Κυτταρική σηματοδότηση στα καρκινικά κύτταρα Αλεξάνδρα Μπόνα Τμήμα Χημείας Εργαστήριο Βιοχημείας Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Εισαγωγή στην κυτταρική σηματοδότηση Η ικανότητα των κυττάρων να δέχονται και αντιδρούν σε σήματα που έρχονται από τον εξωκυτταρικό χώρο στην πλασματική μεμβράνη είναι καθοριστική για τη ζωή Ένα σήμα αναπαριστά μία πληροφορία, η οποία εντοπίζεται από συγκεκριμένους υποδοχείς της μεμβράνης του κυττάρου και μετατρέπεται σε κυτταρική απόκριση που είναι το αποτέλεσμα χημικών μεταβολών μέσα στο κύτταρο Η μετατροπή της πληροφορίας σε ενδοκυτταρικές χημικές μεταβολές λέγεται μεταγωγή σήματος

Τα σηματοδοτικά μονοπάτια ενεργοποιούνται από εξωκυτταρικά σηματοδοτικά μόρια Το σηματοδοτικό μόριο προσδένεται σε έναν διαμεμβρανικό υποδοχέα του κυττάρου-στόχου Ο υποδοχέας ενεργοποιεί ένα ή περισσότερα ενδοκυτταρικά σηματοδοτικά μονοπάτια, τα οποία περιλαμβάνουν δομικές αλλαγές μιας σειράς σηματοδοτικών πρωτεΐνών Μια ή περισσότερες από τις ενδοκυτταρικές αυτές πρωτεΐνες μεταβάλλει τη δραστικότητα των πρωτεΐνών-τελεστών και τελικά τη συμπεριφορά του κυττάρου

Χαρακτηριστικά της μεταγωγής σήματος Β. Η ευαισθησία, οφείλεται: i)Στην υψηλή χημική συγγένεια υποδοχέα-προσδέτη ii)Στην συνεργιστική δράση μεταξύ υποδοχέα-προσδέτη iii)Στην ενίσχυση του σήματος από ενζυμικούς καταρράκτες Α. Η ειδικότητα επιτυγχάνεται από απόλυτη συμπληρωματικότητα μεταξύ των μορίων που δίνουν σήμα και αυτών που το δέχονται (υποδοχέων). Η διεργασία αυτή πραγματοποιείται μέσω ασθενών (μη ομοιοπολικών) δυνάμεων

Άλλες βασικές ιδιότητες των συστημάτων μεταγωγής σήματος Η αποευαισθητοποίηση του συστήματος υποδοχής. Η συνεχής ενεργοποίηση του υποδοχέα πυροδοτεί ένα σύστημα ανατροφοδότησης που τον απενεργοποιεί ή τον απομακρύνει από την επιφάνεια του κυττάρου Η ολοκλήρωση, δηλαδή η ικανότητα του συστήματος να δέχεται πολλαπλά σήματα που όμως παράγουν μια ενοποιημένη απόκριση κατάλληλη για το συγκεκριμένο κύτταρο ή οργανισμό

Τύποι υποδοχέων Στους υποδοχείς ανήκουν και ενδοκυτταρικοί υποδοχείς

Ο καρκίνος συνδέεται με βλάβες σε πρωτεΐνες που ελέγχουν τον κυτταρικό κύκλο, την ακεραιότητα του DNA ή τη διαδικασία της απόπτωσης Φυσιολογικά, η κυτταρική διαίρεση ρυθμίζεται από ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες και από εξωκυτταρικούς αυξητικούς παραγόντες. Το αποτέλεσμα είναι μια ακριβής ισορροπία μεταξύ του σχηματισμού νέων κυττάρων και του κυτταρικού θανάτου Μετάλλαξη ενός γονιδίου που κωδικοποιεί κάποια από τις πρωτεΐνες που ρυθμίζουν τον κυτταρικό κύκλο (π.χ. Cdk- κυκλίνες ή πρωτεΐνες που ρυθμίζουν το διμερές), κάποιο ένζυμο επιδιόρθωσης του DNA ή πρωτεΐνες που σχετίζονται με την απόπτωση μπορεί να διαταράξει αυτή την ισορροπία. Αποτέλεσμα είναι το κύτταρο να πολλαπλασιάζεται ανεξέλεγκτα

Πώς σχηματίζεται ένας όγκος Μεταλλάξεις σε ένα μόνο κύτταρο αρκούν για να ξεκινήσει να δημιουργείται ένας συνεχώς αυξανόμενος μεταλλαγμένος κλώνος, δηλαδή ένας όγκος, που θεωρείται καρκίνος όταν αρχίσει να εμποδίζει τη φυσιολογική λειτουργία των γειτονικών κυττάρων Στα περισσότερα είδη καρκίνου η εξέλιξη από ένα φυσιολογικό κύτταρο σε έναν κακοήθη όγκο απαιτεί μία συσσώρευση μεταλλάξεων (περίπου 10), ενίοτε σε βάθος δεκαετιών, καμία από τις οποίες, από μόνη της, δεν είναι υπεύθυνη για το τελικό αποτέλεσμα Τα καρκινικά κύτταρα ορίζονται από δύο ιδιότητες: α) Αναπαράγονται αψηφώντας τους φυσιολογικούς περιορισμούς της κυτταρικής ανάπτυξης και διαίρεσης β) Εισβάλλουν και δημιουργούν αποικίες σε περιοχές που φυσιολογικά προορίζονται για άλλα κύτταρα

Κρίσιμα γονίδια Κρίσιμα λέγονται τα γονίδια που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση καρκίνου. Σ΄αυτά ανήκουν και γονίδια πρωτεϊνών που είναι κομβικής σημασίας σε σηματοδοτικές πορείες σχετικές με την επιβίωση καθώς και γονίδια υποδοχέων Τα κρίσιμα για την εμφάνιση καρκίνου γονίδια χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με το αν ο κίνδυνος εμφάνισης καρκίνου προκύπτει από υπερβολική (ογκογονίδια) ή ελάχιστη (ογκοκατασταλτικά γονίδια) δραστηριότητα του γονιδιακού προϊόντος Κρίσιμα γονίδια θεωρούνται επίσης τα γονίδια σταθερότητας (λέγονται και γονίδια-φροντιστές), τα οποία κωδικοποιούν πρωτεΐνες που επιδιορθώνουν σημαντικά γενετικά ελαττώματα που προκύπτουν από λάθη κατά την αντιγραφή του DNA, από ιονίζουσα ακτινοβολία ή από καρκινογόνους παράγοντες του περιβάλλοντος

Ογκογονίδια Προέρχονται από φυσιολογικά γονίδια, που ονομάζονται πρωτο-ογκογονίδια και επάγουν την ανάπτυξη των κυττάρων Μεταλλάξεις που οδηγούν στη δημιουργία ογκογονιδίων είναι γενετικά επικρατείς Ογκοκατασταλτικά γονίδια Κωδικοποιούν πρωτεΐνες που φυσιολογικά σταματούν την κυτταρική διαίρεση Μεταλλάξεις σε αυτά τα γονίδια είναι γενετικά υπολειπόμενες

Ένα πολύπλοκο σηματοδοτικό κύκλωμα λειτουργεί στα φυσιολογικά κύτταρα και είναι προγραμματισμένο να ρυθμίζει τις ιδιότητες τους. Το ίδιο κύκλωμα λειτουργεί και στα καρκινικά κύτταρα, αλλά η ύπαρξη μεταλλάξεων σε κομβικές πρωτεΐνες διαταράσσει την κανονική ρύθμιση.

Η σημασία των πορειών μεταγωγής σήματος στον καρκίνο Υπάρχουν τρία μονοπάτια μεταγωγής σήματος στα οποία έχουν εντοπιστεί ταυτοποιήσιμες μεταλλάξεις σε πολλές περιπτώσεις καρκίνου. i)το μονοπάτι Rb, που καθορίζει την αρχή του κυτταρικού κύκλου ii)το μονοπάτι RTK/Ras/PI3K, το οποίο μεταβιβάζει σήματα ανάπτυξης και διαίρεσης από το εξωκυττάριο περιβάλλον στο εσωτερικό του κυττάρου και iii)το μονοπάτι p53, που που ρυθμίζει την απόκριση στο στρες και στην καταστροφή του DNA Μεταλλάξεις είναι δυνατόν να βρεθούν σε ΟΛΑ τα βασικά σηματοδοτικά μονοπάτια Καρκίνος μπορεί να δημιουργηθεί όχι μόνο όταν μεταλλάσσονται τα κρίσιμα γονίδια μιας πορείας μεταγωγής σήματος, αλλά και οποιοσδήποτε άλλος παράγοντας συμμετέχει σε μία τέτοια πορεία

Τα γονίδια Ras Μια γνωστή οικογένεια πρωτο-ογκογονιδίων είναι η Ras. Οι πρωτεΐνες Ras είναι μονομερείς GTPάσες που βοηθούν στη μεταγωγή σήματος από τους υποδοχείς της επιφάνειας του κυττάρου (κινάσες τυροσίνης) προς το εσωτερικό του. Έχουν κομβικό ρόλο στα μονοπάτια μεταγωγής σήματος που συνδέονται με την ανάπτυξη του κυττάρου. Τα ογκογονίδια Ras περιέχουν μεταλλάξεις που δημιουργούν μία υπερδραστήρια πρωτεΐνη Ras που δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί Έτσι, ο πυρήνας του κυττάρου λαμβάνει και αποκρίνεται σε σήματα ανάπτυξης, τα οποία δεν προέρχονται, όπως στη φυσιολογική κατάσταση, από εξωκυττάρια σηματοδοτικά μόρια, αλλά έχουν ως αφετηρία τη μεταλλαγμένη πρωτεΐνη Ras

Πώς λειτουργούν οι πρωτεΐνες Ras 1)H πρωτεΐνη GEF (Guanine nucleotide – exchange factor) διευκολύνει την απομάκρυνση του GDP από τη Ras 2)Στη θέση πρόσδεσης νουκλεοτιδίου προσδένεται αυθόρμητα GTP, καθώς ο λόγος GTP/GDΡ στα κύτταρα είναι υψηλός 3) Συνδεδεμένη με GTP η Ras βρίσκεται στην ενεργή της μορφή 4) Η πρωτεΐνη GAP (GTPase-activating protein) καταλύει την υδρόλυση του συνδεδεμένου στη Ras GTP σε GDP, οπότε η πρωτεΐνη επανέρχεται στην ανενεργή μορφή της Στην ανενεργή μορφή, η Ras είναι συνδεδεμένη με ένα μόριο GDP.

Όλα τα κύτταρα θηλαστικών εκφράζουν τρεις μορφές της πρωτεΐνης Ras. Αυτές είναι οι H-Ras, K-Ras και N-Ras, οι οποίες επάγουν ογκογένεση όταν μεταλλαχθούν στα κωδικόνια 12, 13 ή 61 Παρ’ ότι οι τρεις ισομορφές μοιάζουν πολύ μεταξύ τους, μεταλλάξεις στην πρωτεΐνη K-Ras παρατηρούνται πολύ πιο συχνά στον καρκίνο (22% όλων των καρκίνων παρουσιάζουν μετάλλαξη στο K-Ras). Επίσης, το ποια ισομορφή είναι μεταλλαγμένη σχετίζεται και με το είδος του καρκίνου

Παρά τις εντατικές προσπάθειες που καταβάλλονται στο χώρο της έρευνας, δεν έχει βρεθεί μέχρι στιγμής μία αποτελεσματική θεραπευτική προσέγγιση για τις μεταλλαγμένες πρωτεΐνες Ras. Σήμερα, οι προσπάθειες περιλαμβάνουν και έλεγχο της πρενυλίωσης της Ras. Πρωτεΐνες-στόχοι αντικαρκινικών φαρμάκων στο μονοπάτι της Ras

Βιβλιογραφία Lodish H., Berk A., Zipursky S.L., et al. (2000) Molecular Cell Biology, 4 th edition, W. H. Freeman Nelson D.L., Cox M.M. (2008) Lehninger Principles of Biochemistry, 5 th edition, W.H. Freeman Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2015) Molecular Biology of the cell, 6 th edition, Garland Science, Taylor & Francis Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. (2012) Biochemistry, 5 th edition, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης (2014) Hanahan D., Weinberg R.A. (2011) Hallmarks of cancer: the next generation, Cell 144, 646–674 Sever R., Brugge J.S. (2015) Signal transduction in cancer, Cold Spring Harbor Laboratory Press 5, 5 Garraway L.A., Lander E.S. (2013) Lessons from the cancer genome, Cell 153, Prior A., Lewis P.D., Mattos C. (2012) A comprehensive survey of Ras mutations in cancer, Cancer Res. 72, 2457–2467 Schmick M., Kraemer A., Bastiaens P.I.H. (2015) Ras moves to stay in place Trends Cell Biol. 25, Spiegel J., Cromm P.M., Zimmermann G., Grossmann T.N., Waldmann H. (2014) Small- molecule modulation of Ras signaling, Nat. Chem. Biol. 10,

Ευχαριστώ!