ĆELIJSKI CIKLUSĆELIJSKI CIKLUSĆELIJSKI CIKLUSĆELIJSKI CIKLUS

I POREMEĆAJII POREMEĆAJII POREMEĆAJI I POREMEĆAJI ĆELIJSKOG CIKLUSAĆELIJSKOG CIKLUSA

Ćelijski ciklus• Funkcija ćelijkog ciklusa je duplikacija DNK molekula u 

hromozomima i precizno razdvajanje kopija u dve genetički 

identične ćerke ćelije. 

• Dve glavne faze ćelijskog ciklusa su:

•• InterfazaInterfaza: : 

TTraje najmanje 12 do 24 sata u ćelijama sisara. – U toku ovog perioda ćelijaU toku ovog perioda ćelija

konstantno sintetiše RNK iproteine i povećava joj se veličinaveličina.

•• M M fazafaza (M‐mitoza) – razdvajanjehromozoma i ćelijska deoba kojatraje mnogo kraće (oko 1 sat). M fazauključuje seriju dramatičnihdogađaja koji počinju podelom jedraili iili mitozom.

•• InterfazaInterfaza se se mmože se podeliti u četiri faze: – Gap 0 (G0) – Ćelija ne ulazi u ćelijskip ( ) j j

ciklus i ne deli se. Može biti prolazniperiod odmora ili trajati duže (ćelija je dostigla krajnji nivo razvoja i više se ne deli kao na pr neuron)deli kao na pr. neuron).

– Gap 1 (G1) – Povećava se veličinaćelija, proizvodi se RNK i sintetišu se proteini. U ovoj fazi se aktiviraproteini. U ovoj fazi se aktiviraznačajan kontrolni mehanizam (Gitačka provere ‐ G1 Checkpoint), kojiproverava da li je sve spremno sai t DNKsintezu DNK.

– S faza (sinteza) – Replikacija DNK, – Gap 2 (G2) – Pauza između sinteze

DNK i mitoze Ćelija nastavlja da raste iDNK i mitoze. Ćelija nastavlja da raste iproizvodi nove proteine Na kraju ovefaze se nalazi drugi kontrolnimehanizam (G2 Checkpoint) kojiproverava da li ćelija sada može ući u M fazu (mitoza) i podeliti se.

U tipičnoj ćeliji čoveka koja se deli u kulturiinterfaza (G1 S G2) traje 23 sata i mitoza još samo 1 satinterfaza (G1,S,G2) traje 23 sata i mitoza još samo 1 sat

1 h

10 -12 h

G faze služe da omoguće:

ć l (d l l )• rast ćelije (dupliciranje organela) 

• kao i proveru spoljašnjih i unutrašnjih uslova sredine            pre nego što ćelija uđe u sintezu DNK i mitozupre nego što ćelija uđe u sintezu DNK i mitozu

Ćelijski ciklus•• M fazaM faza –– razdvajanje hromozoma i ćelijska deoba koja traje mnogo kraće (oko 1 sat) MM fazaM faza razdvajanje hromozoma i ćelijska deoba koja traje mnogo kraće (oko 1 sat). M

faza uključuje seriju dramatičnih događaja koji počinju podelom jedra ili mitozom– Profaza: Mitoza počinje kondenzacijom hromozoma, duplikovali lanci DNK, spakovani

u hromozome se kondenzuju.P t f C kl i t č lik i h i k ji d ž– Prometafaza: Cepa se nuklearni omotač, replikovani hromozomi koji sadrže parove setrinskih hromatida se pričvršćiju za mikrotubule mitotičkog vretena.

– Metafaza: hromozomi se ređaju na ekvatoru mitotičkog vretena.– Anafaza –hromozomi se kreću ka suprotnim polovima duž mitotičkog vretenap p g– Telofaza: Hromozomi se dekondenzuju i ponovo stvaraju nukleuse. – Sledi podela citoplazme - citokineza, čime se deoba ćelija završava.

• Ukoliko su uslovi• Ukoliko su uslovi nepovoljni za deobu, ćelije iz G1 faze ulaze u G0 u kojoj mogu ostati nekoliko dana, nedelja ili čak do smrti ćelijesmrti ćelije

• Kad se uspostave povoljni uslovi za deobu ćelija prolazi tzv. START koji je opredeljuje za ulazak u Sopredeljuje za ulazak u S fazu, čak i ako se opet pogoršaju uslovi sredine

Eukariote ‐ sistem kontrole ćelijskog ciklusa:

• pravovremeno aktiviranje događaja

• redosled aktiviranjaredosled aktiviranja

• okidanje događaja samo jednom u svakom ciklusu

• aktivacija po tipu uključeno‐isključenoaktivacija po tipu uključeno isključeno

• prilagodljivost

Sistem kontrole ćelijskog ciklusaSistem kontrole ćelijskog ciklusa

AnafazaAnafaza iiFormiranjeFormiranje• Ćelijski kontrolni sistem

detektuje oštećenje DNK i AnafazaAnafaza iideobadeoba ććelijeelije

FormiranjeFormiranjedeobnogdeobnogvretenavretena

j jzadržava ćelijski ciklus uodređenim kontrolnimkontrolnimtačkamatačkama.

•• KontrolneKontrolne tačketačke::1.1. KasnaKasna GG11 fazafaza2.2. KasnaKasna GG22 fazafaza

••Kontrolne tačke (checkpoints)Kontrolne tačke (checkpoints) suKontrolne tačke (checkpoints) Kontrolne tačke (checkpoints) sumesta na kojima se proverava da li suprethodni koraci ćelijskog ciklusa završeni i da li su povoljni uslovi p jspoljašnje sredine za nastavak ćelijskog ciklusa. ReplikacijaReplikacija DNKDNK

Kontrola ćelijskog ciklusaKontrola ćelijskog ciklusaProlazak ćelija kroz pojedine faze ćelijskog

ciklusa je kontrolisan proteinimaproteinimacitoplazmecitoplazme.

Najznačajniji u animalnim ćelijama su:1.1. CikliniCiklini

a) G1 ciklin (ciklinciklin DD) b) Ciklini S‐faze (cikliniciklini E E ii AA) c) Ciklini mitoze (cikliniciklini B B ii AA) Nivo ovih proteina u ćeliji se menja sa

prolaskom kroz pojedine faze ćelijskogciklusa.

2.2. CiklinCiklin‐‐zavisnezavisne kinazekinaze ((CdkCdk))2.2. CiklinCiklin zavisnezavisne kinazekinaze ((CdkCdk))a) G1 Cdk (Cdk4Cdk4) b) Cdk S‐faze (Cdk2Cdk2) c) Cdk M‐faze (Cdk1Cdk1) 

3. APCAPC – (anaphase‐promoting complex), faktor pokretanja anafaze faktor pokretanja anafaze naziva se iciklozom i često označava APC/C.

o Pokreće događaje koji vode destrukcijidestrukcijikohezinakohezina što omogućava sestrinskimkohezinakohezina što omogućava sestrinskimhromatitidama da se razdvoje.

oo RazgrađujeRazgrađuje MM‐‐ciklin (ciklin B)ciklin (ciklin B).

Aktivacija kompleksa ciklin‐ciklin zavisna kinaza je ključnikinaza je ključni 

događaj u pokretanju određenih faza ćelijskog ciklusa

Ciklini i ciklin ‐ zavisne kinaze• Ciklini su osnovni faktor koji određuje aktivnost Cdk.

• Ciklini  su proteini koji nemaju enzimsku aktivnost, a koncenracija im ciklično varira tokom ćelijskog ciklusa.j g

• Cdk  su najčešće konstantno eksprimirane tokom ćelijskog ciklusa, ali se aktiviraju samo u određenim momentima ćelijskog ciklusa.

MG

CCIKIKLIN B/ LIN B/ cdc2cdc2

G1

G2CCIKIKLIN D / LIN D / Cdk4,5,6Cdk4,5,6CYCLIN A/ CYCLIN A/

cdk2cdk2

G1 G2S MS

CCIKIKLIN E / LIN E / CCdk2dk2

Otkriće prvih ciklinaTim Hunt ‐ ranih 1980‐ih. 

Glavni ciklini i Glavni ciklini i ikliikli ii

KIČMENJACI

KVASCI

CIKLIN-CDK CIKLIN CDK CIKLIN CDK ciklinciklin‐‐zavisnezavisnekinazekinaze kod kod kičmenjaka ikičmenjaka i

KOMPLEKS CIKLIN CDK CIKLIN CDK

G1-Cdk ciklin D Cdk4, Cdk6 Cln3 Cdk1

G1/S-Cdk ciklin E Cdk2 Cln1 Cln2 Cdk1 kičmenjaka i kičmenjaka i kvascakvasca

G1/S Cdk ciklin E Cdk2 Cln1, Cln2 Cdk1

S-Cdk ciklin A Cdk2 Clb5,6 Cdk1

M-Cdk ciklin B Cdk1 Clb1,2,3,4 Cdk1

Cdk – ciklin zavisne kinazeCdk  ciklin zavisne kinaze• Nivoi ovih enzima u ćeliji su relativno konstantni, ali za aktivaciju svakog od njih je potrebno prisustvo odgovarajućeg ciklinaprisustvo odgovarajućeg ciklina.

• Dodaju fosfatne grupe na mnoštvo proteinskih supstrata koji kontrolišu procese u ćelijskom ciklusu.

Kada ciklin nagradi kompleks sa Cdk, protein kinaza jeprotein kinaza je aktivirana i pokreće specifične događaje u ćelijskom ciklusu. 

U odsustcu ciklina, Cdk je neaktivna

Aktivacija Cdk omogućava efikasnu f f il ij ilj ih ifosforilaciju ciljnih proteina

Koraci u ćelijskom ciklusu

• Povećanje nivoa G1‐ciklina (ciklin D) i njegovo vezivanje za Cdki li l ć lij d č i lik ijlik ij–– signalsignal za ćeliju da počne sa pripremama zaza replikacijureplikaciju. 

• Povećanje nivoa S – ciklina – (ciklin E, pa ciklin A) – povećanje nivoa faktora koji pospešuju S fazu (S‐phase promoting factor ‐ SPF) — kojip j j p p j ( p p g f ) j

uključuju i ulazakulazak u u jedrojedro ciklinaciklina E E ii A A koji su vezani za Cdk2Cdk2.  – Nastavlja se replikacija, razlaže se ciklin E i ppoovećavavećava se se nivonivo mitotičkihmitotičkih ciklinaciklina (u G2)(u G2). 

• Kompleks koji pospešuje M‐fazu (M‐phase promoting factor ‐MPF) čine kompleksikompleksiKompleks koji pospešuje M fazu (M phase promoting factor MPF) čine kompleksikompleksimitotičkihmitotičkih ciklinaciklina ((ciklinciklin B) B) ii CdkCdk koji iniciraju:– Formiranje mitotičkog vretena– Cepanje jedarnog omotača

Kondenzaciju hromozoma– Kondenzaciju hromozoma

Ovi događaji uvode ćeliju u metafazu.

• U ovoj tački faktori pokretanja M faze aktiviraju faktorefaktore pokretanjapokretanja anafazeanafaze (APC)(APC) koji:• U ovoj tački faktori pokretanja M faze aktiviraju faktorefaktore pokretanjapokretanja anafazeanafaze (APC)(APC) koji:– Omogućavaju kretanje sestrinskih hromatida ka suprotnim polovima–– DestrukcijuDestrukciju MM‐‐ciklinaciklina ((ciklinciklin B) B) nakon ubikvitinacije– Pokretanje sinteze G1 ciklina za sledeći ciklus–– DegradacijuDegradaciju gemninagemnina – proteina koji sprečeva re‐replikaciju novosintetisane DNK u S 

fazi pre mitoze.Ovo je jedini mehanizam kojim ćelija omogućava da se svaki deo genoma kopira samo

jednom.

KompleksiKompleksi SS ciklinciklin‐‐CdksCdks

S ciklin ‐Cdk obezbeđuje inicijaciju replikacije inicijaciju replikacije 

j d iklj d iklsamo jednom u ciklususamo jednom u ciklusutako što uklanja Cdc6 uklanja Cdc6 sa početnog mestapočetnog mestareplikacije i razgrađuje ga, a višakvišak Mcm Mcm eksportujeeksportuje iznukleusa.

d dCdc6 i Mcm ne mogu da započnu novu replikaciju DNK sve dok se M Cdk neDNK sve dok se M‐Cdk ne inaktiviše na kraju mitoze.

Aktivnost ciklin‐Cdk kompleksa regulisana je različitim mehanizmima:različitim mehanizmima:

• Degradacija ciklina inaktiviše Cdk protein

• Aktivacija Cdk pomoću Cdk aktivirajuće kinaze (CAK)Aktivacija Cdk pomoću Cdk aktivirajuće kinaze (CAK)

• Fosforilacija Cdk inhibira njenu aktivnost

• CKI inhibira kompleks ciklin Cdk• CKI inhibira kompleks ciklin‐Cdk

• Proteoliza CKI i ciklina ubikvitin ligazama (SCF i APC)

• Promene u transkripciji gena koji kodiraju Cdk regulatore

1. Degradacija ciklina1. Degradacija ciklina inaktiviše Cdk proteinpokreće mitotsku mašineriju

• Koncentracija ciklina postepeno raste tokom interfaze, a onda rapidno opada do nule kada ćelija prolazi kroz M‐fazu ciklusaprolazi kroz M‐fazu ciklusa.

• Nagli pad ciklina u M‐fazi nastaje usled brze degradacijeciklina ubikvitinubikvitin‐‐zavisnim proteolitičkim zavisnim proteolitičkim sistemomsistemom.

• Degradacija ciklina dovodi do gašenja kinazne aktivnosti!

pokreće replikaciju DNK

2.2. CdkCdk‐‐aktivišuća kinaza (CAK)aktivišuća kinaza (CAK)2. 2. CdkCdk aktivišuća kinaza (CAK)aktivišuća kinaza (CAK)

ciklinciklin

Cdk-aktivišuća kinaza (CAK)

T petlja

NEAKTIVNA DELIMIČNOAKTIVNA

AKTIVNAaktivišuće mestoCdk

T-petljaaktivišući fosfat

AKTIVNA

Negativna regulacija aktivnosti CdkNegativna regulacija aktivnosti Cdk

3.3. inhibicija fosforilacijominhibicija fosforilacijom

(M‐Cdk)4.4. vezivanje Cdk inhibitornih

proteina (CKICKI)

(G1 i S faza)

ciklinCdk

ciklin inhibitorni fosfatCdk

Wee1kinaza

Cd 25

aktivan ciklin-Cdk

kompleks

neaktivan

p27 ciklin Cdk aktivišućifosfat

Cdk

Cdc25fosfataza

kompleks p27-ciklin-Cdk kompleks

NEAKTIVNAAKTIVNA

fosfat

•• Protein Protein p27p27 je inhibitor Cdk komleksakoji pokriva aktivno mesto kompleksa i sprečava vezivanje ATP.

5. 5. UbUbiikvitinkvitin ligazeligaze ‐‐ SCF (SCF (S‐phase promoting factor) i APC i APC (anaphase‐promoting complex)( p p g p )

SCF SCF ((S‐phase promoting factor) –– S fazaS faza APC APC (anaphase‐promoting complex) –– M M (( p p g f )

Fosforilacija ciljnog proteina CKI proteina CKI (Cdk inhibitornog proteina)(Cdk inhibitornog proteina)

( p p g p )fazafaza

Vezivanjem aktivirajuće jedinice Cdc20Cdc20omogućava da on bude prepoznat od strane SCF (konstitutivno aktivan). Uz pomoć proteina E1 i E2, SCF premešta iš l k l bik iti CKI t i

za APC nastaje aktivan APC kompleks, koji vrši ubikvitinaciju MM‐‐ciklinaciklina uz pomoć E1 i E2, i na taj način ga b l ž d d ij tviše molekula ubikvitina na CKI protein. 

Time je omogućeno da ubikvitinirani CKI bude prepoznat od strane proteazoma, gde vrši njegova degradacija

obeležava za degradaciju u proteazomu. 

Odvajanjem i degradacijom M‐ciklina dolazi do inaktivacije M Cdkgde vrši njegova degradacija.  dolazi do inaktivacije M‐Cdk.

Oba proteina imaju vezujuća mesta koja prepoznaju specifične AK‐sekvence u ciljnom proteinu.

•• APC (anaphaseAPC (anaphase‐‐promoting complex).promoting complex).

•• Multipli molekuli ubikvitinaubikvitina kovalentno se vezuju za molekul ciklina i vode ciklin u proteazomeproteazome, gde se vrši njihova destrukcija.

Ubikvitin

APCAPCRazgradnja u proteazomu

Cdc20

•• HCTHCT‐‐11 je aktivirajući protein za APC, sličan Cdc20. bitna razlika je u tome što se kompleks kompleks Cdc20Cdc20‐‐APCAPCCC je a t ajuć p ote a C, s ča Cdc 0 b t a a a je u to e što se o p e so p e s Cdc 0Cdc 0 CCaktivira fosforilacijom od strane M‐Cdk, dok se HTC1HTC1‐‐APCAPC inhibira direktnom fosforilacijom HTC‐1. •Usled ovoga, aktivnost kompleksa HTC1‐APC raste u kasnoj mitozi kada je Cdc20‐APC već “doveo do destrukcije” M‐ciklina i samim tim M‐Cdk postala neaktivna.

sekurin

separaza

K h i iKohezini

Cdc20 aktivira APC, dolazi do ubikvitinacije sekurina (separaza vezana za sekurin je u inaktivna, a kad APC uzrokuje destrukciju sekurina ona postaje aktivna i veže se za kohezine).

• Nakon razdvajanja hromatida deobno vreteno sedezintegriše, hromozomi se dekondenzuju i ponovose formira jedarna membrana

• Za ove procese odgovorna je razgradnja kompleksaM‐Cdk u proteazomima

• APC je odgovoran i za razgradnju M‐ciklina

• Nakon mitoze ćelije se u G1 fazi održavajuzahvaljujući razgradnji ciklina, inhibiciji Cdk (p27) i

ij t k i ij iklisupresijom transkripcije gena za cikline

6. Promene u transkripciji genaPromene u transkripciji gena koji kodiraju Cdk regulatoreCdk regulatore

Ulazak ćelije iz Giz G11 u S u S fazu inicira neki ekstracelularni signal 

Ekstracelularnisignal

G1 ciklini

Sinteza G /S i S ciklina

Inaktivacija inhibitoraRb  Rb 

Sinteza G1/S i S ciklinaSmanjena degradacija

ciklina

Mitogeni aktiviraju G1‐Cdk i S‐Cdk

Mutacije Rb gena dovode do retinoblastoma

RbP PP

E2F

G1G1

G1 Cdk P P

G1G1

Geni za G1/S i S cikline i druge proteine h d S f ineophodne u S fazi

Ključnu ulogu u kontroli prelaska iz G1 u S fazuKljučnu ulogu u kontroli prelaska iz G1 u S fazu ćeljskog ciklusa ima p53 proteinp53 protein

Oštećenje DNKp53 stimuliše ekspresiju gena za 

Zadržavanje ciklusa u G fazi

p53p21, inhibitora G1/S i S‐Cdk

u G1 fazi

Popravka Popravka nemoguća 

p53

Nastavak ciklusa Apoptoza 

p53

Oštećenje DNK blokira deobu ćelije

Zaustavljanje ciklusaZaustavljanje ciklusaMehanizam dejstva p53p53

Razgradnja u proteazomu

Zaustavljanje ciklusaZaustavljanje ciklusa

Mdm2  G1/S‐Cdk i S‐Cdk

a g ad ja u p otea o u

Mdm2  P

Protein kinaza

P

p21

p21 iRNK

Oštećenje DNKPopravka oštećenjaPopravka oštećenjaOštećenje DNK Popravka oštećenjaPopravka oštećenja

• Ćelijski kontrolni sistem detektuje oštećenje• Ćelijski kontrolni sistem detektuje oštećenjeDNK i zadržava ćelijski ciklus u određenimkontrolnim tačkamakontrolnim tačkama

K l čk• Kontrolne tačke

1. Kasna G1 faza

2. Kasna G2 faza

Sistem kontrole ćelijskog ciklusaSistem kontrole ćelijskog ciklusa• Kontrolne tačke (checkpoints) su mesta na kojima se proverava da li su prethodni koraci ćelijskog ciklusa završeni i da li su povoljni uslovi p j g p jspoljašnje sredine za nastavak ćelijskog ciklusa

Anafaza i citokinezaFormiranje deobnog vretenadeobnog vretena

Replikacija DNK

Aktivacija kompleksa M ciklinAktivacija kompleksa M ciklin‐‐ciklin zavisna ciklin zavisna kinazakinaza je ključnije ključnikinazakinaza je ključni je ključni 

događaj u započinjanju procesa mitozedogađaj u započinjanju procesa mitoze

Neaktivna fosfataza

PozitivnaM-ciklin

Cdk-aktivirajućakinaza

Inhibitorni fosfati

Pozitivna sprega

Aktivirajući

Cdk-1 Cdk-inhibitornakinaza

Aktivirajući fosfati

NeaktivanM-Cdk

NeaktivanM-Cdk

Aktivan M-Cdk

Negativni signal aktivira protein kinazu koja fosforiliše i inhibira Cdc25 protein Cdc25 protein fosfatazufosfatazu. Kao rezultat M-cdk ostaje fosforilisana i neaktivna dok se DNK replikacija ne završi.

Kontrolna tačka u GG22 fazifazi

Neaktivna fosfataza

Pozitivna

P

M-ciklinCdk-aktivirajuća

kinaza

Inhibitorni fosfati

Pozitivna sprega

Aktivirajući

Cdk-1 Cdk-inhibitornakinaza

Aktivirajući fosfati

NeaktivanM-Cdk

NeaktivanM-Cdk

Aktivan M-Cdk

Ekstracelularna kontrola ćelijskog Ekstracelularna kontrola ćelijskog t d b i tt d b i trasta, deobe i apoptozerasta, deobe i apoptoze

1.1. MitogeniMitogeni – isključuju negativne kontrolne mehanizmegg j j gkoji sprečavaju deobu ćelije (PDGF, EGF). Mitogeni sevezuju za površinske ćelijske receptore i indukujudeobudeobu.

2.2. FaktoriFaktori rastarasta – stimulišu rast ćelija povećanjemsinteze proteina i drugih makromolekula i inhibicijomnjihove razgradnje (NGF).

3.3. FaktoriFaktori preživljavanjapreživljavanja – suprimiraju apoptozu.

Mnoge humane ćelije imaju ograničenje k lik d li ikoliko puta se mogu podeliti

M h ć lij ć d liti ič b j• Mnoge humane ćelije će se podeliti ograničen broj puta, a zatim ući u permanentnu G0 fazu

• Smatra se da do ovog fenomena dolazi usled• Smatra se da do ovog fenomena dolazi usled  promena u telomerama (skraćenje), što dovodi do toga da se u jednog trenutku skraćen hromozomtoga da se u jednog trenutku skraćen hromozom identifikuje kao oštećen i dolazi do aktivacije p53 sistema (somatske ćelije uglavnom ne sadrže telomerazu koja obezbeđuje replikaciju telomernih regiona bez njihovog skraćivanja)

Abnormalni signali za proliferaciju mogu da dovedu do blokade ćelijskog ciklusa i apoptoze kod normalnih, ali j g p p ,

ne i kod tumorskih ćelija

Preterana stimulacija mitogenima aktiviramitogenima aktivira Arf, inhibira Mdm2 i raste nivo p53.

K d ć lij tKod ćelija tumora su često prisutne mutacije u Arf ili p53p

Stimulacija rasta ćelija delovanjem vanćelijskih faktora rasta i hranljivih materijarasta i hranljivih materija

Ćelijski ciklusĆelijski ciklus

N d j ćOštećenje

DNKVišak

mitogena Nereplicirana Oštećenje NevezaniNeodgovarajuće okruženje

p53

DNK mitogena Nereplicirana DNK

jDNK

Nevezani hromozomi

G1-Cdk G1/S-Cdk Hct-1 CKI S-Cdk Cdc25 M-Cdk APC

Sinteza G1/S ciklina

C

Sinteza S ciklinaPonovna replikacija

DNK

KANCER

• Kancerske ćelije se • Kanceri– replikuju

neobuzdano i k l i j t itit ij

–– KarcinomiKarcinomi – nastali od epitelnih ćelijaS k iS k i t li d– kolonizuju terititorije

koje bi normalno trebalo da pripadaju

–– SarkomiSarkomi – nastali od ćelija vezivnog tkiva ili mišićnih ćelijap p j

drugim ćelijama.•• Benigni tumori Benigni tumori

j–– LeukemijeLeukemije – od

hematopoetskih ćelijaK i i t li dK i i t li d•• Maligni tumoriMaligni tumori –

kanceri - metastaze–– Karcinomi nastali od Karcinomi nastali od

nervnih ćelijanervnih ćelija

• Najveći brojNajveći broj karcinoma nastaje od jedne abnormalne ćelije

• Translokacija između jhromozoma 9 i 22 odgovorna za hroničnu mijeloidnu leukemijumijeloidnu leukemijuManji od dva abnormalna hromozoma koji nastaje

fse naziva Filadelfija hromozom, prema gradu u kome je abnormalnost jprvi put zapažena

• Kanceri nastaju kao rezultat rezultat k ijk ij • Karcinogenezasomatske mutacije somatske mutacije

– koja se prenosi na potomke ćelije u kojoj je nastala.

Karcinogeneza povezana sa mutagenezom

• Genetska promena –alteracija sekvence DNK

• Epigenetska promena

• Korelacija jasna za tri klase agenasa:

Epigenetska promena• - promena genske ekspresije u

ćeliji.– Hemijske kancerogene– Jonizujuće zračenje

i• U većini kancera genetska promena uslov razvoja.

– viruse

•• Pojedinačna Pojedinačna jjmutacija nije mutacija nije dovoljna da dovoljna da uzrokuje nastanakuzrokuje nastanakuzrokuje nastanak uzrokuje nastanak kancerakancera

• Spora akumulacijaSpora akumulacija pojedinačnih mutacija u jednoj ćelijskoj liniji.

• Incidenca karcinoma se povećava sa godinamagodinama.

Stadijumi progresije i razvoja karcinoma epitela cerviksa uterusa

• Progresija tumora uključuje sukcesvne cikluse mutacije icikluse mutacije i

• Destabilišuće mutacije najčešće nisu nasledne većsukcesvne cikluse mutacije i cikluse mutacije i

prirodne selekcijeprirodne selekcije.• U svakoj fazi ćelije stiču

dodatne mutacije koje im daju d t d

najčešće nisu nasledne, već nastaju de novode novo

prednost u odnosu na susedne.

• Velika većina humanih kancera pokazuje znake p jdramatično povećane učestalosti mutacija, ćelije su genetički nestabilnegenetički nestabilne. – kancerske ćelije mogu bitikancerske ćelije mogu biti

defektne u sposobnosti da poprave lokalno oštećenje DNK ili koriguju greške u replikaciji.

• Karcinomi se mogu smatrati i genetskim oboljenjima. N j k l ij k ć lij• Nastaju kao rezultat mutacije somatske ćelije.

• Tipični karcinomi zavise od čitavog seta mutacija. • Međutim, mnogi geni koji su često izmenjeni u humanim

karcinomima su identifikovani – više od 100 je poznato alikarcinomima su identifikovani više od 100 je poznato, ali neophodno je mnoge tek otkriti.

• Ovi geni se često nazivaju kancer kritičnim genimakancer kritičnim genima. Ovaj termin se odnosi na sve gene čije mutacije doprinose nastanku karcinoma.

•• II klase kancer kritičnih genaII klase kancer kritičnih gena

•• I protoI proto onkogenionkogeni njihove mutantne prekomerno aktivne forme se•• I protoI proto--onkogenionkogeni -- njihove mutantne, prekomerno aktivne forme se nazivaju onkogenionkogeni.

•• II tumor supresorni geniII tumor supresorni geni – u kojima mutacija dovodi do gubitka p gp g j j gfunkcije

• Obe vrste imaju sličan efekat na proliferaciju ćelija i njihov opstanak.

• Mutacija samo jedne kopije proto-Mutacija samo jedne kopije proto-onkogena može imati dominantan dominantan efekat na promociju rastana promociju rasta.

• Mutacije tumor supresorskog gena su obično recesivnerecesivne i obe kopije normalnogobično recesivnerecesivne i obe kopije normalnog gena moraju biti inaktivirane ili uklonjene iz diploidne somatske ćelijediploidne somatske ćelije.

•• Ras proteiniRas proteini su monomerne GTPaze koje pomažu transmisiju signala od receptora za faktor rastasignala od receptora za faktor rasta.

• Tačkasta mutacija Ras gena stvara hiperaktivni Ras protein koji egzistira u hiperaktivnom stanju prenoseći neodgovarajući signal za proliferaciju ćelija. R i ti i lik b j h ih k i i• Ras geni su mutirani u velikom broju humanih karcinoma, i predstavljaju jedan od najznačajnijih gena kritičnih za predstavljaju jedan od najznačajnijih gena kritičnih za karcinome. karcinome.

GEF - guanine nucleotide exchange factor

• Rb – regulator ćelijskog ciklusa - delecija u karcinomima.

• Ras – centralna komponenta signalnih puteva u ćeliji - uslovaljava ekscesivnu i

d k lif ij ć lij k l ineadekvatnu proliferaciju ćelija u kulturi.

• Isti signalni mehanizam koji kontroliše embrionalni razvoj operativan je u odraslih

l i l i i k t liš b tu normalnim uslovima i kontroliše obrt ćelija i održava homeostazu.

• Model delovanja mitogena na stimulaciju deobe ćelije

• Vezivanje mitogena za receptorVezivanje mitogena za receptor na površini membrane ćelije

• Aktivacija Ras i kaskade MAP kinaze

• Povećana produkcija genskog regulatornog proteina Myc Myc

•• MycMyc povećava transkripciju nekoliko gena uključujući gen za gen za D ciklinD ciklin i gena koji kodira ubikvitin ligazu.

• Aktivira se G1 ciklin D kinazaG1 ciklin D kinaza i• Aktivira se G1 ciklin D kinazaG1 ciklin D kinaza i fosforiliše se Rb proteinRb protein i regulatorni protein E2F što uvodi ćeliju u S fazu.

• Razvoj multicelularnog organizma i održavanje strukture u odraslih zavisi od j– međućelijske komunikacije– regulisane proliferacije ćelijaregulisane proliferacije ćelija– ćelijskog kretanja– ćelijske adhezijećelijske adhezije– odnosno od svih aspekta ćelijskog

ponašanja čiji se poremećaji nalaze uponašanja čiji se poremećaji nalaze u osnovi karcinoma.

• U proučavanju kako mutacije ovih genaU proučavanju kako mutacije ovih gena dovode do razvoja karcinoma značajni su:

Kultura ćelijaKultura ćelija–– Kultura ćelijaKultura ćelija–– Ispitivanja pacijenata sa karcinomomIspitivanja pacijenata sa karcinomom

Transgene životinjeTransgene životinje značajne za ispitivanje–– Transgene životinjeTransgene životinje - značajne za ispitivanje kako mutacija gena koji je kritičan za razvoj karcinoma utiče na čitav organizam.karcinoma utiče na čitav organizam.

Mnogi geni kritični za karcinom regulišu deobu ć lijćelija

• Mnogi geni kritični za karcinomgeni kritični za karcinom kodiraju komponente puteva koji regulišu socijalno ponašanje ćelija u telu posebno mehanizamregulišu socijalno ponašanje ćelija u telu – posebno mehanizam kojim signal od susednih ćelija može uticati na deobu, diferencijaciju ili smrt.

• Puna lista protolista proto--onkogenskih produkataonkogenskih produkata i tumor supresoratumor supresoraklj č j i k ti l k l k ji j klj čuključuje primere svakog tipa molekula koji je uključen u prenos

signala u ćeliji:

– sekretovane proteine, p ,– transmembranske receptore, – GTP-vezujuće proteine, – protein kinaze,

regulatorne proteine gena itd– regulatorne proteine gena itd.

• Mutacije koje neadekvatno aktiviraju receptorske tirozin kinaze, kao što je EGF receptor, ili proteini Ras familije, koji leže nishodno od j p , p j , jovog receptora deluju na ovaj način.

• Drugi signalni put može uticati g g ptako da inhibira deobu ćelija, i najbolje poznati primer je TGFTGFββ familija signalnih proteina (Transforming growthproteina (Transforming growth factor beta).

• Gubitak inhibicije rasta preko ovih faktora može doprineti o a o a o e dop erazvoju nekoliko tipova karcinoma.

• Mutacije receptora za TGFβ-RII đ kiRII su nađene u nekim karcinomima kolonakarcinomima kolona, a Smad4Smad4 – ključni intracelularni signalni medijator u ovom putusignalni medijator u ovom putu – je inaktiviran u karcinomima karcinomima pankreasapankreasa i karcinomima nekih drugih tkiva.

• Ultimativno kancer kritični genikancer kritični geni koji regulišuUltimativno kancer kritični genikancer kritični geni koji regulišu ćelijsku deobu ispoljavaju svoj efekat delujući na centralnu mašineriju koja kontroliše ćelijski j j jciklus.

• I nije iznenađujuće da mutacije u ovoj mašineriji predstavljaju prominentne karakteristike mnogih karcinoma.

• Ključna tačka u kojoj ćelije odlučuju da uđu u proces replikacije svoje DNK i ciklus deobe ćelije je kontrolisana Rb proteinomRb proteinom, proizvodom tumor supresorskog proizvodom tumor supresorskog gena gena RbRb.

• Rb služi kao kočnica - sprečava ulazak u S fazu b s u ao oč ca sp eča a u a a u S a u• Normalno inhibicija uzrokovana sa Rb se poništava u

odgovarajuće vreme fosforilacijom Rb.

• Mnoge kancerske ćelije proliferišu usled neadekvatne ili potpune eliminacije Rbeliminacije Rb.

• Drugi tumori nastaju usled mutacije druge komponente Rb regulatornog puta.

• Tako, u normalnim ćelijama, kompleks ciklin D1 i ciklin zavisna ciklin D1 i ciklin zavisna , j , pkinaza Cdk4 (G1kinaza Cdk4 (G1--Cdk)Cdk) stimulišu progresiju kroz ćelijski ciklus preko fosforilacije Rb.

•• Protein p16Protein p16 (INK4) – koji proizvode ćelije koje su pod stresom –inhibira progresiju ćelijskog ciklusa sprečavanjem stvaranja aktivnoginhibira progresiju ćelijskog ciklusa sprečavanjem stvaranja aktivnog ciklin D1-Cdk4 kompleksa.

• Neki glioblastomi i tumori dojkeglioblastomi i tumori dojke imaju amplifikovane gene za Cdk4 ili ciklin D1, koji tako favorizuju proliferaciju ćelija. D l ij k j ili i kti ij 16D l ij k j ili i kti ij 16 j j d ičk i•• Delecija krajeva ili inaktivacija p16 genaDelecija krajeva ili inaktivacija p16 gena je zajednička mnogim formama humanih karcinoma.

• U karcinomima u kojima nije inaktiviran mutacijom, ovaj gen je često utišan metilacijom regulatornih sekvenci DNK. j g

Mutacije gena koji regulišu apoptozu Mutacije gena koji regulišu apoptozu omogućavaju kancerskim ćelijama da izbegnu omogućavaju kancerskim ćelijama da izbegnu o oguća aju a ce s će ja a da beg uo oguća aju a ce s će ja a da beg u

suicidsuicid

• Da bi se održala proliferacija ćelijaDa bi se održala proliferacija ćelija, neophodno je ne samo uvesti ćelije u deobu već ih takođe treba sprečiti dadeobu, već ih takođe treba sprečiti da počine suicid ulazeći u proces apoptoze.

• U mnogo normalnih situacija ćelije• U mnogo normalnih situacija ćelije proliferišu kontinuirano, ali je ćelijska deoba u preciznom balansu sa gubitkomdeoba u preciznom balansu sa gubitkom ćelija.

Mutacije gena koji regulišu apoptozu Mutacije gena koji regulišu apoptozu omogućavaju kancerskim ćelijama da izbegnu omogućavaju kancerskim ćelijama da izbegnu o oguća aju a ce s će ja a da beg uo oguća aju a ce s će ja a da beg u

suicidsuicid•• ApoptozaApoptoza takođe ima vitalan značaj u ćelijskim p pp p j j

reakcijama na oštećenja i poremećaje. • Ćelije multicelularnog organizma će počiniti

i id k d d d š š l šsuicid kada osete da se dešava nešto loše –kada je njihova DNK teško oštećena ili kada su lišene signala za preživljavanje koji im ukazujelišene signala za preživljavanje koji im ukazuje da su na svom odgovarajućem mestu.

•• Rezistencija na apoptozu je tako ključna Rezistencija na apoptozu je tako ključna karakteristika malignih ćelijakarakteristika malignih ćelija, koja im omogućava povećanje broja i preživljavanje i onda kada ne bi trebalo da preživeonda kada ne bi trebalo da prežive.

• Brojne mutacije koje inhibiraju apoptozu su j j j j p pnađene u tumorima.

• Jedan protein koji blokira apoptozu, BclBcl--22, je k i š j h kotkriven zato što je meta hromozomske

translokacije u B- ćelijama limfoma. • Efekat translokacije je postavljanje Bcl 2 gena• Efekat translokacije je postavljanje Bcl-2 gena

pod kontrolu regulatornih elemenata koji sprovode prekomernu ekspresiju, što omogućava B limfocitima koji bi normalno umrli da prežive.

• Od svih kancer kritičnih gena uključenih u kontrolu g japoptoze, međutim, postoji jedan koji je impliciran u karcinomima širokog ranga tkiva.

• Ovaj gen se naziva p 53p 53, i predstavlja ključnuOvaj gen se naziva p 53p 53, i predstavlja ključnu komponentu mreže puteva koja upravlja ćelijskim odgovorom na oštećenje DNK i druge stresne događaje.

• Kontrola apoptoze je samo jedan deo genske funkcije ali• Kontrola apoptoze je samo jedan deo genske funkcije-ali veoma značajan.

• Kada je p53 defektanp53 defektan, genetski oštećene ćelije ne samo d i ć t lj j d lif iš k li j ćida ne umiru već nastavljaju da proliferišu, akumulirajući još više genetskog oštećenja koje vodi ka karcinomu.

•• p53p53 gengen — je nazvan po molekulskoj masi svogp53p53 gengen je nazvan po molekulskoj masi svog proteinskog proizvoda - možda najznačajniji najznačajniji gen u humanim karcinomimagen u humanim karcinomima.

• Ovaj tumor supresorski gentumor supresorski gen je mutiran u oko polovine ljudi koji imaju karcinom.

• Ima trostruku ulogu:– u kontroli ćelijskog ciklusa– apoptozi – održavanju genetičke stabilnosti

• Za razliku od Rb, veoma malo p53Za razliku od Rb, veoma malo p53 proteina je nađeno u većini ćelija pod normalnim uslovima.

• Zapravo, p53 nije neophodan za normalan razvoj: transgeni miševi u kojih su obe j g jkopije gena eleminisane izgledaju normalno u svim aspektima osim jednogjednog--

i bič ij j k i d t ći bič ij j k i d t ćoni obično razvijaju karcinom do trećeg oni obično razvijaju karcinom do trećeg meseca starosti. meseca starosti.

• Kada su normalne ćelije lišene kiseonika iliKada su normalne ćelije lišene kiseonika ili izložene tretmanu koji dovodi do oštećenja DNK kao što je ultravioletno ili gamaDNK, kao što je ultravioletno ili gama zračenje, one povećavaju koncentraciju p53 proteina redukovanjem normalnop53 proteina redukovanjem normalno brze degradacije molekula.

• U zavisnosti od uslova i težine oštećenja, p53U zavisnosti od uslova i težine oštećenja, p53 može uvesti ćeliju u apoptozu – relativno bezopasan događaj za multicelularan organizam- ili može pokrenutu mehanizam koji štiti ćeliju od deobe sve dok se učinjena šteta ne i iispravi.

• Zaštita koju obezbeđuje p53 objašnjava u značajnoj meri zašto su mutacije koje aktivirajuznačajnoj meri zašto su mutacije koje aktiviraju onkogene kao što su RAS i Myc nedovoljne da same dovedu do nastanka tumorasame dovedu do nastanka tumora.

P53 t i i lj j f kt ć lij ki ikl b• P53 protein ispoljava svoje efekte na ćelijski ciklus, bar delimično, vezivanjem za DNK i indukcijom transkripcije p21 – regulatornog gena čiji se proteinski proizvod p g g g j p pvezuje za Cdk komplekseCdk komplekse neophodne za ulazak u S fazu.

•• Blokiranjem kinazne aktivnosti Cdk kompleksaBlokiranjem kinazne aktivnosti Cdk kompleksa•• Blokiranjem kinazne aktivnosti Cdk kompleksa, Blokiranjem kinazne aktivnosti Cdk kompleksa, protein p21protein p21, sprečava ćeliju da uđe u S fazu i replikuje svoju DNK.

• Ćelije koje imaju defektan p53 ne pokazuju ove odgovore. One teže da izbegnu apoptozu, i ako je njihova DNK oštećena- radijacijom ili na neki drugi način-njihova DNK oštećena- radijacijom ili na neki drugi način-one nastavljaju sa deobom, ulazeći u replikaciju bez pauze za popravku prekida i drugih oštećenja DNK.

DNK tumorski virusi aktiviraju replikacionu mašineriju blokiranjemreplikacionu mašineriju blokiranjem delovanja tumor-supresorskih gena

• DNK tumorski virusi uzrokuju karcinom uglavnom interferirajući sa kontrolnim mehanizmima ćelijskog ciklusa, uključujući i onaj koji zavisi od p53p53.

• U papiloma virusa, viralni geni koji su odgovorni za nastanak carcinoma se nazivaju E6 i E7.

• Proizvodi ovih virusnih onkogena interaguju sa brojnim proteinima ćelija domaćina, posebno sa proteinskim proizvodima tumor supresorskih gena, čineći ih neaktivnim i tako omogućavajući ćeliji da replikuje svoju DNK I da se deli nekontrolisanoda replikuje svoju DNK I da se deli nekontrolisano.

Skraćivanje telomere može biti put za razvoj k i lj dikarcinoma u ljudi

• Miševi su jedan od najupotrebljavanijih modela za studije j j p j j jkarcinoma, ali se ipak spektar karcinoma koji se sreću u miševa značajno razlikuje od onih u ljudi.

• Velika većina kancera u miševa su sarkomi i leukemije,Velika većina kancera u miševa su sarkomi i leukemije, dok 80% kancera u ljudi čine karcinomi.

• Mnoge terapijske procedure su se pokazale efikasnim u lečenju karcinoma u miševa ali iste nisu bile efikasne ulečenju karcinoma u miševa, ali iste nisu bile efikasne u ljudi.

• Razlog za ove razlike je verovatno u ponašanju t l i đ k ći j t ltelomera veze između skraćivanja telomera, replikativnog zastoja ćelija i genetske nestabilnosti.

• U većini humanih ćelija, osimU većini humanih ćelija, osim germinativnih i nekih somatskih stem ćelija, ekspresija gena koji kodiraju j p j g j jkatalitičku subjedinicu telomeraze je prekinuta, ili u najmanju ruku nije u

t ti kti ipotpunosti aktivirana. • Kao rezultat, telomere u ovim ćelijama

i j t d ij d k l d ć jimaju tendenciju da uvek u sledećoj generaciji budu po malo kraće.

• Eventualno telomerna kapa na krajevima p jhromozoma se može skratiti do tačke stvaranja signala opasnosti koja zaustavlja ćelijski ciklusciklus.

• Signal je sličan, bar funkcionalno onom koji zaustavlja ćelijski ciklus kada se stvori DNK krajzaustavlja ćelijski ciklus kada se stvori DNK kraj bez kape ekcidentalnim prekidom dvostrukog lanca DNK.

• Efekat je u oba slučaja sprečavanje ćelijske deobe dok ćelija sadrži presečenu li neadekvatno kapiranu DNKneadekvatno kapiranu DNK.

• Za razliku od većine normalnih ćelija ćelijeZa razliku od većine normalnih ćelija, ćelije humanih tumora eksprimiraju telomerazutelomerazu.

• Ovo može biti razlog njihove sposobnosti• Ovo može biti razlog njihove sposobnosti da se dele bez limitada se dele bez limita u kulturi i dodatni je dokaz da održavanje telomera imadokaz da održavanje telomera ima značajnu ulogu u nastanku kancera.