Top Banner
Genetyka człowieka III Genetyka nowotworów, starzenie 1
63

Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mar 01, 2019

Download

Documents

phungdang
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Genetyka człowieka III

Genetyka nowotworów, starzenie

1

Page 2: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Nowotwory

podstawy genetyczne

2

Page 3: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Choroba nowotworowa

3

}  Niekontrolowana proliferacja }  Przerzuty

}  proliferacja bez przerzutów – nowotwór łagodny

Page 4: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Komórki nowotworowe

Komórka prawidłowa

Kolejne mutacje

Trzecia mutacja

Druga mutacja

Pierwsza mutacja

Nowotwory są klonalne

R

Page 5: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Nie każdy nowotwór to “rak”

5

}  Rak (carcinoma) – nowotwór złośliwy tkanki nabłonkowej

}  Mięsak (sarcoma) - nowotwór złośliwy tkanki nienabłonkowej (włókniakomięsak, kostniakomiesak itp.)

}  Chłoniak (lymphoma) - nowotwór złośliwy układu chłonnego }  białaczka – z zajęciem szpiku

}  Potworniak (teratoma) - nowotwór złośliwy komórek zarodkowych (pluripotencjalnych)

}  Glejak (glioma) - nowotwór złośliwy komórek glejowych

Page 6: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Etapy rozwoju nowotworu

6

}  Inicjacja – aktywacje onkogenów, zmiany ekspresji }  Promocja – utrwalenie zmian genetycznych,

destabilizacja genomu }  Progresja – namnażanie in situ }  Inwazja – angiogeneza, przełamanie błony podstawnej,

infiltracja, wejście do krwiobiegu }  Przerzuty – wtórne ogniska

Page 7: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Kancerogeneza

7

}  Seria kolejnych wydarzeń }  aktywacja proliferacji – onkogeny }  dezaktywacja mechanizmów kontrolnych (antyonkogenów) }  destabilizacja genomu – dalsze mutacje }  uniknięcie senescencji związanej ze skróceniem telomerów, aktywacja telomerazy }  zmiana profilu metabolicznego – zmiany w mtDNA }  dalsze zmiany przy rozwoju guza, angiogeneza, przerzuty itp.

}  Dodatnie sprzężenie zwrotne – mutacje zaburzające kontrolę cyklu mogą destabilizować genom, zwiększając prawdopodobieństwo kolejnych zaburzeń

©1998-2008 of Txtwriter Inc.

Page 8: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

nabłonek prawidłowy

Mutacje – transformacja nowotworowa

proliferacja in situ

Komórka prawidłowa

Komórka stransformowana

Inicjacja i progresja raka

Page 9: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Rak in situ

Dalsze mutacje

Wzrost guza

Komórka prawidłowa Komórka stransformowana

Komórka inwazyjna

Inwazja raka

Page 10: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Oporność na hipoksję Utrata cech nabłonkowych Zdolność ruchu

Komórka prawidłowa Komórka stransformowana

Komórka inwazyjna

Komórka przerzutująca

Rak - przerzuty

Page 11: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Progresja raka szyjki macicy

11 W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

Page 12: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Nowotwory - genetyka

12

}  Mutacje somatyczne – zaburzenie genetyczne, ale nie dziedziczne }  karcynogeny– zwiększają częstość mutacji

}  Wirusy onkogenne }  Genetyczne czynniki ryzyka (asocjacje) }  Dziedziczone zespoły podatności na określone

nowotwory

Page 13: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Zarys genetyki nowotworów

13

}  Genetyczna kontrola podziałów komórki }  integracja wielu warstw i sygnałów

}  Czynniki regulacji dodatniej - protoonkogeny }  nowotworom sprzyjają mutacje neomorficzne i hipermorficzne }  np. czynniki wzrostu i ich receptory, elementy szlaków przekazywania

sygnału (np. kinazy białkowe, białka G), czynniki transkrypcyjne }  znanych ~ 100

}  Czynniki regulacji ujemnej – antyonkogeny (supresory nowotworów) }  nowotworom sprzyjają mutacje nullomorficzne i hipomorficzne }  np. p53, Rb, znanych ~10

}  Czynniki stabilności genomu }  naprawa DNA, kontrola rekombinacji

}  Nowotwór jest procesem mikroewolucyjnym – komórki konkurują o zasoby organizmu

Page 14: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Zaburzenia kontroli cyklu komórkowego

14

}  Komórki spoczynkowe – faza G0

}  Komórki dzielące się – cykl z 3 punktami kontrolnymi

}  Większość odróżnicowanych komórek wchodzi w G0

}  Komórki nowotworowe nie wchodzą w G0

}  Przyczyną jest często zaburzenie kaskady sygnału wzrostu (czynniki wzrostu)

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

Page 15: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Teoria wirusowa i teoria mutacyjna

15

}  Wirusy onkogenne (np. retrowirusy) – niosą geny zwane onkogenami

}  Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami }  Mechanizm molekularny jest często ten sam

}  mutacje w genach kodujących czynniki regulacji zmieniają protoonkogen w onkogen

}  allele onkogenne mogą być przenoszone przez wirusy

Page 16: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Wirusy onkogenne

16

}  Retrowirusy (RNA) niosące zmutowany onkogen pochodzenia genomowego – efekt ten sam, jak przy mutacji protoonkogenu

}  Wirusy DNA (HPV, EBV, adenowirus itp.) – kodują białka interferujące z kontrolą podziałów }  aktywują kaskady sygnalizacyjne (np HBx wirusa zapalenia

wątroby C) }  inaktywują antyonkogeny (np. E6 i E7 wirusa HPV)

Page 17: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Jak adenowirus manipuluje komórką

17

Page 18: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Retrowirusy onkogenne

18

}  Występują u wielu zwierząt, ale praktycznie nie u człowieka }  wyjątki

}  HTLV-1 i 2 (Human T-cell Leukemia Virus) – rzadkie formy białaczek, bardzo długi czas od infekcji do rozwoju choroby

}  XMRV (Xenotropic murine leukemia virus-related virus) – rak prostaty (niepotwierdzone)

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

Niekiedy wirus nie przenosi onkogenu v-onc, wystarcza działanie silnego promotora wirusowego na geny gospodarza (np. HTLV-1)

Page 19: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Protoonkogeny i onkogeny

19

}  czynniki dodatniej kontroli podziałów }  onkogen – allel zmutowany }  nowotworom sprzyjają mutacje neomorficzne i

hipermorficzne powodujące aktywację }  np.

}  czynniki wzrostu i ich receptory, }  elementy szlaków przekazywania sygnału (np. kinazy

białkowe, białka G), }  czynniki transkrypcyjne }  negatywne regulatory apoptozy

}  znanych ~ 100

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)

Page 20: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Antyonkogeny

20

}  Czynniki negatywnej kontroli podziałów }  nowotworom sprzyjają mutacje nullomorficzne i

hipomorficzne - inaktywujące }  np. p53, Rb

}  znanych ~10

B. Lewin, Genes VII, Oxford University Press

Page 21: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

DBD 100 - 300

TAD 1 1 - 43

4D 307 - 355

PRD 40 - 92

CRD 356 - 393

TAD 2 44 - 60

S46del bone

R249S lung, liver

NES 11-27

NLS 369-375

NLS 379-384

NES 340-351

NLS 303-323

p53 p53

p53 p53

p53 p53

p53 p53

p53

p53

p53

p53

p53

Q331ins bone

K305X sinuses, mouth

1 Missense

R249S Arg->Ser

p53 Nonsense

K305X Lys->STOP

Frameshift Q331ins

c.14754 G>ins

Frameshift S46del

c.12060 T>del 2

3

4

missense frameshift

Frequency of mutation in cancer:

~80% ~9% nonsense

~10% Mutacje p53

Page 22: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Przykłady zaburzeń w nowotworach

22

}  Aktywacja onkogenów }  Inaktywacja supresorów nowotworów (antyonkogenów) }  Zaburzenia naprawy DNA/stabilności genomu }  Aktywacja telomerazy

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

Page 23: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Wnt

G1 S

G2 M

Kontrola cyklu

Apoptoza'

Inwazja i przerzuty

Proliferacja

ERK1/2

Grb2 Sos

Raf MEK1/2

p53

PTEN

Przeżycie

Apoptoza

Naprawa DNA

p21

ELK1 AP1  

PI 4,5 P2 PI 3,4,5 P3

BRCA1/2

Ras

CyclinD1

β-Catenin

E-Cadherin

MTA3 Mi-2

HDAC1

Snail

MTA1

Acetylacja histonów i ekspresja genów

WD40 WD40

WD40 W

D40 WD40 W

D40

Cas 9

Cyt Cyt

Cyt

Cyt Cyt

Cyt

Cyt Cas

9 Cas

9

Mutacja aktywująca

Mutacja inaktywująca

Wzrost ekspresji

Spadek ekspresji

Ras PTEN

Ras p21

uszkodzenia DNA

PI3K

TCF c-Myc Egr1

HER2

Zmiany w raku piersi (ER-)

Page 24: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mutacja aktywująca

Mutacja inaktywująca

Ras PTEN

Prolifercja/przeżycie

ELK1 AP1  

ERK1/2

Grb2 Sos

Raf MEK1/2

Flt3

Ras

Kit

STAT 3

STAT 3 P P

PI3K PDK

PKB

Przeżycie

RUNX1-'CBFA2T1

CBFB-'MYH11 CEBPA

Zmiany w ostrej białaczce szpikowej

Page 25: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

HIF-1α HIF-1β

HIF-1α HIF-1α

Proline Hydroxylase   HIF-1β

Hipoksja

HIF-1α HIF-1β

VEGF

HIF-1α Ub

Ub

Ub

VHL E3'Ligase  

Utrata funkcji

Jasnokomórkowy rak nerki – rozwój naczyń

Proteasom (degradacja białka)

Page 26: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Telomery a nowotwory

26

}  W komórkach z defektywnym szlakiem odpowiedzi na uskzodzenia DNA (np. defekty p53) komórki ze skróconymi (lub uszkodzonymi) telomerami wciąż się dzielą

}  Efektem są rearanżacje chromosomów (fuzje, translokacje) }  Prowadzi to do transformacji nowotworowej }  W komórkach nowotworowych ponowna aktywacja telomerazy

Denchi, DNA Repair 8 (2009) 1118–1126

Page 27: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Dwa oblicza telomerów

27

}  Telomery chronią przed uszkodzeniami DNA i zaburzeniami chromosomów, które mogą prowadzić do nowotworzenia, ale...

}  Aktywność telomerazy unieśmiertelnia komórki (aktywna w 90% nowotworów)

Page 28: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mutacje mtDNA w nowotworach

28

}  Komórki nowotworowe charakteryzują się przejściem z metabolizmu tlenowego (oddychanie) na beztlenowy (glikoliza) – efekt Warburga (1936, 1956)

}  W komórkach nowotworowych często obserwowane są mutacje somatyczne nie występujące w prawidłowej tkance tego samego pacjenta. }  Polimorfizmy }  Mutacje upośledzające działanie mitochondriów

}  Dryf, czy dobór?

Page 29: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mitochondria a nowotwory

29

}  Mutacje w genach kodujących podjednostki dehydrogenazy bursztynianowej kompleksu II (SDHB, SDHC, SDHD) w dziedzicznych nowotworach }  guzy chromochłonne nadnerczy i nerwiaki

przyzwojowe (u heterozygot – homozygoty rozwijają ciężkie dysfunkcje neurologiczne)

Page 30: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Dziedziczne zespoły podatności na określone nowotwory

30

}  heterozygotyczne mutacje antyonkogenów }  p53 – zespół Li-Fraumeni }  Rb – retinoblastoma (siatkówczak)

}  Mutacje genów związanych z naprawą DNA i rekombinacją }  BRCA1, BRCA2 w raku piersi (~10% przypadków) }  HNPCC

}  Mutacje zmieniające profil metaboliczny }  np. SDH

Page 31: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

HNPCC

31

}  Dziedziczny rak jelita grubego niezwiązany z polipowatością (HNPCC), zespół Lyncha

}  5% wszystkich raków jelita grubego }  Mutacje utraty funkcji różnych genów (6) związanych z

naprawą DNA, najczęściej systemem MMR

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

Page 32: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Zespół Li-Fraumeni

32

}  Rzadki (~60 rodzin w USA, ok. 400 osób) }  Dziedziczony jako cecha dominująca }  Liczne nowotwory w wieku dziecięcym }  Mutacje p53 (heterozygota 85-90% ryzyko nowotworu)

http://p53.free.fr/Database/p53_cancer/p53_germline.html

Page 33: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Retinoblastoma

33

}  Rzadki (1/15 000) nowotwór siatkówki u dzieci }  Łatwy w leczeniu (95% przeżycia) pod warunkiem wczesnej

diagnozy }  Postać sporadyczna (55%) i dziedziczna (45%)

}  Postać dziedziczna – mutacje genu Rb }  białko pRb – antyonkogen, kontrola cyklu komórkowego

}  W dzielących się komórkach hamuje przejście G1/S przy uszkodzonym DNA i aktywuje apoptozę

}  W komórkach spoczynkowych blokuje wyjście z G0, ale nie aktywuje apoptozy

Page 34: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Genetyka nowotworów dziedzicznych

34

}  Z reguły mutacje antyonkogenów lub systemów naprawy DNA

}  Mutacje utraty funkcji – recesywne na poziomie komórki }  oba allele nieaktywne w komórkach nowotworowych

}  Ale dziedziczą się (wzór rodowodu) jak cechy dominujące

Page 35: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Teoria dwóch uderzeń

35

}  Knudson (1971) –badania nad siatkówczakiem }  Do rozwoju nowotworu potrzebna inaktywacja obu alleli

supresora nowotworów }  Odziedziczenie 1 zmutowanego allelu silnie zwiększa

prawdopodobieństwo

Page 36: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

G1

S

G2

M

Cell Cycle

PP1  

Rb P

P P

P

P P

P P P

P P

P

P CCNE CCNA CCNB E2F1 CDC2 PCNA DHFR TK1

E2F HDAC

Rb P

Rb P

P

P P

Cdk4 Cyclin D

Cdk6 Cyclin D

E2F

Rb

P P

P P

P

P P

P P P

CCNE CCNA

AAAAA

HDAC

Cdk2 Cyclin E

CCNB E2F1 CDC2 PCNA DHFR TK1

Rb P

P P

P

P P

P P P

P P

P

P

E2F

CCNE CCNA

AAAAA

AAAAA E2F

Rb P

P P

P

P P

P P P

P P

P

P

Cdk2 Cyclin A

Rb P

P P

P

P P

P P P

P P

P

P

Cdk1 Cdc2

Cyclin B Cyclin B

?  

CCNB E2F1 CDC2 PCNA DHFR TK1

AAAAA E2F

Rb w regulacji cyklu

Page 37: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Genetyka nowotworów - podsumowanie

37

Onkogeny Supresory nowotworów

Geny naprawy DNA

Liczba zmutowanych alleli w komórce

1 (dominujące) 2 (recesywne) 2 (recesywne)

Typ mutacji neomorfy, hipermorfy

nullomorfy, hipomorfy

nullomorfy, hipomorfy

Pochodzenie mutacji

Najczęściej somatyczne

Somatyczne lub odziedziczone

Somatyczne lub odziedziczone

Mechanizm działania

Szlaki aktywacji podziału komórki

Hamowanie podziałów, apoptoza

Utrzymywanie stabilności genomu

Page 38: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Starzenie i progerie

38

Page 39: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Starzenie

39

}  Gromadzenie się uszkodzeń na poziomie komórek (senescencja) i organizmu w miarę upływu czasu

}  Wzrost prawdopodobieństwa śmierci w miarę upływu czasu

Page 40: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Starzenie się komórek

40

}  U wielokomórkowców rozmnażających się płciowo są dwie grupy komórek }  somatyczne - budują organizm, ale nie są

przekazywane potomstwu) }  linii płciowej – tworzą gamety, ich genom

przekazywany potomstwu }  Komórki somatyczne mają ograniczoną

liczbę podziałów }  tzw. granica Hayflicka }  wyjątek – komórki macierzyste (granica

zniesiona lub bardzo odsunięta)

August Weismann (1834-1914)

Page 41: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Linia płciowa i soma

41

U człowieka embrion płci żeńskiej oddziela komórki linii płciowej (oocyty) w 15 tygodniu od zapłodnienia (dochodzi wtedy do ostatecznej mejozy).

Page 42: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Gromadzenie uszkodzeń

42

}  Nieuniknione (prawa fizyki) }  Ważnym czynnikiem jest metabolizm tlenu }  Systemy naprawiające i zapobiegające uszkodzeniom

}  molekularne (naprawa DNA, białek itp.) }  komórkowe (usuwanie komórek nowotworowych,

zainfekowanych przez wirusy) }  na poziomie organizmu

}  układ odpornościowy }  odnawianie się tkanek }  gojenie się ran }  behawior (mycie, usuwanie pasożytów)

Page 43: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Teorie starzenia

43

}  Bierne }  długość życia determinowana przez wydajność systemów

naprawiających uszkodzenia i im zapobiegających

}  Czynne }  istnieją mechanizmy ograniczające długość życia

(programowane starzenie) }  jeżeli tak, to musiał je wyselekcjonować dobór naturalny

Page 44: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mechanizmy starzenia się organizmu

44

}  Bierne }  stopniowe nagromadzanie uszkodzeń w komórkach,

prowadzące do utraty funkcji narządów i systemów }  DNA, białka, lipidy }  kolagen (starzenie się skóry) }  aktywnie usuwane (apoptoza – programowana śmierć komórki)

komórki z uszkodzonym DNA }  jedna z głównych przyczyn – reaktywne formy tlenu (ROS)

}  Czynne (programowane) }  regulowane mechanizmy ograniczające długość życia }  poza pojedynczymi przypadkami – słabo udokumentowane

Page 45: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Ewolucja starzenia się i śmierci

45

Teoria Weismanna: Organizmy muszą starzeć się i umierać by zwolnić miejsce dla kolejnych pokoleń i zapewnić ewolucję gatunku Problemy: }  teleologia – dobór nie “planuje” na przyszłość }  dobór grupowy (mutant, który by się nie starzał

osiągnął by przewagę) }  u wielu gatunków liczebność populacji nie osiąga

górnej granicy

Page 46: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Program czy przypadek?

46

}  Większość organizmów w naturze nie dożywa granicznego wieku

}  Starzenie jako “efekt uboczny” }  “disposable soma” – ciało

jednorazowego użytku }  po wydaniu (i ew. odchowaniu)

potomstwa organizm spełnił swoją rolę, dobór nie będzie równoważył kosztów sprawniejszego zapobiegania uszkodzeniom

http://gslc.genetics.utah.edu/features/telomeres/images/factors_in_aging.gif

Page 47: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Współczesna synteza – disposable soma

47

}  Kluczem jest gospodarka zasobami }  Utrzymanie funkcji (powstrzymywanie starzenia) jest

kosztowne }  Rozród jest kosztowny }  Na utrzymywanie funkcji nie przeznacza się więcej

zasobów, niż jest to niezbędne }  nie inwestuje się w niepotrzebną trwałość

}  Synteza teorii klasycznych }  Nie wyklucza mechanizmów aktywnych

Page 48: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Oblicza starzenia

48

}  Replikacyjne – ograniczenie zdolności podziałów }  Nie odgrywa istotnej roli w starzeniu u organizmów

wielokomórkowych }  Obserwowane w komórkach w hodowli – granica Hayflicka }  Telomery }  Obserwowane u jednokomórkowców (drożdże)

}  Chronologiczne – uszkodzenia komórek }  uszkodzenia oksydacyjne }  apoptoza }  uszkodzenia macierzy zewnątrzkomórkowej

Page 49: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Rachunek kosztów i zysków

49

}  Wiele badań potwierdza koncepcję disposable soma }  Ujemna korelacja między długowiecznością a sukcesem

reprodukcyjnym w obrębie gatunku }  wyselekcjonowane w laboratorium linie owadów i nicieni }  ujemna korelacja między długowiecznością a liczbą

potomstwa u ludzi w badaniach populacyjnych

Page 50: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Wolnorodnikowa teoria starzenia

Uszkodzenia mitochondriów przez ROS

Mutacje punktowe i rearanżacje mtDNA

Amplifikacja zmutowanego mtDNA

Aktywacja mPTP Śmierć komórki

Młodość Wiek średni Starość Senescencja

Wallace DC; Annu. Rev. Genet. 2005. 39:359–407

Page 51: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Mitochondria a starzenie

}  Długowieczność może zależeć od sprawności łańcucha oddechowego i enzymów usuwających wolne rodniki

}  Poszukiwania korelacji długowieczności z określonymi polimorfizmami mtDNA, haplogrupami

}  Nadekspresja katalazy w mitochondriach myszy transgenicznych przedłuża ich życie

Page 52: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Model mysi POLG

Trifunovic et al. (2004) Nature 27:357

}  Mutacja POLG (mitochondrialna polimeraza DNA)

}  Brak aktywności korekcyjnej – wysoka częstość mutacji

Page 53: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Sirtuiny

53

}  Deacetylazy białek (histonów) zależne od NAD }  Regulują (SIR2) starzenie u różnych organizmów

}  Zwiększona aktywność wydłuża życie drożdży (replikatywne), C. elegans, Drosophila

}  U ssaków różne, sprzeczne wyniki }  mogą hamować apoptozę i promować nowotwory }  mogą chronić przed neurodegeneracją i cukrzycą

}  Resweratrol (czerwone wino) }  aktywuje Sir2 in vitro }  wydłuża życie drożdży, C. elegans, Drosophila }  brak jasnych dowodów u ssaków, ale może wydłużać życie

myszy

Page 54: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Ograniczenie pokarmowe

54

}  CR (caloric restriction) }  wydłuża życie u organizmów modelowych (Drosophila, C.

elegans, mysz) }  sprzeczne wyniki u ludzi

}  Postulowany mechanizm – stosunek NAD/NADH }  obfitość pokarmu obniża poziom NAD, który jest aktywatorem

sirtuin }  ale są też inne, niezależne od sirtuin mechanizmy (np.

mitochondrialny)

Jeff Miller, University of Wisconsin - Madison

CR pełna dieta

Page 55: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Ograniczenie kaloryczne

55

}  Ograniczenie kalorii przyjmowanych w pokarmie jest częstym sposobem wydłużenia życia (od nicieni po ssaki)

}  Koszt – obniżona wydolność rozrodcza

Page 56: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Rachunek kosztów i zysków

56

}  Wiele badań potwierdza koncepcję disposable soma }  Ujemna korelacja między długowiecznością a sukcesem

reprodukcyjnym w obrębie gatunku }  wyselekcjonowane w laboratorium linie owadów i nicieni }  ujemna korelacja między długowiecznością a liczbą

potomstwa u ludzi w badaniach populacyjnych

Page 57: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Nieśmiertelność człowieka??

57

}  Za wiele aspektów starzenia się odpowiadają uszkodzenia w komórkach, które nie są odnawiane (np. neurony)

}  Ograniczenie zdolności podziałów komórek somatycznych to ważny mechanizm chroniący przed nowotworami }  rak – choroba nieśmiertelnych komórek

}  Koszt usuwania uszkodzeń wzrasta z wiekiem }  Wydłużenie życia po ustaniu reprodukcji – człowiek

jest i tak wyjątkiem

Page 58: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Progerie

58

}  Choroby genetyczne o fenotypach przypominających starzenie

}  Nie ma wszystkich objawów starzenia: progeria to nie jest “przyspieszone starzenie”

Page 59: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Progeria Hutchinsona-Gilforda

59

}  Bardzo rzadka (1/8 000 000 urodzeń), dominująca }  Mutacje laminy A – białko strukturalne jądra kom.

Eriksson et al. (2003) Nature 423:293-8

Scaffidi et al. (2005) PLoS Biology Vol. 3/11/ e395

Page 60: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Objawy starzenia w HGPS }  Zanik podskórnej tkanki tłuszczowej }  Łysienie }  Wydatne oczy i nos }  Nieproporcjonalnie mała żuchwa }  Opóźnione ząbkowanie }  Gruszkowaty tułów }  Cienkie kończyny z wydatnymi stawami }  Niski wzrost i waga }  Problemy z układem krążenia i oddechowym }  Osteoporoza

http://www.unc.edu/courses/2004spring/engl/012/070/90424/

Page 61: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Różnice w porównaniu ze starzeniem

61

}  U pacjentów płci męskiej nie ma problemów z prostatą }  Nie ma zwiększonej częstości nowotworów czy zaćmy. }  Rzadko występuje wysokie ciśnienie i cukrzyca }  Nie ma neurodegeneracji, demencji, choroby

Alzheimera

Page 62: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Inne choroby typu progerii

62

}  Z reguły defekty naprawy DNA, stabilności genomu }  Tylko niektóre objawy starzenia (najbliższy zespół

Wernera) – tzw. progerie segmentalne }  Często w powiązaniu z nowotworami

Page 63: Genetyka człowieka III - wiki.biol.uw.edu.pl · Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami ! Mechanizm molekularny jest często ten sam ! mutacje w genach kodujących czynniki regulacji

Zespół Wernera

}  Normalny rozwój w dzieciństwie. }  Przedwczesne starzenie

rozpoczyna się wraz z wiekiem dojrzewania.

}  Niski wzrost, owrzodzenia, zwapnienia, siwienie włosów, cukrzyca.

}  Pacjenci dożywają średnio 47 lat.

}  Przyczyną śmierci z reguły choroba nowotworowa, albo schorzenia sercowo-naczyniowe.

}  Nie występuje neurodegeneracja, problemy z prostatą, nadciśnienie

Przyczyna: mutacje genu WRN kodującego

helikazę DNA z rodziny RecQ