Mitmeastmeline vähitekeOnkobioloogia

Taavi Päll lektor, TTU

2/40

Recap

SenesentsOnkogeen indutseeritud senesents on tuumorsuppressor mehhanism mis toimibhealoomulised kasvajates.

OI senesentsi käivitavad mitogeenne hüperstimulatsioon (RAS, E2F1) ja on tingitudtekkivatest DNA kahjustustest.

Rakkude senesentsi võib põhjustada erinevat tüüpi stress.

·

·

·

4/40

Telomeerid ja immortalisatsioonTelomeerid on DNA-valk kompleksid, mis stabiliseerivad lineaarsed kromosoomide otsad.

Imetajate telomeerid koosnevad 5-15 kb pikkustest TTAGGG kordusjärjestustest, mislõppevad 3' üheahelalise overhang-iga.

Telomeeride pikkus määrab rakkude replikatiivse potentsiaali ja toimib tuumorsuppressormehhanismina.

Telomeeride pikkuse säilitamise eest vastutab telomeeraas (TERT) või alternative telomerelength (ALT) korrastus-mehhanism, mis põhineb rekombinatsioonil (>10% vähirakkudel).

Rakkude immortaliseerimiseks on neis vaja aktiveerida telomeraas.

60-80% inimese vähkidest on telomeraas positiivsed.

·

·

·

·

·

·

5/40

Mitmeastmeline vähiteke

Kasvaja progressioonPahaloomulise vähi teke on pikaajaline protsess, mis tavaliselt võtab aega aastakümneid.

Protsessi mille jooksul normaalsed rakud omandavad järk-järguliselt neoplastilise fenotüübinimetatakse vähi/tuumori/kasvaja progressiooniks.

Kasvaja progressioon põhineb rakkudes järjestikustelt akumuleeruvatel juhuslikelgeneetilistel või epigeneetilistel mutatsioonidel rakkude jagunemist, ellujäämist ja muudespahaloomulist fenotüüpi reguleerivates geenides.

Iga järgnev mutatsioon kujutab endast järgmise barjääri murdumist pre-maliigse raku teelpahaloomulise kasvuni.

·

·

·

·

7/40

Vähiteke on pikajaline protsessUSA andmete põhjal on 70 a. mehel 1000 korda kõrgem risk surra käärsoole vähki kui 10 a.poisil.

Sporaadiline vähk on vana ea haigus ja sellest lähtuvalt võtab pahaloomulise vähi tekeilmselt aega kümneid aastaid.

·

·

Andmed: Vasakul, Cancer Research UK ja paremal, SEER Cancer Statistics Review 1975-2011.

8/40

Vähitekke pikaajalisus: suitsetamise mõju kopsuvähilevikule USA-s

Kuni II maailmasõjani oli suitsetamine USAmeeste seas vähelevinud.

30-35 aastat hiljem, 1970ndate aastatepaiku, hakkas kopsuvähi intsidents järsulttõusma.

Praegu on ülemaailmne kopsuvähisuremus ~1.39 miljonit aastas, tipp peakssaabuma 2020-30-ndtate aastate paiku.

·

·

·

Andmed: Tobacco and the global lung cancer epidemic.

9/40

Vähi suremus on lineaarselt seotud vanusegaEpidemioloogiliselt on vähi suremuslineaarselt seotud vanusega (a) kus a onvahemikus kuni , .

Kui sündmuse tõenäosus on , siis sellisesündmuse toimumiseks peab enne asetleidma n+1 juhuslikku sündmust (m)suhteliselt sarnaste ajaliste vahedega.

Keskmine tõus (m-1 või n) kõrvalolevateandmete põhjal on 5.4 (vahemik: 1.6, 8.0).

Siit nähtub, et pahaloomulise vähi tekkekson vaja keskmiselt 5+1 = 6 sõltumatutsündmust.

·

a4 a7 λ(a) = k × am−1

· an

·

·

Andmed: GLOBOCAN 2012, IARC - 10.11.2014.

10/40

Tee vähini võtab tavaliselt palju aegaSoolevähi intsidents tõuseb tugevalt seitsmendal ja kaheksandal eludekaadil.

Seega, iga samm või sündmus vähi suunas toimub kord 5 kuni 10 aasta jooksul.

Kogu protsess võtab aega 20 kuni 40 aastat.

Siit nähtub, et koos vanusega tekib meisse kõigisse paratamatult ka rakke, mis on jubaläbinud mingi arvu (kuid mitte kõiki!) vähi tekkeni viivaid astmeid.

·

·

·

·

11/40

Osa vähke ei sõltu vanusestInimse mesotelioomide (vasakul, tekib asbesti sisse hingamisel ja suitsetamisest) ja hiirenahavähi (benzo[a]püreeniga naha värvimisel) epidemioloogiline analüüs näitab, et välisedkantserogeenid on võimelised vähki indutseerima kindla ajakava alusel.

Ka kopsuvähi intsidents sõltub pigem suitsetamise staazist kui vanusest ja suitsetamisemaha jätmisel risk enam ei suurene.

·

·

Pilt: Cancer epidemiology in the last century and the next decade.

12/40

Somaatiliste mutatsioonide arv inimese vähkidesÜlal, mittesünonüümsete mutatsioonidearv tuumori kohta eri paikmetestäiskasvanute ja pediaatriliste vähkidetäisgenoomi sekvenerimise andmetel.

All, mittesünonüümsete mutatsioonidemediaan erinevates vähitüüpides. Vurrudnäitavad diagrammil 25 ja 75% kvartiile.

·

·

MSI, microsatellite instability; SCLC, small cell lung cancers; NSCLC, non–small cell lung cancers; ESCC, esophageal squamous cell carcinomas; MSS,microsatellite stable; EAC, esophageal adenocarcinomas. Pilt: Number of somatic mutations in representative human cancers.

13/40

Juhtmutatsioonid ja reisijamutatsioonidMutatsioonid, mis annavad tulevasele vähirakule selektiivse eelise nimetatakse juht- võidraivermutatsioonideks (driver).

Enamus mutatsioone (>99.9%), mis vähis tekivad ei oma selektiivset tähtsust ja lihtsaltkanduvad "reisijatena" (passenger) edasi (sh. punktmutatsioonid, koopiarvu muutused,translokatsioonid ja epigeneetilised muutused üle terve genoomi).

Iga juhtmutatsioon annab tulevasele vähirakule lisa 0.4% suuruse tõusu jagunemise jaapoptoosi vahekorras, mis ühe-kahe jagunemise korral nädalas viib aastate jooksul suurevähimassi ( rakku) tekkeni.

·

·

·

> 109

14/40

JuhtmutatsioonidPraeguseks on leitud, et eksisteerib umbes140 geeni mille mutatsioonidkontributeerivad olulise osa vähkidetekkesse ja arengusse.

Driver geenid toimivad kümnekonnassignaalirajas ja reguleerivad kolme põhilistrakulist protsessi: rakudiferentseerumine, raku ellujäämine jagenoomi korrashoid.

Iga individuaalne vähk erineb omageneetiliste muutuste poolest, kuidmuutunud signaalirajad on samad.

·

·

·

Pilt: Cancer Genome Landscapes.

15/40

Mitmeastmelise vähi histopatoloogia: soolevähk

Tuumorid arenevad aja jooksulhealoomulisest seisundist kartsinoomideniakumuleerides mutatsioone.

Kõige esimene "gatekeeping" mutatsioonannab jagunevale normaalseleepiteelirakule selektiivse eelise.

Soolevähis toimuvad sellised gatekeepingmutatsioonid APC geenis (LOH kr. 5q).

·

·

·

Selline adenoom kasvab aeglaselt, kuidsekundaarne KRAS mutatsioon põhjustabteise ringi klonaalse ekspansiooni (kasvu).

Ainult APC mutatsiooni kandvad võivadküll alles jääda, kuid nende arv on väikevõrreldes APC-KRAS mutantidega.

Edasised klonaalsed ekspansioonid onseotud mutatsioonidega PIK3CA, SMAD4(LOH kr. 18q21) ja TP53 (LOH kr. 17p)geenides ning viivad pahaloomulise vähitekkeni.

·

·

·

Pilt: Cancer Genome Landscapes.

16/40

Iga vähk on läbinud unikaalse muutuste rajaGeneetiliste muutuste jada, mis viib pahaloomulise vähi tekkeni, pole siiski korrastatultlineaarne ja kindla järjekorraga vaid on pigem igas kasvajas unikaalne.

Soolevähid küll saavad suure (>80%) tõenäosusega alguse APC geeni mutatsioonidest, kuidedasine areng on stohhastiline.

Varieeruvusest annab aimu driver geenide mutatsioonisagedused.

·

·

Pilt: Comprehensive molecular characterization of human colon and rectal cancer.

17/40

Kompleksne klonaalne evolutsioon vähisBarretti söögitoru (BE) areng kartsinoomiks sisaldab TP53 ja CDKN2A mutatsioone ningrekurentseid LOH-e (5q, 9p, 13q, 17p, 18q).

Pilt: Barrett et al., 1999.

18/40

Field cancerization, vähialaMingis piiratud anatoomilises piirkonnas rohkelt tekkivad vähikolded pärinevad samastneoplastilisest alast.

1953, Slaughter et al. kasutasid mõistet vähiala (�eld cancerization) suuõõne vähikirjeldamisel.

Slaughter et al. tegid suuvähi histoloogilisel analüüsil sellised järeldused:

·

·

·

suuõõne vähk areneb multifokaalsetest vähieelsetest seisunditest,

vähki ümbritseb ebanormaalne kude,

suuõõne vähk koosneb mitmetest sõltumatutest kahjustustest, mis mõnikord on kakokku kasvanud,

ebanormaalse koe säilimine peale kasvajate eemaldamist võib seletada sekundaarseteprimaarsete tuumorite teket ja lokaalset relapsi.

-

-

-

-

19/40

Vähiala on kirjeldatud erinevates kasvajatüüpidesVähipaikmed, mille puhul on kirjeldatud vähiala efekt ja kus on jälgitav mitmeastmelinetumorigenees:

suuõõs, neel: tubaka tarvitamine 4-10 a. düsplastiline suu leukoplakia 5-15 a. vähk;

kops: 20 kuni 40 paki aastat (1 pakk päevas) vähk;

emakakael: CIN1 9-13 a. CIN3/CIS 10-20 a. vähk;

käärsool: 15-20 a. adenoom 5-15 a. vähk;

rind: atüüpiline hüperplaasia DCIS 6-10 a. vähk;

eesnääre: 20 a. PIN 10 a. latentne vähk 3-15 a. vähk.

kusepõis, söögitoru, tupp, nahk;

· → →

· →

· → →

· → →

· → →

· → ≥ → →

·

CIS, carcinoma in situ; CIN, cervical intraepithelial neoplasia; DCIS, ductal carcinoma in situ; PIN, prostatic intraepithelial neoplasia.

20/40

Mitmeastmelise kartsenogeneesi mudel, HNSCCTüvirakk muteerub ja tütarrakkudestmoodustub muteerunud rakkude lapike(patch).

Kahjustatud lapike kasvab ja asendabterves piirkonnas normaalse epiteeli(field).

Kahjustuse suurenedes tekivadmuteerunud subkloonid.

Mõnest divergeerunud kloonist arenebvälja invasiivne vähk.

·

·

·

·

Allikas: Braakhuis, 2003 ja Leemans, 2011.

21/40

Lahti lõigatud värskelt opereeritud käärsooleosa milles on kartsinoom ja neli polüüpi.Diagramm näitab võimalikku defektset alasooles, mis eelneb vähitekkele ja soodustabvähiteket. Diagrammil on värviga näidatud kavähi sub- ja sub-subkloonid.

Vähiala soolevähis

Allikas: Wikipedia.

22/40

Kasvaja geneetiline heterogeensusKasvajasisene geneetiline heterogeensus peamine mehhanism, millel põhineb vähiprogressioon ja ravimiresistentsus.

Kaks alternatiivset hüpoteesi heterogeensuse kohta:

·

·

klonaalne evolutsioon vähis,

vähi tüvirakkude hüpotees.

-

-

23/40

Topography of cancer subclones

a, Tissue section of prostate to detect genetic events: TMPRSS2–ERG fusion (ERG viarearrangement (ERGR)) and PTEN loss. b, The presumed sequence of clonal events.

Allikas: Clonal evolution in cancer.

24/40

Klonaalne evolutsioon vähis"Darwinlik" evolutsioonimudel võiks kirjeldada ka muutsi vähirakkude populatsioonis.

Vähi ja ümbritseva koe mikrokeskkond tingib selektiivse pressi geneetiliseltheterogeensetele vähikloonidele.

Ekspandeeruvad (ja uusi mutatsioone akumuleerivad) ainult need kloonid, millel esinevadantud mikrokeskkonnas jagunemiseks ja ellujäämiseks vajalikud omadused.

·

·

·

Allikas: Clonal evolution in cancer.

25/40

Vähi tüvirakudKas vähi arengusse kontributeerivad kõik vähirakud võrdselt või tekivad vähirakud kõrgeregeneratiivse potentsiaaliga vähi tüvirakkudest.

Pilt: Stem cells, cancer, and cancer stem cells.

Vähi tüvirakud on vähis olevate rakkudeminoorne subpopulatsioon mis onvõimelised ennast taastootma ja ontumorigeensed.

Vähi tüvirakud on rakulised draiverid,millel põhineb subkloonide ekspansioon.

Erinevates kasvajates on tüvirakke erinevalhulgal ja erineva fenotüübiga.

Ainuke tunnus, mis neil peab olema onenese taastootmine (self renewal).

·

·

·

·

26/40

Mutant K-Ras, but not mutant N-Ras, promotes hyperplastic growth in thecolonic epithelium.

Normaalsed rakud on transformatsioonileresitentsed

Pilt: Haigis et al., 2008.

Immortaliseeritud NIH3T3 rakudtransformeerusid H-ras onkogeenigatransfekteerimisel st. piisas justkui ühestaktiveeritud onkogeenist.

Tõeliselt primaarsed rakud mis oneraldatud hiirest ja rotist ras-i sisse viimiselei transformeeru.

K-ras-i koespetsiifiline ekspressioon hiiresooleepiteelis põhjustab ainultsooleepiteeli muutumise hüperplastiliseks(kõrval olev pilt).

·

·

·

27/40

Transformatsiooniks on vaja vähemalt kahtemutantset geeniSeminaalsed katsed 1980.ndatel näitasid, et

Polüoomiviiruse onkogeenid large T ja middle T olid siiski võimelised hiire primaarseid rakkeimmortaliseerima (LT) ja transformeerima (MT).

Roti embrüo fibroblastid transformeerusid ainult myc ja ras koostransfekteerimisel, mitteaga kummagagi eraldi.

Inimese promüelotsüütses leukeemias oli olemas nii aktiveeritud N-ras kui myc.

·

·

·

28/40

Kollaboreeruvad onkogeenid kuuluvad kahte klassi1. RAS-taolised: tsütoplasma mitogeenne stimulatsioon.

2. MYC-taolised: rakutsükli kontrolli override tuumas.

29/40

Kollaboreeruvate onkogeenide näited in vitro ja in vivo"RAS­SARNANE" ONKOGEEN "MYC­SARNANE" ONKOGEEN MUDEL, RAKK, ORGAN

In vitro transformatsioon

ras myc transfekteeritud roti embrüo fibroblastid (REF)

ras E1A transfekteeritud roti neerurakud

ras SV40 large T transfekteeritud REF

Notch­1 E1A transfekteeritud roti neerurakud

In vivo tumorigenees

middle T large T polüoomiviirus­indutseeritud hiirekasvajad

mil(=raf) myc MH2 linnu leukeemiaviiruse kana tuumorid

erbB erbA linnu erütroblastoosiviiruse kana tuumorid

pim1 myc hiire leukeemiaviirus hiire tuumorid

abl myc hiire leukeemiaviirus hiire tuumorid

Notch­1/2 myc tüümuse kasvajad transgeenses hiires

bcl2 myc follikulaarsed lümfoomid transgeenses hiires

30/40

Inimese rakud on transformatsioonile resistentsed

RADA GEEN/AGENT

Ras ras

pRb CDK4/6­D1, SV40 LT, HPV E7

p53 DNp53, SV40 LT, HPV E6

telomeerid hTERT, myc+SV40 LT

PP2A SV40 small t, myc, Akt/PKB+Rac1, PI3K

Erinevalt roti-hiire rakkudest inimese primaarsed rakud koekultuuris spontaanselt eiimmortaliseeru.

Samuti ei transformeeru inimese rakud lihtsalt kahe onkogeeni sisse viimisel, lisaks on vajainaktiveerida ka p53 ja pRB (nt. SV40 large T ja small t abil).

·

·

Inimese primaarsete fibroblastide transformeerumine kultuuris saavutati (1) telomeraasiüle-ekspresiooni, (2) RAS-, (3) MYC-ekspressiooni ja (4) p16INK4a vaigistamise teel (Draytonet al., 2003).

·

31/40

Transformatsiooni resistentsus on tingitud mitoosidearvust

Põhjus miks inimese ja teiste pikaealiste imetajate rakud on evolutsiooniliselt kujunenudresistentsemaks transformatsioonile tuleneb ilmselt ka sellest, et kui hiire rakud läbivadsummaarselt mitoosi elu jooksul, siis inimese rakud teevad läbi mitoosi.

·

1011 1016

32/40

Vähitekke tempo lähtub mutatsioonikiirusestVähitekke kiiruse määrab stohhastiliste mutatsioonide akumuleerumine, mida võib oluliseltkiirendada ekspositsioon välistele mutageenidele.

Ka kopsuvähi intsidents sõltub pigem suitsetamise staazist (nn. paki aastad) kui vanusest jasuitsetamise maha jätmisel risk enam ei suurene.

·

·

33/40

Vähiteke ja mittemutageensed promootorid

DMBA, 7,12-dimetüülbenz[a]antratseen; TPA, 12-O-tetradekanoüülforbool-13-atsetaat (PMA, phorbol 12-müristaat 13-atsetaat). TPA toimib diatsüülglütserooli(DAG) analoogina ja aktiveerib PKC erinevaid isovorme. Pilt: Reddig et al., 2000.

Hiire nahavähi tekkeks ei piisa ainultmutageeni (DMBA) pintseldamisestnahale.

Samuti ei piisa nahavähi (papilloomide)tekkeks ainult põletikulise toimegaTPA/PMA pintseldamisest.

Mittepüsivad papilloomid tekivad hiirenahale alles siis kui kõigepealtpintseldatakse DMBA-ga ja seejärelmitmekordselt TPA-ga.

Kui püsivaid papilloome pintseldativeelkord DMBA-ga (teistkordnemutagenees) arenes välja kartsinoom.

·

·

·

·

34/40

Inimese kasvajates on mittemutageensetekspromootoriteks mitogeenid ja põletik

75% pea-kaela (suu-neelu) kasvajatest inimesel tekivad suitsetamise (mutageen) ja alkoholi(promootor) koostoimest.

Sigaretisuits toimib mutageenina.

Alkohol põhjustab suu limaskesta rakkude kiirenenud irdumist, mis paneb muidu suhteliseltaeglaselt jagunevad limaskesta tüvirakud samuti kiirenenud tempos jagunema.

Rakud mis limaskesta regenereerudes jagunevad võivad juba kanda suitsetamisest tingitudmutatsioone.

·

·

·

·

35/40

Rinnavähk - promootoriks on kehaomane hormoonMenstruaaltsüklis toimuvad hormonaalsed muutused, millega kaasneb ka rinnanäärmerakkude jagunemine.

Epidemioloogiliselt on leitud, et mida rohkem tsükleid naine elu jooksul läbib, seda kõrgemon rinnavähi risk.

Naistel kellel saabub menopaus 45 aastaselt on poole väiksem rinnavähi risk kui neil kelmenopaus saabub 55+ eluaastast.

Munasarjade eemaldamine vähendab rinnavähi riski nulli.

Taanis, mitte-Hodgkinsi lümfoomi nais patsientidel, kel saabus kemoteraapiast tingitudmenopaus enne 36 eluaastat langes rinnavähi risk 90%.

Teisalt, post-menopaussetel naistel kellel tekib rinnavähk on veres keskmiselt 15% kõrgemöstrogeeni tase.

·

·

·

·

·

·

36/40

HBV põhjustatud krooniline põletik on ükspeamisi HCC põhjustajaid.

Kroonilised põletikud: HBV ja maksavähkHBV krooniline nakkus põhjustab 80% maksakasvajatest (HCC) ja globaalselt sureb iga aasta~500,000 inimest sellesse haigusesse.

HBV valk HBx on küll hiires tumorigeenne(HCC tekib 13 kuu pärast, myc+HBx HCC 6kuu pärast).

HBV nakkus on sünergiline Aspergillus eaflatoksiin B1-ga. Aflatoksiin on tugevaltmutageenne.

HBV nakkus tõstab HCC riski 7 korda.

Aflatoksiini sisaldava toidu söömine tõstabriski 3 korda.

Mõlema koostoimes tõuseb HCC risk 60korda!

·

·

·

·

·

Pilt: Farazi & DePinho, 2006.

37/40

MALT lümfoomidMALT: gastric mucosa associated lymphoid tissue.

Helicobacter pylori nakkus toimib MALT lümfoomides promootorina.

75% MALT lümfoome on võimalik ravida antibiootikumidega.

25% on muutunud promootor-sõltumatuks ja ei vasta enam antibootikumidele. Ilmselttingituna MALT lümfoomides sagedasele t(11;18) translokatsioonile, mille tagajärjel tekibfuusion onkovalk API2-MLT MALT1 C-terminusest ja c-IAP2 N-terminusest.

·

·

·

·

38/40

Lingid teistele loengutele

Sissejuhatav loeng

Vähitüübid

Onkoviirused

Onkogeenid

Retseptorid

Signaalirajad

Tuumorsupressorgeenid

Rakutsüklikontroll

·

·

·

·

·

·

·

·

p53 ja apoptoos

Immortalisatsioon

Tumorigenees

Genoomiterviklikkus

Mikrokeskkond

Metastaasid

Immuunsus

Vähiravimid

·

·

·

·

·

·

·

·

40/40