Disorders of DNA repair mechanisms in tumor cells

Během života na lidský genom působí četné mutagenní vlivy (UV záření, ionizující záření, radikály kyslíku, chemické látky), proto existují v lidském těle reparační mechanismy, které dokáží opravit DNA na různých úrovních. Pokud lidský organismus tyto mechanismy ztratí, dochází u buněk k senescenci, apoptóze, nebo ke vzniku maligního klonu. Reparativní mechanismy existují na šesti základních úrovních a jsou zabezpečovány proteiny oprav DNA. Některé jsou aktivní v S fázi, kde dochází ke zdvojení DNA.

Reparativní systém DNA zahrnuje
Každý z těchto kroků je pod kontrolou dalších regulačních enzymů, jež kontrolují zapínání a vypínání oprav DNA podle potřeby. Mezi regulační enzymy patří: helikázy, topoizomerázy (rozvinutí DNA).
 * 1) senzorické proteiny DNA
 * 2) enzymy, které odstraňují poškozené nukleotidové báze
 * 3) enzymy, které obnovují normální sekvenci DNA

Mezi senzorické proteiny řadíme ATM (Ataxia telangiectasia mutated) a ATR (Ataxia telangiectasia related), které kontrolují změnu dvoušroubovice DNA. Pokud na změnu narazí, samy se autofosforylují a následně fosforylují další proteinové kinázy. Například: ATM-CHk2-Cdc25A. Cdc25 je aktivátorem buněčného cyklu. Pokud dojde k jeho fosforylaci, je tento protein inaktivován, degraduje se a buňka se zastaví v S fázi buněčného cyklu. Může dojít k reparaci, nebo buňka přejde do apoptózy. Jakmile však nastane mutace v genu pro ATM, buňka se nezastaví v S fázi cyklu a bude následně kumulovat další mutace. Jednotlivé typy oprav jsou v různých tkáních odlišné. U rychle se dělících buněk (buňky hematopoézy) převažuje systém homologní rekombinace DNA, zatímco u postreplikačních buněk převažuje systém spojování nehomologních konců DNA.

Vznik nádorů je mimo jiné zapříčiněn neschopností buňky odpovědět na své poškození. Jestliže dojde k mutaci genů, které se podílejí na opravách buňky již v zárodečné linii, daný jedinec má zvýšené riziko vzniku různých nádorů. Mezi nejznámější mutace patří BRCA1, BRCA2 (karcinom mléčné žlázy, ovaria, u mužů prostaty). Nemocní, kteří zdědí jednu mutovanou alelu, mají zvýšené riziko vzniku nádoru. K rozvoji onemocnění však dochází až po inaktivaci druhé alely, například somatickou mutací vyvolanou radiačním zářením. K neschopnosti reparace DNA může také dojít somatickými mutacemi, popřípadě umlčením funkce genů, které kódují proteiny reparačních kaskád DNA. Toto umlčení nastává například methylací genů. Tento děj může vést k sekundárním mutacím, které zapříčiní progresi nádoru do vyššího stupně malignity aktivací dalších onkogenů nebo potlačením funkce supresorových genů. Léčba pak nastává chemoterapií.

Základní rozdělení poruch reparativních mechanismů DNA v nádorových buňkách

 * 1) Reparativní poruchy, které vznikají při obnově reparativního párování nukleotidů (DNA mismatch repair)
 * 2) Reparační poruchy excise nukleotidů
 * 3) Vrozené poruchy oprav dvouvláknových zlomů DNA
 * 4) Skupina proteinů, které se uplatňují při opravách dvouvláknových zlomů homologní rekombinací

Reparativní poruchy, které vznikají při obnově reparativního párování nukleotidů (DNA mismatch repair)
Mezi vrozené defekty genů, které se podílejí na párování nukleotidů, patří hereditární nepolypózní karcinom tlustého střeva (HNPCC), Lynchův syndrom . Tato onemocnění jsou charakterizována karcinomem tlustého střeva, především caeka a vzestupného tračníku. V případě špatného spárování nukleotidů (záměna G-T místo normálního A-T) při syntéze DNA v S fázi reparativní systém chybu nalezne a odstraní. U HNPCC zdědí jedinec jednu defektní alelu jednoho genu, během života dochází ke ztrátě druhé alely v buňkách epitelu tlustého střeva.

Typickým znakem chybného párování nukleotidů je nestabilita mikrosatelitů. Mikrosatelity jsou tandemové repetice jednoho až šesti nukleotidů. U jedinců se vznikem HNPCC jejich délka kolísá na rozdíl od zdravých jedinců, u kterých zůstává po celý život stejná. K nejčastějším genům, které jsou postiženy v zárodečné linii, patří MSH2 (35 % případů) a MLH1 (25 % případů). Za normálních okolností tyto geny kódují proteiny, které se naváží na DNA. Označí tím místo a následně se chyba opraví. Pro vyslovení podezření vzniku hereditárního nepolypózního karcinomu tlustého střeva existují Amsterodamská kritéria. Mezi ně patří: nejméně tři příbuzní s rozvojem kolorektálního karcinomu, postiženy jsou dvě na sebe navazující generace, u jednoho z postižených se vyvíjel karcinom do 50 let. Současně se vyloučí i adenomatózní polypóza střeva.

Reparační poruchy excize nukleotidů
Tato skupina oprav se nejčastěji podílí na exogenním poškození DNA (UV záření, polycyklické aromatické uhlovodíky, aflatoxiny, chemoterapeutika cisplatiny). UV záření způsobuje vznik pyrimidinových dimérů (thymin - thymin, thymin - cytosin). Reparační mechanismy zahrnují dva podsystémy. GGR (global genome repair), který se stará o opravy DNA celého genomu a TCR (transcription coupled repair), zabezpečující opravu defektů v průběhu transkripce. V případě, že dojde k mutaci v obou těchto systémech, dojde k rozvoji vrozeného autosomálně recesivního onemocnění Xeroderma pigmentosum. U všech lidí s tímto onemocněním hrozí zvýšené riziko vzniku maligních nádorů kůže po vystavení UV záření. Někteří trpí i problémy neurologického charakteru (mikrocefalie, progresivní demence, nízký intelekt). Kůže je suchá (xeroderma) s abnormálním výskytem pigmentace. Nachází se ložiska jak hyperpigmentovaná, tak i hypopigmentovaná. Ke vzniku kožních nádorů (bazaliom, dlaždicobuněčný karcinom kůže) dochází již v 8 letech. Sporadické kožní nádory vznikají většinou až po 5 deceniu.

Poruchy oprav dvouvláknových zlomů DNA
Hlavní onemocnění, které sem řadíme, je ataxia telangiectasia. Jedná se o monogenní mutaci genu ATM. Protein tohoto genu se uplatňuje ve vyhledávání dvouvláknových zlomů DNA. Mutovaný protein je kratší a způsobí poruchu zástavy v kontrolních bodech buněčného cyklu (G1/S, G2/M). Klinickými projevy této choroby je cerebelární ataxie (porucha migrace a degenerace Purkyňových buněk v mozečku), časný nástup tohoto onemocnění (kolem 3 let, ale i dříve), telangiectasie na uchu, spojivce i jinde na těle. Nemocní jsou imunodeficientní a vysoce radiosenzitivní (není možná léčba zářením). Ataxia telangiectasia vede k rozvoji nejčastěji T-buněčných leukémií a B-buněčných lymfomů. Stejné klinické projevy jako toto onemocnění má Nijmegen breakage syndrom (NBS) a Berlin breakage syndrom (BBS).

Skupina proteinů, které se uplatňují při opravách dvouvláknových zlomů homologní rekombinací
Nejznámější geny, které se uplatňují na opravách homologní rekombinací, jsou BRCA1 a BRCA2. Jejich porucha se vyskytuje u familiárních karcinomů mléčné žlázy a ovarií. Komplementární řetězec druhého chromosomu slouží jako templát pro porušený řetězec DNA prvního chromosomu. Proteiny genů BRCA1, BRCA2 ovlivňují také funkce buněčného cyklu. Mutace genu BRCA1 v zárodečné linii u žen způsobí zvýšené riziko vzniku karcinomu ovaria a tuby. Muži pak mají zvýšené riziko karcinomu prostaty. Naproti sporadicky se vyskytujícím karcinomům vznikají v mladším věku. Predispozicí k rozvoji karcinomu mléčné žlázy u žen je mutace genu BRCA2. Karcinomy mléčné žlázy, které mají mutované geny BRCA1 a BRCA2, vykazují vysokou proliferační aktivitu i vysoký stupeň malignity. Odlišují se však expresí receptorů pro estrogen a progesteron. Duktální a medulární karcinomy se vyskytují u žen s mutací BRCA1. Mezi další onemocnění, která jsou způsobena poruchou v homologní rekombinaci DNA, patří Fanconiho anémie. Klinickými projevy je selhávající kostní dřeň (trombocytopenie, anémie, neutropenie), která následně progreduje do myelodysplastického syndromu nebo akutní myeloidní leukémie.

Související články

 * (Proto)onkogeny
 * Tumor supresorové geny
 * Buněčný cyklus