Биохимия окногенеза

Введение Опухоли – группа генных болезней с неконтролируемой пролиферацией клеток Подразделяют на Доброкачественные имеют: ограниченный рост Злокачественные имеют: Инвазивный рост Метастазирование Неконтролируемую пролиферацию По происхождению: 1. Карциномы (раки) экто- и эндодерма 2. Саркомы (мезодерма) 3. Гемобластозы (кроветворная и лимф )

Этиология опухолей В 80% возникновение опухолей связано с воздействием факторов внешней среды (образ жизни, питание, вредные привычки, и наследств. прераспол): 1. Излучение –УФО, R- и -лучи оказывают мутагенное и канцерогенное действие 2. Химический канцерогенез – огромное кол-во в-в обладают мутагенным и канцерогенным действие 3. Вирусный канцерогенез – ДНК и РНК содержащие вирусы 4. Наследственная предрасположенность

Радиационный канцерогенез Интенсивное УФО, проживание на территориях зараженных радионуклидами увеличивает риск появления меланом и карцином кожи, лейкозов Механизм действия удаление АО и образование апуринизированных и апиримидинизированных участков Одно- и двунитевые разрывы или сшивки УФО вызывает обр тимьяновых димеров R- и -излучение индуцирует образование в тканях АФК (О 2 *, ОН*, Н 2 О 2 и др.)

Территории Украины, Беларуси и России загрязненные 137 Cs в результате аварии на ЧАЭС Территории Украины, Беларуси и России загрязненные 137 Cs в результате аварии на ЧАЭС From: UNSCEAR, 2000 Chernobyl BelarusUkraine

Действие радиации на ДНК Прямое действие обусловлено непосредственным влиянием е - на ДНК Непрямое действие опосредовано вторичным радиолизом воды, образованием АФК

Радиационные повреждения ДНК Потеря оснований Единичные разрывы ДНК Двойные разрывы ДНК ДНК-белковые сшивки Повреждение оснований Повреждение дезоксирибозы Gritsuk AI et al., 20107

Образование тимьяновых димеров

Механизм образования АФК О 2 + е - О 2 ˙+ е - Н 2 О 2 Источником е - является ионизирующее излучение (радиолиз воды), Fe 2+, NAD(P)H + H +, стимуляция МС окисления О 2 ˙ + Н 2 О 2 OH˙ + ОН- + 'О 2 АФК атакуют любые молекулы инициируя цепные реакции, повреждая мембраны, белки, ДНК, вызывая т.о. повреждение и гибель клеток, мутации, канцерогенез и т.д

Повреждающее действие АФК на клетку 1. Повреждение белков 2. Повреждение мембран ЭР 3. Повреждение ядра и ДНК (мутации) 4. Повреждение Мх (деэнергизация клетки) и увеличение образования АФК 5. ПОЛ клеточной мембраны, появление пор проницаемых для ионов и воды 6.7, 8. Нарушение ионных градиентов и осмолярности (набухание) клетки за счет увеличения проницаемости мембран для ионов и воды

Антиоксидантная защита (АОЗ) Неферментативная – АО вещества образующие менее активные радикалы и «гасят» цепные реакции (вит А,Е,С, GSH, гис, адреналин, КС, мочевина, билирубин, природные полифенолы, красители, флавоноиды и др.) Ферментативная представлена ферментами (СОД, каталаза, глютатион-пероксидаза, глютатион-редуктаза и др.) О 2 + О Н + Н 2 О 2 + О 2 ( СОД ) 2 Н 2 О 2 2 Н 2 О + О 2 ( каталаза ) 2 GSH + Н 2 О 2 2 Н 2 О+ GS - SG ( GSH- пероксидаза )

Химический канцерогенез Большинство канцерогенов существует в форме про канцерогенов, которые в печени превращу в активные формы, реагирующими с НК и белками ( летальный синтез ). Ферменты детоксикации (МC окисление) обладают выраженным полиморфизмом, при их низкой активности про канцерогены выводятся из орг-ма не успев превратиться в канцерогены (различная чувс-ть людей к канцерогенам табачного дыма).

Основные химические канцерогены (ХК) Группы веществ Представители групп ПАУ Аромат. Амины Нитрозамины Алкилир. Агенты Природные в-ва Неорганические Бензопирен, метилхолантрен N-метил-4-аминоазобензол Ди(метил)этилнитрозамин Диэтилстильбестрол,циклофосфамид Афлатоксин В, дактиномицин Cr, Be, Pb, Cd, асбест Все ХК (орг. и неорг.), обычно электрофилы, реагируют с нуклеофильными группами ДНК и белков

Химические канцерогены (ХК) ПАУ- продукты неполного сгорания угля,нефти, табака, пиролиза масел, органических компонентов пищи и др. После ферментативной активации цит Р450 и образования эпоксидов, реагируют с пуринами (особенно с G)

Химические канцерогены (прод.) » Ароматические амины - анилиновые красители и в-ва используемые в резиновой пром-сти Нитрозамины – образуются в организме при взаимодействии нитритов и вторичных алифатических аминов, постоянных компонентов пищи и обр при запекании мяса и рыбы. Нитриты широко используются как консерванты пищи. Нитрозамины обр с ДНК N 7 -метил G ДНК и О 7 -метил G ДНК Алкилирующие и ацилирующие агенты повреждают структуру ДНК

Алкилирующие агенты

Вирусный канцерогенез ДНК-содержащие вирусы ( герпеса, аденовирус, ветряной оспы ) полностью или частично встраиваются в геном хозяина и экспрессируют свои гены РНК-содержащие вирусы содержат ревертазу и окногены, ответственные за опух трансформацию (вирус саркомы Рауса – src- окноген, встраивание в геном клеток приводит к их трансформации).

Наследственная предрасположенность – Нестабильность генома приводит в дефектам системы репарации ДНК У детей предрасположенность к Rb (ретино-бластоме) наследуется как аутосомно-доминантный признак В последнее время изучаются фрагменты генома (SNP single nucleotide polimorfism) однонуклеотидные вариации приходящиеся ~ на каждые 1000 нуклеотидов характеризующие индивид. особенности генома и ответственные за наследственную предрасположенность к развитию опухолей (в российской популяции до 50% предрасположены к раку легкого)

Нестабильность генома – эпигенетический феномен Нестабильность генома вызвана длительными изменениями экспрессии генов и переносится через много поколений выживших клеток (memorized) (Morgan, 2003). Его основные механизмы – метилирование ДНК и модификация гистонов (Barton et al., 2005). Облучение приводит к индукции наследуемых изменений метилирования ДНК, вызывая нестабильность генома (Kaup et al., 2006). Ряд генов, вовлеченных в канцерогенез, инактивируется путем метилирования (APC, p16, p14, RB1, LKB, ER, RAR2β, VHL, DAP, MGMT, CDI и др.);

Общая характеристика опухолевых клеток Часто единственные признаки опухолевых клеток: Изменение формы клеток Дедифференцировка, нарушение контактного торможения и адгезии Полиплоидия, анеуплоидия Способность расти неопределенно долго (« бессмертие » - иммортализация )

Защитные механизмы опухолевых клеток 1. Высокий уровень экспрессии шаперона БТШ 70 (Hsp70 ), который: фолдирует новые белки транспортирует их ч/з мембраны встраивает в «нужное» место «ремонтирует» поврежденные белки защищает от факторов, индуцирующих апоптоз ( α-ФНО, стауроспорин, тепловой стресс и др. ) препятствует противоопухолевой терапии

Защита опухолей от химиопрепаратов Р-гликопротеид – транспорт. АТФ-аза, плазм. мембранах многих тканей (почек, ЖКТ) Мм 170 kD Осн. функция – экскреция ионов CI - и гидрофобных ксенобиотиков При химиотерапии в опухолевых клетках резко возрастает индукция Р- гликопротеида, что снижает эфективность лечения

Особенности метаболизма опухоли подчинены обеспечению роста клеток активность рибонуклеотидредуктазы ( рибоза > дезоксирибоза ) и синтеза ДНК и РНК скорость ПЦ - биосинтезы катаболизм пуринов и пиримидинов скорость анаэр гликолиза (обратный эфект Пастера – эф. Кребтри) - гликолитический фенотип аэробные процессы (Мх окисление ) Сдвиг изоферментов в сторону фетальных форм

Механизмы регуляции апоптоза

1 путь активации апоптоза: Фактор некроза опухолей [α-ФНО (αTNF)] связывается с ФНО- рецептором и запускает апоптоз. Центральную роль в регуляции апоптоза играют цистеиновые протеиназы (интерлейкин расщепляющие ферменты - каспазы). Их активация через ФНО-рецептор приводит к расщеплению: – поли-(АДФ-рибозил)- полимеразы, – белков sn-РНК (мало ядерных РНК), – ламина (белка ядерной мембраны) и др. белков.

2 путь активации апоптоза: По аналогичному пути реализуется сигнал от Fas- лиганда, белка клеточной мембраны соседних клеток. Fas-лиганд в виде триммера связывается с Fas- рецептором передавая сигнал на каспазы. ФНО- и Fas-специфичные рецепторы активируются путем образования олигомеров.

3 путь активации апоптоза: Источником сигнала м.б. клеточное ядро. Белок р 53, продукт окно- супрессорного гена, который тоже активирует каспазы, может быть активирован посредством несепарабельного разрыва ДНК. Утрата клеткой белка p53 ведет к повышенной скорости роста опухоли.

Ингибиторы апоптоза Сигналам, активирующим апоптоз, противостоят, блокирующие сигналы. К ним относится белок bcl- 2 или родственные белки. Ген этого белка присутствует в геноме некоторых вирусов. С помощью белка bcl-2 вирусы тормозят апоптоз, препятствуя преждевременной гибели клетки-хозяина.

Дыхательный фенотип ткани (миокард, НС)

Гликолитический фенотип опухоли

Трансформация метаболического фенотипа опухоли

Особенности метаболизма опухоли (прод) В связи с этим опухоль: Является ловушкой глюкозы, АК, ЖК, АО и др. Ведет «крупноблочное строительство» - для синтеза РНК и ДНК использует целые блоки нуклеотидов Синтезирует эмбриональные белки и ферменты (a-ФП, РЭА, теломераза) Изменяется структура плазм мембран – снижен синтез интегринов, адгезивных молекул Усиливается б/с протеаз, коллагеназ, гликозида обеспечивающих инвазивный рост опухоли Усиливается б/с ангиогенина – цитокина активирующего рост сосудов

Онкогены, протоокногены и гены супрессоры опухоли Протокногены – гены экспрессирующие белки контролирующие рост ФР, их рецепторы, транскрипционные факторы и др Онкогены - гены трансформации ( мутантный вариант Протокногенов ) гены супрессоры опухоли описано более 10 (rb1, p53, p15, p16, p21wt1 и др )

Онкогены, протоокногены и гены супрессоры опухоли

Трансформация

Механизмы трансформации 1. нарушение баланса генома «Выключение» генов путем метилирования ДНК Превращение протоокногенов в окногены Точечные мутации регуляторных участков Мутации в генах-супрессорах Хромосомные аберрации 2. изменение поверхности клеток Рецепторных белков Выделение литических ферментов Нарушение «контактного торможения» Инвазия и метастазирование

Основные подходы лабораторной диагностики опухолей Опухолевые маркеры Онкофетальные белки (а-ФП, РЭА и др.) мРНК окнофетальных белков раковых клеток: мРНК теломеразы, мРНК а-ФП (рак печени), мРНК РЭА и мРНК цитокератина-белка эпителиальных клеток (рак толстой кишки), Гормоны и их рецепторы ( инсулин-инсулинома )

Межорганный метаболизм кахектичного ракового пациента Рост опухоли сопровождается потреблением глюкозы и глн с секрецией лактата, ала и NH 4 +. Часть лактата окисляться в хорошо оксигенируемых областях опухоли и используется как дыхательное топливо. Др часть лактата и ала в печени используется в ГНГ и возвращаться в опухоль в виде глюкозы (цикл Кори). NH 3 поступает в ЦСМ или для синтеза новых молекул глн, образуемого при протеолизе и метаболизме глюкозы. Цикл Кори и глюкозо-аммонийный цикл поставляет энергию опухоли, но цена энергии в др. органах формирует раковую кахексию.

Межорганный обмен опухоленосителя

мРНК теломеразы Теломераза синтезирует концевые участки хромосом (теломер) Обнаружена во всех c-r клетках мРНК теломеразы присутствует в и в N стволовых клетках, которые, как и c-r в могут неограниченно делиться, но отличие от c-r клеток они занимают свою нишу и не распространяются по организму окнофетальных белков раковых клеток:

Метилированная ДНК - ценный биомаркер диагностики рака 1. Ряд генов, вовлеченных в канцерогенез, инактивируется путем метилирования (APC, p16, p14, RB1, LKB, ER, RAR2β, VHL, DAP, MGMT, CDI и др.); 2. Разработаны новые методы качественного и количественного анализа метилирования ДНК. 3. Метилирование генов, вовлеченных в канцерогенез: является одним из наиболее ранних событий в канцерогенезе высоко специфичный и чувствительный биомаркер опухоли не наблюдается в ДНК нормальных тканей; мб определен в сыворотке крови строго соответствует профилю метилирования ДНК, выделенной из соответствующей опухоли; позволяет предсказать поведение опухоли (эфективность терапии, метастазирование) ( A.Patel, J.D.Groopman, A.Umar. DNA methylation as a Cancer-Specific Biomarker. Ann. N.Y. Acad. Sci., 2003, 983: ).

Принципы лечения Цитостатики и цитотоксиканты Алкилирующие агенты Антиоксиданты Антиметаболиты Гормональная терапия Фотодинамическая терапия предварительная сенсибилизация и последующее облучение лазером Направленная доставка лекарств в опухоль Подавление ангиогенеза (ангиостатины, тромбоспондины. Синтетич пептиды-ингибиторы металлопротеиназ) Генная терапия