MOLECULAR BASIS OF CANCER МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ РАКАAssoc.Prof. Is?k G. YulugBilkent University Department of Molecular Biology and Genetics [email protected]

Cellular Basis of Cancer Клеточные основы рака
Cancer is a collection of diseases characterized by abnormal and uncontrolled growth
Cancer arises from a loss of normal growth control
In normal tissues, the rates of new cell growth and old cell death are kept in balance
In cancer, this balance is disrupted
This disruption can result from
1) uncontrolled cell growth or
2) loss of a cell's ability to undergo apoptosis
Деление нормальной клетки
Повреждение клетки
апоптоз
Деление раковой клетки
Рак это группа заболеваний, характеризующая ненормальным и неконтролируемым ростом клеток
Рак возникает в результате потери контроля над нормальным ростом клетки
В нормальных тканях уровень размножения клеток и уровень клеточной смерти находится в равновесии
При раке это равновесие нарушается
Это нарушение произойти при
1) неконтролируемом делении клеток
2) потере клетками способности к апоптозу

Cancer Cell Do Not Grow Faster Than
Normal Cells
Rather, Their Growth is Just
Uncontrolled
Раковые клетки не растут быстрее, чем нормальные клетки
Просто их рост неконтролируемый

1 fertilized egg
1 оплодотворенная яйцеклетка
50x1012
Proliferation
Пролиферация
Differentiation
Дифференцировка
Death
Смерть
1016 cell divisions/lifetime
1016 Делений клеток за жизнь

Proliferation
Пролиферация
Differentiation
Дифференцировка
Death
Смерть
Transit Переход
Proliferating
Пролиферация
Exiting
Выход
Renewing Обновление
Cellular equilibrium Гармония клеток

Proliferation
Пролиферация
Differentiation
Дифференцировка
Death
Смерть
Cancer: disruption of cellular equilibrium
Рак: нарушение гармонии клеток

После митоза Post
mitotic
Стволовая клетка Stem cell
Дифферен
цированная
Differentiated
Normal senescent differentiated cell
Нормально стареющая дифференцированная клетка
Benign tumor Доброкачественная опухоль
Grade 2 malignancy Стадия 2 малигнизации
Grade 3 or 4 malignancy Стадия 3 или 4: рак
Stem cells as the target of carcinogens Стволовые клетки как мишень канцерогенеза

Invasion and Metastasis
Инвазия и метастазы
Abnormal cells proliferate and spread (metastasize) to other parts of the body
Invasion - direct migration and penetration into neighboring tissues
Metastasis - cancer cells penetrate into lymphatic system and blood vessels
Аномальные клетки пролиферируют и распространяются (метастазируют) в другие части тела
Инвазия – прямое перемещение в соседние ткани
Метастазы – раковые клетки проникают в лимфатическую и кровеносную системы
Кровеносный сосуд
Раковые клетки переносятся системой кровообращения
Раковые клетки проникают в окружающие ткани и сосуды
Раковые клетки внедряются и растут в новых местах

Benign tumors generally do not spread by invasion or metastasis
Доброкачественные опухоли как правило не распространяются с инвазией и метастазами
Malignant tumors are capable of spreading by invasion and metastasis
Злокачественные опухоли способны к инвазии и метастазам
Malignant versus Benign Tumors
Злокачественные и доброкачественные опухоли
Доброкачественная
Злокачественная (рак)
Инвазия в соседние ткани
Вхождение в кровоток и метастазировани в различные участки тела

What causes Cancer?
Причины рака
Cancer is caused by alterations or mutations in the genetic code
Can be induced in somatic cells by:
Carcinogenic chemicals
Radiation
Some viruses
Heredity - 5%
Рак вызывается изменениями или мутациями генов
Может быть вызван в соматических клетках :
Канцерогенами
Радиацией
Некоторыми вирусами
Наследственность - 5%
радиация
Некоторые вещества
Некоторые вирусы или бактерии
Излучение
Наследственность

Hanahan and Weinberg, Cell 100: 57, 2000
ApoptosisАпоптоз
Oncogenes Онкогенез
Tumor Suppressor
Опухолевый
супрессор
Inv. and Mets
Инвазия и метастазы
Angiogenesis Ангиогенез
Cell cycle Клеточный цикл

What is the molecular basis of cancer?
Каковы молекулярные механизмы рака?
Cancer is a genetic disease.
Рак это генетическое заболевание.
Mutations in genes result in altered proteins
Мутации в генах приводят к изменению в белках
During cell division
Во время деления клетки
External agents
Внешние факторы
Random event
Случайный события
Most cancers result from mutations in somatic cells
Большинство раковых опухолей возникают из-за мутаций в соматических клетках
Some cancers are caused by mutations in germline cells
Иногда рак вызывают мутации в половых клетках

Theories of cancer genesis
Standard Dogma
Proto-oncogenes (Ras – melanoma)
Tumor suppressor genes (p53 – various cancers)
Modified Dogma
Mutation in a DNA repair gene leads to the accumulation of unrepaired mutations (xeroderma pigmentosum)
Early-Instability Theory
Master genes required for adequate cell reproduction are disabled, resulting in aneuploidy (Philadelphia chromosome)

Теории возникновения рака
Стандартная догма
Прото-онкогены (Ras – меланома)
Гены супрессоры опухоли(p53 – различные формы рака)
Измененная догма
Мутации в генах репарации ДНК приводят к накоплению неисправленных мутаций (пигментная ксеродерма)
Теория Ранней Нестабильности
Главные гены, необходимый для нормального размножения клетки выключаются в результате анэуплоидии(хромосома «Philadelphia»)

CANCER AND GENETICS
РАК И ГЕНЕТИКА
Cancer: genome disease
Рак: геномное заболевание Causes of genomic changes
Вызывает изменения генома
Effects of genomic changes
Является следствием изменений генома
Revolution in cancer treatment: ‘Smart Bullets Period’
Революция в лечении рака: «Smart Bullets Period»

CANCER: GENOME DISEASE
РАК: ГЕНОМНОЕ ЗАБОЛЕВАНИЕ
Loss of DNA
Потеря ДНК
Gain of DNA
Добавление ДНК
Changes in nucleotides
Изменения в нуклеотидах
Epigenetic effects
Эпигенетические эфекты

Signs for Genomic Changes in Cancer
Признаки изменения генома при раке
Changes in chromosome numbers
Изменения количества хромосом
- Aneuploidy Анэуплоидия
Chromosomal changes
Изменения в хромосомах
Increase in DNA copy number -15 different region
Увеличение количества ДНК – 15 различных локусов
Loss in chromosomal -200.000 regions
Хромосомные делеции – 200.000 локусов
Micro changes Микро изменения
Microsatellite changes Mikrosatellite - 100.000
Изменения в микросателлитных повторах – 100.000
- Nucleotide changes Изменения нуклеотидов

Chromosomal changes in the genome of cancer cells: tip of the iceberg
Хромосомные изменения генома в раковых клетках: верхушка айсберга
http://www.tokyo-med.ac.jp/genet/cai-e.htm
Terminal
Deletion
Концевая делеция
Ring
Chromosome
Кольцевая хромосома
Robertsonian
Translocation
Робертсоновская транслокация
Deletion
Делеция
Reciprocal
Translocation
Реципрокная Транслокация
Isochromosomes
Изохромосомы
Insertion
Инсерция
Inversion
Инверсия
Duplication
Дупликация

Nucleotide changes in the genome of cancer cells: unseen site of the iceberg
Нуклеотидные изменения в геноме раковой клетки: невидимая часть айсберга
Nucleotide
Deletions
Делеция
Нулеотида
Nucleotide
Insertions
Инсерция
Нуклеотида
Nucleotide
Substitutions
Замена Нуклеотидов
http://www.tokyo-med.ac.jp/genet/cai-e.htm

DNA Loss in cancer cells
Потеря ДНК в раковых клетках

Early Brain Tumor
(Astrocytoma Stage II)
Ранняя опухоль мозга
(Астроцитома Стадия II)
Advance Brain Tumor
Glioblastoma Multiform (Stage IV)
Прогрессивная опухоль мозга
Глиобластома многообразная (Стадия IV)
DNA Loss in cancer cells: beyond coincidence ...
Потеря ДНК в раковых клетках далека от совпадения…

p53
locus
Chromosomal loss:
Хромосомные делеции:
Mostly, it is a sign for the loss of a tumor suppressor gene
Чаще всего
это признак
потери гена
супрессора
опухоли
PTEN
locus
CDKN2
locus
RB1
locus
???
locus

Cancer: Genome Disease
Рак: Геномное Заболевание
Epigenetic effects
Эпигенетические эффекты

Genetic and Epigenetic Silencing of Tumor Suppressor Genes
Генетическое и Эпигенетическое затухание работы генов супрессоров опухоли
Plass - 2002
Онкоген
потеря гетерозиготности
метелирование ДНК
Делеция
Мутация

Carcinogenic chemicals
Канцерогенные химикаты
UV
УФ
Replication Errors
Ошибки репликации
Radiation
Радиация
Viruses
Вирусы
Rearrangements (translocation, deletions, amplifications)
Перестройки
(транслокации, делеции, амплификации)
Point mutations
Точечные мутации
Alters DNA of genes controlling cell proliferation. (Proliferation becomes abnormal)
Изменения в генах, контролирующих клеточную пролиферацию. (Пролиферация становится анормальной)
Cancer cell
Раковая клетка
Normal cell
Нормальная клетка
Damaged DNA
Повреждение ДНК
THE CAUSES OF GENOMIC CHANGES IN CANCER
ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕНОМА ПРИ РАКЕ

THE CAUSES OF GENOMIC CHANGES IN CANCER: Somatic Changes
ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕНОМА ПРИ РАКЕ:
Соматические изменения

THE CAUSES OF GENOMIC CHANGES IN CANCER:
Hereditary Predisposition

ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕНОМА ПРИ РАКЕ:
Наследственная предрасположенность

Approximately 90-95% of all cancers are sporadic.
Примерно 90-95% всех случаев рака спорадические.
5-10% are inherited.
5-10% наследственные.
CANCER AND GENETICS
РАК И ГЕНЕТИКА

• Oncogenes Онкогены
• Tumor suppressor genes
Гены супрессоры опухоли
• DNA repair genes
Гены репарации ДНК
GENES PLAYING ROLE IN CANCER DEVELOPMENT
ГЕНЫ УЧАСТВУЮТ В РАЗВИТИИ РАКА

What are the genes responsible for tumorigenic
cell growth?
Какие гены ответственны за злокачественный рост клеток?
Normal Норма
Cancer Рак
Proto-oncogenes
Прото-онкогены
Cell growth and proliferation
Рост и пролиферация клетки
Tumor suppressor genes
Гены супрессоры опухоли
Mutated or “activated”
Oncogenes
Мутантный или
«активированный» онкоген
Malignant
Transformation
Злокачественное
перерождение
Loss or mutation of
Tumor suppressor genes
Потеря или мутация в гене супрессоре опухоли

ONCOGENES
ОНКОГЕНЫ
Oncogenes are mutated forms of cellular proto-oncogenes.
Онкогены это мутантные формы клеточных прото-онкогенов.
Proto-oncogenes code for cellular proteins which regulate normal cell growth and differentiation.
Прото-онкогены кодируют белки, регулирующие нормальный клеточный рост и дифференцировку.

Class I: Growth Factors
Класс I: Факторы роста
Class II: Receptors for Growth Factors and Hormones
Класс II: Рецепторы Факторов роста и Гормонов
Class III: Intracellular Signal Transducers
КлассIII: Внутриклеточные Приемники Сигналов
Class IV: Nuclear Transcription Factors
Класс IV: Ядерные Транскрипционные Факторы
Class V: Cell-Cycle Control Proteins
Класс V: Белки, контролирующие клеточный цикл
Five types of proteins encoded by proto-oncogenes participate in control of cell growth:
Пять типов белков, кодируемых прото-онкогенами, участвующих в контроле клеточного роста:

4. Nuclear
Proteins:
Transcription
Factors
Ядерные белки: Транскрипционные Факторы
5. Cell Growth
Genes
Гены клеточного роста
Secreted Growth Factors
Секретируемый
фактор роста
2. Growth Factor Receptors
Рецепторы фактора роста
Functions of Cellular Proto-Oncogenes
Функции клеточных прото-онкогенов
3. Cytoplasmic
Signal Transduction
Proteins
Цитоплазматические белки – приемники сигнала

Oncogenes Онкогены
proto-oncogene = ras
Прото-онкоген = ras
Oncogene = mutated ras
Онкоген = мутантный ras
Always activated
Все время активный
Always stimulating
Proliferation
Все время стимулирует пролиферацию
Рецептор
Фактор роста

amino acid position положение аминокислоты
Ras gene ген 12 59 61 Tumor Опухоль
c-ras (H, K, N) Gly Ala Gln normal cells норма
H-ras Gly Ala Leu lung carcinoma рак легких
Val Ala Gln bladder carcinoma рак
мочевого пузыря
K-ras Cys Ala Gln lung carcinoma рак легких
Arg Ala Gln lung carcinoma рак легких
Val Ala Gln colon carcinoma рак кишечника
N-ras Gly Ala Lys neuroblastoma нейробластома
Gly Ala Arg lung carcinoma рак легких
Murine sarcoma virus
Вирус саркомы мышей
H-ras Arg Thr Gln Harvey strain штамм
K-ras Ser Thr Gln Kirsten strain штамм
Amino acid substitutions in Ras family proteins (inactivates GTPase)
Аминокислотные замены в белках семейства Ras (инактивация ГТФазы)

Activation mechanisms of proto-oncogenes
Механизм активации прото-онкогена
proto-oncogene --> oncogene
прото-онкоген --> онкоген
Онкоген
Нормальная экспрессия фактора роста

CHROMOSOMAL REARRANGEMENTS OR TRANSLOCATIONS
ХРОМОСОМНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ИЛИ ТРАНСЛОКАЦИИ
Neoplasm Translocation Proto-oncogen
Опухоль Транслокация Прото-онкоген
Burkitt lymphoma t(8;14) 80% of cases c-myc1
Лимфома Беркита t(8;22) 15% of cases
t(2;8) 5% of cases
Chronic myelogenous t(9;22) 90-95% of cases bcr-abl2
leukemia
Хроническая миелогенная
лейкемия
Acute lymphocytic t(9;22) 10-15% of cases bcr-abl2
Leukemia
Острая лимфоцитарная
лейкемия
1c-myc is translocated to the IgG locus, which results in its activated expression
Транслокация с локусом IgG, которая активирует экспрессию
2bcr-abl fusion protein is produced, which results in a constitutively active abl kinase
синтезируется слитый белок, что приводи к конститутивной экспрессии киназы

GENE AMPLIFICATION
АМПЛИФИКАЦИЯ ГЕНОВ
Онкоген Амплификация Источник опухоли
Oncogene Amplification Source of tumor c-myc ~20-fold leukemia and lung carcinoma
лейкемия и рак легких
N-myc 5-1,000-fold neuroblastoma нейробластома
retinoblastoma ретинобластома
L-myc 10-20-fold small-cell lung cancer рак легких
c-abl ~5-fold chronic myoloid leukemia
хроническая миелоидная лейкемия
c-myb 5-10-fold acute myeloid leukemia
острая миелоидная лейкемия
colon carcinoma
рак толстого кишечника
c-erbB ~30-fold epidermoid carcinoma
эпидермоидная опухоль
K-ras 4-20-fold colon carcinoma
рак толстого кишечника
30-60-fold adrenocortical carcinoma
рак коры надпочечников

Oncogenes are usually dominant
(gain of function)
Онкогены обычно доминантные
(усиление функции)
cellular proto-oncogenes that have been mutated (and “activated”)
клеточные прото-онкогены в которых произошла мутация (активированные)
cellular proto-oncogenes that have been captured by retroviruses and have been mutated in the process (and “activated”)
клеточные прото-онкогены захваченные ретровирусом и мутировавшие (активированные)
virus-specific genes that behave like cellular proto-oncogenes that have been mutated to oncogenes (i.e., “activated”)
Вирус-спецефичные гены, которые ведут себя как клеточные мутантные поро-онкогены (активированные)

The result: Результаты:
Overproduction of growth factors
Суперпродукция фактора роста
Flooding of the cell with replication signals
Заполнение клетки сигналами репликации
Uncontrolled stimulation in the intermediary pathways
Неконтролируемая стимуляция промежуточных путей
Cell growth by elevated levels of transcription factors
Клеточный рост при повышенном уровне транскрипционных факторов

Tumor suppressor genes
Гены супрессоры опухоли
Normal function - inhibit cell proliferation
Нормальная функция – подавление клеточной пролиферации
Absence/inactivation of inhibitor --> cancer
Отсутствие/инактивация ингибитора --> рак
Both gene copies must be defective
Обе копии гена должны быть дефектными

KNUDSON TWO HIT HYPOTHESIS IN FAMILIAL CASES
Двухударная гипотеза Кнудсона в семейных случаях рака
РБ RB
rb рб
rb
рб
rb
рб
RB
РБ
Familial RB (%30)
Семейный случай РБ (30%)
Tumor cells
Опухолевае клетки
Normal cells
Нормальные клетки
Normal cells
Нормальные клетки
Inactivation of a tumor suppressor gene requires two mutations, inherited mutation and somatic mutation.
Для инактивации гена супрессора опухоли необходимо две мутации, в плововой и соматической клетках.
Потеря гетерозиготности
RB
LOH
Семейный случай

RB
РБ
RB
РБ
RB
LOH
РБ
Потеря гетеорозиготности
RB
Mutation
РБ
Мутация
Normal
Cells
Нормальная
клетка
Tumor cells
Опухолевые клетки
KNUDSON TWO HIT HYPOTHESIS IN SPORADIC CASES
Двухударная гипотеза Кнудсона в семейных случаях рака
RB
РБ
RB
РБ
Inactivation of a tumor suppressor gene requires two somatic mutations.
Инактивация гена супрессора опухоли требует двух соматических мутаций.
Спорадический случай

CELL CYCLE
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Rb gene ген Рб
Rb protein controls cell cycle moving past G1 checkpoint
Rb белок контролирует клеточный цикл при прохождении G1 контрольной точки
Rb protein binds regulatory transcription factor E2F
Rb белок связывается с регуляторным фактором транскрипции E2F
E2F required for synthesis of replication enzymes
E2F необходим для синтеза ферментов репликации
E2F - Rb bound = no transcription/replication
Если E2F и Rb связаны, не происходит транскрипция/репликация
Growth factor --> Ras pathway
--> G1Cdk-cyclin synthesized
Фактор роста ?Ras путь ? синтезируется G1Cdk циклин
Active G1 Cdk-cyclin kinase phosphorylates Rb
Активная G1 Cdk-циклин киназа фосфорилирует Rb
Phosphorylated Rb cannot bind E2F --> S phase
Disruption/deletion of Rb gene
Inactivation of Rb protein
--> uncontrolled cell proliferation --> cancer
Фосфорилированный Rb не может связывать E2F? S фаза
- Разрушение/делеция Rb гена
- Инактивация белка Rb
-? некотролируемая пролиферация клеток ? рак

Rb gene ген Рб

p53
Phosphyorylated p53 activates transcription of p21 gene
Фосфорилированный р53 активирует транскрипцию гена р21
p21 Cdk inhibitor (binds Cdk-cyclin complex --> inhibits kinase activity)
р21 Cdk ингибитор (связанный Cdk комплекс ? ингибирует активность киназы )
Cell cycle arrested to allow DNA to be repaired
Клеточный цикл останавливается для того
чтобы произошла репарация ДНК
If damage cannot be repaired
--> cell death (apoptosis)
Если поврежение не может быть
репарировано, происходит сметрь
клетки (апоптоз)
Disruption/deletion of p53 gene
Разрушение/делеция гена р53
Inactivation of p53 protein
--> uncorrected DNA damage
--> uncontrolled cell proliferation --> cancer
Инактивация белка р53
? неисправляемое повреждение ДНК
-> неконтролируемая пролиферация клетки ? рак

These are genes that ensure each strand of genetic information is accurately copied during cell division of the cell cycle.
Mutations in DNA repair genes lead to an increase in the frequency of mutations in other genes, such as proto-oncogenes and tumor suppressor genes.
i.e. Breast cancer susceptibility genes (BRCA1 and BRCA2)
Hereditary non-polyposis colon cancer susceptibility genes (MSH2, MLH1, PMS1, PMS2) have DNA repair functions. Their mutation will cause tumorigenesis.
DNA REPAIR GENES

Эти гены обеспечивают аккуратное копирование каждой цепи ДНК во время деления клетки.
Мутации в генах репарации ДНК приводят к увеличению частоты мутаций в других генах, таких как прото-онкогены и гены супрессоры опухоли.
Гены участвующие в развитии рака груди (BRCA1 и BRCA2)
Гены участвующие в развитии наследуемого неполипозного рака кишечника (MSH2, MLH1, PMS1, PMS2)
вовлечены в репарацию ДНК.
Мутации в этих генах вызывают опухолеобразование.
Гены репарации ДНК

Van Gent et al, 2001
Molecular mechanisms of DNA double strand break repair
Молекулярный механизм репарации двунитевых разрывов ДНК
BRCA1/2

IMPORTANCE OF DNA REPAIR ВАЖНОСТЬ РЕПАРАЦИИ ДНК

Multiple mutations lead to colon cancer
Genetic changes --> tumor changes
Множественные мутации приводят к раку кишечника
Генетические изменения? изменения опухоли
Tumor Progression Развитие опухоли

Revolution in cancer treatment:
Революция в лечении рака:
‘Smart Bullets Period’

Hanahan & Weinberg 2000
Summary of 30 years of research (1971-2001)
Результаты 30 летних исследований

Bilimsel Araştırmaların
Kanserle Savaşa Katkısı
HERCEPTİN

Translocation and Bcr-Abl fusion in CML
Транслокация и Bcr-Abl слияние при лейкемии

STI-571 against Bcr-Abl
STI-571 против Bcr-Abl

Smart bullet STI-571 lockes itself to the target molecule
Умная пуля STI-571 поражает только молекулу-мишень

Thousands of Targets
Тысячи мишеней
HERCEPTIN
STI-571