Kanker
A1.1.0 Celcyclus
De cel vermenigvuldigt zich door al zijn componenten te verdubbelen en vervolgens in tweeën te splitsen. Dit proces van verdubbeling en splitsing wordt de celcyclus genoemd, dit proces wordt in de afbeelding hier rechts schematisch weergegeven:
Zoals uit de afbeelding blijkt bestaat de celcyclus uit vier fases, namelijk opeenvolgend de G1-fase, de S-fase, de G2-fase (samen de interfase genoemd) en de M-fase, ofwel mitose-fase. Al deze fases hebben een verschillende functie:
• G1-fase (‘gap’ = periode waarin niks gebeurt): De cel neemt ongeveer 20% in omvang toe, eventuele defecten in het DNA worden gerepareerd en enzymen die nodig zijn voor de replicatie van het DNA worden aangemaakt.
• S-fase (synthese): Tijdens de S-fase wordt het DNA gedupliceerd. De chromosomen bestaan aan het eind van deze fase dus ieder uit twee chromatiden.
• G2-fase: De enzymen die nodig zijn voor de mitose worden aangemaakt, organellen worden bijgemaakt en de cel groeit verder.
• M-fase (mitose): Hier vindt de kerndeling plaats. De kerndeling bestaat uit de mitose en celdeling (ofwel cytokinese).
Na de celdeling, dus na de M-fase, kunnen de dochtercellen opnieuw delen of in “rust” gaan en eventueel specialiseren. Wanneer cellen in rust gaan noemen we dit de G0-fase. Het is voor bepaalde cellen mogelijk om vanuit de G0-fase weer in de G1-fase te komen en zo onder andere weefsels te herstellen.
A1.2.0 Checkpoints
Vanzelfsprekend gaat er bij de celcyclus wel eens iets mis waardoor er bijvoorbeeld cellen ontstaan met een verkeerde DNA-structuur. Dit is de reden waarom de cel een soort ingebouwd controlesysteem heeft. Dit controlesysteem heeft de volgende vaardigheden nodig;
•Een klok of timer die er bij elke gebeurtenis voor zorgt dat er genoeg tijd voor is.
•Een mechanisme om elke gebeurtenis in de goede volgorde te laten verlopen; mitose moet bijvoorbeeld altijd na DNA replicatie komen.
•Een mechanisme om te zorgen dat elke gebeurtenis maar 1 keer per cyclus gebeurt.
•Binaire (aan/uit) switches die gebeurtenissen in werking zetten op een irreversibele manier en ervoor zorgen dat ze niet ondertussen afgebroken kunnen worden.
•Back-up mechanismen en aanpassingsmogelijkheden om er zeker van te zijn dat de cyclus goed kan werken, zelfs wanneer onderdelen van het systeem slecht functioneren.
In de cel zijn zogenaamde checkpoints aanwezig waarbij de celcyclus gestopt kan worden wanneer voorafgaande processen niet goed zijn afgerond. De afbeelding hier links geeft aan op welk moment van de celcyclus ze plaats vinden:
De checkpoints werken op basis van negatieve intracellulaire signalen. Dit wil zeggen dat ze niet werken door het wegvallen van positieve signalen die normaal gesproken de celcyclus voortgang stimuleren, maar dat de checkpionts zelf negatieve signalen uitzenden waardoor deze positieve signalen teniet gedaan worden.
De eiwitten die actief zijn bij deze controlepunten zijn de zogenaamde cyclin-dependant kinases, ofwel (Cdks) genoemd. Deze Cdks stimuleren de celcyclus en zijn alleen actief als ze gebonden zijn aan cyclines. Cyclines ondergaan zelf ook een cyclus van synthese en degradatie tijdens elke celcyclus, waardoor het slechts op enkele momenten tijdens de celcyclus mogelijk is dat er cycline-Cdk-complexen worden gevormd en de celcyclus dus gestimuleerd wordt. Hierdoor ontstaan dus ook de verschillende fases in een cel. Wanneer een van de fases met succes is afgerond kan het complex positieve signalen uitzenden waardoor het volgende complex gevormd kan worden en dus ook de volgende fase gestimuleerd kan worden. Wanneer een fase niet met succes is afgerond zenden de complexen negatieve signalen uit waardoor de celcyclus wordt stop gezet en de cel actie onderneemt om de fouten te repareren. De cyclus van cyclines wordt hieronder schematische weergegeven.
Er zijn 4 klassen cyclines, elk genoemd naar het stadium van de celcyclus waar ze binden aan Cdks. Drie van deze klassen komen voor in alle eukaryote cellen:
•G1/S-cyclines binden Cdks aan het eind van de G1 -fase en staan de cel toe om over te gaan tot DNA replicatie.
•S-cyclines binden Cdks tijdens de S-fase en zijn nodig voor de initiatie van DNA replicatie.
•M-cyclines stimuleren de gebeurtenissen van mitose.
De kern van het celcyclus controlesysteem is dus een serie van cycline-Cdk-complexen. De activiteit van elk complex is afhankelijk van verschillende remmende checkpoint mechanismen, die informatie verschaffen over het extracellulaire milieu, beschadiging van de cel en incomplete celcyclus gebeurtenissen.
A1.3.0 Apoptose
In principe kan elke cel van een mens vier verschillende processen uitvoeren. Dit zijn vermeerdering, oftewel celdeling, differentiatie, een activiteit/rust proces en apoptose. Apoptose is het proces waarbij een cel ‘zelfmoord’ pleegt. De cel vernietigt zichzelf van binnenuit zonder hierbij schade aan te richten aan het milieu zoals dat bij necrose zou gebeuren. Het nut hiervan is dat beschadigde en overbodige cellen kunnen worden verwijderd en zo een goede werking van het lichaam gewaarborgd wordt.
Apoptose vindt onder andere plaats tijdens de ontwikkeling van het lichaam. Bijvoorbeeld tijdens de ontwikkeling van het hart, van het zenuwstelsel en tijdens het scheiden van vingers. Ook vindt apoptose plaats wanneer het DNA van een cel, door welke reden dan ook, beschadigd raakt. Zonder apoptose kan het lichaam niet functioneren, zonder apoptose is er geen leven.
A.1.3.1 Werking van apoptose
Apoptose is dus een voordelig proces. De vraag is nu: wanneer gaat een cel over in apoptose? Dit gebeurt door signalen (eiwitten) van binnenuit. Het Bcl-2 eiwit en het p53 eiwit zijn belangrijke voorbeelden. Apoptose kan ook in gang worden gezet door radio- of chemotherapie maar dit heeft echter ook schadelijke effecten op cellen waarvan men niet wilt dat ze in apoptose overgaan. Er zijn verschillende mechanismen die een cel tot apoptose doen overgaan.
Intrinsieke apoptose
Er bestaan twee soorten apoptose: intrinsieke en extrinsieke apoptose. Bij intrinsieke apoptose, wordt apoptose geinitieerd nadat er intrinsieke signalen zijn vrijgekomen door cellulaire stress. Dit kan blootstelling aan radiatie of een virale infectie zijn. Over het algemeen initiëren intrinsieke signalen apoptose via mitochondria. Mitochondria kunnen apoptose in gang zetten door het vrijlaten van cytochroom C, dat samen met Apaf-1 en ATP een complex met pro-caspase 9 vormt. Dit hele complex leidt tot de activatie van caspase 9 en een hele cascade van caspase reacties zal opgang worden gezet. Het complex wordt een apoptosoom genoemd. Sommige caspases zijn verantwoordelijk voor het klieven van belangrijke cellulaire eiwitten.
Extrinsieke apoptose
Extrinsieke signalen kunnen ook een cel tot apoptose doen overgaan. Deze signalen zijn bijvoorbeeld het binden van death-inducing-ligands aan cel oppervlaktereceptoren of de inductie van apoptose door cytotoxische T lymfocyten. Death-inducing-ligands binden aan death-receptoren en kunnen zo de caspase cascade in gang zetten. Hoe inductie van apoptose door cytotoxische T-cellen werkt is weergegeven op de afbeelding hiernaast.
A1.4.0 Proto-oncogenen en tumorsuppressorgenen
Er zijn twee soorten gen classes die in normale toestand de levenscyclus van de cel coördineren. Dit zijn de proto-oncogenen en de tumorsuppressorgenen.
Proto-oncogenen coderen voor eiwitten die een hele keten van reacties op gang brengen waardoor de groei van de cel wordt gestimuleerd. Oncogene eiwitten binden aan receptormoleculen op de buitenkant van een cel. Door deze binding zenden de receptoren signalen uit naar eiwitten in het cytoplasma van de cel. Deze eiwitten zenden op hun beurt weer signalen uit naar eiwitten in de kern, de zogehete CDK’s. Deze eiwitten zorgen er dan voor dat de cel zijn celcyclus op gang brengt zodat de cel gaat groeien (zie paragraaf over checkpoints).
Tumor supressor genen werken ook met zo’n zelfde soort pathway (zie volgende pagina), alleen doen deze precies het tegen overgestelde. Deze genen sturen hun eiwitten naar de receptoren als de groei geremd moet worden.
A1.4.1 Oncogenen
Oncogenen verstoren de stroom van signalen die gebruikt wordt bij de celdeling, waardoor er ongeremde deling ontstaat. Een bekend voorbeeld van zo’n oncogen is de Ras-familie. Een normale Ras stuurt stimulerende signalen van groei receptoren naar andere eiwitten in de bovengenoemde pathway. Een gemuteerde Ras stuurt zonder een signaal van de groei receptor, toch signalen door naar andere eiwitten. Hierdoor vind er teveel deling plaats. Deze mutant van de Ras-familie is in een kwart van de menselijke tumoren gevonden. Andere oncogenen, zoals de Myc-familie, veranderen de activiteit van de transcriptie factoren in de kern. Normaal vervaardigen cellen Myc transcriptie factoren alleen nadat ze zijn gestimuleerd door groeifactoren die op de buitenkant van de cellen zitten. Eenmaal gemaakt activeren Myc-eiwitten genen die de groei stimuleren. Maar in veel gevallen van kanker worden de Myc-eiwitten continue “hoog” gehouden, ook in afwezigheid van groei factoren.
A1.4.2 Tumorsuppressorgenen
Ook bij tumorsuppressorgenen wordt de pathway verstoord als ze gemuteerd raken. Meestal gebeurd dit doordat de remmende signalen aan de buitenkant van de cel genegeerd worden. Belangrijke componenten van deze signalen, welk specifiek zijn bij elke tumorsupressorgen, zijn vaak afwezig of inactief bij vele kanker soorten, waardoor er niet meer op de signalen gereageerd worden.
Tumorsupressoreiwitten kunnen ook de stroom van signalen van de groei stimulerende eiwitten blokkeren. Bijvoorbeeld het eiwit van het NF1-gen. Dit eiwit overvalt het Ras-eiwit voordat deze zijn signalen kan uitzenden. Cellen die gebrek aan NF1 hebben, missen een belangrijk tegenwicht van Ras en niet gecheckte vermenigvuldiging.
A1.4.3 p53
P53 is een voorbeeld van zo’n tumorsuppressorgen. Het p53-eiwit heeft verschillende functies in de cel, eigenlijk is p53 samen met veel andere eiwitten die p53 – eiwit initieert het geraamte van de regulatie van de cel.
Het p53 maakt gebruik van één punt in de late G1 fase en één in de late G2 fase. (zie checkpoints). Het G1 checkpoint zorgt ervoor dat wanneer wordt gesignaleerd dat de cel beschadigd DNA bevat, de cel niet door gaat in de S fase. Het G2 checkpoint zorgt ervoor dat de cel niet doorgaat in de M fase, wanneer er een fout wordt gesignaleerd in de cel. Blokkering van vooruitgang in de volgende fase wordt gedaan door het voorkomen van de activatie van de cycline-cdk-complexen.
Op de volgende manieren speelt p53 in dit proces een rol
In onbeschadigde cellen is p53 maar in heel kleine hoeveelheden aanwezig en is erg onstabiel. Dit komt doordat in de gezonde cel p53 niet nodig is en aan een ander eiwit gebonden is, Mdm2. Dit eiwit werkt als een ligase wat p53 het doelwit maakt voor proteosomen (‘eiwit vuilnisbakken’) en daar wordt opgeruimd. Echter, wanneer DNA beschadigd is, wordt p53 gefosforyleerd door bepaalde eiwit kinases, waardoor de binding tussen p53 en Mdm2 minder sterk wordt en p53 ook niet meer wordt afgebroken in proteosomen. Beschadigd DNA leidt tot de activatie van p53, een gen regulatie eiwit. Deze activatie leidt tot stimulatie van transcriptie van verschillende genen. Één van deze genen codeert voor het eiwit p21 Dit is een CKI, CDK-inhibitor protein. Dit bindt aan de G1/S-Cdk en S-complexen en blokkeert daarmee hun activiteiten en daarmee de voortgang in de S-fase. De cel last dan een pauze in de mitose in, waarbij wordt geprobeerd het beschadigde DNA te repareren. (zie reparatie systemen) Als dit lukt, word de blokkering van het p21 eiwit opgeheven en gaat de cel verder met de mitose. Lukt het niet het beschadigde DNA te repareren, gaat de cel over tot apoptose, geprogrammeerde celdood.
A1.5.1 Telomeren
Het DNA van elke cel verdubbelt bij elke deling, dit is natuurlijk nodig anders is de cel niet functioneel. DNA heeft net als een touw een begin en een einde. Het probleem dat men vaak ziet bij een touw is dat het touw vaak nog wel goed is maar dat beide uiteinde niet meer voldoen. Het voorbeeld van het touw is goed te gebruiken bij DNA, de beide uiteinde van DNA zijn veel kwetsbaarder dan de rest, ze kunnen makkelijker aangevallen worden door bepaalde enzymen, exonucleases genaamd. Deze exonucleases zijn in staat om het DNA op verschillende plaatsen te knippen waardoor er eventuele vitale informatie verloren kan gaan. Ligase (enzymen die DNA plakken) worden ook geweerd door de telomeer. Nog een andere mogelijkheid is dat het uiteinde bij elke deling wordt vergeten door het DNA polymerase (DNA replicator).
Een telomeer heeft telkens eenzelfde sequentie: TTAGGG, deze wordt vaak herhaald, een telomeersequentie wordt dan ook vaak geschreven als: (TTAGGG)n.
Een telomeer heeft vier belangrijke functies:
•bescherming tegen exonucleases
•bescherming tegen ligases
•voorkomen van informatieverlies bij replicatie
•een biologische klok.
Een telomeer beschermt het einde van het DNA tegen exonucleases en ligases omdat de telomeer om het einde van het DNA rolt waardoor het niet aangevallen kan worden. De laatste twee functies zijn van belang bij kanker. Een telomeer voorkomt informatieverlies bij replicatie, het stukje telomeer DNA bevat geen informatie, dus is het niet erg als het beginstukje van het DNA dat steeds met een primer moet hybridiseren voordat de replicatie kan plaatsvinden. Een telomeer heeft ook de functie van een biologische klok omdat er bij elke deling een stukje DNA afvalt (dus een stukje van de telomeer); is de telomeer op een gegeven moment, na ±70 keer delen weg, dan wordt het DNA langzaam aangetast.
A1.5.2 Telomerase
Telomerase is een enzym dat het mogelijk maakt om het telomeer dat na elke deling korter wordt weer te verlengen. Telomerase bestaat uit een polymerase -en een primer deel. Dit doet telomerase op de manier als in de afbeelding hiernaast is getoond. Telomerase komt in normale cellen niet voor, alleen in geslachtscellen en stamcellen komen ze voor omdat deze cellen meerdere malen moeten delen.
Geschreven door: Dhr. Arash Khamooshian , BSc (Universiteit Utrecht, SUMMA,Biomedische Wetenschappen)
Referentielijst:
A1.0.0 Ontstaan van kanker
Celcyclus/checkpoints
http://members.home.nl/larsbosboom/celcyclus.htm
Apoptose
Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, 4th Edition 2002, Chapter 17, Programmed Cell Death
http://www.sante.univ-nantes.fr
http://staff.science.uva.nl
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet
Proto-oncogenen en tumorsuppressorgenen
“How cancer arises” uit de Scientific American September 1996 door Robert A. Weinberg.
http://www.kwfkankerbestrijding.nl
http://www.mblab.gla.ac.uk
http://members.lycos.nl/kankerinfo
http://www.mskcc.org
Telomeren
http://members.home.nl/larsbosboom/telomerase.htm