Evolucija raka - vpliv naravne selekcije na evolucijo onkoloških obolenj

UNIVERZA V LJUBLJANI

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ODDELEK ZA BIOLOGIJO

Peter ATANACKOV

Nejc DRAGANJEC

EVOLUCIJA RAKA VPLIV NARAVNE SELEKCIJE NA EVOLUCIJO ONKOLOŠKIH OBOLENJ

Seminarska naloga pri predmetu Primerjalna anatomija vretenčarjev

(mentor: prof. dr. Boris Bulog)

Ljubljana, 13. 4. 2013

2

Atanackov P., Draganjec N. Evolucija raka – vpliv naravne selekcije na evolucijo onkoloških obolenj

Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

POVZETEK:

Rak je bolezen genoma. Klasični model karcinogeneze opisuje večkratno sosledno širjenje

klonov, ki ga vodi nabiranje genetskih sprememb (mutacij) in pozitivna selekcija okolja, v

katerem se tumor pojavi. Toda z evolucijskimi metodami lahko raziskujemo onkološka

obolenja tudi z vidika makro in populacijske evolucije. Naravna selekcija je poskrbela za

kompleksne in prepletene mehanizme regulacije in popravljanja genoma in abnormalne

celične delitve. Pogosto pride tudi do antagonistične koevolucije in posledičnega

pleotropičnega delovanja genov, ki v določenem obdobju osebka njegov fitnes dvigujejo, a

imajo hkrati v kasnejših obdobjih ţivljenja onkogeno vlogo. Na tak način mehanizmi

Darwinove evolucije v populaciji ne izkoreninjajo bolezni, kot je rak, ampak fiksirajo

onkogene in gensko podlago za takšno delovanje senescence na sploh.

KLJUČNE BESEDE:

karcinogeneza, onkogen, evolucija, selekcija, proliferacija, apoptoza, senescenca,

antagonistična evolucija, pleotropični geni, predniška celica, p53, mehanizmi regulacije,

mehanizmi popravljanja genoma

VPRAŠANJA IZ SNOVI:

1. Kako imenujemo gene, ki so vpleteni, omogočajo ali kakor koli drugače sodelujejo

pri karcinogenezi?

2. Katera je lastnost vseh tumornih sprememb? Zakaj pride do tega?

3. Katera sta dva mehanizma, ki preprečujeta tumorno rast? Kateri je značilen le za

večceličarje in zakaj?

4. Iz katerih mehanizmov je sestavljen genomski popravljalni sistem?

5. Zakaj pride do antagonistične evolucije? Primeri.

3



VSEBINA

1 UVOD ................................................................................................................................. 4

2 MIKROEVOLUCIJA RAKA ............................................................................................. 5

2.1 MIKROEVOLUCIJA CELIČNE LINIJE ................................................................... 5

2.2 MOLEKULARNI VIDIK SENESCENCE ................................................................. 6

3 MAKROEVOLUCIJA RAKA ........................................................................................... 8

3.1 EVOLUCIJA MEHANIZMOV ZA OHRANJANJE INTEGRITETE GENOMA .... 8

3.2 EVOLUCIJA V KORIST RAKA – ANTAGONISTIČNA KOEVOLUCIJA IN

PLEOTROPIČNI UČINKI ..................................................................................................... 9

3 VIRI .................................................................................................................................. 12

4



1 UVOD

Rak je bolezen genoma. Klasični model karcinogeneze opisuje večkratno sosledno širjenje

klonov, ki ga vodi nabiranje genetskih sprememb (mutacij) in pozitivna selekcija okolja, v

katerem se tumor pojavi. Ta tradicionalni pogled na linearno mikroevolucijo rakavih celic

znotraj gostitelja je v zadnjih desetletjih vedno bolj natančnih genetskih raziskav samo še

pridobil na ugledu. Zadnji napredki v tehnologijah sekvenciranja genoma so prvič v zgodovini

omogočili podroben vpogled v ekspresijo genov (transkriptom), analizo eksonov in celotnih

rakavih genomov z resolucijo na posameznem baznem paru (Yates in Campbell, 2012; Crespi

in Summers, 2005).

Toda z evolucijskimi metodami lahko raziskujemo onkološka obolenja tudi z vidika makro in

populacijske evolucije in ne le sukcesije na nivoju posameznih celičnih linij (Marlo et al.,

2006; Crespi in Summers, 2005).

Sklep na prvo misel bi bil, da ima pogosto smrtna bolezen, kot je rak, močan negativni vpliv

na fitnes osebka in populacije in da bo naravna selekcija vzroke za pojavljanje bolezni ali

odpravljala ali pa da se bodo vsaj utrjevali popravljalni in varovalni mehanizmi in posledično

s tem zmanjševala verjetnost razvoja bolezni. In tudi v resnici je tako. Predvsem pri

vretenčarjih so se preko koevolucije z geni za stabilnost genoma ustvarila kompleksna

omreţja mehanizmov regulacije in popravljanja (Castrol et al., 2008).

Toda nič v naravi ni tako preprosto. V evolucijski tekmi in pod pritiskom naravne selekcije

zaradi oboroţevalne tekme, borbe za dobrine, tekmovanja med spoli in subgenomskimi

enotami pogosto pride tudi do antagonistične koevolucije in posledičnih pleotropičnih

učinkov genov, ki v določenem obdobju osebka njegov fitnes dvigujejo, a imajo hkrati v

kasnejših obdobjih ţivljenja onkogeno vlogo (Bernard in Summers, 2006).

5



2 MIKROEVOLUCIJA RAKA

Statistične metode nam pri analizi velikih količin povezanih podatkov omogočajo sklepanje o

kombinaciji in povezavi mutacij z onkogenezo in nudijo vpogled v povezane genetske

dogodke, njihovo zaporedje in mehanizme, preko katerih pride do tvorbe tumornih sprememb

(Yates in Campbell, 2012; Boland in Goel, 2005).

Za preiskave evolucije onkogenov in onkomutacij se uporabljajo predvsem strategije ''multi-

sampling-a'' tumornih sprememb, sekvenciranja posameznih celic in matematično modeliranje

(Yates in Campbell, 2012; Crespi in Summers, 2005).

2.1 MIKROEVOLUCIJA CELIČNE LINIJE

Raki so genetsko pestre in dinamične tvorbe. Na razvoj lahko gledamo iz evolucijske

perspektive, kjer se unikatni kloni celic nenehno pojavljajo zaradi nabiranja mutacij v liniji

predniške celice. Predniška celica (MRCA – Most Recent Common Ancestor) je analog

pojmu L(U)CA (Last (Universal) Common Ancestor) iz populacijske evolucije. Nenehna

linearna in razvejana evolucija poskrbi za pestrost klonov MRCA-e, ki so samostojno

sposobni sproţiti ponavljajoče se epizode bolezni in metastaze. Dinamična struktura klonov je

podvrţena nenehnim spremembam zaradi mutacij in tekmovanja med kloni novih generacij,

kjer je fitnes vsake posamezne mutacijske veje odvisen od okoljskih selekcijskih pritiskov,

kot so npr. imunski odziv in zdravljenje (Yates in Campbell, 2012; Crespi in Summers, 2005).

Vloga okolja na evolucijsko prilagajanje rakavih celic je pravzaprav ključna. Okoljski

faktorji, ki vplivajo na potek evolucije klonov, so tako lahko direktno mutageni (npr.

izpostavljenost cigaretnemu dimu, UV in druga ionizirajoča sevanja, kemoterapija …) ali le

selektivni (tumorno mikrookolje, ki je pogosto sovraţno, rastni faktorji, imunski odziv, tarčna

terapija z inhibitorji …) (Yates in Campbell, 2012; Crespi in Summers, 2005).

Ta evolucijski proces generiranja variacij in naravne selekcije variacij z višjim fitnesom, se

odraţa v izredni genetski pestrosti vseh rakavih tvorb. Ta značilnost se pojavi tako med

različnimi tipi, kot tudi znotraj enega tipa, enega pacienta in celo ene same tumorne tvorbe

(Yates in Campbell, 2012; Crespi in Summers, 2005; Boland in Goel, 2005).

6



Slika 1: Naravna selekcija na nivoju populacij (a) in celic (b). Predstavljenih je več

selektivnih pritiskov na obeh nivojih: kompeticija, predatorstvo, omejena nosilnost

okolja ... (Podlaha et al., 2012; Marlo et al., 2006; Crespi in Summers, 2005).

Ta heterogenost močno oteţuje tudi genetsko preventivno diagnostiko. Zelo malo je namreč

genov, ki so zagotovo ali vsaj zelo verjetno povezani z določenimi tipi onkogeneze. Geni, ki

se v peščici tumornih tipov konstatno pojavljajo v mutirani obliki, so npr. tirozin-kinaza

(BCR-ABL) pri kronični mieloični levkemiji, tumor zavirajoči retinoblastoma 1 (RB1) pri

retinoblastomi in TP53 pri več tipih tumorjev. Toda ti primeri so izjeme, ki potrjuje pravilo. V

projektu The Cancer Genome Atlas Project so sekvencirali vzorce več kot 489 rakov na

jajčnikih in med več 1.000 najdenimi mutacijami je bilo le 10 takih, ki so vsaj malo izstopale

iz statistične verjetnosti (Yates in Campbell, 2012; Boland in Goel, 2005).

2.2 MOLEKULARNI VIDIK SENESCENCE

Sposobnost regeneracije in popravila nastale škode je ključna za dolgoţivost kompleksnih

ţivali in obe lastnosti sta pogosto odvisni od proliferacije nespecializiranih celic, poznanih kot

predniške celice. V mnogih tkivih regeneracijska sposobnost takih celic s časom upade.

Predvideva se, da je ta upad razlog za mnoge stranske simptome staranja (senescence)

organizma. Senescenca je na nivoju organizma neizbeţni proces manjšanja biološke funkcije,

7



niţanja imunske odpornosti in metabolizma, slabšanje regenerativnih sposobnosti ... Ne

smemo je zamenjati s senescenco na celičnem nivoju, ki je eden izmed dveh ključnih

mehanizmov zatiranja rasti in širitve rakavih sprememb. Celična senescenca je kompleksen

genetsko-molekularno kontroliran mehanizem preprečevanja celične proliferacije,

najpogosteje s trajno ustavitvijo celičnega cikla delitve. Drug mehanizem zatiranja in

preprečevanja širitve tumornih sprememb celice ne le ustavi v svoji delitvi, ampak sproţi

programirano celično smrt oziroma apoptozo (Beausejour in Campisi, 2006; Campisi, 2008).

Ţe nekaj časa se raziskuje dvojni vpliv teh mehanizmov zaviranja širitve rakavih sprememb

na fenotip osebkov. Tako imenovani pleiotropski učinki teh mehanizmov namreč ščitijo mlad

organizem pred zgodnjo smrtjo zaradi rakavih obolenj, a lahko ravno zaradi svojega delovanja

pospešujejo staranje in so kasneje v ţivljenju odgovorni za bolezni, povezane s staranjem,

med drugim, ironično, tudi za tumorno rast (Beausejour in Campisi, 2006; Campisi, 2008).

Poskusi, opravljeni na mišjih modelih, pri katerih so se raziskave koncentrirale predvsem na

dva gena, za katera vemo, da sta neposredno vpletena v mehanizme apoptoze, preprečevanja

tumornih sprememb in senescence, so razkrili kompleksno naravo teh celičnih mehanizmov.

Pri sesalcih protein p16INK4a

ustavi celični cikel in sproţi celično senescenco. Koncentracija

proteina se v starejših tkivih dramatično poveča, a mehanizem, ki sproţi ta proces, še ni

poznan. Povečana produkcija tega proteina je v modelnih organizmih bistveno zniţala

verjetnost razvoja rakavih obolenj, a hkrati povečala verjetnost razvoja ostalih, s staranjem

povezanih simptomov, kot je npr diabetes tipa II. Razlog za oboje je zmanjšana proliferacija.

Hkrati preprečuje abnormalne delitve, a ţal tudi zmanjša obnovo tkiv iz predniških celic

(Beausejour in Campisi, 2006).

Vlogo preprečevanja tumorne rasti in promocije staranja si p16INK4a

deli z morda bolj razvpito

znanim sproţilcem apoptoze, tumor zavirajočim proteinom p53. V raziskavah se je izkazalo,

da tudi p53 preprečuje razvoj in širjenje rakavih sprememb na nivoju celic in hkrati pospešuje

senescenco celotnega organizma, pri povišani koncentraciji. Raziskave so pokazale, da so

imele modelne ţivali v primeru rezervnih/dodatnih kopij genov pri nespremenjeni stopnji

prepisovanja bistveno manjšo verjetnost onkogeneze in hkrati ne le enako povprečno dolţino

ţivljenja, ampak celo za 16 % daljšo (Campisi, 2008; Marlo et al., 2006).

Zakaj mehanizmi Darwinove evolucije na nivoju populacije fiksirajo namesto izločajo gensko

podlago za takšno delovanje senescence, pa je razloţeno v poglavju, ki sledi.

8



3 MAKROEVOLUCIJA RAKA

3.1 EVOLUCIJA MEHANIZMOV ZA OHRANJANJE INTEGRITETE GENOMA

Z nastankom večceličnih organizmov in s tem bolj kompleksne oblike organiziranosti

ţivljenja je potreba po integriteti genoma postala še večja kot prej. Mehanizmi, ki so se

razvili, imajo izvor v prokariontih, kjer so ţe takrat obstajali in izvajali podobne funkcije

(Castrol et al., 2008).

Dva glavna pristopa k ohranjanju genomske integritete sta: popravljalni mehanizmi za napake

na DNK oz. geni za stabilnost genoma ter apoptoza/celična senescenca, ki preveč

poškodovanim celicam onemogoči proliferacijo in jih pogosto tudi vodi v programirano

celično smrt (Castrol et al., 2008).

Ta dva sistema sta tesno prepletena in delujeta sinergetično. Popravljalni sistem je sestavljen

iz štirih mehanizmov:

– NER (nucleotide excision repair),

– BER (base excision repair),

– MMR (mismatch repair),

– RER (recombenitional repair).

Vsi ti sistemi se ločijo po svojem načinu delovanja, celostno pa skupaj opravljajo isto nalogo,

popravljajo napake na DNA, ki so nastale zaradi napak v podvajanju ali poškodb zaradi

drugih dejavnikov (Castrol et al., 2008).

Najbolj znan gen (TP53) oz. protein apoptotične poti je p53, ki ga pogosto imenujejo tudi

varuh genoma. Klasificiramo ga kot tumor supresorski protein, ki ima moţnost nadzorovanja

celične delitve, priklica popravljalnih poti in tudi sproţitve apopotoze/senescence, če je le to

potrebno. Vidi se, da apoptotične poti s popravljanimi mehanizmi delujejo vzajemno in imajo

kompleksno interakcije, navkljub različnemu evolucijskemu izvoru (Castrol et al., 2008).

9



Ni presenečenje, da so geni za stabilnost genoma starejši po svojem izvoru od genov za

apoptozo, saj ţe logika sama diktira, da apoptoza ne bo mehanizem popravljanja pri

enoceličnih organizmih. Tekom razvoja evkariontov so doţiveli geni za apoptozo mnogo več

podvojitev od genov za stabilnost genoma. Ti novi geni so preko koevolucije z geni za

stabilnost genoma ustvarili kompleksna omreţja regulacije in popravljanja (Castrol et al.,

2008).

Senescenca je evolucijsko modernejša pridobitev mnogoceličnih organizmov od apoptoze,

špekulacije so, da je ta mehanizem nastal prav z nastankom TP53 gena. Pojav senescence bi

lahko zniţal selekcijski pritisk na apoptozo in s tem povečal toleranco do neadaptivnih

procesov (genetski drift, mutacije in rekombinacije). To bi lahko pospešilo evolucijo (Castrol

et al., 2008).

3.2 EVOLUCIJA V KORIST RAKA – ANTAGONISTIČNA KOEVOLUCIJA IN

PLEOTROPIČNI UČINKI

Evolucija organizmov gre vedno v iskanje pozitivnih rešitev za posameznikov fitnes. V naravi

je antagonistična koevolucija pogost pojav, kjer se dve posamični, recimo temu evolucijski

enoti, borita za neko dobrino, ki prispeva k fitnesu te posamične evolucijske enote. Uporaba

pojma evolucijska enota je smiselna, ker le-ta ni nujno posamičen osebek. Lahko gre za

tekmovanje med posamezniki, skupinami, spoli, materami in potomci, intragenomskimi

elementi, paraziti in gostitetlji (Bernard in Summers, 2006).

V takšni antagonistični evoluciji pride do pojava več evolucijskih procesov:

– oboroţevalne tekme,

– borbe za dobrine (tug of war),

– pleiotropizma.

Pri tovrstnih procesih lahko pride do neravnovesja v evoluciji lastnosti organizma, gena … V

takem primeru se lahko ena lastnost v evoluciji prekomerno poudari. Takšna lastnost je lahko

koristna v specifičnem aspektu (običajno v aspektu naravne selekcije), lahko pa vodi do

negativnih učinkov kje drugje (Bernard in Summers, 2006).

10



Stranski produkt tovrstne evolucije je neravnovesje, pojasnjeno na enostavnem primeru:

Znotraj neke vrste ţivali imamo tekmovanje med posamezniki istega spola. Pomembna je

velikost, velikost omogoča preţivetje, omogoča, da samec premaga tekmece in posledično, da

ima potomce. Takšno tekmovanje ima učinek na gene, ki so odgovorni za posamične rastne

faktorje. Selekcijski pritisk na teh genih je takšen, da favorizira posameznike, ki imajo gene,

ki fenotipsko omogočajo produkcijo večjih količin rastnih faktorjev. Problem je, da ima lahko

tovrsten učinek negativen vpliv v drugih ozirih. Prav prekomerno produciranje rastnih

faktorjev bi lahko v nekem tkivu povzročilo ali pomagalo pri rasti neoplazij. V takšnem

primeru je prišlo do pozitivne selekcije gena povezanega z rakom (Bernard in Summers,

2006).

V praksi to običajno ni tako enostavno. Poznamo več specifičnih primerov antagonistične

evolucije:

– Konflikt med materjo in fetusom za hranila (tug of war) vodi v pojav invazivne

placentacije. Ta pojav si deli mnogo fizioloških in biokemičnih dejavnikov s procesom

somatske evolucije rakastih celičnih linij. Prav hitra evolucija genov za placentacijo,

vodi v (negativne) pleotropične učinke. To je verjetno razlog za pozitivno selekcijo

genov ADAM, ANG in kadherinov (Crespi in Semeniuk, 2004).

– Konflikt med samcem in samico lahko povzroči evolucijsko neravnovesje v

hormonski regulaciji, še posebej, kadar opazujemo vpliv testosterona in estrogenov na

reproduktivna tkiva, kot so testisi, ovariji, prostata in dojke (Bernard in Summers,

2006).

– Konflikt med samci (oboroţevalna tekma). Iz prej opisanega primera rastnih faktorjev

izhajata gena IGF1 in IGF2, ki ţeneta rast tumorjev (Bernard in Summers, 2006).

– Genomski imprinting in konflikt med očetovskimi in maternimi geni (epigenetski

proces utišanja ali ekspresije genov, specifično vezan na spol). Ti procesi imajo močan

vpliv na stopnjo celične rasti. Pri mnogih oblikah raka prav izguba imprintinga na

genih, povezanih s celično rastjo, vodi v razvoj raka (Bernard in Summers, 2006).

– Konflikt med parazitom in gostiteljem. Še posebej je izrazito med gostiteljem in

virusom. Virusi tarčno delujejo na mehanizme, ki povzročijo programirano smrt celice

(apopotozo). Primer tega je pojav, kjer virus pridobi onkogene ali tumor zavirajoče

gene, ki jih spremenjene vrne v genom. Predvideva se, da ima kar četrtina vseh

promotorjev raka tovrstne spremenjene sekvence. 15 % vseh rakastih obolenj sproţijo

11



virusi, kot so Humani papiloma virus, Epstein-Barr virus in Humani T-celični

levkemija virus (Summers et al., 2002).

– Konflikt med geni oz. njihovimi proteinskimi produkti. Čeprav so histoni eni najbolj

ohranjenih in konzervativnih proteinov v genomu, obstajajo tudi takšni, ki so pod

močnim selekcijskim pritiskom. Gre za nekaj centromernih histonov, ki sodelujejo pri

mejozi. Gradijo celični stroj, ki je odgovoren za posredovanje kromosomov v

razvijajoče se gamete. Ampak samo eden od štirih ustvarjenih produktov preţivi in je

vstavljen v jedro spolne celice. Ta selekcijski pritisk je vodil v nastanek gonilnih oblik

centromernih histonov, epigenetskih sprememb in prekomerno izraţenih histonov, ki

lahko vodijo v nastanek anevploidnih celic, ki so pomemben povzročitelj tumorne

rasti (Bernard in Summers, 2006).

Ena od starejših hipotez kot moţen vzrok za nagnjenost k tumornim spremembam navaja

hitro evolucijo določenih tkiv pri človeku. Na to nakazuje prevlada raka kostnega in

moţganskega tkiva pri otrocih. Ta tkiva so bila pri človeku pod največjim selekcijskim

pritiskom. Ta hipoteza je zelo ohlapna, ampak nakazuje potencialen vzrok za nastanek

pozitivne selekcije genov, povezanih z rakom (Bernard in Summers, 2006).

12



3 VIRI

Podlaha O., Riester M., De S., Michor F. 2012. Evolution of the cancer genome. Trends in

Genetics. 28, 4: 155–163

Yates L. R.., Campbell P. J. 2012. Evolution of the cancer genome. Nature reviews. 13: 795–

806

Campisi J. 2008. Aging and cancer cell biology. Aging cell. 7: 281–284

Castrol M. A., Dalmolin R. J., Moreira J. C., Mombach J. C., de Almeida R. M. 2008.

Evolutionary origins of human apoptosisand genome-stability gene networks. Nucleic Acids

Research. 36, 19: 6269–6283

Beausejour C. M., Campisi J. 2006. Balancing regeneration and cancer. Nature. 443, 28: 404–

405

Bernard J. C., Summers K. 2006. Positive selection in the evolution of cancer. Biol. Rev. 81:

407–424

Merlo L. M. F., Pepper J. W., Reid B. J., Maley C. C. 2006. Cancer as an evolutionary and

ecological process. Nature. 6: 924–935

Crespi B., Summers K. 2005. Evolutionary biology of cancer. Trends in Ecology and

Evolution. 20, 10: 545–552

Boland C. R., Goel A. 2005. Somatic evolution of cancer cells. Seminars in Cancer biology.

15: 436–450

Crespi B., Semeniuk C. 2004. Parent-Offspring Conflict in the Evolution of Vertebrate

Reproductive Mode. The American Naturalist. 163: 635–653

Summers K., da Silva J., Farwell M. 2002. Intragenomic conflict and cancer. Medical

Hypotheses. 59, 2: 170–179

Education

Evolucija raka - vpliv naravne selekcije na evolucijo onkoloških obolenj