Erhvervede mutationer - basal cancerbiologi

En milepæl i bestræbelserne på at kortlægge kræftens biologi har været erkendelsen af, at det er forandringer i cellernes gener (mutationer), der er den drivende kraft bag kræftudviklingen [1-3]. Der foreligger nu uigendriveligt bevis for, at mutationer i cellens genom er en forudsætning for malign vækst. Mutationerne repræsenterer det stabile element, der tilfører cellen nye egenskaber, og som overføres fra en generation af kræftceller til den næste. Fejl i generne opstår ofte tilfældigt i forbindelse med kopiering af genomet under celledeling, men kan også fremprovokeres af påvirkninger udefra.

Når en mutation bidrager positivt til en normal celles vækstpotentiale, vil der gennem gentagne celledelinger dannes en population af celler (klon), der alle har ophav i - og dermed genetisk set er identiske med - den muterede celle. Herved opstår kræftudviklingens første, præmaligne stadie. For at kræften skal udvikle sig, må en af disse præmaligne celler erhverve sig endnu en mutation med vækstfremmende effekt, efterfulgt af en ny bølge af klonal ekspansion. Kræftdannelsen kan således beskrives som en trinvis - oftest langvarig - proces, hvor hvert trin repræsenterer en mutation i et kræftassocieret gen. Det skønnes, at 4-6 mutationer er nødvendige for dannelsen af en kræftcelle med invasive egenskaber [4]. Antallet afhænger af, hvilken celletype den givne kræftform udspringer fra, samt hvilke gener der muteres [5].

Kræft er altså altid en genetisk sygdom, om end sjældent arvelig i gængs forstand. Langt størstedelen af de registrerede kræfttilfælde er sporadiske sygdomme. I denne statusartikel beskrives, hvorledes gener kan forandres, så de får kræftfremmende egenskaber, endvidere beskrives de cellulære signalkæder og kontrolmekanismer, der påvirkes af mutationerne, og et konkret eksempel på, hvordan dannelsen af en malign tumor kan forklares ved forandringer i specifikke gener.

Onkogener, tumorsuppressorgener og stabilitetsgener

I visse tilfælde opstår kræft som følge af infektion med et virus, hvis genom i sig selv påvirker værtscellens vækstregulation. Langt de fleste kræfttilfælde opstår dog ved, at der sker forandringer i cellens egne gener. Kræftassocierede gener har en funktion i normale celler, hvor de dels styrer cellevækst og celledød, dels overvåger genomet, således at eventuelle skader i genomet kan korrigeres. Man kan inddele disse gener i tre forskellige hovedtyper: 1) Onkogener, som fremmer cellevækst, 2) tumorsuppressorgener, som hæmmer cellevækst, og 3) stabilitetsgener, som korrigerer opståede fejl i genomet [1]. Den maligne fænotype er bestemt af den samlede status af onkogener, tumorsuppressorgener og stabilitetsgener.

Onkogener er dominante gener. Det vil sige, at når bare en af de to genkopier (alleller) bærer gendefekten, vil dette føre til dannelsen af et protein, som har en vækststimulerende effekt på cellen. Omvendt er tumorsuppressorgener og stabilitetsgener som regel recessive, dvs. begge cellens alleller skal inaktiveres, før den kræfthæmmende funktion fjernes.

Genetiske og epigenetiske forandringer

I kræftceller forandres onkogener således, at de bliver konstant aktive. Dette betyder, at mens generne i den normale celle kun er aktive som følge af en særlig stimulering (f.eks. fra vækstfaktorer), vil de i kræftceller aktiveres ukontrolleret, således at den proces, de styrer i de normale celler, konstant opreguleres. De genetiske fejl, som kan medføre konstant aktivering af onkogener, omfatter translokationer, øgning af antallet af kromosomer, genamplifikation og punktmutationer. Ved en translokation bringes sekvensen fra et gen sammen med sekvensen fra et andet gen, hvorved to principielt forskellige situationer kan opstå: I den første situation kommer materiale fra onkogenet under kontrol af det andet gens transkriptionsapparat, hvilket kan føre til øget transkription og dermed opregulering af onkogenet. I det andet tilfælde smelter de to gener sammen (fusionerer), således at gensekvenser fra begge gener udtrykkes i samme mRNA og koder for et helt nyt fusionsprotein med kræftfremmende egenskaber. Ved øgning af antallet af kromosomer og ved genamplifikation sker der i begge tilfælde det, at man får mere end de to normale kopier af onkogenet i cellen. Genet kan således transkriberes fra flere genomsekvenser end normalt, hvorved mængden af mRNA og protein øges. Ved en onkogen punktmutation vil der typisk være tale om en aktiverende mutation i et område af onkogenet, som koder for en katalytisk del af proteinet. Herved vil den cellulære proces, der katalyseres af det dannede protein, forløbe ukontrolleret.

Når tumorsuppressorgener og stabilitetsgener inaktiveres, taber cellen en funktion, den tidligere havde. Generne inaktiveres ved genetiske forandringer, som ændrer den kodende sekvens, eller ved epigenetiske forandringer, som blokerer gentranskriptionen uden at ændre genets basesekvens. De genetiske forandringer omfatter kromosomtab, større deletioner og punktmutationer. Ved såvel kromosomtab som større deletioner mistes hele eller store dele af det strukturelle gen. Punktmutationerne omfatter 1) missense -mutationer, som typisk vil ændre en enkelt aminosyre, 2) enkeltbasedeletioner og -insertioner, som vil ændre genets læseramme, 3) stopmutationer, som afkorter genets læseramme, og 4) splice-site mutationer, som medfører, at exoner ikke sættes korrekt sammen på mRNA-niveau.

Per definition omfatter de epigenetiske forandringer alle genekspressionsændringer, som ikke skyldes ændringer i genernes baseparsekvens, og som »nedarves« stabilt gennem celledelingen. I praksis omfatter dette først og fremmest hypermetylering af CpG-dinukleotider lokaliseret til promoterregionen af tumorsuppressorgener, hvilket medfører, at gentranskriptionen permanent lukkes ned [6]. DNA-metylering er derfor funktionelt ækvivalent til genetiske forandringer som mutationer og deletioner, og de to alleller af et tumorsuppressorgen kan inaktiveres ved en vilkårlig kombination af genetiske og epigenetiske forandringer.

Mutationernes effektormekanismer - cellulære signalkæder og restriktionspunktet

Onkogener og tumorsuppressorgener koder for proteiner, der indgår i den normale kontrol af cellers vækst og overlevelse. En normal celle deler sig kun, når der er behov for det - for eksempel når væv beskadiges, eller når gamle celler dør. Det er de omkringliggende celler og væv, der giver en celle besked om, hvornår den skal dele sig. Beskeden bliver givet ved udsendelse af et signal i form af vækstfaktorer. Signalet bliver opfanget af målcellen ved hjælp af membranbundne receptorer, der kan binde vækstfaktorerne og videregive information fra receptor til cellens indre (Figur 1 ). De proteiner, der videresender informationen, udgør en signalkæde, og aktivering af de enkelte komponenter i signalkæden sker hyppigt ved fosforyleringsreaktioner. Mutationer i gener, der koder for proteiner i signalkæderne, kan forandre proteinerne således, at den naturlige aktiveringsmekanisme efterlignes. Signalkæden er herved konstant aktiv og opfører sig som om, den modtog signaler fra cellens overflade. Figur 1A og B viser to eksempler på cellulære signalkæder, RAS-RAF-MEK-ERK og PI3K-AKT, der er centrale i cellers deling og overlevelse, og hvis komponenter ofte er forandrede ved kræft [7, 8].

Kontrol af den normale celles deling under påvirkning af vækstfaktorer varetages blandt andet i det såkaldte restriktionspunkt, der overvåger overgangen fra G1-fase til S-fase i cellecyklus (Figur 1C). Bliver transmissionen gennem signalkæderne opreguleret uhensigtsmæssigt, som tilfældet er for kræftceller, aktiveres komponenter i restriktionspunktet, således at celledelingen standses. Skal en celle udvikles videre til en kræftcelle efter mutation i en signalkæde, der øger celledelingen, skal G1-S-restriktionspunktet mistes. Dette afspejles i hyppige mutationer af restriktionspunktets komponenter i de fleste kræftformer.

For restriktionspunktet og hver af de nævnte signalkæder gælder det, at der i undersøgte tumorer er omvendt korrelation mellem forekomsten af mutationer i de enkelte komponenter. Mutation i en komponent er altså - i det mindste i en vis udstrækning - funktionelt ækvivalent til mutation i en anden komponent: Har en celle først fået en mutation i en komponent, er der ikke en selektiv vækstfordel forbundet med at erhverve en mutation i en anden komponent. Eksempelvis findes mutation af RAS og RAF sjældent i den samme tumor (Figur 1A), ligesom mutation af RB1 og CDKN2A (genet, der koder for p16) sjældent forekommer samtidigt (Figur 1C).

Et eksempel - malignt melanom

For flere af de store kræftsygdomme er man nået langt i kortlægningen af de genetiske forandringer, der ligger til grund for den maligne vækst. I flere tilfælde ved man endda, om et givent gen forandres tidligt eller sent i kræftudviklingen. Som eksempel beskrives her malignt melanom, der opstår fra en melanocyt eller melanocytstamcelle (Figur 2 ). Selv om der utvivlsomt stadig er flere ubekendte i det genetiske grundlag for melanomudviklingen, kendes tre af de centrale cellulære mekanismer og de involverede gener [9]. Det skal dog understreges, at visse elementer i nedenstående model er hypotetiske, især de, der vedrører metastasering.

Trin 1. Dannelse af en benign tumor - RAS-RAF-MEK-ERK-signalkæden

Første trin i udviklingen af melanom menes at være konstant aktivering af RAS-RAF-MEK-ERK-signalkæden. Dette sker ved mutation af enten NRAS eller BRAF . Mutation af BRAF er den hyppigste genetiske forandring i et melanom og findes i ca. 80% af tumorerne, mens de resterende tumorer i de fleste tilfælde har en NRAS -mutation.

Det vigtigste argument for, at BRAF - og NRAS -mutationer er tidlige hændelser i tumorudviklingen, er, at de forekommer hyppigt i benigne nævi.

Trin 2. Undgåelse af senescens - G1-S-restriktionspunktet

Melanocytter, der udtrykker den muterede form af BRAF, vil efter et vist antal delinger indtræde i en tilstand af irreversibel delingsstandsning, en såkaldt senescens. Et nævus kan således betragtes som en præmalign, neoplastisk læsion bestående af senescente celler. Skal melanomudviklingen fortsætte, må cellen slippe af med den barriere, der er ansvarlig for senescensresponset, nemlig G1-S-restriktionspunktet [10]. Inaktivering af CDKN2A ved mutation, deletion eller promoterhypermetylering forekommer således i > 70% af alle melanomer, mens aktiverende mutationer i CDK4 eller inaktiverende mutationer i RB1 forekommer som mindre hyppige alternativer.

Mutation i den ene allel af CDKN2A -genet, og sjældnere i CDK4 -genet, er beskrevet som arvelige komponenter ved familiært melanom [9].

Trin 3. Metastasering - PI3K-AKT-signalkæden

Vækst af melanocytter og tidlige stadier af melanom er begrænset til epidermis, hvor deres spredning forhindres af omgivende keratinocytter. Samtidig er keratinocytterne gennem deres produktion af vækstfaktorer vigtige for melanocytternes overlevelse. For at kunne metastasere skal melanocytterne undslippe keratinocytternes negative kontrol, men samtidig kunne overleve (undgå apoptose). Begge dele menes at kunne opnås ved aktivering af PI3K-AKT-signalkæden. Mutationer i PTEN -genet findes således hyppigt i melanommetastaser, men kun sjældent i primære melanomer. Enkelte mutationer i PIK3CA (genet, der koder for PI3K) er også beskrevet i melanomer. Endelig er der mulighed for, at mutation af NRAS ud over at aktivere RAS-RAF-MEK-ERK-signalkæden også kan aktivere PI3K-AKT-signalkæden. Der er således invers korrelation mellem NRAS - og PTEN -mutationer i melanomer.

Per Guldberg , Institut for Biologisk Kræftforskning, Kræftens Bekæmpelse, Strandboulevarden 49, DK-2100 København Ø.
E-mail: perg@cancer.dk

Antaget: 19. april 2006

Interessekonflikter: Ingen angivet

1. Vogelstein B, Kinzler KW. Cancer genes and the pathways they control. Nat Med 2004;10:789-99.
2. Nielsen FC. Molekylær cancerbiologi - fra forskning til klinik. Ugeskr Læger 2003;165:897-900.
3. Hahn WC, Weinberg RA. Rules for making human tumor cells. N Engl J Med 2002;347:1593-603.
4. Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell 2000;100:57-70.
5. Rangarajan A, Hong SJ, Gifford A, Weinberg RA. Species- and cell type-specific requirements for cellular transformation. Cancer Cell 2004;6:171-83.
6. Jones PA, Baylin SB. The fundamental role of epigenetic events in cancer. Nat Rev Genet 2002;3:415-28.
7. Smalley KS. A pivotal role for ERK in the oncogenic behaviour of malignant melanoma? Int J Cancer 2003;104:527-32.
8. Altomare DA, Testa JR. Perturbations of the AKT signaling pathway in human cancer. Oncogene 2005;24:7455-64.
9. De Snoo FA, Hayward NK. Cutaneous melanoma susceptibility and progression genes. Cancer Lett 2005;230:153-86.
10. Bennett DC. Human melanocyte senescence and melanoma susceptibility genes. Oncogene 2003;22:3063-9.