Bài giảng Cơ sở di truyền học ung thư

Ung thu và sự điều khiển chu trình tế bào Nội dung Các dạng biểu hiện của bệnh ung thu Khái niệm về các gen gây ung thu oncogene Trang 3 Ung th có phải bệnh di truyền?. Ung th và sự đi

PGS.TS Đinh Đoàn Long

CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC UNG THƯ

Ung thu cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Ung thu vµ sù ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo

Néi dung

C¸c d¹ng biÓu hiÖn cña bÖnh ung thu

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen g©y ung thu

(oncogene)

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen øc chÕ khèi u

Ung th có phải bệnh di truyền?

Ung th và sự điều khiển chu trình tế bào

Nội dung

Các dạng biểu hiện của bệnh ung thu

Khái niệm về các gen gây ung thu

(oncogene)

Khái niệm về các gen ức chế khối u (tumor suppressor genes)

Các cơ chế di truyền liên quan đến

sự phát sinh ung thu

Ung thu cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Ung thu có phải bệnh di truyền?

 Năm 2007, thế giới có 7,6 triệu ngời chết vì các bệnh ung

thu, và 12 triệu ngời khác mắc bệnh Vậy, ung thu xuất hiện thế nào? Tại sao bệnh này là một trong những bệnh nan y nguy hiểm nhất ở nguời ? Tại sao một số dạng bệnh ung thu biểu hiện di truyền ở một số dòng họ ? Các yếu tố môi trờng có vai trò thế nào đến phát sinh ung thu ?

 Định nghĩa: Ung thu là sự tăng sinh tế bào vô hạn độ, vô

tổ chức, không tuân theo các cơ chế kiểm soát chu trình tế bào thông thuờng của cơ thể

 Đa số bệnh nhân ung thu hình thành khối u Khác với u

lành tính (phát triển chậm tại chỗ), các u ác tính (ung thu) xâm lấn các tổ chức xung quanh giống nhu hình “con cua” với các càng bám vào các tổ chức lành trong cơ thể, hoặc giống “rễ cây” lan trong đất

Ung thu cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Phân biệt u lành và u ác theo đặc điểm sinh học

Tế bào biệt hóa cao Tế bào ít biệt hóa

Phân bào ít và chậm Phân chia nguyên phân liên tục

Không xâm lấn xung quanh Xâm lấn lan rộng

Không có hoại tử Thờng có hoại tử trung tâm

ít ảnh hởng đến cơ thể ảnh hởng nặng đến cơ thể

Ung th có phải bệnh di truyền?

 Ung th đợc xác định là một bệnh di truyền , bởi các căn cứ sau:

1. Khi nuôi cấy các tế bào ung th, tất cả các tế bào con sinh ra đều là

các tế bào ung th

2. Một số virut gây ung th ở nhiều tế bào do chúng mang các gen mã

hóa một số protein liên quan đến sự hình thành và phát triển của các tế bào ung th

3. Các yếu tố gây đột biến mạnh cũng thờng là các yếu tố gây ung th

mạnh

4. Một số dạng ung th có biểu hiện di truyền theo dòng họ

5. Một số bệnh ung th đã đợc xác định liên quan đến sai hỏng ở một

số gen và/hoặc ở một số NST nhất định

Ung th cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Ung th vµ sù ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo

Néi dung

C¸c d¹ng biÓu hiÖn cña bÖnh ung th

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen g©y ung th

Các dạng biểu hiện của bệnh ung th

 Đến nay, ngời ta đã biết đến trên 200 loại ung th khác

nhau trên cơ thể ngời Những loại ung th này giống nhau

về bản chất, nhng khác nhau về biểu hiện:

1) Khác nhau về nguyên nhân gây ung th ( carcinogen ) : Theo

Doll & Petro, >80% tác nhân gây ung th là môi trờng sống, trong đó 35% do chế độ ăn uống (đờng tiêu hóa), 30% do thuốc lá (phổi, đờng hô hấp) Ngoài ra là: các tác nhân vật lý (tia phóng xạ, UV, các dạng bức xạ ion hóa), các tác nhân hóa học (vd: hóa chất đột biến, hóa chất

độc), và các tác nhân sinh học (vd: virut, transposon)

Các dạng biểu hiện của bệnh ung th

 Ung th thờng xuất phát từ hai loại tổ chức chính:

i Từ các tế bào biểu mô của các tạng, các cơ quan (ung th

biểu mô)

ii Từ các tế bào của tổ chức liên kết của cơ thể (các

sarcoma) Ví dụ: Ung th của cơ quan tạo huyết (máu, hạch bạch huyết) là một dạng đặc biệt của ung th tổ chức liên kết (hematosarcoma)

2) Khác nhau về tiến triển : Mỗi loại ung th ở mỗi cá thể có

thể có hớng tiến triển khác nha, vd: các ung th tiến triển

nhanh (ung th máu, hạch, các ung th liên kết), các ung th tiến triển chậm (ung th da, ung th giáp trạng, ung th cổ tử

cung ), …

Các tế bào bám lên bề mặt đĩa và

bắt đầu phân chia

Khi một lớp tế bào đã hình thành và phủ kín bề

mặt đĩa nuôi cấy, các tế bào ngừng phân chia

(gọi là sự ức chế phân chia phụ thuộc mật độ)

Nếu lấy đi một số tế bào, các tế bào còn lại lại

phân chia trở lại cho đến khi chỗ trống được lấp

đầy, rồi sự phân chia lại dừng lại

Ung th cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Ung th vµ sù ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo

Néi dung

C¸c d¹ng biÓu hiÖn cña bÖnh ung th

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen g©y ung th

Ung th là sự rối loạn điều khiển chu trình tế bào

 Sự gắn kết của các yếu tố sinh trởng lên các thụ thể đặc trng

t-ơng ứng trên màng tế bào thờng là tín hiệu cho sự phân chia tế bào

Yếu tố sinh trưởng

Màng tế bào

Thụ thể

Con đường truyền tớn hiệu

Điểm kiểm tra G 1

Cỏc protein truyền tớn hiệu

Hệ thống điều khiển

Ung th lµ sù rèi lo¹n ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo

 Mét chu tr×nh tÕ bµo th«ng

thêng gåm hai pha sinh

tr-ëng (G1&G2), xen kÏ bëi

mét pha sao chÐp ADN (S)

vµ mét pha ph©n bµo (M)

Điểm kiểm tra G 1

Điểm kiểm tra M Điểm kiểm tra G

Hệ thống điều khiển

 Sù chuyÓn tõ pha nµy sang

pha kia cña chu tr×nh tÕ bµo

cã sù phèi hîp thùc hiÖn cña

c¸c ph©n tö tÝn hiÖu t¹i c¸c

®iÓm kiÓm tra tÕ bµo

(checkpoint) NÕu tÝn hiÖu bÞ

truyÒn “sai”, hoÆc ph¶n øng

tÕ bµo víi tÝn hiÖu “sai”, tÕ

bµo cã thÓ chuyÓn sang tr¹ng

th¸i ung th

Ung th là sự rối loạn điều khiển chu trình tế bào

 Cơ chế phân tử tại các điểm

kiểm tra tế bào là tơng đối

phức tạp Tuy vậy, có hai

loại protein đã biết giữ vai

trò quan trọng gọi là các

protein cyclin và kinase phụ

thuộc cyclin (CDK)

 Các CDK có vai trò xúc tác

thúc đẩy diễn tiến của chu

trình tế bào, bằng việc hoạt

hóa một số protein khác

Ung th là sự rối loạn điều khiển chu trình tế bào

 Một trong những điểm khởi

đầu chu trình tế bào quan

trọng nằm giữa pha G1

(START) Lúc này tế bào

nhận cả hai tín hiệu nội bào

(cylin/CDK) và ngoại bào

(yếu tố sinh trởng) để xác

định tế bào phù hợp để

chuyển sang pha S

 Điểm kiểm tra này đợc điều khiển bởi protein cyclin D kết hợp với

CDK4/5 Vào cuối pha G1, các protein ức chế có thể nhận biết các vấn đề của cuối pha G1 (nh thiếu dinh dỡng, ADN bị sai hỏng) và gây phân hủy phức hệ cyclinD/CDK4, ngăn tế bào bớc vào pha S

START

 Nếu các trạng thái tế bào bình thờng, các protein ức chế không có

mặt (hoặc không đợc hoạt hóa), phức hệ cyclinD/CDK4 giúp tế bào vợt qua pha G1 vào pha S, tạo tiền đề cho một chu trình mới

Ung th là sự rối loạn điều khiển chu trình tế bào

 Các điểm kiểm tra khác thuộc chu trình tế bào đợc điều khiển bởi

một số phức hệ cyclin/CDK khác, vd: cyclinE/CDK2 (đầu pha S), cyclinA/CDK1 (cuối S/đầu G2), cyclinB/CDK1 (G2 sang M), v.v…

Ung th là sự rối loạn điều khiển chu trình tế bào

 ở các tế bào ung th, các hoạt động tại điểm kiểm tra tế bào

không thực hiện đợc Sự mất khả năng điều khiển này có thể

do sai hỏng di truyền dẫn đến làm hỏng bộ máy điều khiển tổng hợp cyclin/CDK, hoặc sai hỏng tại chính các gen mã hóa các protein này

 Các sai hỏng liên quan đến điều khiển điểm kiểm tra START

có nguy cơ ung th cao một cách đặc biệt Bởi ở điểm này, các tế bào dừng lại để đảm bảo cho việc sửa chữa ADN đợc hoàn thành Nếu ADN sai hỏng không đợc sửa chữa mà đi tiếp vào pha S thì ADN sai hỏng sẽ bị nhân lên

 Qua nhiều lần phân bào, các đột biến đợc tích lũy dần và dẫn

đến sự mất khả năng điều hòa hoạt động phân bào Vì vậy, một dòng tế bào hỏng chức năng tại điểm START sẽ trở thành các tế bào ung th phát triển mạnh

Ung th cã ph¶i bÖnh di truyÒn?

Ung th vµ sù ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo

Néi dung

C¸c d¹ng biÓu hiÖn cña bÖnh ung th

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen g©y ung th

(oncogene)

Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen øc chÕ khèi u

Khái niệm về các gen gây ung th

 Các nghiên cứu về di truyền phân tử gần đây cho thấy, phần

lớn các dạng ung th là do sai hỏng của gen

 Tuy vậy, thông thờng phải có vài sai hỏng xảy ra đồng thời

 Các gen khi đột biến có liên quan trực tiếp đến sự phát sinh

ung th đợc chia làm hai nhóm:

1) Các gen gây ung th ( oncogene ): là các gen khi đột biến trực

tiếp có tác động thúc đẩy sự phân chia tế bào

+ Ví dụ: retrovirut và các oncogene ở virut, proto-oncogene, sự

sắp xếp lại NST,

2) Các gen ức chế khối u ( tumor suppressor gene ): là các gen khi

đột biến mất khả năng ức chế sự phân chia tế bào

+ Ví dụ: pRB, p53, pAPC, phMSH2, pBRCA1/2,

3) Các gen gây đột biến ( mutator gene ): thờng là đột biến ở các

gen làm nhiệm vụ sao chép hoặc sửa chữa ADN

+ Ví dụ: mutD của yếu tố  của ADN polymerase III

Oncogene

Retrovirut và các gen gây khối u ở virut

 Những hiểu biết đầu tiên về cơ chế phân tử phát sinh ung th

đ-ợc phát hiện từ các retrovirut

 Virut gây khối u đợc phát hiện lần đầu tiên năm 1910 bởi

Peyton Rous gây khối u ở mô cơ gà, đợc gọi là Rous sarcoma

 Hệ gen virut này gồm 4 gen: gag mã hóa protein vỏ, pol mã

hóa reverse transcriptase, env mã hóa protein màng ngoài, và

v-src mã hóa cho một loại protein kinase Sau khi cắt bỏ v-src , virut Rous sarcoma vẫn có khả năng lây nhiễm tế bào chủ, nh-

ng mấy khả năng gây khối u Gen v-src, vì vậy, đợc gọi là gen gây khối u

Oncogene

Retrovirut và các gen gây khối u ở virut

 Các gen gây khối u khác có thể mã hóa cho các protein hoặc

giống yếu tố sinh trởng, hoặc giống thụ thể của chúng Ví dụ, gen v-erbB tìm thấy ở virut gây tăng hồng cầu ở chim mã hóa cho một loại protein giống thụ thể của yếu tố sinh trởng EGF, hoặc gen v-fms tìm thấy ở virut sarcoma ở mèo mã hóa cho protein thụ thể yếu tố sinh trởng CSF-1

 Cả hai thụ thể nêu trên đều có đặc điểm chung là các protein

xuyên màng có vùng liên kết yếu tố sinh trởng ngoài màng tế bào, còn vùng hoạt động của kinase ở trong màng tế bào

 Một số gen gây khối u khác ở virut mã hóa cho các protein

kinase nằm trên màng tế bào ( v-src ), hoặc mã hóa cho protein giống G-protein tham gia điều hòa cAMP Một số gen gây khối

u khác (vd: v-jun , v-fos , v-erbA , và v-myc ) có nguồn gốc từ các virut khác nhau mã hóa cho các protein liên kết ADN và điều

Oncogene

Các gen tiền ung th (proto-oncogene) của tế bào chủ

 Bằng phơng pháp lai phân tử, ngời ta tìm thấy trong nhiều tế

bào chủ thờng có các gen “đồng đẳng” (trình tự giống) với các

v-onc Chẳng hạn, ở gà ngời ta thấy 11 gen “đồng đẳng” với gen gây khối u ở virut v-src Nhng có một đặc điểm đáng chú ý

là tất cả các gen này khác v-src một điểm chung là chúng mang cả các intron Vì vậy, ngời ta cho rằng v-src có thể có nguồn gốc từ chính các tế bào chủ nhng đã loại bỏ các intron

 Các gen đồng đẳng của tế bào chủ giống với các gen gây ung th

ở virut đợc gọi là tiền gen ung th ( proto-oncogen ), ký hiệu là onc (tơng ứng với v-src là c-src)

c- Bằng phơng pháp lai phân tử sử dụng các v-onc làm mẫu dò,

Oncogene

 Các v-onc có nguồn gốc từ c-onc do mARN của c-onc sau khi

hoàn thiện có thể gắn vào hệ gen virut và đợc đóng gói vào

hạt virut Khi virut tiếp tục lây nhiễm sẽ truyền các gen c-onc

đã đợc cắt bỏ intron sang tế bào chủ mới nh một v-onc

Câu hỏi: Tại sao các v-onc không có intron còn các c-onc có intron?

Câu trả lời phù hợp:

Các gen tiền ung th (proto-oncogene) của tế bào chủ

 Các v-onc thờng có biểu hiện mạnh hơn c-onc do sự có mặt

của các trình tự enhancer trong hệ gen virut (vd ở gà, gen

v-src hoạt động mạnh gấp 100 lần so với c-src )

 Các c-onc chịu sự điều khiển của tế bào, nên biểu hiện vào

các thời điểm phù hợp của chu trình tế bào Trong khi, các

v-onc có thể biểu hiện vào những thời điểm không thích hợp

Câu hỏi: Tại sao v-onc gây khối u, còn các c-onc không gây khối u?

Câu trả lời:

Oncogene

Hiện tợng đột biến của các proto-oncogene

 Các c-onc thờng có vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt

động của tế bào Vì vậy, đột biến xảy ra ở những gen này có thể làm mất cân bằng các quá trình sinh hóa của tế bào và gây ung th Nhiều dạng ung th đã đợc tìm thấy có liên quan trực tiếp đến đột biến của các proto-oncogene

Ví dụ: ung th bàng quang liên quan đến đột biến c-H-ras

Gen này đột biến từ gen c-ras bằng thay thế Val cho Gly ở axit amin thứ 12, biến phân tử protein thành phân tử tín hiệu kích thích phân chia tế bào

Các đột biến từ c-ras đã tìm thấy trong nhiều dạng ung th

Oncogene

Hiện tợng đột biến của các proto-oncogene

 Các đột biến liên quan đến c-onc dẫn đến sự hình thành các

tế bào ung th, nhng ít khi đợc di truyền do hiếm xảy ra trong các tế bào sinh dục Các đột biến c-onc khi mới xảy ra có thể

đợc sửa chữa, do vậy không gây nên ung th Nhng nếu nhiều

đột biến xảy ra đồng thời, thì tế bào không khắc phục đợc dẫn đến sự phân chia không kiểm soát và ung th

 Với nhiều bệnh ung th ở ngời, ngời ta đều thấy có liên quan

đến ít nhất một đột biến c-onc gây hại Do vậy, nhóm các gen

tiền ung th chắc chắn có vai trò quan trọng trong quá trình phát sinh các chứng bệnh ung th

Oncogene

Sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể trong tế bào ung th

 Sự sắp xếp lại các nhiễm sắc thể cũng liên quan đến sự phát

sinh một số bệnh ung th

 Chẳng hạn, bệnh ung th máu CML liên quan đến sự chuyển

đoạn giữa NST số 9 và NST số 22 hình thành nên cái gọi là

NST Philadelphia Phần đầu NST số 9 gắn với phần thân NST

số 22 dẫn đến sự dung hợp của gen tiền ung th c-abl (mã hóa cho một kinase) và gen bcr Gen dung hợp ( c-abl/bcr ) là nguyên nhân gây ung th

 Một ví dụ khác là bệnh ung th tế bào lympho Burkitt gây ra

do sự chuyển đoạn giữa NST số 8 và các NST số 2, 14 và 22

Ung th có phải bệnh di truyền?

Ung th và sự điều khiển chu trình tế bào

Nội dung

Các dạng biểu hiện của bệnh ung th

Khái niệm về các gen gây ung th

(oncogene)

Khái niệm về các gen ức chế khối u

(tumor suppressor genes)

Các cơ chế di truyền liên quan đến

sự phát sinh ung th

Các gen ức chế khối u

 Các tế bào ung th thông thờng ngoài việc mang các đột biến gen biểu

hiện tăng cờng gen mã hóa các yếu tố tăng trởng hoặc điều hòa chu trình tế bào (nh các gen c-ras, c-myc), thờng còn đỏi hỏi những đột biến bổ sung thêm nữa ở các gen ức chế sự tăng trởng của tế bào, những gen này gọi là các gen ức chế khối u (tumor suppresor gene) hay các gen kháng ung th (anti-oncogene)

 Giả thiết hai mục tiêu của Knudson:

 Sự biểu hiện của nhiều gen ức chế khối u có xu hớng di truyền

nh kiểu hình trội / lặn Lúc đầu, các tế bào ung th đợc di truyền hay đột biến ở dạng dị hợp tử mang alen mất khả năng

ức chế khối u Ung th chỉ xuất hiện khi đột biến thứ hai xuất hiện trong tế bào soma làm hỏng chức năng của alen kiểu dại

Các gen ức chế khối u

 Giả thiết Knudson phù hợp để giải thích nhiều dạng ung th di

truyền khác nhau Tuy vậy, các dạng ung th khác nhau thờng liên quan đến các gen ức chế khối u khác nhau

Bệnh ung th Loại u sơ cấp Gen Vị trí NST Chức năng

Mắt Mắt RB 13q14.3 Điều hòa chu trình tế bào

NF1 17q11.2 Điều hòa quá trình truyền

tín hiệu bởi protein Ras

U xơ thần kinh

loại 2

Tế bào thần kinh thính giác