Rakulised onkogeenid

class: center, middle, inverse, title-slide

# Rakulised onkogeenid
## Onkobioloogia
### Taavi Päll
### 2017/09/18

---

class: inverse, middle, center

# Recap

---

## Lihtsad retroviirused
transformeerivad kana ja hiire rakke läbi insertsioonilise mutageneesi

.pull-left[

]

.pull-right[
  
<img src="http://o.quizlet.com/xJ0AWub9I3KjpnUom79whw.png" style="display: block; margin: auto;" />

]

---

## Inimese vähid kus esineb kõrge viirusekspressioon

.footer[Pilt: [The landscape of viral expression and host gene fusion and adaptation in human cancer](http://www.nature.com/ncomms/2013/131001/ncomms3513/full/ncomms3513.html)
]

---

## Viiruse integratsioon on seotud märklaudgeenide ekspressiooni muutustega

.footer[
Pilt: [The landscape of viral expression and host gene fusion and adaptation in human cancer](http://www.nature.com/ncomms/2013/131001/ncomms3513/full/ncomms3513.html)
]

---

## HPV16/18 põhjustab emakakaela kasvajaid

.footer[Bosch FX, Lorincz A, Muñoz N, et al. The causal relation between human papillomavirus and cervical cancer. J Clin Path 2002; 55(4):244-265.
]

---
class: inverse, middle, center

# Kuidas seletada vähi teket inimesel

---

## Endogeensed proviirused
Kas inimese vähkide eest võiksid vastutada genoomis olevad endogeensed retroviirused?

- Lähtudes retroviiruste elutsüklist, integreeruvad genoomi **endogeensete retroviirustena**,
- satuvad idutee rakkudesse ja muutuvad pärilikuks,
- enamasti vaikeolekus, ei transkribeeri oma geene,
- juhuslik ning harv aktiveerumine.

---

## Endogeensed proviirused hiirtel

- BrdU aktiveerib Akr liini hiirtel endogeensed retroviirused (*MLV, murine leukemia virus*)
    - DNA metülatsioon eemaldatakse lookusest ja vaigistamine kaob
- Akr liini hiirtel on kaks lookust kuhu on integreerunud replikatsiooni-kompetentne MLV
- MLV produktsioon viib leukeemia tekkele.

.footer[Pilt: ~5% hiire genoomist sisaldab endogeenseid retroviirus järjestusi. [Endogenous Retroviruses and the Development of Cancer](http://www.jimmunol.org/content/192/4/1343.full)
]

---

## Inimese ERV-d... FUBAR

- 8% inimese genoomist pärineb retroviirustest, kuid
- inimese kasvajatest pole leitud retroviiruseid ega jälgigi nendest (pöörd-transkriptaas),
- inimese LTR-i sisaldavad järjestused on pärit vähemalt >5M aasta tagusest ajast, 
    - tugevasti muteerunud, 
    - mittefunktsionaalsed,
    - läbinud geenitriivi ja fikseerunud (populatsioonis on kõigil identne lookus).
- HERV-K alamperekonnas on lookuseid millel on kõik ORF-id intaktsed, kuid viirust neilt ei toodeta ja neid pole ka vähkides leitud.

---
class:inverse, middle, center

# Onkogeenid tekivad ka viirustest sõltumatult

---

## Kui mitte viirused, siis mis tekitab vähki? Kartsinogeenid!

- Kartsinogeenid toimivad mutageenidena ja nende toimemehhanismiks on raku kasvukontrolli geenide muteerimine.
- Sellisteks kasvukontrolli geenideks võivad olla normaalsed raku geenid, sarnaselt retroviirustest leitud protoonkogeenidega.

.footer[
Pilt: artrepublic.com
]

---

## Keemilised kartsinogeenid kutsuvad esile kasvajaid

.pull-left[

<div class="figure" style="text-align: center">
<img src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/36/Yamagiwa.JPG/300px-Yamagiwa.JPG" alt="Katsusaburō Yamagiwa" height="320" />
<p class="caption">Katsusaburō Yamagiwa</p>
</div>

]

.pull-right[
- `$1915.$` aastal demonstreeris pigi kartsinogeense toime
- pintseldas küüliku kõrvu igapäevaselt pigiga,
- mitu kuud hiljem moodustus lamerakuline kartsinoom.
]

---

## Kartsinogeenid toimivad mutageenidena

- Tugevalt mutageensed ühendid on ka tugevalt kartsinogeensed (nt. aflatoksiin B1, benso(a)püreen). 
- Füüsilise või keemilise kartsinogeeni poolt transformeerunud rakud kannavad muteerunud geene e. onkogeene, mis rikuvad normaalse kasvukontrolli.

---

## DNA transfektsioon võimaldas isoleerida mitte-viraalsed onkogeenid

.pull-left[

- Hiire C3HT1/2 rakke transformeeriti 3-metüülkolantreeni (3-ME, MCA) abil,
- transformeerunud rakkudest isoleeriti genoomne DNA,
- eraldatud DNA transformeeriti mitte-tumorigeensetesse NIH3T3 rakkudesse,
- isoleeriti kolooniad mis olid transformeerunud ja tumorigeensed.
- *Sama loogika toimib ka inimese vähirakkudest eraldatud DNA korral.*
]

.pull-right[

<img src="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK190612/bin/ch6fu3.jpg" height="320" style="display: block; margin: auto;" />
]

.footer[Pilt: Sue Weil, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center
]

---

## DNA transfektsioon võimaldas isoleerida mitte-viraalsed onkogeenid, järg

Kas transformeerunud raku DNA-ga transformeerumisel läheb retsipientrakku sisse üks või mitu onkogeeni?

- Transformeerunud rakkude genoomse DNA fragmentide transfekteerimisel läheb rakku sisse 0.1% doonor DNA-d.
- Tõenäosus, et kaks lingitud geeni satuvad ühte rakku on $$10^{-3} \times 10^{-3} = 10^{-6} $$ 
- Selline tõenäosus on piisavalt väike väitmaks, et "1 onkogeen = 1 transformeerunud rakk/koloonia"

---

## Retroviiruste poolt aktiveeritud onkogeenid on samad mis mitte-viraalsete kartsinogeenide aktiveeritud

- Harvey roti sarkoomiviiruse H-ras proov hübridiseerub inimese kusepõie kartsinoomi DNA-ga transfekteeritud NIH3T3 rakkude genoomsele DNA-le ([Parada et al., 1982](http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6283357):  paremal).

.pull-left[

]

.pull-right[

]

---

## Inimese vähkide retroviraalsed onkogeenid

<table class="table table-striped" style="font-size: 12px; ">
<thead><tr>
<th style="text-align:left;"> Viirus  </th>
   <th style="text-align:left;">  Liik  </th>
   <th style="text-align:left;">  Onkogeen  </th>
   <th style="text-align:left;">  Onkovalk  </th>
   <th style="text-align:left;">  Inimese kasvaja </th>
  </tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Rousi sarkoom </td>
   <td style="text-align:left;"> kana </td>
   <td style="text-align:left;"> src </td>
   <td style="text-align:left;"> mitte-retseptor TK </td>
   <td style="text-align:left;"> käärsoole vähk </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Abelsoni leukeemia </td>
   <td style="text-align:left;"> hiir </td>
   <td style="text-align:left;"> abl </td>
   <td style="text-align:left;"> mitte-retseptor TK </td>
   <td style="text-align:left;"> CML </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Lindude erütroblastoos </td>
   <td style="text-align:left;"> hiir </td>
   <td style="text-align:left;"> erbB </td>
   <td style="text-align:left;"> retseptor TK </td>
   <td style="text-align:left;"> mao-, kopsu- ja rinnavähk </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> McDonough' kassi sarkoom </td>
   <td style="text-align:left;"> kass </td>
   <td style="text-align:left;"> fms </td>
   <td style="text-align:left;"> retseptor TK </td>
   <td style="text-align:left;"> AML </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Hardy-Zuckerman kassi viirus </td>
   <td style="text-align:left;"> kass </td>
   <td style="text-align:left;"> kit </td>
   <td style="text-align:left;"> retseptor TK </td>
   <td style="text-align:left;"> GI strooma vähk </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Hiire sarkoom 3611 </td>
   <td style="text-align:left;"> hiir </td>
   <td style="text-align:left;"> raf </td>
   <td style="text-align:left;"> Ser/Thr kinaas </td>
   <td style="text-align:left;"> kusepõie kartsinoom </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Simian sarcoma </td>
   <td style="text-align:left;"> ahv </td>
   <td style="text-align:left;"> sis </td>
   <td style="text-align:left;"> kasvufaktor (PDGF) </td>
   <td style="text-align:left;"> erinevad vähid </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Harvey' sarkoom </td>
   <td style="text-align:left;"> hiir/rott </td>
   <td style="text-align:left;"> H-ras </td>
   <td style="text-align:left;"> väike G-valk </td>
   <td style="text-align:left;"> kusepõie kartsinoom </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Kirsten'i sarkoom </td>
   <td style="text-align:left;"> hiir/rott </td>
   <td style="text-align:left;"> K-ras </td>
   <td style="text-align:left;"> väike G-valk </td>
   <td style="text-align:left;"> erinevad vähid </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Lindude erütroblastoos E26 </td>
   <td style="text-align:left;"> kana </td>
   <td style="text-align:left;"> ets </td>
   <td style="text-align:left;"> transkriptsioonifaktor </td>
   <td style="text-align:left;"> leukeemia </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Lindude müelotsütoom </td>
   <td style="text-align:left;"> kana </td>
   <td style="text-align:left;"> myc </td>
   <td style="text-align:left;"> transkriptsioonifaktor </td>
   <td style="text-align:left;"> erinevad vähid </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> Retikuloendotelioos </td>
   <td style="text-align:left;"> kalkun </td>
   <td style="text-align:left;"> rel </td>
   <td style="text-align:left;"> transkriptsioonifaktor </td>
   <td style="text-align:left;"> lümfoom </td>
  </tr>
</tbody>
</table>

---

## erbB2/neu onkogeeni amplifikatsioon rinnakasvajates

- `$1987.$` a. kirjeldati, seos erbB2/neu geeni amplifikatsiooni ja rinnavähi elulemuse ning relapsi vahel.

.pull-left[

]

.pull-right[

]

.footer[
Slamon DJ, Clark GM, Wong SG, Levin WJ, Ullrich A, McGuire WLHuman breast cancer: correlation of relapse and survival with amplification of the HER-2/neu oncogene. Science 235: 177-182.
]

---
class: inverse, middle, center

# Kuidas saab normaalsest valgust onkogeen?

---

## Protoonkogeenide aktivatsioon
Protoonkogeenide aktivatsioon toimub läbi kahte tüüpi geneetiliste muutuste:

- valguekspressiooni mõjutavad muutused
- valgu struktuuri mõjutavad muutused

---
## Valguekspressiooni mõjutavad muutused

- Normaalsetes rakkudes on protoonkogeeni ekspressioon kas alla või ülesse reguleeritud omaenda promootori poolt vastusena füsioloogilistele signaalidele

- Retroviirusega seotud onkogeenide puhul läheb geen raku kontrolli alt viiruse kontrolli alla
    - c-myc ekspressioon on füsioloogilistes tingimustes kasvufaktorite kontrolli all
    - AMV (Avian Myeoloblastosis Virus) genoomis hakatakse aga v-myc järjestust konstitutiivselt kõrgelt ekspresseerima, sõltumata füsioloogilistest signaalidest mis seda geeni varem reguleerisid.

---

## Valgu struktuuri mõjutavad muutused

.pull-left[
- H-ras isoleeriti inimese kusepõie kartsinoomist,
- H-ras ei olnud amplifitseerunud!,
- sekveneerimine näitas somaatilist G->T punktmutatsiooni, mis oli täiesti piisav et H-ras onkogeeniks muuta
- Vähides esinev mutatsioon koodonites 12 või 61 (G12V) muudab Ras-i konstitutiivselt aktiivseks rikkudes Ras-i GTPasse aktiivsuse

]

.pull-right[

]

.footer[Clifford J. Tabin, Scott M. Bradley, Cornelia I. Bargmann, Robert A. Weinberg, Alex G. Papageorge, Edward M. Scolnick, Ravi Dhar, Douglas R. Lowy & Esther H. Chang. Mechanism of activation of a human oncogene. Nature 300, 143 - 149 (11 November 1982); doi:10.1038/300143a0
]

---

## Ras perekonna geenid on vähkides ühed sagedamini muteerunud

<table class="table table-striped" style="font-size: 12px; ">
<thead><tr>
<th style="text-align:left;"> Vähipaige/tüüp  </th>
   <th style="text-align:left;">  % muteerunud RAS geeniga (homoloog) </th>
  </tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td style="text-align:left;"> kõhunääre </td>
   <td style="text-align:left;"> 90 (K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> kilpnääre (papillaarne) </td>
   <td style="text-align:left;"> 60 (H,K,N) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> kilpnääre (follikulaarne) </td>
   <td style="text-align:left;"> 55 (H,K,N) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> käärsool </td>
   <td style="text-align:left;"> 45 (K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> seminoom </td>
   <td style="text-align:left;"> 45 (K,N) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> müelodüsplaasia </td>
   <td style="text-align:left;"> 40 (N,K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> kops (mitte-väikserakuline) </td>
   <td style="text-align:left;"> 35 (K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> AML </td>
   <td style="text-align:left;"> 30 (N) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> maks </td>
   <td style="text-align:left;"> 30 (N) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> melanoom </td>
   <td style="text-align:left;"> 15 (K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> kusepõis </td>
   <td style="text-align:left;"> 10 (K) </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> neer </td>
   <td style="text-align:left;"> 10 (H) </td>
  </tr>
</tbody>
</table>

---

## Onkogeenide aktivatsioonimehhanismid

- Regulatoorsed (protoonkogeeni amplifikatsioon, tuumorsupressorgeeni deletsioon)
- Struktuursed (mutatsioonid)
- Regulatoorsed `$\times$` Struktuursed

.footer[
[Emerging landscape of oncogenic signatures across human cancers](http://www.nature.com/ng/journal/v45/n10/full/ng.2762.html)
]
---

# c-MYC aktivatsiooni mehhanismid

Kolm mehhanismi, kõik regulatoorsed:
- proviiruse integratsioon (linnud),
- geeni amplifikatsioon (inimene),
- kromosomaalsed translokatsioonid.

---

## N-MYC amplifikatsioon pärilikes neuroblastoomides

.pull-left[

Kahte tüüpi amplifikatsioone

- HSR, homogeenselt värvuvad piirkonnad
- DM, *double minutes*: kromosoomi välised partiklid
- amplifikatsioonid on bimodaalsed 10-30 koopiat ja 100-150 koopiat
- lisaks neuroblastoomidele ka teistes neuroektodermaal kasvajates, astrotsütoomid, glioomid, ka väikse-rakulises kopsukasvajas.
]

.pull-right[
*HSR* ja *double minutes* (nooled)

]

---

## Sagedamini amplifitseerunud genoomipiirkonnad

.pull-left[

]

.pull-right[

Top 10 korduvad koopiaarvu muutused (SCNA):

<table class="table table-striped" style="font-size: 12px; ">
<thead><tr>
<th style="text-align:left;"> Geen  </th>
   <th style="text-align:left;">  Funktsioon </th>
  </tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td style="text-align:left;"> CCND1 </td>
   <td style="text-align:left;"> G1 tsükliin </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> EGFR </td>
   <td style="text-align:left;"> TK retseptor </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> MYC </td>
   <td style="text-align:left;"> transkripts. faktor </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> ERBB2 </td>
   <td style="text-align:left;"> TK retseptor </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> CCNE1 </td>
   <td style="text-align:left;"> G1 tsükliin </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> MCL1 </td>
   <td style="text-align:left;"> anti-apoptootiline valk </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> MDM2 </td>
   <td style="text-align:left;"> p53 E3 ubikvitiini ligaas </td>
  </tr>
</tbody>
</table>

]

.footer[Pan-cancer patterns of somatic copy number alteration. Travis I Zack,  Steven E Schumacher,  Scott L Carter,	Andrew D Cherniack,	Gordon Saksena,	Barbara Tabak,	Michael S Lawrence,	Cheng-Zhong Zhang,	Jeremiah Wala,	Craig H Mermel,	Carrie Sougnez,	Stacey B Gabriel,	Bryan Hernandez,	Hui Shen,	Peter W Laird,	Gad Getz,	Matthew Meyerson	& Rameen Beroukhim Nature Genetics 45, 1134–1140 (2013) doi:10.1038/ng.2760
]
---

## MYC translokatsioon Burkitti lümfoomides
MYC aktivatsioon translokatsioonilise mehhanismi teel

.pull-left[

- c-myc geene translokeeritakse immunoglobuliini lookusesse kõigis BL.
- Immunoglobulin raske ahel IgH 80%,
`$\kappa$` või `$\lambda$` kerge ahel, kumbagi 10%.

<table class="table table-striped" style="font-size: 12px; ">
<thead><tr>
<th style="text-align:left;"> Translokatsioon  </th>
   <th style="text-align:left;">  Fuusion  </th>
   <th style="text-align:left;">  Sagedus </th>
  </tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td style="text-align:left;"> t(8;14)(q24;q32) </td>
   <td style="text-align:left;"> IGH/MYC </td>
   <td style="text-align:left;"> 80% </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> t(2;8)(p12;q24) </td>
   <td style="text-align:left;"> IGK/MYC </td>
   <td style="text-align:left;"> 10% </td>
  </tr>
<tr>
<td style="text-align:left;"> t(8;22)(q24;q11) </td>
   <td style="text-align:left;"> IGL/MYC </td>
   <td style="text-align:left;"> 10% </td>
  </tr>
</tbody>
</table>

]

.pull-right[

]
---

## EGFR ligand-sõltumatu signalisatsioon

Mao- ja rinna kartsinoomides, glioblastoomides

---

## BCR-ABL translokatsioon
Leukeemiates ja lümfoomides

---
class: middle

## Kokkuvõte

- **Onkogeen** on geen mis võib potentsiaalselt vähki tekitada ja vähkides on nad muteerunud või ekspresseeritud ebanormaalselt kõrgel tasemel.
- **Protoonkogeen** on normaalne geen mis võib muutuda onkogeeniks.

---
class: inverse, middle, center

# Lingid teistele loengutele

---
class: middle, inverse

.pull-left[

- [Sissejuhatav loeng](http://tpall.github.io/onkobioloogia)
- [Onkoviirused](http://tpall.github.io/Onkoviirused)
- [Onkogeenid](http://tpall.github.io/Onkogeenid)
- [Retseptorid](http://tpall.github.io/Retseptorid)
- [Signaalirajad](http://tpall.github.io/Signaalirajad)
- [Tuumorsupressorgeenid](http://tpall.github.io/Tuumorsupressorid)
- [Rakutsüklikontroll](http://tpall.github.io/Rakutsyklikontroll)

]

.pull-right[

- [p53 ja apoptoos](http://tpall.github.io/p53-ja-apoptoos)
- [Immortalisatsioon](http://tpall.github.io/Immortalisatsioon)
- [Tumorigenees](http://tpall.github.io/Tumorigenees)
- [Genoomiterviklikkus](http://tpall.github.io/Genoomiterviklikkus)
- [Mikrokeskkond](http://tpall.github.io/Mikrokeskkond)
- [Metastaasid](http://tpall.github.io/Metastaas)
- [Immuunsus](http://tpall.github.io/Immuunsus)
- [Vahiravim](http://tpall.github.io/Vahiravim) 
]

GitHub repo: https://github.com/tpall/Onkogeenid