Kanserin Moleküler Genetik Temelleri

İ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Sürekli Tıp Eğitimi Etkinlikleri
Güncel Klinik Onkoloji
Sempozyum Dizisi No: 37 • Aralık 2003; s. 9-15
Kanserin Moleküler Genetik Temelleri
Prof. Dr. Fuat H. Demirelli
Kanser, bir başka tanımla normal hücrelerin malign dönüşüme uğraması,
uzun bir zaman süreci içinde genetik materyalin mutasyonlar etkisi ile hasara
uğraması sonucu oluşur.
Malign dönüşüme yol açan bu mutasyonlar etkiledikleri hücresel mekanizmalara göre şöyle sınıflanabilir;
• Büyüme ve hücre üreyişini teşvik eden proto-onkogenlerin aktivasyonu
• Hücre çoğalmasını denetleyen tümör baskılayıcı genlerin inaktive
olması
• Programlanmış hücre ölümü, apoptozisin engellenmesi
• DNA onarım enzimlerinin inaktivasyonu
Karsinogenezis, bu yaşamsal hücresel yönetim ve denetim mekanizmalarının birer birer devre dışı kalması sonucu kontrolsuz hücre çoğalması, çevre
dokuların invazyonu ve uzak organlara metastaz sürecini kapsar.
ONKOGEN AKTİVASYONU
Onkogenler, hücre çoğalmasını yöneten proto-onkogenlerin fizyolojik
gereksinimlerin ötesinde proliferasyon uyarıları doğuracak şekilde mutasyona uğramaları ile aktive olurlar. Bir başka deyişle, hücre bu genetik değişimle
daha önce sahip olmadığı bir fonksiyon kazanmış olur (gain-of-function).
Onkogen aktivasyonları nokta mutasyonları ile oluşabildiği gibi (örn. ras
onkoproteinleri), kromozom translokasyonu (örn. 8; 14 translokasyonu sonucu c-myc aktivasyonu) ve gen amplifikasyonu (örn. meme kanserinde her 2
neu) sonucu gerçekleşebilir.
Onkogenler, hücre çoğalmasını uyaran büyüme faktörlerinin hücre membranı üzerindeki reseptörlerine bağlanmasından nukleus içinde hücre bölünme-
9
• Fuat H. Demirelli
si ile ilgili genetik materyalin transkripsiyonuna değin tüm aşamaları etkileyen proteinleri kodlarlar.
BÜYÜME FAKTÖRLERİ VE BÜYÜME FAKTÖR RESEPTÖRLERİ
Büyüme faktörleri hücre çoğalması ve diferensiyasyonunu uyaran polipeptid yapısında moleküllerdir. Hücre yüzeyinde yer alan spesifik reseptörleri
uyararak etki gösterirler. Kanser gelişiminde birçok büyüme faktörü ve reseptörlerinde regulasyon bozukluğu kanserli hücrelerin kontrolsuz üreyişlerinde
önemli rol oynamaktadır. Büyüme faktörlerinin üretiminde, hücre yüzeylerindeki reseptör ekspresyonunda ve neden oldukları hücre içi mitojenik uyarı
yollarında gözlenen düzensizlikler tümör progresyonunda etkin patogenetik
mekanizmaları oluştururlar. Moleküler biyolojide 1980’li yıllardan itibaren
yaşanan gelişmeler birçok onkogenin mutasyona uğramış büyüme faktörleri veya bunların hücre dışından uyarılmaya gerek duymaksızın sürekli aktif
kalan reseptörlerden kaynaklandığını ortaya çıkarmıştır.
Büyüme faktörlerinin reseptörleri üç ana grupta toplanır:
• faktöre özel iyon kanalları (ligand-gated ion channels)
• GTPaz ilişkili reseptörler
• protein kinaz ilişkili reseptörler
Büyüme faktörlerinin büyük çoğunluğu bu son grup reseptörleri uyararak
etki gösterir. Bu reseptörler ligand bağlayan hücre dışı bölüm, transmembran
segment ve hücre içinde tirozin kinaz aktivitesine sahip bölüm olmak üzere üç
yapıdan oluşur. Reseptör uyarıldığında hücre içi bölümdeki tirozin molekülleri otofosforilasyona uğrar. Bu fosforillenmiş tirozin kalıntılarının ana görevi
enzimin katalitik parçalarına hücre içi substratların bağlanmasını kontrol
etmektir. Böylece moleküler sinyalizasyonda rol oynayan bileşiklerin bu segmentlere bağlanmasını (docking) düzenlerler.
Büyüme faktörünün reseptöre bağlı kalması sürekli bir olay değildir.
Ortalama yarım saat içinde hem büyüme faktörü hem de bağlandığı reseptör
endozomlar halinde hücre içine internalize edilir. Endozom içinde ligand ve
reseptör birbirinden ayrılır ve lizozomlara nakledilerek katabolize edilirler.
Bu süreç içerisinde serbestleşmiş reseptörlerin yeniden hücre yüzeyine yollanarak geri dönüşümü (recycling) de söz konusu olabilir.
Büyüme faktörleri vücuttaki tüm hücreler tarafından salınabilir. Çevre hücrelerdeki reseptörlerin uyarılması ‘parakrin’ etki olarak adlandırılır. Büyüme
faktörünün üretilip salındığı hücrelerin yüzeyindeki reseptörlerin aynı hücre
tarafından salgılanan faktörlerce uyarılması ise ‘otokrin’ etki olarak nitelenir.
Normal olarak dışarıdan gelmesi gereken uyaranın hücrenin kendisi tarafın-
10
Kanserin Moleküler Genetik Temelleri •
dan üretilmesi kanser hücrelerinin dokuların düzen ve bütünlüğünü sağlayan
regülasyondan kaçmasını sağlayan önemli bir mekanizmadır.
Büyüme faktörleri durağan hücrelerin hücre siklusuna girmelerini sağlamanın yanısıra bazı hücrelerin yaşamlarını sürdürmesini de destekler. Bunun
bir yolu fosfoinozitil 3-kinaz (PI3K) enzimini aktive ederek bu hücrelerin apoptozis yolu ile ortadan kalkmasını engelleyip büyüme ve yaşamlarını sürdürmesini sağlamak şeklinde gelişir.
Kanser gelişiminde rol oynayan önemli büyüme faktörü gruplarını kısaca
gözden geçirelim;
Epidermal Büyüme Faktörü Ailesi
Epidermal büyüme faktörü reseptörünü bir grup benzer yapıda ligand
uyarır.TGF-alfa ve EGF (epidermal büyüme faktörü) bu grup içinde en yaygın tanımlanmış büyüme faktörleridir.
EGF reseptörü yapısal olarak benzerlikler taşıyan 4 üyeli erb-B reseptör
ailesinin ilk tanımlanmış üyesidir. Bu ailedeki diğer reseptörler HER-2 (c-erbB2), HER-3 (c-erb-B3) ve HER-4 (c-erb-B4)’dür. Bu reseptörler ligand ve substrat özgüllüğü itibariyle farklılıklar göstermesine rağmen uyarıldıklarında
homo- veya heterodimer oluştururarak birlikte etkileşim gösterirler.
EGF Reseptörü (her 1)
Birçok epitelyal tümör hücre yüzeyinde artmış sayıda EGF reseptörü içerir. Aynı hücreler aynı zamanda artmış TGF-alfa üretimi de yaparlar. Örneğin,
EGF reseptörleri normal barsak epitelinde fizyolojik olarak eksprese edilir ve
TGF-alfa kolon epitel hücreleri için fizyolojik büyüme stimülanı olarak etki
yapar. Anti-EGF reseptörü etkili monoklonal antikorların hem normal hem
malign kolon epitel hücreleri üzerine inhibitör etkisi gösterilmiştir.
Her 2 (c erb B2)
HER2 reseptörünün uyaranı henüz belirlenmemiştir. Başta meme kanseri
olmak üzere çeşitli epitelyal tümörlerde HER2 reseptörünün amplifikasyonu
gözlenmiştir. Bunun sonucu olarak tümör hücrelerinin yüzeyinde çok sayıda
reseptör bulunmakta ve bu hücrelere agresif bir fenotip niteliği kazandırmaktadır. Artmış bu reseptöre yöneltilmiş monoklonal antikor trastuzumab tüm
dünyada yaygın klinik kullanıma girmiştir.
PDGF (Platelet-Derived Growth Factor)
PDGF ailesi büyüme faktörleri mezenkim-kökenli hücreler için önemli
mitojenik etkiye sahip moleküllerdir. PDGF reseptörleri özellikle bağ dokusu,
11
• Fuat H. Demirelli
düz kas hücreleri ve vasküler endotelyal hücrelerin yüzeyinde yer alır. Bu
hücrelerin migrasyonu, kontraksiyonu ve çoğalması gibi biyolojik fonksiyonlarında rol oynarlar. Ateroskleroz, karaciğer sirozu ve romatoid artrit gibi hastalıkların patogenezinde rol oynamakla birlikte tümör gelişiminde oynadıkları
rol tam olarak aydınlatılmamıştır.
IGF (Insulin-like Growth Factor) ailesi
Bu grupta üç peptid yapıda hormon yer alır: insulin, IGF-I ve IGF-II. Tek
başlarına mitojenik etki gösteremeseler de ‘progresyon’ faktörü olarak rol
oynarlar. Bu faktörlerin aynı zamanda apoptozisi, özellikle sitotoksik ilaçların
etkisi ile oluşan apoptotik etkiyi engelledikleri bilinmektedir. Meme kanseri
patogenezinde de artmış insulin reseptörlerinin rolü olabileceği düşünülmektedir.
FGF (Fibroblast Growth factor family)
Fibroblast büyüme faktörü ailesi polipeptid yapısında önemli büyüme ve
diferansiyasyon etkili moleküller içerir. Her ne kadar ilk olarak mezodermal
hücreler üzerindeki etkileriyle tanınmış olsalar da epitelyal tümörlerin gelişiminde de önemli rol oynarlar. Tümör ve stromal hücreler üzerindeki etkilerinin yanısıra en güçlü angiogenik etkiye sahip moleküller olarak bilinirler.
TGFβ
TGFβ reseptör kompleksi birçok tümörde inaktive olduğu gösterilmiş
önemli bir tümör baskılayıcı gendir. Karakteristik mutasyonlar kolon ve gastrik kanserde gözlenir. TGFβ hücre yüzeyinde yer alan ve tümör baskılayıcı rol
oynayan bir büyüme faktörü reseptörü olarak özel bir konuma sahiptir. Normal epitelyal hücrelerde antiproliferatif etkiye sahip olmakla birlikte birçok
epitelyal tümör TGFβ ya karşı direnç gösterir. Bunun ötesinde birçok malign
hücre klonu TGFβ uyarısına proliferatif yanıt ile karşılık verirler. Bu da malign
hücrelerdeki bozulmuş regülasyon mekanizmalarına bir örnek teşkil eder.
ONKOGEN AKTİVASYONU VE HÜCRE İÇİ SİNYAL İLETİMİ
Hücre dışından kaynaklanan büyüme ve çoğalma uyaranları ilgili reseptörlerine bağlandıktan sonra hücre içinde ikincil aracılar (second messenger) vasıtası ile uyarıyı nukleusa iletirler. Bu ikincil aracıların harekete geçirilmesinde
ras proto-onkogeni önemli bir rol oynar.
Ras proto-onkogeni solid tümörlerde en sık mutasyona uğrayan genlerden
biridir. Tüm epitelyal tümörlerin yaklaşık %10 ila 20’sinde ras mutasyonları
saptanmaktadır.
12
Kanserin Moleküler Genetik Temelleri •
Ras onkoproteini guanosin trifosfat-bağlayan proteinler ailesinin önde
gelen bir üyesidir. Plazma membranının hemen altında büyüme faktörü reseptörlerinin intrasitoplazmik bölümlerine komşu olarak yer alır. GDP (guanozin
difosfat) bağlı iken inaktif olan ras, büyüme faktörü uyarısı ile GTP’ye bağlanır ve aktif hale geçer. Böylece ras bir yandan nukleusa doğru mitojenik uyarıyı iletecek sinyal silsilesini başlatırken bir yandan da intrensek GTPaz aktivitesi ile GTP’den disosiye olur ve yeniden GDP bağlayarak inaktif hale geçer.
Böylece mitojenik uyarıda sınırlandırılmış olur. Mutant ras proteinleri sıklıkla
GTPaz fonksiyonları güdük kalmış proteinlerdir ve bu nedenle ya dış uyarı
almaksızın aktive olur (konstitüsyonel aktivasyon) veya daha uzun süreli sinyalizasyona neden olurlar. Her iki koşulda da hızlanmış hücre proliferasyonu
söz konusudur. Bu durum vitesi ‘beşinci viteste takılı kalmış’ bir otomobile
benzetilebilir. Hızlı hücre bölünmesi aynı zamanda replikasyon hatalarının
düzeltilmesine daha az zaman tanıdığı için genomik istikrarsızlığa da neden
olarak mutasyonların oluşmasını da kolaylaştırır.
Nükleer Transkripsiyon Faktörleri
Büyüme ve proliferasyon uyarılarının nihai hedefi DNA üzerinde büyüme
ve replikasyon fonksiyonlarını yöneten genlerdir. Bu kritik genlerin transkripsiyonu nükleer transkripsiyon faktörleri adı verilen ve DNA ya bağlanarak
etki gösteren proteinlerin kontrolundadır.
Nükleer transkripsiyon faktörleri içinde malign transformasyona neden
olduğu en iyi kanıtlanmış olanlardan biri c-myc proto-onkogenidir. Normal
hücre proliferasyonu dışında, sürekli c-myc ekspresyonu Burkitt lenfoması
oluşumunda patogenetik rol oynar. c-myc geninin yer aldığı kromozom 8
segmenti Burkitt lenfomasında kromozom 14 de yer alan immunoglobulin
sentezini yöneten genlerin yer aldığı bölümün komşuluğuna transloke olur.
Bu şekilde sürekli olarak aktive olan c-myc, bu translokasyonu içeren lenfoid
dokularda malign transformasyona zemin hazırlar.
KANSER OLUŞUMUNDA SİKLİNLER VE SİKLİNE BAĞLI KİNAZLAR (CDK)
Hücre çoğalması,istirahat halindeki hücrelerin mitotik bölünmenin gerçekleştiği hücre siklusuna girmesi ile başlar. Bu süreç normal hücrelerde çok sıkı
denetlenen bir biyolojik olaydır. Hücre siklusunun belli fazlarında siklin adı
verilen proteinler eksprese olur. Bu proteinlerin varlığında aktive olan sikline
bağlı kinazlar (CDK) kilit proteinleri fosforilleyerek hücre bölünmesini gerçekleştirir. Bu etkilerin fizyolojik sınırlarda kalmasını sağlayan, yani sikline bağlı
kinazların etkinliğini sınırlayan proteinler sikline bağlı kinaz inhibitörleri
(CDKI) olarak adlandırılırlar.
13
• Fuat H. Demirelli
Siklinlerin, özellikle siklin D, uygunsuz ekspresyonları, sikline bağlı kinaz
inhibitörlerinin inaktivasyonuna neden olan mutasyonlar ve aşırı CDK ekspresyonu birçok kanserin oluşumunda rol oynayan mekanizmalar arasındadır.
TÜMÖR BASKILAYICI GENLER, DNA ONARIM ENZİMLERİ VE APOPTOZİS
Yeryüzündeki fiziksel etkenler, diyet ve tütün kullanımı gibi yaşam tarzından kaynaklanan yüzlerce neden genetik materyel üzerinde sürekli bir
mutasyon baskısı oluşturur. Yaşamın her anında sürekli oluşan mutasyonlar
genomun bütünlüğünden sorumlu genlerin kodladığı proteinler tarafından
saptanır ve etkisiz hale getirilir. Genetik materyalin denetiminden sorumlu bu
genler bu şekilde aşırı ve kontrolsuz hücre çoğalmasına yol açabilecek mutasyonları ortadan kaldırırlar. Genel olarak, tümör baskılayıcı genler olarak adlandırılan bu genlerin en kapsamlı tanımlanmış olanı p53 genidir. Normal koşullarda pek az eksprese olan p53 geni DNA üzerinde bir hasar oluştuğu zaman
hücre bölünmesini o aşamada durdurur (cell cycle arrest) ve hasarın niteliğini
değerlendirir. Bir bakıma, p53 DNA’nın bütünlüğünden sorumlu bir güvenlik
görevlisi gibi fonksiyon görür (guardian of the genome). Eğer DNA hasarı onarılabilecek nitelikte ise DNA onarım enzimleri göreve çağrılır, hasarlı segment
kesilip çıkartılır ve doğru sıralamaya göre segment yeniden sentez edilir. Eğer
hasar daha büyük boyutlu ise,hücre bölünmesi iptal edilir ve hücre programlanmış hücre bölümü apoptozisi aktive ederek yaşamına son verir.
P53 gen mutasyonları insan kanserlerinde en sık raslanan mutasyonlar arasındadır. p53 mutasyonları tümör progresyonuna neden olduğu gibi tedaviye
direnci de belirler.
Tümör hücreleri programlanmış ölümden de kaçacak mekanizmalar geliştirirler. Apoptotik ölüme direnç kanser hücrelerinin önemli özelliklerinden
biridir. Apoptozise direnci belirleyen bcl-2 ailesi proteinler folliküler lenfomaların yanısıra birçok epitelyal tümörde de aşırı ekspresyona uğrar. Böylece
‘ölümsüzleşen’ tümör hücreleri genetik materyallerindeki birçok anormalliğe
rağmen yaşamaya ve çoğalmaya devam ederler.
DNA hasarlarının onarımını sağlayan enzimler de malign transformasyon önündeki fizyolojik engellerden biridir. Bu enzimleri etkisiz hale getiren
mutasyonlar edinsel somatik nitelikte gelişebildiği gibi ‘germ-line’ mutasyon
olarak kalıtsal olarakta yeni kuşaklara aktarılabilir. Bir çok kanserin oluşumu
ve ilerlemesinde bu mutasyonların katkısı bildirilmiştir. Kalıtsal polipozis ile
birlikte olmayan kolorektal kanserler (HNPCC) DNA onarım enzimlerinde
kalıtsal mutasyonlar sonucu gelişir (hMSH2 ve hMLH1 gen mutasyonları).
DNA içinde sabit sayılarla tekrarlayan kısa nükleotid segmentlerinin düzensiz
14
Kanserin Moleküler Genetik Temelleri •
tekrarı ‘microsatellite instability’ bu tip tümörlerin bir fenotipik özelliğidir.
Özetlersek, kanser oluşumu karmaşık, çoğu kez uzun bir süreç içinde
gelişen, hücre çoğalması, farklılaşması ve DNA onarımı genlerini içeren, bir
çok hücresel fonksiyonun bozulmasına yol açan mutasyonların birikimi ile
gerçekleşir.
İNVAZYON, METASTAZ VE TÜMÖR NEOVASKÜLARİZASYONU
Habis tümör hücrelerinin en önde gelen özellikleri hücrelerarası uyumlu
komşuluk ilişkilerine kulak asmamaları, anatomik bariyerlere saygı göstermeden çoğalmaları ve bu şekilde organizmaya zarar vermelidir. Tümör dokusunun belli bir büyüklüğün ötesine büyüyebilmesi, çevre dokulara yayılabilmeleri için çevre stromal bağ dokusunu aşmaları ve yeni damar oluşumunu
gerçekleştirmeleri gerekir. Tümör içi basıncın artması ve hipoksi angiogenetik
fenotipin ortaya çıkmasına yol açan patogenetik stimulusu oluşturan önde
gelen faktörlerdir. Tümör hücrelerinin salgıladığı damar endoteli üzerinde
güçlü proliferatif etkiye sahip VEGF (vascular endothelial growth factor) gibi
büyüme faktörleri bir yandan çevre kapiller endotelinin proliferasyonunu
sağlarken, yine tümör hücrelerinin salgıladığı matriks metaloproteinaz gibi
enzimler bağ dokusunu eriterek bu hücresel hareketlerin stroma içinde ilerleyebilmesini sağlar. Tümör angiogenezisi adı verilen bu procesin en güçlü
uyaranı VEGF’e karşı birçok terapötik girişim klinik ara ştırmalarda denenmektedir. İnvazyon ve tumor neovaskülarizasyonunda rol oynayan mekanizmalar aynı zamanda metastaz oluşumunda da etkin olurlar. Metastatik tümör
hücresinin yerleştiği uzak organda kalıcı bir koloni kurabilmesi için stromal
invazyon ve angiogenezis yeteneklerine sahip olması ön koşuldur.
KAYNAK
1.
“Neoplasia” in Pathologic Basis of Disease pp 260-327, eds. Cotran, Kumar, Collins, WB Saunders, Sixth Edition,
1999.
15