc. 35-8), końce cząsteczek DNA są połączone, tworząc zamknięty okrąg bez kowalencyjnie wolnych końców. To oczywiście nie niszczy polarności cząsteczek, ale eliminuje wszystkie wolne grupy hydroksylowe i fosforylowe 3′ i 5′. Zamknięte okręgi występują w formie zrelaksowanej lub superskręconej. Superskręty powstają, gdy zamknięty okrąg jest skręcony wokół własnej osi lub gdy liniowy fragment dupleksowego DNA, którego końce są nieruchome, jest skręcony. Ten wymagający energii proces poddaje cząsteczkę naprężeniu skrętnemu, a im
34. Struktura i funkcja kwasów nukleinowych
wyższa liczba superskrętów, tym większe naprężenie lub skręcenie (można to sprawdzić, skręcając gumkę recepturkę). Ujemne superskręty powstają, gdy cząsteczka jest skręcona w kierunku przeciwnym do skrętów prawoskrętnej podwójnej helisy występującej w B-DNA. Takie DNA określa się jako ujemnie superskręcone lub o ujemnym nawinięciu. Energia zgromadzona w takim stanie ułatwia procesy wymagające rozdzielenia nici –takie jak inicjacja replikacji czy transkrypcji (zob. ryc. 35-19). Dlatego ujemnie superskręcone DNA jest preferowaną formą w układach biologicznych. Przejście do innej formy, wymagającej energii, jest zatem ułatwione przez podwinięcie (zob. ryc. 35-19). Jedno z takich przejść stanowi separacja nici, która jest warunkiem koniecznym replikacji i transkrypcji DNA. Superskręcone DNA jest zatem preferowaną formą w układach biologicznych. Enzymy katalizujące zmiany topologiczne DNA nazywane są topoizomerazami. Topoizomerazy mogą relaksować lub wstawiać superskręty, wykorzystując ATP jako źródło energii. Homologi tego enzymu występują we wszystkich organizmach i są ważnymi celami chemioterapii nowotworów. Superskręty mogą się również tworzyć w liniowych DNA, jeśli poszczególne segmenty DNA są ograniczone przez ścisłą interakcję z białkami jądrowymi, które tworzą dwa miejsca graniczne definiujące domenę topologiczną.
d N a SŁUŻY J a Ko maT rYC a do re PLIK aCJI I T ra NSK rYPCJI
Informacja genetyczna zmagazynowana w sekwencji nukleotydowej DNA służy dwóm celom: jest źródłem informacji dla syntezy wszystkich cząsteczek białkowych komórki i organizmu oraz dostarcza informacji dziedziczonej przez komórki potomne i potomstwo. Warunkiem spełniania obu funkcji jest występowanie DNA w roli matrycy – w pierwszym przypadku do transkrypcji informacji na RNA, a w drugim do replikacji informacji dla dwóch siostrzanych cząsteczek DNA. Gdy obie nici macierzystej dwuniciowej cząsteczki DNA oddzielają się w czasie replikacji od siebie, wówczas każda z nich służy jako matryca, na której syntetyzuje się nowa nić komplementarna (ryc. 34-4). Dwie wytworzone na nowo siostrzane, dwuniciowe cząsteczki DNA, każda zawierająca jedną nić (komplementarną, a nie identyczną) z macierzystej dwuniciowej cząsteczki DNA, są następnie sortowane między dwie komórki potomne (ryc. 34-5). Każda z komórek potomnych zawiera cząsteczki DNA z informacją identyczną z tą, jaką miała cząsteczka macierzysta, jednak w każdej komórce potomnej DNA pochodzące z komórki rodzicielskiej ma tylko półkonserwatywny charakter.
Rycina 34-4. Synteza DNA zachowuje sekwencję i strukturę oryginalnego DNA matrycowego. Dwuniciowa struktura DNA i funkcja matrycy każdej starej nici rodzicielskiej (niebieska), na której syntetyzowana jest nowa, komplementarna nić potomna (szara).
r N a r ÓŻNI SIĘ od d N a P od wzGLĘ dem w Ł a ŚCI wo ŚCI CH em IC z NYCH
Kwas rybonukleinowy (RNA) jest polimerem złożonym z rybonukleotydów purynowych i pirymidynowych, połączonych wiązaniami 3′,5′-fosfodiestrowymi, takimi, jakie występują w DNA (ryc. 34-6). RNA, chociaż ma wiele wspólnych cech z DNA, wykazuje także swoiste różnice:
1. W RNA cząsteczką cukru, z którą są związane fosforany oraz zasady purynowe i pirymidynowe, jest ryboza, a nie 2-deoksyryboza, jak w DNA (zob. ryc. 19-2 i 32-3).
Pier wsze pokolenie
Or yginalna cząsteczka macier zysta
Drugie pokolenie cząsteczek siostr zanych
Rycina 34-5. Replikacja DNA jest półkonserwatywna. Podczas rundy replikacji każda z dwóch nici DNA jest wykorzystywana jako matryca do syntezy nowej, komplementarnej nici. Półkonserwatywna natura replikacji DNA ma implikacje dla biochemicznej (zob. rysunek 35-16), cytogenetycznej (zob. ryc. 35-12) i epigenetycznej kontroli ekspresji genów (zob. ryc. 38-8 i 38-9).
2. Składniki pirymidynowe w RNA różnią się od tych, które występują w DNA. RNA zawiera rybonukleotydy adeniny, guaniny i cytozyny, lecz nie zawiera tyminy, z wyjątkiem rzadkiego przypadku wymienionego poniżej. Zamiast tyminy RNA zawiera rybonukleotyd uracylu.
3. RNA typowo występuje jako pojedyncza nić, natomiast DNA – jako dwuniciowa helikalna cząsteczka. W pewnych sekwencjach jednak, zawierających komplementarne zasady o odwrotnej polarności, pojedyncza nić RNA, jak to przedstawiono na rycinach 34-7 i 34-11, jest zdolna do zawinięcia się wokół siebie samej, upodabniając się do spinki do włosów
cząsteczek siostr zanych
oraz zyskując w ten sposób cechy struktury dwuniciowej (G sparowane z C i A sparowane z U).
4. Ponieważ cząsteczka RNA jest pojedynczą nicią komplementarną tylko do jednej z dwóch nici genu, ilość guaniny nie musi się równać ilości cytozyny ani ilość adeniny nie musi się równać ilości uracylu.
5. RNA może być hydrolizowany w środowisku zasadowym do cyklicznych 2′,3′-diestrów mononukleotydów – związków, które nie powstają w wyniku działania na DNA alkaliami, ponieważ DNA nie ma grup 2′-hydroksylowych. Labilność RNA w stosunku do środowiska zasadowego jest użyteczna zarówno w diagnostyce, jak i w analizie.
Informacja w pojedynczej nici RNA jest zawarta w sekwencji nukleotydów purynowych i pirymidynowych („struktura pierwszorzędowa”) w obrębie tego polimeru. Sekwencja ta jest komplementarna do matrycowej nici DNA genu, z którego była przepisana. Ze względu na tę komplementarność cząsteczka RNA może
34. Struktura i funkcja kwasów nukleinowych
się swoiście wiązać według reguły parowania zasad do jej matrycowej nici DNA (A–T, G–C, C–G, U–A; zasady RNA wytłuszczone); nie będzie się ona wiązała („hybrydyzowała”) z drugą (kodującą) nicią DNA tego genu. Sekwencja cząsteczki RNA (z wyjątkiem U, które zastępuje T) jest taka sama jak kodującej nici genu (ryc. 34-8).
P raw I e w S z YSTKI e rodza J e STa BILNYCH, LIC z NI e w YSTĘPUJĄCYCH r N a SĄ w J a KIŚ SP o SÓB zw IĄ za N e z SYNT ez Ą BI a ŁK a
Cząsteczki cytoplazmatycznego RNA, które służą jako matryce do biosyntezy białek (tj. te, które przenoszą informacje z DNA do ośrodków syntetyzujących białko), są nazwane informacyjnym RNA lub krótko mRNA (messenger RNA ). Wiele innych cząsteczek cytoplazmatycznego RNA (rybosomalny RNA, rRNA) odgrywa rolę strukturalną, tzn. bierze udział w tworzeniu i funkcjonowaniu rybosomów (system organelli do syntezy białek) albo służy jako cząsteczki łącznikowe (transferowy, lub transportujący, RNA; tRNA) do translacji informacyjnego RNA na swoistą sekwencję spolimeryzowanych aminokwasów.
Rycina 34-6. Segment cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA), w której zasady purynowe i pirymidynowe – adenina (A), uracyl (U), cytozyna (C) i guanina (G), są utrzymywane razem przez wiązania fosfodiestrowe między resztami rybozylowymi związanymi z zasadami wiązaniami N-glikozydowymi. Warto zauważyć, że ładunki ujemne na szkielecie fosfodiestrowym nie są tu uwidocznione (zob. np. ryc. 34-1) oraz że polimer ma charakter polarny, co ukazano przez oznaczenie reszt fosforanowych związanych w pozycjach 3′ i 5′ .
Łodyżka
NiciDNA:
Kodująca
Rycina 34-7. Struktura drugorzędowa
RNA. (Po lewej ) Schematyczne przedstawienie struktury drugorzędowej hipotetycznej jednoniciowej cząsteczki RNA, w której utworzyła się pętla macierzysta, czyli „spinka do włosów”. Powstanie tej struktury zależy od wskazanego wewnątrzcząsteczkowego parowania zasad (kolorowe linie poziome między komplementarnymi zasadami). Należy zauważyć, że w RNA G łączy się z c, tak jak w DNA, ale A łączy się z U. (Po prawej ) Schemat par zasad A–U (góra) w porównaniu z parami zasad A–T (dół).
Matr ycowa TGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATG ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTTTGTCGATACTGGTAC pAU UGU pp GAGCG G AUA ACAA UUU CACACA GG
Rycina 34-8. Współzależności między sekwencjami transkryptu RNA i jego genu, w którym pokazano nici kodujące i niekodujące (matrycowe) oraz ich polarność. Transkrypt RNA o polarności od 5′ do 3′ jest komplementarny do nici matrycowej o polarności od 3′ do 5′. Należy zauważyć, że sekwencja w transkrypcie RNA i jego polarność są takie same jak nici kodującej, z wyjątkiem U w transkrypcie zastępującym T w genie; inicjujące nukleotydy w RNA zawierają terminalny 5-trifosforan (np. pppA powyżej).
Co ciekawe, niektóre cząsteczki RNA mają wewnętrzną aktywność katalityczną. Aktywność tych enzymów RNA, czyli rybozymów, często wiąże się z rozszczepianiem kwasu nukleinowego. Dwa rybozymy to rybozymy biorące udział w splicingu RNA oraz peptydylotransferaza, która katalizuje tworzenie wiązań peptydowych na rybosomie.
We wszystkich komórkach eukariotycznych występują małe jądrowe RNA (small nuclear RNA , snRNA), które nie biorą bezpośredniego udziału w syntezie białek, ale odgrywają kluczową rolę w przetwarzaniu RNA, a w szczególności mRNA. Te stosunkowo niewielkie cząsteczki różnią się wielkością od 90 do około 300 nukleotydów (tab. 34-1). Właściwości poszczególnych klas komórkowych RNA zostały szczegółowo omówione dalej.
Materiał genetyczny niektórych wirusów zwierzęcych i roślinnych składa się z RNA, a nie z DNA. Chociaż niektóre wirusy RNA nigdy nie przechodzą etapu tworzenia DNA (np. wirus grypy czy koronawirusy, w tym SARS-CoV-2), to część zwierzęcych wirusów RNA – retrowirusy, takie jak HIV – wykorzystuje wirusową polimerazę DNA zależną od RNA, czyli odwrotną transkryptazę, aby przepisać swój genom RNA na dwuniciową kopię DNA. W wielu przypadkach powstały dwuniciowy transkrypt DNA jest integrowany z genomem gospodarza i następnie służy jako matryca do ekspresji genów, z której nowe genomy wirusowego
RNA i wirusowe mRNA mogą ulegać transkrypcji, a potem translacji przez mechanizmy komórkowe. Genomowa insercja takich integrujących cząsteczek „prowirusowego” DNA może, w zależności od zaangażowanego miejsca, być mutagenna, inaktywując gen lub deregulując jego ekspresję (zob. ryc. 35-11).
Tabela 34-1. Niektóre rodzaje małocząsteczkowych, trwałych RNA, występujących w komórkach ssaków
Nazwa długość (liczba nukleotydów)
Liczba cząsteczek w komórce
Umiejscowienie
U1 165 1 × 106 Nukleoplazma
U2 188 5 × 105 Nukleoplazma
U3 216 3 × 105 Jąderko
U4 139 1 × 105 Nukleoplazma
U5 118 2 × 105 Nukleoplazma
U6 106 3 × 105 ziarnistości perichromatyczne
4,5S 95 3 × 105 Jądro i cytoplazma
7SK 280 5 × 105 Jądro i cytoplazma
ISTNI e J e KILK a odr ĘBNYCH KL a S r N a
We wszystkich organizmach prokariotycznych i eukariotycznych występują cztery główne klasy RNA: informacyjny RNA (mRNA), transportujący RNA (tRNA), rybosomalny RNA (rRNA) i małocząsteczkowy RNA.
Rycina 34-9. Przedstawiono ekspresję informacji genetycznej w DNA w postaci transkryptu mRNA o polarności od 5’ do 3’, a następnie w białko o polarności od N do C. DNA jest transkrybowane do mRNA, które następnie jest tłumaczone przez rybosomy na specyficzną cząsteczkę białka, wykazującą polarność od N -końca (N) do C -końca (c ).
34. Struktura i funkcja kwasów nukleinowych
Każdy z tych RNA różni się od innych ilością, wielkością, funkcją i ogólną stabilnością.
Informacyjny rNa (mrNa)
Ta klasa RNA jest najbardziej heterogeniczna pod względem liczebności, wielkości i stabilności; np. w drożdżach piwowarskich specyficzne mRNA występują w setkach na komórkę, średnio do 0,1/mRNA na komórkę w genetycznie jednorodnej populacji. Jak szczegółowo opisano w rozdziałach 36 i 38, zarówno specyficzne mechanizmy transkrypcyjne, jak i potranskrypcyjne przyczyniają się do tak szerokiego zakresu dynamiki zawartości mRNA. W komórkach ssaków specyficzna liczebność mRNA prawdopodobnie waha się w granicach 104-krotności. Wszystkie RNA należące do tej klasy pełnią funkcję przekaźników przekazujących informacje zawarte w genie do mechanizmu syntetyzującego białka, gdzie każdy mRNA służy jako matryca, na której polimeryzowana jest specyficzna sekwencja aminokwasów, tworząc specyficzną cząsteczkę białka, w tym przypadku ostateczny produkt genu (ryc. 34-9).
Eukariotyczne mRNA mają unikatowe właściwości chemiczne. Koniec 5’ mRNA jest „zamknięty” przez trifosforan 7-metyloguanozyny, połączony z sąsiednim 2’-O-metylorybonukleozydem w pozycji 5’-hydroksylowej poprzez trzy grupy fosforanowe (ryc. 34-10). Cząsteczki mRNA często zawierają wewnętrzną N6-metyloadeninę i inne nukleotydy metylowane 2’-O-rybozą. Czapka uczestniczy w rozpoznawaniu mRNA przez maszynę translacyjną, a także pomaga w stabilizacji mRNA, zapobiegając atakowi nukleolitycznemu 5’-egzoribonukleaz. Maszyneria syntetyzująca białka rozpoczyna translację mRNA na białka od końca 5’, czyli zamkniętego czapeczką. Na drugim końcu niemal wszystkich eukariotycznych cząsteczek mRNA 3′-hydroksylowy koniec
Synteza białka na matr ycy mRNA
Ukończona cząsteczka białka
Nowotwory: podstawowe informacje
Molly Jacob, MD, PhD; MNASc, FRCPath, Joe Varghese, MD, PhD; P. Anthony Weil, PhD
CELE
Po zapoznaniu się z treścią tego rozdziału
Czytelnik powinien:
Przedstawić podstawowe informacje na temat biochemicznych i genetycznych cech karcynogenezy.
Opisać kluczowe cechy komórek nowotworowych, które odróżniają je od komórek prawidłowych.
Opisać kluczowe właściwości onkogenów i genów supresorowych oraz ich rolę w procesie karcynogenezy.
Krótko omówić pojęcia niestabilności genomowej, aneuploidii i angiogenezy w odniesieniu do inicjacji i wzrostu guza.
Omówić znaczenie markerów nowotworowych.
Przedstawić, w jaki sposób postępy w zrozumieniu biologii nowotworów przyczyniły się do rozwoju różnorodnych nowych strategii terapeutycznych.
z N aC ze NI e BI omedYC z N e
Nowotwory stanowią drugą, po chorobach układu krążenia, najczęstszą przyczynę zgonów w wielu krajach. Każdego roku z powodu nowotworów umiera na świecie około 10 milionów ludzi i szacuje się, że liczba ta jeszcze się zwiększy. Nowotwory dotykają ludzi w każdym wieku i rozwijają się w bardzo wielu narządach. W skali światowej do zgonów przyczyniają się głównie nowotwory: płuc, żołądka, jelita grubego, odbytnicy, wątroby i piersi. Inne rodzaje nowotworów, które prowadzą do zgonów, obejmują raka szyjki macicy, przełyku i gruczołu krokowego. Nowotwory skóry są bardzo powszechne, ale z wyjątkiem czerniaka na ogół mniej agresywne niż te wspomniane wyżej. Zachorowalność na wiele nowotworów wzrasta z wiekiem. W związku z tym, im dłużej ludzie żyją, tym więcej osób zachoruje na tę chorobę. W przypadku niektórych typów nowotworów pewną rolę odgrywają czynniki dziedziczne. Choroby nowotworowe przyczyniają się nie tylko do cierpienia chorych, lecz także stanowią ogromne obciążenie ekonomiczne dla społeczeństwa.
KILK a o GÓLNYCH U waG
doTYC z ĄCYCH N owoT wor Ó w
Nowotworem jest każda zmiana związana z nieprawidłowym wzrostem tkanki. Nowotwory mogą być łagodne lub złośliwe. Termin „rak” odnosi się zwykle do nowotworów złośliwych. Guzy nowotworowe mogą powstać w każdym narządzie i zależnie od lokalizacji mają różne cechy kliniczne.
Komórki nowotworowe charakteryzują się kilkoma kluczowymi cechami: (1) szybko się dzielą (proliferują); (2) posiadają zwiększoną liczbę mutacji genomowych, obejmujących zmiany na poziomie nukleotydów, małe i duże insercje oraz delecje (indels ), a także znaczne rearanżacje chromosomowe, duplikacje i utraty; (3) wykazują utratę inhibicji kontaktowej in vitro ; (4) są zdolne do naciekania okolicznych tkanek (inwazji) i przerzutowania (metastazy) do innych części ciała; (5) są samowystarczalne w zakresie sygnałów wzrostu i niewrażliwe na sygnały hamujące wzrost; (6) stymulują miejscową angiogenezę i (7) są zdolne do unikania apoptozy. Wymienione właściwości są charakterystyczne dla komórek nowotworów złośliwych. Zdolność tych
ostatnich do tworzenia przerzutów jest główną przyczyną śmierci pacjentów chorych na raka. W przeciwieństwie do tego komórki nowotworów łagodnych również charakteryzują się ograniczoną kontrolą wzrostu, ale nie naciekają okolicznych tkanek i nie tworzą przerzutów do innych części ciała. Te cechy zostały podsumowane na rycinie 56-1 i rozwinięte na rycinie 56-2. Głównymi kwestiami związanymi z nowotworami są: wyjaśnienie biochemicznych i genetycznych mechanizmów leżących u podstaw niekontrolowanego wzrostu komórek nowotworowych, ich zdolności do inwazji i metastazy oraz opracowanie skutecznych metod leczenia, które pozwolą na zniszczenie komórek nowotworowych, nie czyniąc większej szkody komórkom prawidłowym. Ostatnio dokonał się istotny postęp w zrozumieniu charakteru komórek nowotworowych i obecnie powszechnie akceptuje się fakt, że chociaż mutacje w kluczowych genach znacząco przyczyniają się
Zaburzenia metabolizmu (np. glikoliza tlenowa)
Uwalnianie enzymów działających na ECM
Uwalnianie czynników angiogennych
Uwalnianie biomarkerów
Uwalnianie egzosomów
Zwiększona skłonność do metastazy
Zmniejszona adhezja poprzez wpływ na CAM
Występowanie zmienionych łańcuchów cukrowych w glikoproteinach i glikolipidach
Błona plazmatyczna
DNA Jądro
Indukcja wzrostu naczyń krwionośnych (angiogeneza)
56. Nowotwory: podstawowe informacje
Samowystarczalność w zakresie sygnałów wzrostu
Niewrażliwość na supresory wzrostu
Oporność na apoptozę
Aktywacja inwazji i metastazy
Nieograniczony potencjał replikacyjny
Rycina 56-1. Główne biologiczne cechy komórek nowotworowych. Inne ważne ich właściwości zostały przedstawione na rycinie 56-2.
Mutacje
Zaburzenia cyklu komórkowego
Aberracje chomosomowe
Inaktywacja genów supresorowych i aktywacja onkogenów
Epigenetyczne zmiany w chromatynie
Zaburzenia transkrypcji genów kodujących białka i ncRNA
Uzyskiwanie fenotypu komórek macierzystych
Zwiększona aktywność telomerazy
Ponowne pojawienie się pewnych antygenów płodowych
Rycina 56-2. Biochemiczne i genetyczne zmiany zachodzące w ludzkich komórkach nowotworowych. W komórkach nowotworowych obserwuje się wiele innych zmian oprócz tych przedstawionych na rycinie 56-1; tutaj zaprezentowano tylko niektóre z nich. Rola mutacji w aktywacji onkogenów i inaktywacji genów supresorowych została omówiona w tekście. zaburzenia cyklu komórkowego oraz struktury chromatyny i chromosomów, w tym aneuploidie, występują powszechnie w nowotworach. Stwierdzono w nich również zmiany ekspresji specyficznych mRNA oraz regulatorowych ncRNA, a zależność między komórkami macierzystymi i nowotworowymi jest przedmiotem bardzo intensywnych badań. Aktywność telomerazy jest często wykrywana w komórkach raka. Nowotwory syntetyzują niekiedy pewne antygeny płodowe, których stężenie we krwi można zmierzyć. Wyniki wielu badań wskazują na zmiany składników błony komórek nowotworowych [np. zmiany w łańcuchach cukrowych różnych glikoprotein (niektóre z nich są cząsteczkami adhezyjnymi) oraz glikolipidów], co może mieć istotne znaczenie w związku ze zmniejszoną adhezją komórek i ich zdolnością do przerzutowania. Różne cząsteczki są uwalniane z komórek nowotworowych albo w postaci rozpuszczonej, albo w pęcherzykach błonowych (egzosomów) i mogą być wykrywane we krwi lub płynach zewnątrzkomórkowych; cząsteczki te to: metabolity, lipidy, węglowodany, białka i kwasy nukleinowe. czynniki angiogenne oraz różne proteinazy są także uwalniane przez niektóre nowotwory. Ponadto obserwuje się wiele zmian w metabolizmie, np. komórki nowotworowe często charakteryzują się nasileniem glikolizy zachodzącej w warunkach tlenowych. cAM– cząsteczka adhezji komórkowej; EcM – macierz zewnątrzkomórkowa.
do powstawania nowotworów złośliwych, szczególnie w fazie inicjacji onkogenezy, to jednak inne czynniki są także odpowiedzialne za ujawnienie się złośliwego fenotypu. Status immunologiczny organizmu i mikrośrodowisko to dwa takie czynniki. Niedawne badania wykazały, że mikrośrodowisko komórek prawidłowych i nowotworowych oraz interakcje między nimi przyczyniają się do rozwoju nowotworów złośliwych. Jednakże wiele aspektów zachowania komórek nowotworowych, szczególnie ich zdolność do przerzutowania, nie zostało jeszcze w pełni wyjaśnionych. Ponadto, mimo ulepszenia metod leczenia pewnych typów nowotworów, terapie przeciwnowotworowe są wciąż często nieskuteczne. Niniejszy rozdział ma na celu zapoznanie czytelnika z kluczowymi pojęciami z zakresu biologii nowotworów. Słowniczek umieszczony na końcu definiuje wiele użytych w nim terminów.
P od STawowe C e CHY K ar CYN o G e N ez Y
Uważa się, że proces karcynogenezy inicjują uszkodzenia materiału genetycznego, nieprzyczyniające się do śmierci komórki. Istnieje kilka klas genów, które jeśli ulegną mutacji powodującej nabycie funkcji (gain-of-function ), utratę funkcji (loss-of-function ) lub nieprawidłową regulację, to mogą się przyczyniać do rozwoju nowotworu. Należą do nich protoonkogeny, geny supresorowe, geny naprawy DNA, geny zaangażowane w segregację chromosomów, geny regulujące apoptozę lub pozwalające na unikanie kontroli systemu immunologicznego. Mutacje w komórkach nowotworowych dzielą się na dwie kategorie: mutacje kierujące (driver mutations ) i pasażerskie (passenger mutations ). Mutacje kierujące występują w genach z jednej lub kilku z wymienionych wcześniej klas genów; tylko mutacje kierujące przekształcają komórki prawidłowe w nowotworowe. W przeciwieństwie do tego mutacje pasażerskie występujące w genomie komórki nowotworowej nie powodują rozwoju raka ani nie wpływają na progresję nowotworu
Nowotwór ma pochodzenie klonalne, wywodzi się z pojedynczej komórki, wykazującej często wiele zmian genetycznych, która dzieli się, dając początek masie komórek tworzących guz. Środowisko komórkowe guza, zwane mikrośrodowiskiem tkankowym (tumor microenvironment , TME), znacznie wpływa na rozwój nowotworu. Charakter tego wpływu może być różny i zależy od typu komórek, interakcji międzykomórkowych oraz obecności takich czynników, jak sygnały parakrynne, miejscowe niedotlenienie (hipoksja) i lokalne reakcje zapalne. Karcynogeneza jest zatem wieloetapowym procesem, który ostatecznie prowadzi do transformacji komórki prawidłowej w komórkę nowotworową.
Powstanie guza nowotworowego o makroskopowych rozmiarach trwa zwykle od kilku do kilkudziesięciu lat.
P rz YC z YNY US z Kodze Ń maT er I a ŁU
G e N e TYC z N e G o
Zaburzenia genetyczne, które nie są letalne dla komórki i mogą prowadzić do rozwoju raka, mogą wynikać zarówno z nabytych, jak i odziedziczonych mutacji. Mutacje nabyte powstają w wyniku błędów podczas replikacji lub naprawy DNA i określane są jako mutacje replikacyjne (R), lub w wyniku ekspozycji na karcynogeny środowiskowe, takie jak promieniowanie, substancje chemiczne i wirusy, i są określane jako mutacje środowiskowe (E) (zob. ryc. 35-22, 35-23 i dalszy tekst).
Trzecia klasa onkogennych mutacji to tzw. mutacje dziedziczne (H), odziedziczone od jednego lub obojga rodziców. Takie dziedziczne zaburzenia przyczyniają się do wystąpienia różnorodnych rodzinnych uwarunkowań, które predysponują do zachorowania na nowotwory o charakterze dziedzicznym. Mutacje takie są obecne w specyficznych genach (np. genach supresorowych, genach naprawy DNA, genach regulujących cykl komórkowy itp.; zob. rozdz. 35) w komórkach rozrodczych i zostaną omówione dalej. Mutacje typu R, E i H łącznie powodują większość ludzkich nowotworów, choć dokładny procent danego rodzaju raka wywołanego przez te trzy rodzaje mutacji jest zróżnicowany.
Spontaniczne mutacje, z których część może predysponować do rozwoju nowotworów, występują z częstością 10–7–10–6 na jedną komórkę na pokolenie. Częstość występowania mutacji jest większa w tkankach charakteryzujących się szybką proliferacją, która sprzyja zwiększeniu liczby komórek powstających ze zmienionej komórki rodzicielskiej. Stres oksydacyjny (zob. rozdz. 45), spowodowany przez wzrost liczby reaktywnych form tlenu (reactive oxygen species , ROS), może być również czynnikiem zwiększającym częstość występowania mutacji.
P rom I e NI owa NI e, C z YNNIKI CH em IC z N e oraz NI e KTÓ re w I r USY SĄ GŁÓ w NYm I z N a NYm I P rz YC z YN am I P ow STawa NI a N owoT wor Ó w
Ogólnie wyróżniamy trzy klasy karcynogenów środowiskowych, ekspozycja na które powoduje powstanie nowotworu. Są to promieniowanie, czynniki chemiczne i niektóre onkogenne wirusy (ryc. 56-3). Pierwsze dwie klasy czynników powodują mutacje w DNA, a trzecia wiąże się z wprowadzaniem nowych genów lub
Promieniowanie
Wirusy onkogenne
Karcynogeny chemiczne
Rycina 56-3. Promieniowanie, karcynogeny chemiczne i niektóre wirusy mogą powodować powstawanie raka przez uszkadzanie DNA chromosomów.
modyfikacją ekspresji genów regulujących wzrost w komórkach prawidłowych.
Tylko w skrócie przedstawiony zostanie sposób, w jaki promieniowanie, czynniki chemiczne i onkogenne wirusy przyczyniają się do powstawania nowotworów, gdyż szczegółowe informacje o specyficznych uszkodzeniach oraz cząsteczkach zaangażowanych w ich naprawę zawarte są w rozdziale 35.
Promieniowanie może być rakotwórcze
Promieniowanie – ultrafioletowe (UV), rentgenowskie i γ (gamma) – jest mutagenne i rakotwórcze. Kompleksowe badania wykazały, że czynniki te uszkadzają DNA na wiele sposobów (tab. 56-1, zob. też tab. 35-8 i ryc. 35-22).
Tabela 56-1. Niektóre typy uszkodzeń DNA powodowane przez promieniowanie
Tworzenie dimerów pirymidynowych
Tworzenie miejsc apurynowych lub apirymidynowych przez usuwanie odpowiednich zasad
Tworzenie jedno- lub dwuniciowych pęknięć i wiązań krzyżowych w DNA
Mutacje w DNA wynikające z tych uszkodzeń są uważane za podstawowy mechanizm prowadzący do powstawania raka, w który zaangażowane jest promieniowanie, chociaż dokładne szlaki nadal są badane. Ponadto promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie γ mogą indukować powstawanie reaktywnych form tlenu, które (jak już wspomniano) są mutagenne i prawdopodobnie odpowiadają za karcynogenne działanie promieniowania.
56. Nowotwory: podstawowe informacje
Narażenie na promieniowanie ultrafioletowe jest powszechne w związku z ekspozycją na światło słoneczne, które pozostaje jego głównym źródłem. Wiele dowodów wskazuje na związek między takim promieniowaniem a rakiem skóry. Ryzyko rozwoju raka skóry wynikające z ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe zwiększa się wraz ze zwiększoną częstością i intensywnością ekspozycji oraz zmniejszoną zawartością melaniny w skórze.
Jak opisano w rozdziale 35, uszkodzenia DNA powodowane przez czynniki środowiskowe są zwykle usuwane przez mechanizmy naprawy DNA. Biorąc pod uwagę mutagenne właściwości uszkodzeń DNA, nie dziwi fakt, że u osób, które odziedziczyły defekty w genach związanych z naprawą DNA, występuje zwiększone ryzyko rozwoju nowotworów (zob. tab. 35-9).
wiele związków chemicznych jest karcynogenami
Wiele różnorodnych związków chemicznych wykazuje działanie karcynogenne (tab. 56-2).
Tabela 56-2. Niektóre karcynogeny chemiczne
Klasa związek
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
Benzo[a]piren, dimetylobenzantracen
Aminy aromatyczne 2-acetyloaminofluoren, N -metylo-4-aminoazobenzen (MAB)
Nitrozaminy Dimetylonitrozamina, dietylonitrozamina
Różne leki czynniki alkilujące (np. cyklofosfamid), dietylstilbestrol
Naturalnie występujące związki
Aflatoksyna B1
Uwaga: Niektóre leki wykorzystywane jako chemioterapeutyki (np. cyklofosfamid) mogą być rakotwórcze.
Ogólnie uważa się, że większość chemicznych karcynogenów kowalencyjnie modyfikuje DNA, tworząc szeroką gamę adduktów nukleotydowych (zob. tab. 35-8). Rodzaj i liczba powstałych mutacji zależą od stopnia uszkodzenia DNA oraz od skuteczności systemów naprawy DNA (zob. ryc. 35-22), co może wpływać na rozwój nowotworu.
Niektóre związki chemiczne wchodzą bezpośrednio w interakcje z DNA (np. mechloretamina i β-propiolakton), a inne, zwane prokarcynogenami, wymagają przekształcenia przez enzymy, aby stać się ostatecznymi karcynogenami Większość karcynogenów jest elektrofilami (cząsteczki pozbawione elektronów; zob. rozdz. 2), które łatwo atakują nukleofilowe (bogate w elektrony) grupy w DNA. Za przekształcenie związków chemicznych w karcynogeny odpowiadają głównie różne rodzaje cytochromów P-450 zlokalizowane w siateczce śródplazmatycznej (endoplasmic reticulum , ER) (zob. rozdz. 12 i 47). Fakt ten jest wykorzystywany w teście Amesa (zob. dalej), w którym pomitochondrialny supernatant (zawierający ER) służy jako źródło enzymów cytochromu P-450.
Chemiczna karcynogeneza obejmuje dwa etapy –inicjację i promocję. Inicjacja jest etapem, na którym ekspozycja na chemiczne związki powoduje nieodwracalne uszkodzenie DNA i stanowi ona początkowe zdarzenie konieczne do tego, aby komórki stały się komórkami nowotworowymi. Na etapie promocji zainicjowane komórki zaczynają rosnąć i dzielić się w sposób odbiegający od normy. Te dwa etapy prowadzą do rozwoju nowotworu.
Chemiczne karcynogeny mogą być identyfikowane przez sprawdzenie ich zdolności do indukowania mutacji. Dobrym sposobem jest wykonanie prostego testu Amesa (ryc. 56-4), w którym wykrywa się mutacje
Bakterie wymagające histydyny do wzrostu (His )
Pożywka bez histydyny
Potencjalny mutagen
Wymieszanie dodanych substancji
w Salmonella typhimurium powodowane przez związki chemiczne. Test Amesa, którego przydatność udowodniono w badaniach skriningowych, można udoskonalić przez dodanie siateczki śródplazmatycznej ssaków do próbek, co pozwala na identyfikację prokarcynogenów. Bardzo nieliczne związki chemiczne, w przypadku których test Amesa daje negatywny wynik, mogą powodować nowotwory u zwierząt. Należy jednak pamiętać, że testy na zwierzętach są konieczne, aby jednoznacznie potwierdzić, iż badany związek chemiczny jest karcynogenem.
Należy mieć na uwadze to, że związki, które prowadzą do modyfikacji epigenetycznych, takich jak metylacja DNA i/lub potranslacyjne modyfikacje histonów (zob. rozdz. 35 i 38), mogą predysponować do rozwoju nowotworów, jednak nie dają pozytywnego wyniku w teście Amesa, ponieważ nie wykazują działania mutagennego.
Niektóre nowotwory u ludzi są wywoływane przez wirusy
Badania wirusów powodujących nowotwory znacznie przyczyniły się do zrozumienia procesu nowotworzenia.
Na przykład odkrycie onkogenów oraz genów supresorowych (zob. dalej) było wynikiem badań dotyczących wirusów onkogennych. Wirusy zarówno DNA, jak i RNA mogą powodować nowotwory u ludzi (tab. 56-3). Szczegóły dotyczące sposobu, w jaki poszczególne
Inkubacja
Liczne kolonie rewertujące His
Większość bakterii pozostaje His
Rycina 56-4. Test Amesa służący do wykrywania mutagenów. Bakterie dodawane do testu (jak pokazano) są niezdolne do syntezy histydyny (oznaczone jako His–). Nie są więc w stanie rosnąć na podłożu, które nie zawiera histydyny, i dlatego nie utworzą kolonii. Jeśli badany czynnik chemiczny jest mutagenny, może wywołać mutacje w bakteriach, które przywrócą funkcjonalność genu HIS , umożliwiając syntezę histydyny i wzrost kolonii. Takie komórki/ kolonie nazywane są rewertantami, ponieważ niefunkcjonalny gen w komórkach dodanych na początku testu został zmutowany i stał się funkcjonalny. Źródło: przedrukowano za zgodą z E.W. Nester, D.G. Anderson. c.E. Roberts i wsp., Microbiology: A Human Perspective (wyd. 5) New York: McGraw-Hill, 2007.
Jeśli czynnik chemiczny nie jest mutagenem, tworzy się znacznie mniej kalorii
Jeśli czynnik chemiczny jest mutagenem, tworzą się liczne kolonie
wirusy przyczyniają się do powstawania nowotworów, nie zostaną tutaj omówione. Na ogół materiał genetyczny wirusów zostaje wbudowany do genomu komórki gospodarza. W przypadku wirusów RNA zachodzi to po odwrotnej transkrypcji wirusowego RNA na wirusowe DNA. Wyjątek od tej reguły stanowi wirus zapalenia wątroby typu C (hepatitis C virus , HCV), który jest wirusem RNA o właściwościach onkogennych, lecz nie zawiera ani nie wykorzystuje wirusowej odwrotnej transkryptazy. Integracja wirusowego DNA (zwanego prowirusem) z DNA gospodarza powoduje różne zaburzenia, takie jak deregulacja cyklu komórkowego, zahamowanie apoptozy i zaburzenia szlaków przekazywania sygnału w komórce (zob. rozdz. 35 i 42). Wszystkie te zdarzenia zostaną omówione w dalszej części rozdziału. Wirusy DNA często wpływają na zmniejszenie ekspresji i/lub zahamowanie funkcji genów supresorowych P53 i RB (zob. dalej) oraz ich białkowych produktów (warto zauważyć, że gen TP53 , a nie P53, koduje białko p53 – przyp. tłum .). Wirusy RNA w swoich genomach zawierają onkogeny, a sposób, w jaki przyczyniają się one do powstania raka, został omówiony poniżej.
o NKo G e NY I G e NY SUP re S orowe od G rY wa JĄ KLUC zowĄ ro LĘ w P ro C e SI e N owoT worze NI a
W ciągu ostatnich kilku dekad dokonano znaczących postępów w zrozumieniu, w jaki sposób komórki nowotworowe rozwijają się i rosną. Dwa kluczowe osiągnięcia to odkrycie onkogenów i genów supresorowych Te odkrycia wskazują, że specyficzny molekularny mechanizm prowadzi do zaburzeń wzrostu i podziału komórek, a w efekcie do powstania nowotworu.
56. Nowotwory: podstawowe informacje
onkogeny wywodzą się z genów komórkowych określanych jako protoonkogeny i kodują różne białka, które wpływają na wzrost i apoptozę komórek
Onkogen można zdefiniować jako zmieniony gen, którego produkt w sposób dominujący wpływa na przyspieszenie wzrostu lub podziałów komórki. Onkogeny powstają przez „aktywację” normalnych komórkowych protoonkogenów, tj. genów kodujących białka stymulujące wzrost. Taka aktywacja może zachodzić za pośrednictwem różnych mechanizmów (tab. 56-4).
W tabeli 56-4 podano przykład mutacji punktowej zachodzącej w onkogenie RAS , kodującym małą GTP-azę. Utrata aktywności GTPazowej białka G skutkuje ciągłą aktywnością cyklazy adenylowej oraz szlaku kinazy MAP, co prowadzi do proliferacji komórek (dla przypomnienia: białko G jest aktywne w przypadku skompleksowania z GTP, a nieaktywne, kiedy związane GTP ulega hydrolizie do GDP; zob. rozdz. 42). Innym sposobem aktywacji onkogenów jest insercja wzmacniacza i/lub silnego promotora przed regionem kodującym białko, co powoduje zwiększoną transkrypcję genu i przez to nasiloną ekspresję białka.
Na rycinie 56-5A przedstawiono przykład, kiedy integracja retrowirusowego enhancera/promotora prowirusa (tj. kopii DNA powstałego w wyniku odwrotnej transkrypcji genomowego RNA wirusa onkogennego, np. wirusa mięsaka Rousa) aktywuje znajdujący się w pobliżu gen gospodarza – MYC. Zwiększone wytwarzanie czynnika transkrypcyjnego Myc aktywuje transkrypcję genów zaangażowanych w regulację cyklu komórkowego i przez to stymuluje proliferację komórek.
Tabela 56-3. Niektóre wirusy związane z rozwojem nowotworów u ludzi
wirus Genom Nowotwór
Wirus Epsteina–Barr DNA chłoniak Burkitta, rak jamy nosowo-gardłowej, chłoniak z komórek B
Wirus zapalenia wątroby typu B DNA Rak wątrobowokomórkowy
Wirus zapalenia wątroby typu c RNA Rak wątrobowokomórkowy
Ludzki herpeswirus 8 (human herpesvirus 8 , HHV-8)
DNA Mięsak Kaposiego
Ludzki wirus brodawczaka (typy 16 i 18) DNA Rak szyjki macicy
Ludzki wirus białaczki z komórek T typu 1 RNA Białaczka z komórek T dorosłych
Tabela 56-4. Mechanizmy aktywacji onkogenów
mechanizm wyjaśnienie
Mutacja Klasycznym przykładem jest mutacja punktowa w onkogenie RAS . Prowadzi ona do powstania produktu genu – małego białka G (RAS) – u którego dochodzi do utraty wewnętrznej aktywności GTPazowej.
W rezultacie komórki podlegają stałej aktywacji szlaków sygnalizacyjnych poprzez pobudzenie cyklazy adenylowej i szlaku kinazy aktywowanej mitogenami (MAP)
Insercja promotora Inercja wirusowego regionu promotorowego w pobliżu genu powoduje jego aktywację
Insercja enhancera Insercja wirusowego enhancera w pobliżu genu powoduje jego aktywację
Translokacje chromosomowe Fragment jednego chromosomu jest odłączany i przenoszony na inny chromosom. Klasycznym przykładem tego zjawiska są translokacje chromosomowe zachodzące w przypadku chłoniaka Burkitta (ryc. 56-5) i chromosomu Filadelfia w przewlekłej białaczce mielocytowej (zob. Słowniczek)
Amplifikacja genu1 Następuje powielenie genu, w wyniku czego powstaje wiele kopii danego genu. Może to dotyczyć onkogenów, a także genów związanych z lekoopornością
1 Amplifikacja genu może być rozpoznana jako homogenicznie barwiące się regiony (homogeneously stained regions , HSR) na chromosomach lub jako podwójne chromosomy minutowe (double minute chromosomes ), które są fragmentami pozachromosomalnego DNA.
Translokacje chromosomowe są często obserwowane w komórkach nowotworowych. Udokumentowano setki różnych translokacji chromosomowych. Translokację stwierdzoną w przypadku białaczki Burkitta przedstawiono na rycinie 56-5B. W wyniku tej translokacji gen MYC jest regulowany przez silny enhancer genu kodującego ciężki łańcuch IgG, co skutkuje zwiększoną transkrypcją MYC oraz intensywną proliferacją komórek.
W różnych nowotworach jednak powszechnie stwierdza się jeszcze inny mechanizm aktywacji onkogenu, tj. przez amplifikację genu (zob. ryc. 38-20). W tym przypadku tworzy się wiele kopii onkogenu, co w efekcie powoduje nasilenie produkcji białek promujących wzrost. Zaktywowane onkogeny promują rozwój nowotworów przez różne mechanizmy, co przedstawiono na rycinie 56-6. Białkowe produkty zaktywowanych onkogenów wpływają na szlaki przekazywania sygnałów, w których mogą one działać jako czynnik wzrostowy, receptor czynnika wzrostowego, białko G lub cząsteczki sygnałowe na dalszych etapach szlaku. Inne onkoproteiny wpływają na zaburzenia transkrypcji lub deregulację cyklu komórkowego, a jeszcze inne – na interakcje komórka–komórka lub proces apoptozy. Wszystkie te mechanizmy pomagają wyjaśnić wiele najważniejszych cech komórek nowotworowych, przedstawionych na rycinie 56-1, takich jak: nieograniczony potencjał replikacyjny, konstytucyjnie aktywowane szlaki sygnało-
we, zdolność do inwazji i przerzutowania oraz zdolność do unikania apoptozy.
Niektóre wirusy onkogenne (np. retrowirusy, papowawirusy) zawierają onkogeny. To właśnie badania należącego do retrowirusów wirusa mięsaka Rousa (Rous sarcoma virus, RSV) przyczyniły się do ich odkrycia. Dalsze badania wykazały, że wiele onkogenów retrowirusowych wywodzi się z normalnych genów komórkowych nazywanych protoonkogenami, które zostały włączone do genomu wirusowego podczas przebywania wirusa w komórce gospodarza.
Geny supresorowe działają jako inhibitory wzrostu i podziału komórek
Produkt białkowy genu supresorowego jest zwykle włączony w hamowanie wzrostu i podziałów komórek. Kiedy taki gen ulega mutacji, działanie hamujące jego produktu białkowego zanika lub słabnie. Ta utrata funkcji genu supresorowego prowadzi do nasilenia wzrostu i podziałów komórek. Jak zasugerował to po raz pierwszy Alfred G. Knudson na podstawie wyników swoich badań dotyczących dziedziczenia siatkówczaka w 1971 roku, obie kopie genu supresorowego muszą ulec mutacji, aby doszło do utraty hamującego wpływu tego genu na wzrost komórek (tzn. zmutowany allel genu rb – jest recesywny w stosunku do kopii dzikiego typu RB ).
Parwowirusowe
Integracja parwowirusowego
Parwowirusowe
Nowotwory: podstawowe informacje
TRANSLOKACJA t(8;14)(q24;q32 )
Rycina 56-5. (A) Schemat prezentujący, w jaki sposób insercja promotora może aktywować protoonkogen. (1) Schematyczne przedstawienie genu MYC na chromosomie. (2) Wirus ptasiej białaczki ulega wbudowaniu do chromosomu w formie prowirusa (kopia DNA genomu wirusowego, którym jest RNA) w regionie przylegającym do genu MYC . Długie końcowe powtórzenia (LTR) prowirusowego DNA służą jako silne sekwencje wzmacniające (enhancers ) i promotorowe (zob. rozdz. 36). Są one zlokalizowane bezpośrednio przed genem MYC , co prowadzi do jego aktywacji i intensywnej transkrypcji MYC mRNA Dla uproszczenia ukazano tylko jedną nić DNA i pominięto inne szczegóły. (B) Schemat przedstawiający wzajemną translokację chromosomową związaną z chłoniakiem Burkitta. W tym procesie uczestniczą chromosomy 8 i 14. Litery p i q odnoszą się odpowiednio do krótkiego i długiego ramienia chromosomu, natomiast biała owalna struktura oznaczona jako cEN jest centromerem. Pokazana jest tylko część chromosomu. Fragment z końca ramienia q chromosomu 8. odrywa się i jest przenoszony na chromosom 14. z kolei mały fragment z ramienia q chromosomu 14 jest przenoszony na chromosom 8; te translokacje obejmują regiony q24 (chromosom 8) i q32 (chromosom 14). Gen MYC znajduje się w małym fragmencie chromosomu 8, który został przeniesiony na chromosom 14. W ten sposób gen MYC umiejscowiony jest w sąsiedztwie genów kodujących ciężkie łańcuchy immunoglobulin, a jego transkrypcja jest aktywowana przez silny enhancer genu IgG H. zidentyfikowano wiele innych translokacji, z których być może najbardziej znana jest ta odpowiedzialna za powstanie chromosomu Filadelfia (zob. Słowniczek).
Pęknięcie Pęknięcie
Czynnik wzrostowy
Regulator apoptozy
Regulator cyklu komórkowego
Kinaza tyrozynowa
Receptor czynnika wzrostowego
Białko G
Przekaźnik sygnału
Czynnik transkrypcyjny
Rycina 56-6. Przykłady różnych sposobów działania onkoprotein. Na rycinie przedstawiono przykłady różnych białek kodowanych przez onkogeny, czyli onkoprotein. Białka są wymienione poniżej wraz z nazwami odpowiadających im onkogenów i ich numerami z bazy OMIM (zob. Słowniczek): czynnik wzrostowy, czynnik wzrostowy fibroblastów 3 (INT2 , 164950); receptor czynnika wzrostowego, receptor naskórkowego czynnika wzrostowego [EGFR] (HER1 , 131550); białko G (H-RAS-1 , 190020); przekaźnik sygnału (BRAF , 164757); czynnik transkrypcyjny (MYC , 190080); kinaza tyrozynowa uczestnicząca w adhezji komórkowej (SRC , 190090); regulator cyklu komórkowego (PRAD , 168461); regulator apoptozy (BCL2 , 151430).
ności genomu i są zaangażowane w rozpoznawanie i naprawę uszkodzeń DNA oraz utrzymanie integralności chromosomów podczas podziałów komórek. Do chwili obecnej zidentyfikowano wiele onkogenów i genów supresorowych, z których tylko nieliczne zostały tu wymienione. Najważniejsze różnice między onkogenami i genami supresorowymi przedstawiono w tabeli 56-5, natomiast w tabeli 56-6 zebrano cechy dwóch najintensywniej badanych onkogenów (MYC i RAS ) oraz dwóch dobrze poznanych genów supresorowych (P53 i RB ; zob. rozdz. 35).
Tabela 56-5. Niektóre różnice między onkogenami i genami supresorowymi
onkogeny Geny supresorowe
Mutacja w jednym z dwóch alleli jest wystarczająca, aby wywołać efekty onkogenne
Efekt onkogenny jest wynikiem nabycia przez białko nowej funkcji, która pobudza wzrost i podział komórki
Mutacja występuje w komórkach somatycznych, nie jest dziedziczona
Dokonano przydatnego podziału genów supresorowych ze względu na ich funkcję na „portierów” (gatekeeper ) i „dozorców” (caretaker ). Do pierwszej grupy należą geny, których produkty kontrolują proliferację komórek. Geny te biorą udział w regulacji cyklu komórkowego i apoptozy. Do drugiej grupy należą geny, których produkty odpowiadają za utrzymanie integral-
zazwyczaj nie wykazują preferencji tkankowej względem typów nowotworów, w których są wykrywane
Mutacje w obu allelach są wymagane do wywołania efektów onkogennych
za efekt onkogenny odpowiada utrata funkcji białka, które hamuje wzrost i podział komórki
Mutacja może występować w komórkach rozrodczych (może być dziedziczona) lub komórkach somatycznych
Występuje silna preferencja tkankowa (np. udział genu RB w powstawaniu siatkówczaka)
Źródło: dane pochodzą z A.J. Levine, The p53 tumor suppressor gene . N. Engl. J. Med. 1992; 326(20): 1350–1352.
Tabela 56-6. Niektóre właściwości kilku ważnych onkogenów i genów supresorowych
Nazwa właściwości
MYC Onkogen (OMIM 190080), który koduje czynnik transkrypcyjny, wpływający na transkrypcję wielu kluczowych genów regulatorowych związanych ze wzrostem komórki, postępem cyklu komórkowego i replikacją DNA. Jego mutacja występuje w różnych nowotworach
P53 Gen supresorowy (OMIM 191170) związany z reakcją na różne rodzaje stresu komórkowego. Aktywacja p53 indukuje zatrzymanie cyklu komórkowego, apoptozę, starzenie się, naprawę DNA, a także uczestniczy w niektórych elementach regulacji metabolizmu komórek. ze względu na te funkcje nazywany jest „strażnikiem genomu”. Ulega mutacji w około 50% nowotworów występujących u ludzi
RAS Rodzina onkogenów kodujących małe białka G, a dokładnie GTPazy, które początkowo zidentyfikowano jako geny transformujące obecne w niektórych wirusach mięsaków mysich. Ważnymi członkami tej rodziny są geny K-RAS (Kirsten), H - RAS (Harvey) (OMIM 190020) oraz N-RAS (neuroblastoma ). ciągła aktywacja tych genów zachodząca w wyniku mutacji przyczynia się do powstawania różnych nowotworów
56. Nowotwory: podstawowe informacje
cd. tabeli 56-6.
Nazwa właściwości
RB Gen supresorowy (OMIM 180200) kodujący białko RB, które reguluje cykl komórkowy przez wiązanie czynnika elongacji E2F. Białko RB powoduje represję transkrypcji różnych genów zaangażowanych w przejście komórek z fazy G1 do fazy S cyklu komórkowego. Mutacje genu RB są przyczyną rozwoju siatkówczaka, ale wpływają również na powstawanie innych nowotworów (zob. rozdz. 35)
Badania dotyczące rozwoju raka jelita grubego przyczyniły się do wyjaśnienia roli specyficznych onkogenów i genów supresorowych
Wiele typów nowotworów badano pod kątem obecności zmian genetycznych. Analiza rozwoju raka jelita grubego dokonana przez Vogelsteina i wsp. dostarczyła wyjątkowo dużo cennych informacji na ten temat. Praca tego zespołu, jak również wielu innych, wykazała zaangażowanie różnych onkogenów i genów supresorowych w proces nowotworzenia. Badacze ci analizowali sekwencję i ekspresję różnych onkogenów, genów supresorowych nowotworów oraz innych istotnych genów w próbkach prawidłowego nabłonka jelita grubego oraz nabłonka dysplastycznego (stan przednowotworowy charakteryzujący się nieprawidłowym rozwojem nabłonka), różnych stadiów polipów gruczolakowatych oraz gruczolakoraków. Na rycinie 56-7 przedstawiono kilka najważniejszych wyników tych badań. Widać, że pewne geny ulegają mutacji podczas określonych etapów rozwoju nowotworu. Tabela 56-7 zawiera opis funkcji zidentyfikowanych genów.
Ogólna sekwencja zmian może się trochę różnić od przedstawionej tutaj oraz inne geny mogą być zaangażowane w ten proces. Przeprowadzono podobne badania dotyczące innych nowotworów występujących u ludzi, które ujawniły nieco inny wzór aktywacji onkogenów i mutacji w genach supresorowych. Kolejne mutacje w tych i innych genach są zaangażowane w progresję nowotworu, podczas której klony komórek nowotworowych podlegają selekcji ze względu na szybkość wzrostu i zdolność do metastazy. Wskutek tego względnie duży guz nowotworowy może zawierać różnorodne komórki, charakteryzujące się różnymi genotypami, co utrudnia skuteczne leczenie.
Na podstawie tych wyników, jak również rezultatów innych podobnych badań można wyciągnąć kilka wniosków. Po pierwsze, rak jest rzeczywiście chorobą genetyczną, ale w nieco innym rozumieniu, ponieważ wiele zmian w genach jest powodowanych przez mutacje somatyczne. Po drugie, karcynogeneza jest procesem wieloetapowym. Oceniono, że w większości przypadków musi dojść do mutacji w przynajmniej pięciu–sześciu genach, aby rozwinął się nowotwór. Po trzecie, dodatkowe, następujące później mutacje nadają
APC/ β -katenina K-Ras/ B-Ra f Smad4/ TGF- β RI I PIK3CA PTEN p53/ Ba x PRL-3
Prawidłowa tkanka
Mały gruczolak
Duży gruczolak Rak Przerzuty
Niestabilność chromosomowa i mikrosatelitarna
Rycina 56-7. Wieloetapowe zmiany genetyczne związane z rozwojem raka jelita grubego. Mutacje w genie APC inicjują tworzenie gruczolaków. Na rycinie przedstawiono jedną z sekwencji mutacji w onkogenie i genach supresorowych, które mogą powodować dalszą progresję prowadzącą do powstania dużych gruczolaków i raka. Pacjenci z rodzinną polipowatością gruczolakowatą (OMIM 175100) dziedziczą mutacje w genie APC , co powoduje, że rozwija się u nich wiele dysplastycznych krypt, w których dochodzi do dalszych mutacji przedstawionych na rycinie. U pacjentów z dziedzicznym niepolipowatym rakiem jelita (OMIM 120435) występuje podobna, ale nie identyczna seria mutacji; mutacje w genach systemu naprawy błędnie sparowanych nukleotydów (zob. rozdz. 35) przyspieszają ten proces. K-RAS , BRAF i PI3KCA są onkogenami, natomiast pozostałe wymienione geny to geny supresorowe. Sekwencja zdarzeń pokazana na rycinie nie jest niezmienna. W małej części zaawansowanych raków jelita grubego stwierdzono również inne genetyczne zaburzenia. Może to być przyczyną zróżnicowania biologicznych i klinicznych cech obserwowanych w różnych przypadkach raka jelita grubego. Niestabilność chromosomowa i mikrosatelitarna (zob. rozdz. 35) występuje w wielu typach nowotworów i prawdopodobnie związana jest z mutacjami w znacznej liczbie genów.
Źródło: przedrukowano za zgodą z D.L. Valle, S. Antonarakis, A. Ballabio i wsp., The Online Metabolic & Molecular Bases of Inherited Disease New York: McGraw Hill 2019.
komórkom zdolność do metastazy (zob. dalej). Wreszcie wiele genów odpowiadających za karcynogenezę jelita grubego oraz innych typów nowotworów jest
zaangażowanych w komórkowe szlaki sygnalizacyjne, co wskazuje na centralną rolę zaburzeń szlaków przekazywania sygnału w rozwoju nowotworów.
Tabela 56-7. Niektóre geny związane z nowotworzeniem w jelicie grubym
Gen1 Funkcja kodowanego białka
APC (OMIM 611731)
β-CATENIN (OMIM 116806)
Hamuje działanie szlaku przekazywania sygnału Wnt2; jeśli ulega mutacji, szlak Wnt ulega nasileniu i stymulowany jest wzrost komórek
Koduje β-kateninę, białko obecne w połączeniach przylegających, które są ważne dla zachowania integralności tkanek epitelialnych
K-RAS (OMIM 601599) związany z przekazywaniem sygnału z udziałem kinazy tyrozynowej. Jest integralną częścią szlaku Wnt
BRAF (OMIM 164757)
SMAD4 (OMIM 600993)
Kinaza serynowo-treoninowa, która współdziała z białkiem Ras, aby aktywować szlak kinaz MAP
Wpływa na szlak sygnalizacyjny za pomocą TGF-β
TGF-βRII Działa jako receptor TGF-β3
PI3KCA (OMIM 171834)
PTEN (OMIM 601728)
P53 (OMIM 191170)
BAX (OMIM 600040)
PRL3 (OMIM 606449)
Stanowi katalityczną podjednostkę 3-kinazy fosfatydyloinozytolu (PI3K)
Białkowa fosfataza tyrozyny, pełniąca funkcję kluczowego inhibitora szlaku sygnalizacyjnego PI3K-Akt
Produkt genu, białko p53, ulega indukcji w odpowiedzi na uszkodzenia DNA, jest także czynnikiem transkrypcyjnym dla wielu genów uczestniczących w podziałach komórek (zob. rozdz. 35; tab. 56-10)
Uczestniczy w indukcji śmierci komórki (aktywator apoptozy)
Białkowa fosfataza tyrozynowa zaangażowana w regulację cyklu komórkowego
APC (adenomatous polyposis coli gene ) – gen polipowatości jelita grubego; BAX (BCL2-associated X protein ) – koduje białko X związane z BcL2, należące do rodziny BcL2 (BcL2 hamuje apoptozę); BRAF – ludzki homolog protoonkogenu występującego u ptaków; K-RAS (Kirsten-Ras-associated gene ) – gen związany z Kirsten-Ras; P53 – koduje p53, polipeptyd o masie cząsteczkowej około 53 kDa; PI3KCA – koduje katalityczną podjednostkę 3 kinazy fosfatydyloinozytolu; PRL3 (phosphatase of regenerating liver-3 ) – koduje białkową fosfatazę tyrozynową wykazującą homologię do PRL1, innej białkowej fosfatazy tyrozynowej, uczestniczącej w regeneracji wątroby; PTEN – koduje białko będące białkową fosfatazą tyrozynową i homologiem tensyny; SMAD4 – homolog genu odkrytego u Drosophila (muszki owocowej); TGF-β (transforming growth factor beta ) – transformujący czynnik wzrostowy β.
1 K-RAS , BRAF i PI3KCA są onkogenami; pozostałe wymienione geny są genami supresorowymi lub genami, których produkty są związane z działaniem produktów genów supresorowych.
2 Wnt to rodzina białek, będących glikoproteinami ulegającymi sekrecji i odgrywającymi rolę w wielu procesach rozwojowych.
3 TGF-β jest polipeptydem (czynnikiem wzrostowym), który reguluje proliferację i różnicowanie wielu typów komórek.
Uwaga: Wymienione geny są onkogenami i genami supresorowymi lub genami, których produkty są ściśle związane z produktami tych dwóch typów genów. Kumulacja skutków mutacji w wyszczególnionych genach powoduje, że jelitowe komórki epitelialne proliferują i w końcu stają się komórkami rakowymi. Dochodzi do tego na skutek zaburzeń różnych szlaków sygnalizacyjnych wpływających na proliferację komórek. Uczestniczą w tym również geny i białka tutaj niewymienione. W tabeli 56-7 oraz na rycinie 56-7 wyraźnie pokazano, jak duże znaczenie ma dokładna znajomość szlaków przekazywania sygnałów dla zrozumienia mechanizmu powstawania nowotworu.
C z YNNIKI wzro STowe oraz
za BU rze NI a ICH re C e PTor Ó w
I S z L a KÓ w SYGN a LI zaCYJNYCH
od G rY wa JĄ GŁÓ w NĄ ro LĘ w rozwo JU
N owoT wor Ó w
Istnieje wiele czynników wzrostowych
Zidentyfikowano różnorodne czynniki wzrostowe, które działają na ludzkie komórki i tkanki. Niektóre z nich zostały wymienione w tabeli 56-8. W tym rozdziale skupiono się głównie na ich związku z nowotworami.
Tabela 56-8. Niektóre polipeptydowe czynniki wzrostowe
Czynnik wzrostowy Funkcja
Naskórkowy czynnik wzrostowy (EGF)
Stymuluje wzrost wielu komórek epidermalnych i epitelialnych
Erytropoetyna (EPO) Reguluje rozwój komórek podczas erytropoezy
czynniki wzrostowe fibroblastów (FGF)
Promują proliferację wielu różnych komórek
Interleukiny Wywierają różny wpływ na komórki układu immunologicznego
czynnik wzrostowy nerwów (NGF)
Płytkopochodny czynnik wzrostowy (PDGF)
Transformujący czynnik wzrostowy α (TGF-α)
Transformujący czynnik wzrostowy β (TGF-β)
Wywiera efekt troficzny (odżywczy) na niektóre neurony
Stymuluje wzrost komórek mezenchymalnych i glejowych
Działa podobnie do EGF
Wywiera zarówno stymulujący, jak i hamujący wpływ na niektóre komórki
Uwaga: zidentyfikowano wiele innych czynników wzrostowych. Mogą one być produkowane przez różne komórki lub pochodzą z jednego źródła. Do tej pory wyizolowano wiele interleukin; wraz z interferonami oraz pewnymi innymi białkami/polipeptydami są one określane mianem cytokin.
Czynniki wzrostowe mogą działać w sposób endokrynny, parakrynny lub autokrynny (zob. rozdz. 41) i wpływać na wiele różnych komórek, indukując ich aktywność mitotyczną (zob. rozdz. 42). Jak wspomniano wcześniej (zob. rozdz. 53), czynniki wzrostowe uczestniczą w różnicowaniu komórek hematopoetycznych.
56. Nowotwory: podstawowe informacje
Istnieją również czynniki hamujące wzrost komórek. Na przykład transformujący czynnik β (transforming growth factor beta , TGF-β) wywiera hamujący wpływ na wzrost niektórych komórek. Narażenie komórek na ciągły wpływ zwiększonych ilości czynników wzrostowych lub zmniejszenie ilości czynników hamujących wzrost może zaburzać równowagę konieczną do prawidłowego rozwoju komórek.
Czynniki wzrostowe, działając na określone receptory i sygnalizację transbłonową, wpływają na aktywność specyficznych genów
Czynniki wzrostowe wywierają wpływ na komórki, wchodząc w interakcje ze specyficznymi receptorami znajdującymi się na powierzchni komórek, co inicjuje proces przekazywania sygnału (zob. rozdz. 42). Zidentyfikowano i scharakteryzowano geny kodujące receptory czynników wzrostowych. Zazwyczaj zawierają one krótkie transbłonowe segmenty oraz domenę zewnątrzkomórkową i domenę cytoplazmatyczną. Wiele receptorów (np. receptory dla epidermalnego czynnika wzrostowego (epidermal growth factor , EGF), czynnika wzrostu podobnego do insuliny (insulin-like growth factor , IGF-1) i płytkopochodnego czynnika wzrostowgo (platelat-derived growth factor , PDGF) wykazuje aktywność kinazy tyrozynowej. Po związaniu receptora z ligandem, aktywność kinazowa, za którą odpowiada domena cytoplazmatyczna, przyczynia się do autofosforylacji receptora oraz fosforylacji innych białek. Działanie czynnika PDGF ilustruje, w jaki sposób jeden określony czynnik wzrostowy może wywierać wpływ na komórkę. Interakcja PDGF z jego receptorem stymuluje aktywność fosfolipazy C (phospholipase C , PLC). PLC rozkłada difosforan fosfatydyloinozytolu (phosphatidylinositol bisphosphate , PIP2), znajdujący się w biologicznych błonach komórkowych, na trifosforan inozytolu (inositol trisphosphate , IP3) oraz diacyloglicerol (diacylglycerol , DAG) (zob. ryc. 42-6). Wzrost ilości IP3 stymuluje uwalnianie wewnątrzkomórkowego Ca2+, a DAG aktywuje kinazę białkową C (protein kinase C , PKC). Hydroliza DAG może uwalniać kwas arachidonowy, stymulujący produkcję prostaglandyn i leukotrienów, które mają różne działanie biologiczne. Działanie PDGF na komórki docelowe może powodować bardzo szybką (od minut do 1–2 godzin) aktywację komórkowych protoonkogenów (np. MYC i FOS ), które stymulują mitozę przez działanie na cykl komórkowy (zob. dalej). Podsumowując, można stwierdzić, że czynniki wzrostowe wchodzą w interakcje ze specyficznymi receptorami,
