bütün dersler için kaynak olarak kullanılan kitaplar

BÜTÜN DERSLER İÇİN KAYNAK OLARAK
KULLANILAN KİTAPLAR
• Basic Clinical Radiobiology , 4.baskı
Ed. Michael Joiner ve Albert van der Kogel
• Radiobiology for the Radiologist, 6.baskı
Eric J. Hall, Amato J. Giaccia
İyonizan Radyasyona Bağlı Hücre Ölümü
DNA tamir mekanizmaları
Sağkalım eğrisi
Klinik Radyobiyoloji Kursu
19-20 Şubat 2010 Ankara
Dr. Beste M. Atasoy
[email protected]
Dersin Başlıkları
• Radyasyonun hücresel düzeyde etkileri
• DNA ile etkileşimi
• DNA tamir mekanizmaları
• Hücre ölüm mekanizmaları
• Sağkalım eğrisinin tanımı
Kursun konusu, insanda habis hastalıkların iyonizan
radyasyon ile tedavisinin biyolojik temel ve
kanıtlarını incelemektir.
İYONİZAN RADYASYONLA ZAMANDA ve DOKULARDA YOLCULUK
saniye
10-18
10-12
10-6
100
106
Fiziksel
Kimyasal
Biyolojik
Fiziksel etkiler
10-18 – 10-14s
Enerji birikimi, iyonizasyon/eksitasyon
Kimyasal etkiler 10-12 – 10-1s
İndirekt etkiler/serbest radikal oluşumu (OH•, H•)
Biyolojik etkiler 100s  105s
100  103 gün
101  104 gün
Hücresel etkiler (DNA’nın tamiri)
Doku üzerine etkiler - erken dönem
Doku üzerine etkiler - geç dönem
İYONİZAN RADYASYON SEÇİCİ DEĞİLDİR.
NORMAL
MALIGN
DOKU
DOKU
HEDEF ?
H2O
Hasar küçük enerji paketleriyle gerçekleşir.
• Küçük enerji paketleri
Spur: <100 eV - 3 iyon çifti içerir -4nm
Blob: 100-500 eV – 12 iyon çifti – 7 nm
• Bir paketle aynı anda 20 baz hasarı
• Blob: Nötron, alfa partikülerde
• Spur: X-, gamma
• Büyük paket = Büyük hasar !!!
DNA
Radyasyona bağlı hücre ölümünde DNA hasarının kritik
önemi vardır.
1- Kısa menzilli RA izotopla DNA içinde
hasar oluşturan deneylerlerden elde
edilen veriler
Sitoplazma ışınlaması ile hücre
ölümüne neden olmak için daha
yüksek doz gerekmesi
2- Kromozom aberasyonları ile hücre
ölümü arasında var olan doğru orantı
Product
FaPy Guanine
8-Hydroxyguanidine
5-hydroxyhydantoin
Thymine glycol
Fapy Adenine
8-hydroxyadenine
2-hydroxyadenine
5-hydroxycytosine
5,6-dihydroxycytosine
5-hydroxymethyluracil
5-hydroxyuracil
No. of molecules/105
DNA bases
Fold increase over
background
34.4
23.3
23.2
10.2
10.0
5.5
4.9
4.7
4.1
2.8
1.8
13
3
2
6
3
2
2
2
13
4
5
İyonizan radyasyona maruziyet sonrası 20’ye yakın
baz hasar çeşidi görülebilmektedir; baz kayıpları da
oluşabilir.
M Dizdaroğlu Mutation Research,1992
Radyasyonun DNA üzerinde oluşturduğu hasar şekilleri
(Bir hücrede 1 Gy düşük LET’li radyasyondan sonra)
Baz hasarı
~3000
Şeker hasarı
~1000
DNA’da iyonizasyon ~2000
DNA’da eksitasyon
~2000
DNA-DNA crosslinks
~30
DNA-protein crosslinks ~150
Tek sarmal kırığı
~1000
Çift sarmal kırığı
~40
SSB ya da DSB oluşturmak için
gerekli en düşük enerjiler
•
SSB: 20 eV
•
DSB: 50 eV
McMillan & Steel, 1993
DNA hasarı
• Endojen DNA hasarı (hücre/gün)
50.000 SSB
10 DSB
• UV ve iyonizan radyasyon karşılaştırması
1000000 baz hasarı = 40 DSB
Clustered (kümelenmiş) hasarlar
Basit hasar
B*
Tek bir baz hasarı
Tek bir sarmal kırığı
Clustered (küme) hasar
B*
B*
İki baz hasarı
Her iki sarmal üzerinde kırık
B*
2 tek sarmal 1 baz hasarı
JF Ward, Radiat Res. 1981
JF Ward, Radiat Res. 1997
B*
B*
3 tek sarmal 1 baz hasarı
Radyasyon ve diğer ajanlara bağlı oluşan lezyonların
miktarları
Agent
DNA lesion
Ionizing radiation
ssb
dsb
LMDS
DPC
Bleomycin
ssb
dsb
UV light
T<>T dim er
ssb
Hydrogen peroxide
ssb
Number of
lesions per cell
per D 37
1000
40
440
150
150
30
400,000
100
2,600,000
Benzopyrene(a)pyrene 4,5-oxide
adduct
100,000
Aflatoxin
adduct
10,000
1-Nitropyrene
adduct
400,000
7-methylguanine
O 6-Methylguanine
3-Methylguanine
800,000
130,000
30,000
adduct
700,000
Methylnitrosourea
2-(N-acetoxy-N-acetyl)amino-fluorene
JF Ward Prog Nucleic Acid Res Mol Biol 1988
Işınlanan DNA için senaryolar
• Gen ekspresyonları
• Gen mutasyonları
• Kromozomal değişiklikler
• Genomik instabilite
• Hücre ölümü
TAMİR
DNA DAMAGE RESPONSE
DDR
HÜCRE SİKLUSU
• G1: GAP 1
• S: DNA REPLİKASYONU
• G2: GAP 2
• M: MİTOZ
• GO: DİNLENME
• Cdk kompleksi
Kurz & Lees-Miller, 2004
DNA hasarı
DSB
DNA hasar sensörleri:
PARP, MRN, ATM proteinleri
HÜCRE SİKLUSUNDA DURMA/GECİKME
DNA tamiri
TAMİR VAR
HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM
GENOM KUSURU YOK
TAMİR YOK
HÜCRE
ÖLÜMÜ
DNA tamiri: HR, NHEJ
TAMİR YOK / HATALI
MUTASYON
HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM
ONKOGENESİS
Radyasyon sonrası DNA tamiri üzerine etkili
faktörler
• Zaman (genellikle IR sonrası 6 saat içinde)
• Hücre siklusu, fazı (S fazında tamir oranı yüksek)
• Doz hızı
• Fraksiyon dozu/toplam doz
• Radyasyonun tipi/kalitesi
TAMİR MEKANİZMALARI
• BAZ EKSİZYON TAMİRİ (BER)
• YANLIŞ EŞLEŞMİŞ BAZLARIN TAMİRİ (MMR)
• SSB TAMİRİ (SSBR)
• DSB TAMİRİ (DSBR- HR – NHEJ)
• NÜKLEOTİD EKSİZYON TAMİRİ (NER)
Heleday 2008; Lieberman 2008; Powell & Bindra 2009;
Jackson & Bartek, Nature, 2009
DNA’nın tamiri: 1. Homolog rekombinasyon
5’
3’
Tek homologda DSB
• Memeli hücresindeki
önemi az
• Hücre çevriminin S ve
G2 fazlarında etkin,
• Doğru tamir ihtimali
yüksek
Ekzonukleaz aktivitesi
Eksizyon
Homolog sarmalın
invazyonu
BRCA1/2, RAD51
Yeni DNA’nın sentezi
DNA’nın tamiri: 2. Non-homologous
endjoining (NHEJ)
• Memeli hücresi için önemli yoldur.
•
Özellikle hücre çevriminin G1 fazında
etkindir.
• Hata ihtimali yüksek: DSB’nin en az
%25’i tamir olmaz ya da hatalı tamir
olur.
• Ku70/Ku80, Artemis, XRCC4, Ligase,
DNA-PKcs
Tamir kusuru olan mutantlarda radyosensitivite
100
CHO-9 (wild-type)
EM-C11 (XRCC1)
XR-C1 (Ku80 XRCC5)
Cell Survival (%)
10
1
0.1
0.01
0
2
4
6
8
Dose (Gy)
DSB tamir kusuru olan mutantlar wild type’a göre ~ 3 kat daha radyosensitif
DNA HASARININ TAMİRİ
NORMAL DOKUDA GERÇEKLEŞSİN.
TOKSİSİTE AZALSIN.
MALIGN DOKUDA GERÇEKLEŞMESİN.
TEDAVİNİN ETKİSİ ARTSIN.
PARP1 İNHİBİTÖRÜ- OLAPARIB (RZD2281)
Irradyasyon sonrası hücre nasıl ölür?
1. Apoptosis (tip 1 PCD): Ekstrinsik (Kaspaz) / intrinsik
2. Otofaji (tip 2 PCD)
3. Nekroz
4. Hücresel yaşlanma: Replikatif (premature)senescence
(metabolik olarak yaşayan ancak bölünmeyen)
5. Mitotik katastrof: Mitotik arrest!!!
6. Bystander (death) ölüm
Hücre ölüm
modelleri
REC:myc hücreleri 9.5 Gy IR’dan 40 saat
sonra; mavi: uniform hücre membranına
sahip hücreler, pembe: apoptotik hücreler
ve parçaları
HB Forrester, Cancer Res 1999
Apoptosis
TRAIL
TNF-related apoptosis inducing ligand
Kaspazlar
Bcl-2
Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür?
Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür?
1.Erken: pre-mitotik ölüm
İnterfaz ölümü; timosit, lenfosit, spermatogonia
SOLİD TÜMÖRDE ÖNEMİ AZ
2. Geç: post-mitotik ölüm
Reprodüktif / mitotik hücre ölümü
Neredeyse tüm proliferatif hücrelerin radyasyona
verdiği cevap geç dönem mitotik arrest şeklindedir.
EPİTELYAL HÜCRE İÇEREN DOKULAR
Mitotik ölüm (arrest-katastrof)
• Hücrenin proliferatif durumuna ve hızına bağlıdır.
• Erken ya da geç dönemde olabilir.
• Hücre birkaç bölünme daha yaşayabilir.
• DNA tamir kapasitesinden etkilenir.
• Arrest sonrası hücre herhangi bir nedenle ölebilir.
Kromozomal aberasyonlar= mitotik katastrofi nedeni
(Incorrect segregasion)
Karşılıklı değişimler (RE)
translokasyon Disentrik
Tam değişimler (CE)
trisentrik
Tam olmayan değişimler (IE)
Tam olmayan
translokasyon
Tam olmayan
disentrik
sentrik
ring
insersiyon
Kırıklar
terminal ve interstitial
delesyonlar
Mikronükleus oluşumu
TEMOZOLAMİD
Apoptosis ve otofaji
APOPTOTİK İNDEKS VE PROGNOZLA İLİŞKİSİ
• 6 çalışmada AI’in yüksek olması iyi
• 8 çalışmada AI’nin yüksek olması kötü
• 13 çalışmada anlamsız
Brown & Wilson, Cancer Biol and Ther 2003
Bystander death
Suzuki & Tsuruoka Biol Sci Space 2004
ÖZETLE
Irradyasyon sonrası hücre
DNA hasarı ve mitotik katastrof nedeniyle;
nekroz, otofaji, yaşlanma ve apoptosis
yollarından birini veya birkaçını kullanarak
ölür.
Kolonojenik assay
ve hücre sağkalım eğrisinin çizimi
Matematik modellere giriş
Sağkalım eğrisinin elde edilişi
S.F. = exp(-kD) (k: radyosensitivite)
Memeli hücresinde (in vitro) hücre
sağkalım eğrisi
HeLa hücre kültürü
TT Puck ve MI Marcus, J Exp Med 1956
Dersten öğrendiklerimiz
• Hedef molekül: DNA
• Çift sarmal kırığı (DSB)
• DSB tamiri: HR, NHEJ
• DNA damage response sistemi
• Mitotik arrest (katastrof)
• Hücre sağkalım eğrisi
ASTRO BOARD SORULARINDAN SEÇMELER