Gener involveret i kræft

Denne artikel forklarer vigtige begreber i forbindelse med kræftgener, bl.a.onkogener og tumorsupressorgener. Desuden giver artiklen eksempler på, hvorfor disse gener spiller en vigtig rolle i udviklingen af kræft. Det kan anbefales at læse artiklen Biologiske mekanismer i kræft, for at få en bedre forståelse af følgende artikels indhold.

Dette afsnit vil beskrive nogle af de gener, der er involveret i forandringen af en normal celle til en kræftcelle. Udover at det kræver mindst fire til fem forskellige mutationer, før en normal celle bliver til en kræftcelle, er det også vigtigt, at det er de ”relevante” mutationer, der opstår. Mutationen skal ske i de gener, der normalt er involveret i fx cellevækst, celledød, dannelsen af nye blodkar, kontakt-inhibering, telomerase-syntese og migration (metastasering), som kan lede til de syv essentielle cellebiologiske ændringer som tidligere er diskuteret i artiklen Biologiske mekanismer i kræft.

Et specifikt eksempel på, hvordan en tarmcelle udvikler sig til en kræftcelle gennem flere omgange af mutationer, kan ses i figur 13. Mutationer i de gener, der styrer celledeling, kan øge antallet af tarmceller dramatisk. Dette cellestadie kaldes tidligt adenom. Her er cellerne stadig godartede og lokaliseret inden for vævet. Andre gen-mutationer kan desuden bidrage til celledelingen og herved minimere chancen for at eventuelle DNA-skader repareres. Det kan betyde, at tidligt adenom bevæger sig til et stadie, hvor cellemassen defineres som et karcinom (kræft udgået fra epitelceller, se artiklen De forskellige kræfttyper). Yderligere mutationer kan påvirke kræftcellernes evne til at metastasere, hvorved kræften kan spredes. Metastaserede og/eller invasive kræftformer betragtes som ondartede. Tumorsupressorgenerne APC(Adenomatosis Polyposis Coli), DCC (Deleted in Colorectal Carcinoma) og p53 (protein 53) hæmmer udviklingen af kræft på forskellige måder:

APC holder celledelingen under kontrol, så cellemængden i kroppen er konstant
DCC minimerer antallet af permanente DNA-skader, der leder til mutationer
p53 reducerer risikoen for metastasering

Figur 13. Et eksempel på muterede gener, der kan føre til tarmkræft. Der skal mere til end én mutation til, før at en tarmcelle udvikler sig til en kræftcelle. I dette tilfælde sker der en mutation på fire forskellige kromosomer. Kræften udvikles i flere trin. Mutationerne medfører enten en nedsat- eller mistet genfunktion eller en over-aktivering af genfunktionen.

K-Ras er til gengæld et gen, der øger celledelingen. En mindskelse af APC, DCC og p53 vil give cellen en forringet evne til at forhindre aggressiv vækst og celledeling. En øget aktivitet af K-Ras vil øge celledelingen ud over end den normale hastighed.

Man har i dag identificeret flere tusinde forskellige muterede gener, som kan give kræft. Disse gener kan have en overordnet funktion, som gør det muligt at gruppere dem. De to grupper, som vil blive beskrevet her, er onkogener og tumorsupressorgener.

Onkogener

Et onkogen er et gen, hvis proteinprodukt, når det efter mutation eller af anden årsag produceres i højere mængder end normalt, kan ændre cellen til en kræftcelle. Dvs. et onkogen skal opreguleres, for at det kan føre til kræftudvikling. Et proto-onkogen er det normale gen, før det ændres til et onkogen. Der identificeres nye onkogener hele tiden, og gruppen er så stor, at den kan inddeles i undergrupper afhængig af, hvordan de påvirker cellen.

Når et proto-onkogen bliver til et onkogen, kan det have flere betydninger for cellen som fx:

Forøget aktivitet af enzymer eller produktion af proteiner, der er direkte eller indirekte er nødvendige for at starte celledeling og cellevækst
Forøget produktion af proteiner, som fx transkriptionsfaktorer, der er nødvendige for aktivere gener, der er involveret i celledeling, vækst og differentiering
Forøget produktion af proteiner, som stimulerer dannelsen af nye blodkar (angiogenese), for at opretholde tilførslen af næring og ilt til tumoren
Forøget produktion af proteiner, der er nødvendige for at en celle kan bevæge sig. Dette giver kræftcellen mulighed for at flytte sig, når der ikke er nok næring eller plads til, at kræftcellen kan overleve. En større produktion af disse proteiner hjælper kræftcellen til at sprede sig, dvs. til at metastasere

De proto-onkogener, som er involveret i cellevækst, kan ses som speederen i en bil, der holder bilen kørende med en konstant fart. Proto-onkogenerne hjælper cellen med at vokse og dele sig. Et onkogen er en speeder, der har sat sig fast og konstant holdes nede, hvilket får bilen til at køre meget hurtig uden kontrol. På denne måde får det cellen til at dele sig uhæmmet.

Tumorsuppressorgener

Tumorsupressorgener koder for proteiner, der forhindrer cellen i at forandres til en kræftcelle. Dvs. at et tumorsupressorgen skal nedreguleres for, at det kan føre til kræftudvikling. Generelt aktiveres tumorsupressorgener når der er stress i cellen, når der er ødelagt DNA og når homeostasen skal opretholdes. Tumorsupressorproteiner (som tumorsupressorgenerne koder for) har flere forskellige funktoner som fx:

De kan slukke eller minimere aktiviteten af de gener, som fremmer celledeling
De fungerer som kontrol-proteiner, som sørger for at cellen er ”rask”, før den kan gå ind i celledelingen. Hvis cellen indeholder muteret DNA, er det tumorsupressorproteiner, der tilbageholder cellen, så DNA kan repareres, før den kan indgå i celledelingen. På den måde bliver mutationerne ikke kopieret og overført til næste celle
De kan starte apoptose-processen. Hvis en celle med muteret DNA ikke kan repareres, kan tumorsupressorproteiner sørge for, at den dør, så den ikke kan skade organismen
De kan forhindre en celle i at sprede sig ved at producere flere af de gener, der sørger for, at en celle sidder bedre fast på en overflade. Desuden kan de hæmme andre faktorer, der er involveret i metastasering. Desuden kan de forhindre, at kontakt-inhiberingsmekanismen går tabt i celler. Disse proteiner grupperes i en undergruppe kaldt metastasesupressorer

Ligesom onkogener kan sammenlignes med speederen i en bil, kan de tumorsupressorgener, der er involveret i kontrol af cellevækst, sammenlignes med bremsen. De sørger for, at cellen ikke deler sig for hurtigt, ligesom bremsen forhindrer bilen i at køre for stærkt. Når noget går galt, som fx når en mutation opstår og bremsen ikke længere virker, mistes styringen, og celledelingen forløber ukontrolleret.

Mennesket har to sæt af næsten identiske gener, da vi både har kromosomer fra vores mor og far. Nogle gange, når et af de to identiske gener er blevet muteret, tager det andet gen over. Dette betyder, at cellen fortsat fungerer normalt, da det stadig intakte gen virker som et reserve-gen. Hvis det er tilfældet, er det en recessiv mutant (hvilket vil sige at genet skal nedreguleres i begge kromosomer, for at det får betydning for organismen). Hvis dette ikke havde været tilfældet, ville det betyde, at det kun krævede en mutation i et af de to identiske gener, før funktionen var tabt, og så ville mutanten være dominant (hvilket vil sige, at genet skal være intakt på begge kromosomer for at virke).

For at et proto-onkogen bliver til et onkogen, kræver det normalt kun mutation i det ene af de to identiske gener, for at effekten er manifesteret. Det kræver dog typisk en mutation i begge de to identiske tumor supressor-gener før effekten kommer til syne. Dette betyder, at kræftfremkaldende mutationer i onkogener normalt er dominante, mens de i tumorsupressorgener normalt er recessive.

En anden forskel mellem onkogener og tumorsupressorgener er, at onkogener er et resultat af aktivering af proto-onkogener, mens tumorsupressorgener kan forandre en normal celle til en kræftcelle, når tumorsupressorgenernes aktivitet er slukket eller nedsat.

Det næste afsnit vil tage udgangspunkt i enkelte onkogener og tumorsupressorgener, som leder til nogle af de klassiske kræft-karakteristika.

Cellecyklus

Et eksempel på en proces, hvor både proto-onkogener og tumorsupressorgener spiller en vigtig rolle, er cellecyklus. Cellecyklus, hvor en celle kopierer sit DNA for at danne to identiske celler, er delt op i fire faser. Disse fire faser, illustreret i figur 14, kaldes G1, S, G2 og M. Celler som ikke er i en egentlig delingsfase, men i øvrigt om nødvendigt er i stand til deling, siges at være i G0 fase.

I S-fasen (syntesefasen) kopieres al DNA i en celle, således at cellen nu har dobbelt så meget DNA-materiale. I M-fasen (mitosen) deles cellen til to identiske celler, som kaldes datterceller. G-faserne (gap-faserne) er forberedelses- og stopfaser, som sørger for, at cellen har alt, hvad den skal bruge i den korrekte form og mængde, før den går videre til enten S-fasen eller M-fasen. I G1-fasen produceres de enzymer, der skal bruges i S-fasen til DNA-kopieringen. I G2-fasen produceres de proteiner, der skal bruges til at lave to datterceller i M-fasen. Dette er fx proteiner såsom mikrotubuli, der er en af komponenterne i ”celle-skelettet”.

Figur 14. Oversigt over cellecyklus. Cellecyklus har 4 faser, G1, S, G2 og M.

Der findes forskellige kontroller i cellecyklus, som sørger for, at cellen opfylder alle krav, før den kan gå videre til næste fase. Hvis en celle har DNA-mutationer, er det yderst vigtigt, at DNA’et bliver repareret, før cellen indtræder i S-fasen. Hvis dette ikke sker, bliver DNA-fejlen kopieret og overført til dattercellen. De to vigtigste tidspunkter, hvor cellen kontroller, at alt er ok, er G1/S-overgangen og G2/M- overgangen, hvor det hastighedsbestemmende trin i cellecyklussen er G1/S – også kaldt restriktionspunktet (R).

Eksempler på proto-onkogener og tumorsuppressorgener

Proto-onkogener og tumorsupressorgener spiller en væsentlig rolle i vækst, vækstblokering, apoptose-stimulering, angiogenese og metastasering, som er blandt de syv essentielle processer, der ændres under udviklingen af kræft, se artiklen Biologiske mekanismer i kræft. Eksempler på flere proto-onkogener og tumorsuppressorgener vil blive gennemgået i det følgende.

Rb

Det første tumorsuppressorprotein, der blev opdaget i 1950’erne, var Retinoblastoma proteinet (Rb). Dette protein tilbageholder cellen i G1-fasen ved at binde til E2F. Proteinet E2F er en transkriptionsfaktor, som starter DNA-kopieringen i S-fasen. Så længe Rb er bundet til E2F, kan cellen ikke kopiere sit DNA og dele sig i mitosen til to datterceller. Hvis Rb får en mutation, der medfører, at proteinet ikke kan binde til E2F, har E2F konstant grønt lys til at starte DNA-kopiering og celledeling. Dette protein er derfor en vigtig faktor i reguleringen af cellecyklussen, se figur 15. Rb er et eksempel på et tumor supressor-protein, der er vækstblokerende.

CyklinD

CyklinD er et proto-onkogen, som indirekte phosphorylerer Rb, når det får et ekstracellulært vækstsignal. Et ekstracellulært signal er et signal, der kommer til cellen udefra. Signalet, som ofte er et lille protein, sætter sig på en af cellens receptorer. Dette starter en kaskade af reaktioner, som til sidst sender signalet videre ind til cellekernen. Når Rb er phosphoryleret, kan det ikke længe binde til E2F, og cellen går fra G1-fase til S-fase, se figur 15. Hvis proto-onkogenet CyklinD muteres til et onkogen, overproduceres proteinet, hvilket øger cellevæksten og celledelingen. CyklinD er et eksempel på et vækstfremmende protein.

APC

Adenomatosis Polyposis Coli (APC) er også et tumorsuppressorgen, som regulerer spredningen af celler inde i vævet og ud af vævet. Desuden fremmer APC apoptose og kontrollerer cellecyklus indirekte ved at blokere de ekstracellulære vækstsignaler. APC kan blokere de transkriptionsfaktorer, som er med til at producere gener som CyklinD1 og c-Myc. APC-mutationer er set hos patienter med tarmkræft, lungekræft og prostatakræft. Ved 80 % af alle tarmkræfttilfælde findes APC-mutationer. APC er et protein, der både blokerer vækstsignaler, fremmer apoptose og kontrollerer metastasering.

Figur 15. Transkriptionel aktivering af DNA. Eksempel på proteiner, der regulerer cellecyklussen er CyklinD ogCyklinD kinasen. CyklinD produceres i cellecyklussen, hvis cellen fx er blevet stimuleret af en vækstfaktor. CyklinD binder til Cyklin-D kinase 4 (CDK4), som phosphorylerer retinoblastoma protein (Rb). Denne phosphorylering frigiver Rb fra et kompleks, hvor E2F indgår. E2F aktiveres, når det ikke længere er bundet af Rb. Aktiveringen af E2F leder til aktiveringen af en kaskade af andre gener og den efterfølgende produktion af proteinet CyklinE. CyklinE kan binde til cyklinD kinase 2 (CDK2). CyklinE-CDK2-komplekset tvinger cellen fra G1-fasen til S-fasen, hvor DNA’et kan kopieres.

c-Myc

c-Myc er et proto-onkogen, der også er involveret i cellevækst, og som menes at styre 15 % af alle vores gener. c-Myc er en transkriptionsfaktor, som fremmer aktiviteten af proteiner, der er vigtige i cellecyklus. Ændringer i c-Myc eller i reguleringen af c-Myc giver en overproduktion af genet eller et vedvarende aktivt protein. Et overaktivt c-Myc kan sammen med andre mutationer forandre en celle til en kræftcelle. Ændringer i c-Myc produktionen er ofte set i lymfomer og lungekræft. c-Myc er et eksempel på et protein, som fremmer cellevækst.

p53

p53 er et meget essentielt tumorsupressorprotein, som er med til at tilbageholde cellen i G1-fasen, hvis cellen har et muteret DNA. Herefter kan det aktivere DNA-reparationsenzymer til at reparere DNA’et. Hvis dette ikke lykkedes, kan p53 starte apoptose, så cellen dør, således at det muterede DNA ikke overføres til dattercellen. p53 aktiveres hovedsagligt af DNA-skader, som kan skyldes et stress-respons. Et stress-respons aktiverer kinaser, som har den funktion, at de kan phosphorylere proteiner. Stress-kinaserne phosphorylerer p53, som derved aktiveres, hvorefter p53 kan bremse cellecyklussen. I over 50 % af alle kræfttyper findes p53 mutationer, hvilket betyder, at p53 ikke kan stoppe den ukontrollerede cellevækst i kræftceller. p53 er et eksempel på et protein, der fremmer apoptose.

Ras

Ras er et proto-onkogen, som er muteret i de fleste kræfttyper. Ras-proteinet spiller en vigtig rolle i en af signaleringsvejene, der sætter gang i cellecyklussen. Når Ras er bundet til et andet protein, aktiverer dette protein-kompleks-specifikke vækstkinaser Disse kinase kaldes MAP-kinaser (mitogen-activated protein kinaser).

Figur 16. Når DNA bliver beskadiget, fx pga. UV-lys, aktiveres forskellige proteiner, som er involverede i reparationsmekanismen. Samtidigt aktiveres tumorsupressorgenet p53, som standser cellecyklussen, indtil DNA’et er blevet repareret. Proteinkinaser er enzymer, der kemisk tilføjer en phosphat-gruppe på andre proteiner og derved ændrer proteinernes struktur og aktivitet. Phosphoryleringen (addering af en phosphat-gruppe) på p53 vil aktivere proteinet, hvorefter p53 bremser cellecyklus.

MAP-kinaserne aktiverer transkriptionsfaktorer, som aktiverer gener, hvis proteinprodukt er med til at igangsætte cellecyklussen. Ras er et eksempel på et protein, der indirekte øger cellevæksten.

DCC

Deleted in colorectal cancer (DCC) er et tumorsupressorgen, som er muteret, således at det enten mangler på kromosomet eller produceres i meget små mængder. Denne mutation findes i flere end 70 % alle tarmkræfttilfælde – deraf dets navn. Det er senere blevet vist, at DCC er muteret i andre typer af kræft, såsom forskellige typer af leukæmi, lungekræft og kræft i æggestokkene. DCC menes at være involveret i apoptose og i spredning af celler. Når DCC er slettet fra kromosomet, vil flere celler, som har muteret DNA undgå apoptose/celledød, som kan lede til kræftudvikling. Kræftceller med mutation i DCC vil også have nemmere ved at sprede sig, hvilket bidrager til, at kræftcellerne lettere metastaserer. DCC er et eksempel på et gen, der fremmer apoptose og forhindrer metastasering.

BRCA

Breastcancer (BRCA) er et tumorsupressorgen, hvis protein kan binde direkte til DNA, og er involveret i DNA-reparationssystemet. Det er især medvirkende i homolog rekombination, som er reparation af dobbeltstrengede DNA-brud. Der findes to typer af BRCA, nemlig BRCA1 og BRCA2. Begge er med til at øge stabiliteten af gener ved at reparere muteret DNA. Når BRCA1 eller BRCA2 er muteret, således at de ikke længere er funktionelle, vil det påvirke reparation af de dobbeltstrengede DNA-brud. Mutationer i BRCA-generne giver en forhøjet risiko for brystkræft. Kvinder med BRCA-mutationer har 85 % chance for at få brystkræft, inden de fylder 70 år, og 25-55 % chance for at få kræft i æggestokkene – afhængig af om det enten er BRCA2 eller BRCA1, der er muteret. Fordi chancerne for at få brystkræft er så store, hvis BRCA er muteret, bruges BRCA1 og BRCA2 som diagnostisk markør for brystkræft. Mutationer i BRCA1og BRCA2 kan også lede til prostatakræft og forskellige former for leukæmi og lymfomer. Mutationer i BRCA1 og BRCA2er ofte mutationer, der nedarves. BRCA er et eksempel på protein, der er vigtig for DNA-reparation. En mutation i dette protein øger sandsynligheden for mutationer i andre gener.

E-cadherin

Epithel-calcium dependent adhesion molecules (E-cadherin) er et metastasetumorsupressorgen. Dets protein er lokaliseret i huden, hvor det sidder i cellens yderste lag – cellemembranen. Her hjælper det cellen til at sidde fast og knytte sig til andre hudceller, som holder celler inden for vævets grænser. Hvis cellen har mutationer i E-cadherin, som medfører en nedsat eller mistet funktion, kan cellen lettere løsrive sig fra vævet og sprede sig til andre væv gennem blod- og lymfesystemet. Det er blevet vist i flere kræfttyper, at der er en sammenhæng mellem lav produktion af E-cadherin og kræftcellernes evne til at sprede sig (metastasere). I en undersøgelse af kvinder, der havde brystkræft og mutationer i BRCA, viste man, at de kvinder, hvor kræften spredte sig, også havde en specifik mutation i E-cadherin. Kvinder med brystkræft, hvor kræften ikke spredte sig, havde derimod normalt E-cadherin. Nedsat eller mistet funktion af E-cadherin, der ofte leder til metastasering, er set i bryst-, tarm-, prostata-, mave-, lever-, spiserørs-, hud-, nyre- og lungekræft. E-cadherin er et eksempel på et protein, der stabiliserer celle-til-celle-kontakt og nedsætter risikoen for metastasering.

Opsummering

De findes to hovedgrupper af gener, der forandrer en celle til en kræftcelle, hvis gener er muteret eller reguleringen af dem er forandret. De to grupper kaldes onkogener og tumorsupressorgener. Proto-onkogener er normale gener, der, når de muteres eller produceres i højere mængder, ændres til onkogener. Mutationer i proto-onkogener er ofte dominante, mens mutationer i tumorsupressorgener ofte er recessive. Et eksempel på en proces, hvor proto-onkogener og tumorsupressorgener spiller en vigtig rolle, er cellecyklus. En cellecyklus består af fire faser, hvor cellens DNA kopieres i S-fasen, hvorefter cellen deles til to identiske celler i M-fasen. I G1- og G2-faserne dannes de nødvendige værktøjer (proteiner), der kræves for DNA-kopieringen og celledelingen. Onkogener, der er involverede i cellecyklus, leder typisk til en accelereret cellevækst og celledeling. Tumorsupressorgener har til opgave at sørge for, at cellen ikke deler sig, medmindre der er et behov, og cellens DNA er intakt og fri for mutationer. Hvis dette ikke er tilfældet, stoppes cellerne i G1- fasen, lige før de indtræder S-fasen, og det muterede DNA repareres. En mutation i tumorsupressorgenerne betyder typisk, at funktionen af genet mistes eller nedsættes. Cellen kan herved ikke længere kontrollere cellecyklus og forhindre DNA mutationer. Andre onkogener er involveret i angiogenese og i at fremme metastasering, mens tumorsupressorgener kan hæmme metastasering og fremme kontakt-inhibering.

CyklinD, c-Myc, og Ras er eksempler på onkogener, mens Rb, APC, p53, DCC, BRCA og E-cadherin er eksempler på tumorsupressorgener.

Links

Hvis du er interesseret i at læse mere om nogle af denne artikels emner:

Cellecyklus
http://vidensbanken.blogspot.com/2009/04/p53-og-cellecyklus.html
http://www.biokemi.org/biozoom/issues/492/articles/1957

Ras og kræft
http://www.biokemi.org/biozoom/issues/520/articles/2346

Generelt om gener og kræft
http://www.netdoktor.dk/sygdomme/fakta/kraeftoggener.htm
http://www.biokemi.org/biozoom/issues/514/articles/2290