H1 Carcinogeniciteit PDF

1 CARCINOGENICITEIT 1.1 KANKER 1.2 GOEDAARDIGE EN KWAADAARDIGE TUMOREN 1.2.1 TUMORGROEI 1.3 KANKERETIOLOGIE (CARCINOGENESE) 1.3.1 CHEMISCHE CARCINOGENESE 1.3.1.1 Factoren die chemische carcinogenese beïnvloeden 1.3.1.2 Chemische carcinogenese en mutageniciteit 1.3.1.3 Chemische carcinogenese als een...

1 CARCINOGENICITEIT 1.1 KANKER 1.2 GOEDAARDIGE EN KWAADAARDIGE TUMOREN 1.2.1 TUMORGROEI 1.3 KANKERETIOLOGIE (CARCINOGENESE) 1.3.1 CHEMISCHE CARCINOGENESE 1.3.1.1 Factoren die chemische carcinogenese beïnvloeden 1.3.1.2 Chemische carcinogenese en mutageniciteit 1.3.1.3 Chemische carcinogenese als een veeltrapsproces 1.3.2 FYSISCHE CARCINOGENESE 1.3.2.1 UV-licht 1.3.2.2 Radioactiviteit 1.3.2.3 Asbest 1.3.2.4 Vreemd lichaam carcinogenese 1.3.3 VIRALE CARCINOGENESE 1.3.3.1 Transformatie en oncogenen 1.3.4 DNA TUMOR VIRUSSEN 1.3.4.1 Papillomavirussen 1.3.4.2 Polyoma virussen 1.3.4.2.1 Murine Polyoma virus 1.3.4.2.2 Simian virus 40 1.3.4.2.3 Humaan Polyoma virus 1.3.4.3 Adenovirussen 1.3.4.4 Tumor antigenen 1.3.4.5 Complexe tumorvirussen 1.3.4.5.1 Herpesvirussen 1.3.4.5.2 Epstein-Barr virus (Humaan herpes virus 4) 1.3.4.5.3 Humaan herpes virus 8 (HHV-8, Kaposi Sarcoma Herpes Virus) 1.3.4.6 Hepatitis B virus 1.3.5 RNA TUMOR VIRUSSEN (RETROVIRUSSEN) 1.3.5.1 Structuur van retrovirussen 1.3.5.1.1 Oncovirinae 1.3.5.1.2 Lentivirinae 1.3.5.2 Infectie en transformatie van een cel door retrovirussen 1.3.5.3 Replicatie van het viraal genoom 1.3.5.4 Oncogenen in retrovirussen 1.3.5.5 Cellen hebben proto-oncogenen 1.3.5.6 Retrovirussen zonder oncogenen 1.3.6 CELLULAIRE ONCOGENEN EN KANKER 1.3.7 TUMORSUPPRESSORGENEN 1.3.7.1 p53 en kanker 2 2 3 3 3 3 5 5 6 6 6 7 8 8 8 8 9 9 10 11 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 17 17 17 19 20 21 24 24 26 27 1 Carcinogeniciteit 1.1 Kanker Kanker is een belangrijke ziekte wereldwijd, die, bepaalde vormen althans, vaak geassocieerd wordt met de moderne samenleving en milieuvervuiling. Het woord "kanker" is afgeleid van het Latijnse woord "cancer", dat oorspronkelijk "kreeft" betekent. De ziekte heet in het Duits ook nog altijd "Krebs". De naam is o.a. reeds door Galenus aan de aandoening gegeven, omdat in vroeger tijden de ziekte werd herkend aan de opvallend rode, gezwollen bloedvaten in de nabijheid van de gezwellen, die de artsen van toen deden denken aan de rode pootjes van een kreeft. Kanker is een ongeremde en ongecontroleerde vermenigvuldiging van cellen. Het zijn eigenlijk cellen waarbij de celdeling ‘op hol is geslagen’. Over het algemeen is kanker een onomkeerbaar proces en gebeurt de ongeremde groei autonoom. Meestal gaat een toegenomen celdeling gepaard met een afname in differentiatiegraad of specialisatiegraad van de cel. Alle cellen in ons lichaam zijn eigenlijk ontstaan uit een aantal precursorcellen of primitieve stamcellen. In het embryo, beginnen deze stamcellen zich te delen. Op een bepaald moment krijgen ze een bepaalde ‘eindbestemming’ en worden zo voorlopercellen van bv. bloedcellen of huidcellen, of cellen van het netvlies enz… Naarmate de specialisatiegraad van een cel toeneemt, neemt de delingscapaciteit af. Denk aan de meest gespecialiseerde cellen, de zenuwcellen: zij kunnen zelfs niet meer delen. Kanker ontstaat uit cellen die normaal nog de mogelijkheid tot celdeling bezitten: rijpe neuronen (zenuwcellen) en hartspiercellen geven geen aanleiding tot kanker. De stimulus voor de ongeremde groei is bij tumoren doorgaans niet gekend. Nochtans wordt meer en meer duidelijk dat de regulatie voor celgroei gebeurt via groeifactoren waarvoor aan het oppervlak van de cellen receptoren bestaan. Voorbeelden zijn plaatjesgroeifactor (plateletderived growth factor, PDGF), fibroblastgroeifactor (FGF), insuline-achtige groeifactor (IGF) enz… Er zijn twee soorten genen die als hun expressie verstoord is, aanleiding kunnen geven tot ongebreidelde groei (en dus kanker). Onder invloed van de groeifactoren komen de oncogenen tot expressie. Oncogenen zijn normale genen aanwezig in gezonde cellen, maar waarvan de genproducten eiwitten zijn die de celdeling stimuleren. In een gezonde cel wordt de expressie van deze genen onderdrukt en komen zij enkel tot expressie tijdens de mitose. Een overdreven expressie van deze oncogenen, leidt tot ongecontroleerde celdeling. Mutaties in deze genen zijn dominant. Aan de andere kant, bevat elke cel ook genen die de celdeling verhinderen of stilleggen. Zij spelen een belangrijke rol bij het herstel van schade in het DNA. Als deze genen op een of andere manier geremd woden, maw als hun expressie stilgelegd wordt, bestaat er een risico op ontwikkeling tot kankercel. Dit zijn de tumorsuppressorgenen. Mutaties in deze genen zijn recessief. Ook is bij kankercellen de contactinhibitie gestoord. Normale cellen stoppen met delen zodra ze volledig omringd zijn door naburige cellen (contactinhibitie). Kankercellen delen gewoon verder zodat er een opeenhoping van cellen ontstaat (tumor). Deze tumorcellen lijken vaak op primitievere voorlopercellen. 1.2 Goedaardige en kwaadaardige tumoren Goedaardige tumoren hebben geen invasieve eigenschappen (kunnen onderliggend weefsel niet binnendringen) en metastaseren niet (zaaien niet uit op afstand). Kwaadaardige tumoren daarentegen invaderen de omgevende weefsels en metastaseren. De termen goedaardig en kwaadaardig slaan op het biologisch gedrag van de tumoren: onbehandeld voert een kwaadaardige tumor tot de dood, een goedaardige tumor niet, tenzij wanneer hij op een kritische plaats gelegen is, bv. in de hersenen of in een bloedvat…of doodt de tumor de patiënt door zijn secretieproducten. 1.2.1 Tumorgroei De kinetiek van kankercellen is er een van ongeordende groei, maar niet noodzakelijke snellere groei. Het gezonde darmepitheel groeit met name sneller dan veel tumoren. Eerder is het evenwicht tussen nieuwgevormde cellen en afstervende cellen doorbroken: er komen meer cellen bij dan er afsterven. 1.3 Kankeretiologie (carcinogenese) De oorzaak van een kwaadaardige tumor is vaak niet te achterhalen. Uitzondering hierop vormt de relatie tabaksrook – longkanker. 1.3.1 Chemische carcinogenese Sir Percival Pott was de eerste om het verband te herkennen tussen blootstelling aan een chemisch carcinogeen en kanker (scrotumkanker bij schoorsteenvegers). Reeds in 1915 werd in Japan experimenteel huidkanker verwekt bij konijnen. De meeste chemische carcinogenen moeten eerst geactiveerd worden in ons lichaam vooraleer zij met celbestanddelen kunnen reageren. Chemische carcinogenese is een meertrapsproces: de initiatie, een onomkeerbare, met de huidige methoden niet detecteerbare toestand, wordt gevolgd door promotie (het proces evolueert verder, nog steeds onder invloed van de kankerverwekkende stof). Het derde stadium is een autonoom proces en wordt progressie genoemd. Als er uitzaaiingen ontstaan, spreekt men echt van kanker. De verschillende stappen in het kankerproces. Directe carcinogenen gaan een covalente binding aan met macromoleculen: bv stikstofmosterd, bis(chloromethyl)ether, benzylchloride, sommige metalen. Indirecte carcinogenen: er dient eerst omzetting te gebeuren van een niet–reactief bestanddeel (een procarcinogeen) in een reactief bestanddeel. Deze omzetting gebeurt enzymatisch, vooral in de lever, veelal door detoxificerende enzymen die tussenkomen in het neutraliseren van lichaamsvreemde chemische substanties. Het spectrum van elk carcinogeen is verschillend: ze kunnen kanker veroorzaken in verschillende organen of weefsels.  Zo zijn polycyclische koolwaterstoffen, uit koolteer (benzopyreen, 3-methylcholanthreen, dibenzanthraceen) carcinogeen op de plaats waar zij werden aangebracht. Zij worden gemetaboliseerd tot electrofiele epoxiden door P450-dependente gemengde functie oxidasen.  Aflatoxine B1 (van Aspergillus flavus) wordt gemetaboliseerd in de lever tot een epoxide waarna een covalente binding met DNA kan optreden. Indien de cel zich deelt vooraleer het DNA hersteld is, vindt er een mutatie van het DNA plaats: initiatie. Na promotie kan leverkanker ontstaan.  Aromatische aminen (bv.aniline) en azolkleurstoffen (bv.botergeel) veroorzaken respectievelijk blaaskanker en leverkanker.  Nitrosaminen spelen mogelijk een rol in het ontstaan van gastro-intestinale carcinomen (maag-darmkankers).  Ook metalen, door een nog onbekend mechanisme, zijn carcinogeen: cadmium (nierkanker), kobalt, berylium, nikkel, lood. 1.3.1.1Factoren die chemische carcinogenese beïnvloeden  Activiteit van gemengde functie oxidasen (dit zijn belangrijke enzymen in de cel, ze spelen een belangrijke rol in het metabolisme): hoger bij pasgeborenen, waardoor pasgeborenen gevoeliger zijn dan volwassenen.  Hormonale status: niet voorspelbaar. Vrouwen zijn gevoeliger aan aminoazotolueen en diethylnitrosamine dan mannen. Mannen blijken daarentegen gevoeliger te zijn aan aromatische aminen dan vrouwen.  Dieetsamenstelling: een laag eiwitgehalte doet de gevoeligheid voor leverkanker dalen als gevolg van de daling van de oxidase-activiteit. 1.3.1.2Chemische carcinogenese en mutageniciteit Alhoewel niet alle mutagene stoffen carcinogeen zijn, is mutageniciteit een bruikbare maat. Een stof die mutageen is, is een stof die een mutatie (of verandering) in het DNA kan teweeg brengen. Als er fouten of mutaties in het DNA sluipen, stijgt de kans op het ontwikkelen van kanker. Ongeveer 90% van alle carcinogenen zijn mutageen. Het onderzoek naar carcinogene stoffen in het milieu wordt steeds belangrijker. De wetenschap dat carcinogenen ook mutagenen zijn, heeft ertoe geleid dat men bacteriën is gaan gebruiken voor carcinogeniciteitstesten. De meest bekende test is de Ames test, die ontwikkeld werd door Bruce Ames in de jaren ’70. Bij deze test maakt men gebruik van speciale stammen van Salmonella typhimurium die mutaties hebben in hun histidine operon. Ze zijn met andere woorden histidine auxotroof. Daarbij hebben ze ook nog mutaties in hun celwand waardoor ze permeabeler zijn voor teststoffen. Om ze nog gevoeliger te maken voor mutaties, is het DNAherstelapparaat van deze bacteriën ook gesaboteerd. In de Ames test worden deze speciale stammen opgekweekt in een minimaal medium dat de test-stof bevat. Om er zeker van te zijn dat er groei en dus DNA replicatie kan plaatsvinden in aanwezigheid van de test-stof, worden de bacteriën met de stof gemengd in een beetje vloeibare agar waarin ook een beetje histidine zit. Als er geen histidine zou aanwezig zijn, dan kon er geen groei en replicatie van het DNA plaatsvinden en dus ook geen mogelijke mutaties optreden. Dit mengsel van vloeibare agar wordt dan uitgegoten op een minimale agar en geïncubeerd voor 2 à 3 dagen bij 37°C. Alle bacteriën zullen de eerste uren kunnen groeien totdat alle histidine op is. Daarna zullen enkel revertanten (via terugmutaties hebben zij opnieuw de mogelijkheid verworven om zelf histidine aan te maken) verder kunnen groeien en aanleiding geven tot zichtbare kolonies. Men kan dan deze kolonies tellen en dit aantal vergelijken met een controleplaat (zonder teststof) om de relatieve mutageniciteit van de teststof te bepalen. Hoe meer kolonies, hoe groter de mutageniciteit. Er wordt ook vaak een leverextract aan het mengsel in de toplaag toegevoegd. Dit doet men omdat vele stoffen pas carcinogeen worden na omzetting in de lever. 1.3.1.3Chemische carcinogenese als een veeltrapsproces Vier hypothetische stadia kunnen worden onderscheiden: 1. initiatie: door initiator (carcinogeen) 2. promotie (nog geen autonome groei): groei duurt voort zolang de promotor inwerkt 3. progressie (onafhankelijk van carcinogeen of promotor): staat gelijk met autonome groei 4. kanker: verkrijgen van de mogelijkheid tot invasie en metastasering 1.3.2 Fysische carcinogenese 1.3.2.1UV-licht Het carcinogeen effect van UV-licht wordt teweeg gebracht door licht met een golflengte tussen 290 en 320 nm. Voor het carcinogeen effect van UV-licht zijn klinische en epidemiologische gegevens beschikbaar voor verschillende vormen van huidkanker. UV-licht is kankerverwekkend door vorming van thymine-dimeren in DNA. Normaal gaat thymine een binding aan met adenine van de tegenoverliggende keten. Door inwerking van UV, zullen twee naburige thymines met elkaar een dimeer vormen, waardoor de normale DNA structuur verstoord wordt. Dagelijks worden tientallen van deze dimeren gevormd in onze cellen. De cel beschikt dan ook over een aantal herstelmechanismen om fouten in het DNA op te sporen en te herstellen. Bij patiënten met xerdoderma pigmentosum (zeldzame autosomaal recessieve ziekte met een zeer hoge incidentie van huidkanker) ontbreekt een van deze herstelmechanismen. De ‘slechte’ stukjes DNA worden bij xeroderma pigmentosum niet uitgesneden. 1.3.2.2Radioactiviteit Vaak lijken splijtingsproducten en radionucleïden chemisch en fysisch op de stoffen die nodig zijn voor de opbouw van het lichaam: tritium is bijvoorbeeld door het lichaam niet te onderscheiden van waterstof. Het betekent dat deze stoffen gewoon in de lichaamscellen worden opgenomen en ingebouwd, en daar plaatselijk alfa- bèta- en gammastraling uitzenden. Als de immuniteit van het lichaam door onder andere deze radioactieve stoffen ernstig is aangetast, kan kanker (o.a. leukemie) ontstaan, omdat het lichaam de overmaat aan beschadigde en gemuteerde cellen niet kan verwijderen en vervangen. Veel radioactieve stoffen hebben bovendien een cumulatief effect: dat betekent dat zij zich ophopen in bepaalde organen of weefsels. Radioactieve belasting van het lichaam geeft een voortdurende belasting met vrije radicalen, die in een kettingreactie andere vrije radicalen blijven aanmaken, totdat ze worden weggevangen door anti-oxydanten. Het grootste deel van het lichaam bestaat uit water, waaruit het zeer schadelijke hydroxyl- radicaal kan ontstaan, maar in principe kunnen alle moleculen in het lichaam getroffen en veranderd worden. Een belangrijk onderzoek uit 1972 met radioactief natrium toont aan dat lipoproteïnemembranen (de celwanden van zoogdiercellen) buitengewoon gevoelig zijn voor minieme stralingdoses. Het celmembraan bezwijkt snel onder de door radioactiviteit gevormde vrije radicalen. Lipiden die van bestraalde proefdieren afkomstig zijn, blijken symptomen op te kunnen roepen die overeenkomen met die van de bestraling zelf. Ook daarom is voedselbestraling zeer dubieus door de vorming van vrije radicalen in het voedsel. Een grote belasting van het lichaam met vrije radicalen leidt tot vroegtijdige veroudering en allerlei degeneratieve ziekten als kanker, reuma en hart- en vaatziekten. Beschadiging van het DNA door vrije radicalen kan leiden tot kanker en effecten op de ongeboren vrucht. In de vijftiger jaren zijn in de VS bij wijze van experimentele therapie een aantal mensen ingespoten met geringe doses langlevende radionucleiden, zoals radium en plutonium. Als gevolg daarvan ontwikkelden zich bij die mensen allerlei bottumoren en waarschijnlijk ook leukemie. Men gebruikt tegenwoordig nog wel radium-226 als lokale tijdelijke kankertherapie. 1.3.2.3Asbest Veroorzaakt aggressieve kanker in longen en buikholte. Vooral de lange, dunne crocidolietvezels zijn erg carcinogeen. Zij kunnen zeer diep doordringen in de luchtwegen en de longblaasjes. Er is ook een verband tussen asbestblootstelling en longcarcinoom bij rokers. 1.3.2.4Vreemd lichaam carcinogenese De mens is wat dit betreft zeer weerstandig. Muizen en ratten zijn daarentegen zeer gevoelig aan vreemd lichaam carcinogenese. Dit is een vorm van kanker die zich ontwikkelt als reactie op de aanwezigheid van een lichaamsvreemd object. Een rol voor vreemd lichaam carcinogenense bij de mens wordt aangenomen bij personen met infecties door bepaalde parasieten of wormen: Schistosoma haematobioum (blaaskanker).of Clonorchis sinensis (galwegkanker). 1.3.3 Virale carcinogenese Virale carcinogenese bij de mens is slechts goed gedocumenteerd voor een paar tumoren: bepaalde T-cel leukemieën of lymfomen die veroorzaakt worden door een RNA retrovirus, HTLV-1 en 2, baarmoederhalskanker door een DNA-virus, HPV (humaan papilloma virus) en leverkanker, vaak veroorzaakt door het Hepatitis B-virus (een DNA-virus). Bij dieren zijn veel oncogene virussen bekend. Deze virussen zijn van het grootste belang voor de studie van de relatie virus-kanker. Er zijn twee klassen oncogene virussen: • DNA virussen • RNA virussen / retrovirussen Ze hebben een verschillende reproductiewijze, maar wat ze gemeenschappelijk hebben, is dat ze hun genoom kunnen integreren in dat van de gastheer. 1.3.3.1Transformatie en oncogenen Een cel die geïnfecteerd is door een virus en hierdoor andere eigenschappen krijgt, is getransformeerd. Transformatie door een virus is een verandering in de biologische eigenschappen van de cel die resulteren in de regulatie van het celmetabolisme door virale genen. Geïnfecteerde cellen vertonen hierdoor vaak een vorm van neoplasie. Transformatie resulteert in verlies van controle van de celdeling, verlies van contactinhibitie, mogelijkheid tot invasie van onderliggende weefsels, verlies in differentiatiegraad en immortalisatie. De chromosomen van de getransformeerde cel zijn abnormaal en zijn vaak, maar niet altijd, het gevolg van integratie van het virale genoom in de chromosomen. De regio van het viraal genoom dat geïntegreerd wordt is bijvoorbeeld een oncogen. De ontdekking van virale oncogenen in retrovirussen, heeft aangetoond dat deze genen niet alleen voorkomen in virussen, maar dat homologe genen ook voorkomen in alle cellen (men noemt deze homologe genen ook proto-oncogenen). Waarschijnlijk hebben virussen ooit ergens een cellulair oncogen opgepikt en dit dan aangepast. In normale omstandigheden komen protooncogenen niet tot expressie in cellen in rust; enkel als ze delen of zich ontwikkelen. Hun expressie staat onder een strikte controle van de cel. Virussen kunnen de expressie van cellulaire proto-oncogenen activeren. Virussen kunnen dus op twee manieren kanker veroorzaken: (1) door zelf een oncogen binnen te brengen of (2) door een cellulair protooncogen te activeren. De ontdekking van cellulaire oncogenen heeft het onderzoek naar de ontwikkeling van niet-virale kankers enorm vooruit geholpen. Ook een andere klassen van cellulaire genen werd snel ontdekt; de tumorsuppressorgenen. De rol van retrovirussen met betrekking tot virale en cellulaire oncogenen was snel duidelijk. De rol van DNA virussen was eerst niet zo duidelijk. Maar de ontdekking van tumorsuppressorgenen heeft bijgedragen tot de ontdekking van hoe DNA-virussen kanker kunnen veroorzaken. 1.3.4 DNA tumor virussen DNA virussen kunnen twee mogelijke cycli volgen: de lytische of de lysogene cyclus. De eerste DNA tumor virussen die ontdekt werden, waren het konijn fibroma virus en het Shope papilloma virus in 1930. Papilloma’s zijn goedaardige tumoren, zoals wratten. Ze werden ontdekt doordat men een virus extract van de tumor van wilde konijnen injecteerde in een ander wild konijn en dit ook wratten ontwikkelde. Als men dit extract echter injecteerde in een tam konijn, was het resultaat een kwaadaardige tumor, een carcinoma. Men constateerde ook dat men uit deze tumoren geen virussen kon isoleren. Ze waren immers geïntegreerd in het genoom. 1.3.4.1Papillomavirussen Papillomavirussen zijn kleine virussen met een genoomgrootte van ongeveer 8kb. Ze veroorzaken wratten bij mens en dier, maar ook kankers. Wratten zijn meestal goedaardig, maar ze kunnen transformeren in kwaadaardige carcinomas. Dit gebeurt bij patiënten met “epidermodysplasia verruciformis”. Dit is een zeldzame autosomaal recessieve mutatie die leidt tot een abnormale, ongecontroleerde replicatie van het papilloma virus. Het resultaat is de groei van verschillende vlekken en gezwelletjes over heel het lichaam, maar vooral op handen en voeten. Deze ziekte wordt geassocieerd met een hoog risico op huidkanker. Papillomavirussen komen veel voor (80% van de bevolking is geïnfecteerd), maar een infectie verloopt meestal asymptomatisch bij gezonde personen. Papillomavirussen worden ook geassocieerd met baarmoeder(hals)kanker. Er zijn meer dan 100 verschillende types papillomavirussen bekend, maar ze worden niet allemaal in verband gebracht met kanker. Men schat toch dat papillomavirussen tot 16% van de kankers bij vrouwen veroorzaken en 10% van alle kankers. Baarmoederhalskanker wordt geassocieerd met HPV type 16 en 18, maar de meest voorkomende genitale HPVs zijn type 6 en 11. Types 16 en 18 veroorzaken een transformatie van menselijke keratinocyten. Niet alle vrouwen die met deze types geïnfecteerd zijn, ontwikkelen kanker. Er zijn meerdere factoren die een rol spelen. Men denkt hierbij aan de voeding of onderliggende ziektes zoals HIV of andere vormen van immunosuppressie. Tegen deze vorm van baarmoederhalskanker is sinds kort een vaccin beschikbaar. Dit vaccin blijkt zeer effectief te zijn. 1.3.4.2Polyoma virussen Dit zijn kleine virussen met een genoom van ongeveer 5kb. 1.3.4.2.1 Murine Polyoma virus Het Polyoma virus kreeg die naam omdat het verschillende diersoorten kan infecteren. Het werd voor het eerst geïsoleerd uit muizen. Bij muizen en hamsters kan het leukemie veroorzaken. 1.3.4.2.2 Simian virus 40 Het SV40 virus is voor het eerst ontdekt in rhesus aap niercellen die gebruikt werden om poliovaccins aan te maken. Vele vroege patiënten die zulk een vaccin toegediend hebben gekregen, bleken achteraf ook besmet te zijn geraakt met het SV40 virus. Er werd echter geen toegenomen incidentie van kanker vastgesteld in deze groep. Hoewel SV40 een apenvirus is, dat geen CPE veroorzaakt op dierlijke celculturen, veroorzaakt het wel kanker bij jonge hamsters. 1.3.4.2.3 Humaan Polyoma virus De eerste twee menselijke polyoma isolaten, bekend als BK en JC, werden in 1971 ontdekt. Geen van beiden kwam uit tumorweefsel. BK was afkomstig van urine van een niertransplantatiepatiënt en JC van de hersenen van een patiënt met de ziekte van Hodgkin. Ze veroorzaakten echter wel tumoren als men ze injecteerde in proefdieren. 70 tot 80% van de menselijke populatie is seropositief voor JC. Dit virus kan Progressieve Multifocale Leukoencephalopathie (PML) veroorzaken. Deze ziekte wordt geassocieerd met immuunsuppressie. Het aantal gevallen is fors gestegen sinds de AIDS epidemie. Ze komt voor bij 5% van de AIDSpatiënten. Het BK virus is een belangrijke oorzaak van nierfalen en het mislukken van niertransplantaties bij patiënten met immuunsuppressie. Bijna iedereen in de westerse wereld heeft antistoffen tegen dit virus in het bloed op de leeftijd van 10 jaar. Recentelijk werd BK viraal DNA in verband gebracht met prostaatkanker. Normaal volgen Polyomavirussen de lytische cyclus. Als er transformatie optreedt, is dat omdat het virus defectief is. 1.3.4.3Adenovirussen Deze virussen zijn groter dan de polyoma en papilloma virussen, met een genoom van ongeveer 35 kb. Ze werden oorspronkelijk geïsoleerd uit menselijke tonsillen en klieren en blijken heel oncogeen te zijn in proefdieren. Slechts een gedeelte van het viraal genoom wordt geïntegreerd. Dit deel codeert voor verschillende T-antigenen, die instaan voor vroege functies van de virale levenscyclus. Geïnfecteerde proefdieren maken antistoffen aan tegen deze T-antigenen. Tot nu toe werden er geen humane kankers geassocieerd met adenovirussen. 1.3.4.4Tumor antigenen Tumoren die veroorzaakt worden door papillomavirussen, adenovirussen of polyoma virussen bevatten viraal DNA maar produceren geen infectieuze virussen. De aanwezigheid van deze virussen lokt wel de vorming van antistoffen tegen tumor antigenen uit. Deze tumor antigenen zijn meestal genproducten van de zogenaamde ‘vroege’ genen (zie de cursus ‘Virologie’). Dit zijn genen die mee instaan voor de replicatie van het virale DNA. Het is dan ook niet verbazingwekkend dat deze vroege eiwitten ook een effect hebben op het gastheer DNA. SV40 brengt twee zulke vroege eiwitten tot expressie; de T antigenen: groot T antigen en klein T antigen. Het grote T antigen speelt een rol bij de regulatie van virale DNA replicatie. Het heeft echter ook een effect op het gastheer DNA polymerase alfa. Het grote T antigen heeft ook een effect op de tumorsuppressorgenen door te binden op deze eiwitten en hen te inactiveren. Hierdoor zal de cel de volgende fase van de mitose ingaan (de S fase). Dit is ideaal voor het virus omdat onder deze omstandigheden in de cel het virale DNA optimaal gerepliceerd kan worden. Het meeste T antigen wordt aangetroffen in de kern, maar een klein deel is aanwezig op het celoppervlak. Het kleine T antigen interageert met celullaire fosfatases wat resulteert in het blokkeren van bepaalde fosforylaties in de cel waardoor de inhibitie van de celdeling opgeheven wordt. Men vindt gelijkaardige tumorantigenen terug bij polyoma, papilloma en adeno virussen. Ze veroorzaken transformatie van cellen op een gelijkaardige manier: de integratie en expressie van vroege genen, die interageren met tumorsuppressorgenen. De late genen komen meestal niet tot expressie. Twee belangrijke punten in verband met T antigenen van DNA tumor virussen dienen benadrukt te worden: • Het zijn echte virale genen. Er bestaan geen cellulaire homologe varianten. • Ze zijn noodzakelijk bij de lytische infectie om dat ze instaan voor virale en cellulaire DNA replicatie Deze twee punten geven aan waarin deze oncogenen verschillen van degenen die we terugvinden bij retrovirussen. 1.3.4.5Complexe tumorvirussen 1.3.4.5.1 Herpesvirussen Herpesvirussen zijn veel groter dan de hierboven beschreven virussen met een genoom van ongeveer 100 tot 200 kb. Omwille van hun omvang, is nog lang niet alles ontdekt over de manier waarop deze virussen kanker kunnen veroorzaken. Er zijn aanzienlijke indirecte bewijzen aanwezig om een kankerverwekkende rol toe te wijzen aan deze grote virussen met een enveloppe. In dierproeven is hun kankerverwekkend vermogen alleszins al zeer duidelijk. Het genoom van het herpesvirus integreert in de gastheercel op specifieke plaatsen en kan beschadigingen van chromosomen veroorzaken. Herpesvirussen zijn vaak ‘co-carcinogeen’. Ze kunnen oncogenese mee op gang brengen. Herpesvirussen bezitten meer dan 100 genen. Als deze virussen cellen infecteren die niet-permissief zijn (dit wil zeggen dat ze de lytische cyclus niet toelaten), zullen ze deze cellen transformeren. In dit geval komen er maar 9 genen tot expressie. Deze genen coderen voor nucleaire antigenen of membraan eiwitten. 1.3.4.5.2 Epstein-Barr virus (Humaan herpes virus 4) Het EBV wordt het meest geassocieerd met kanker. Het infecteert voornamelijk lymfocyten en epitheelcellen. In lymfocyten is de infectie meestal niet-productief, terwijl dat wel het geval is in epitheelcellen. Deze laatste cellen scheiden nieuwe infectieuze virussen uit. EBV wordt geassocieerd met: • Burkitt’s lymfoma in de tropen, voornamelijk in endemische gebieden voor malaria • Nasofaryngeale kanker, vooral in China en Zuid-Oost Azië, waar bepaalde dieten als cocarcinogenen kunnen fungeren • B cel lymfoma’s in immuungesuppresseeerde patiënten (na orgaantransplantaties of HIV) • Ziekte van Hodgkin: het virus werd geisoleerd bij 40% van de patiënten • X-gebonden lymfoproliferatieve ziekte (syndroom van Duncan) EBV kan ook B lymfocyten in vitro transformeren. Het is ook de oorzaak van klierkoorts of mononucleose. Dit is een goedaardige aandoening van de B-lymfocyten (zie Virologie). 1.3.4.5.3 Humaan herpes virus 8 (HHV-8, Kaposi Sarcoma Herpes Virus) HHV-8 infecteert lymfocyten, epitheelcellen en endotheelcellen en is de verwekker van Kaposi’s Sarcoma. Het werd ook in verband gebracht met hematologische maligniteiten. EBV en HHV-8 worden ook geassocieerd met mondletsels en neoplasma’s in HIV-patiënten. 1.3.4.6Hepatitis B virus Dit virus is heel verschillend van de andere DNA tumor virussen. Vooral op het vlak van replicatie lijkt het veel meer op RNA virussen dan op DNA virussen. Het DNA wordt omgezet in RNA, niet alleen voor eiwitsynthese, maar ook voor de replicatie van het genoom. Genomisch RNA wordt terug omgezet in genomisch DNA. Dit noemt men reverse transcriptase. Dit fenomeen vinden we terug bij de retrovirussen (RNA-virussen). Hepatitis B komt wereldwijd voor en kan de oorzaak zijn van hepatocellulair carcinoma (HCC), één van de meest voorkomende kankers. Er is een sterke correlatie tussen het chronisch dragerschap van HBsAg (hepatitis B surface antigen) en de incidentie van HCC. 1.3.5 RNA tumor virussen (retrovirussen) Deze virussen bezitten RNA als genetisch materiaal en zij kunnen, net als de DNA virussen, hun genoom integreren in het gastheergenoom. Hiervoor moet het RNA eerst omgezet worden in DNA met behulp van het reverse transcriptase. 1.3.5.1Structuur van retrovirussen De enveloppe is afkomstig van de gastheer plasma membraan. De eiwitten in de enveloppe (oppervlakte-antigenen) worden gecodeerd door het env gen en geglycosyleerd. Eerst wordt er een primair genproduct aangemaakt, dat dan geknipt wordt zodat er meer dan een oppervlakte glycoproteïne aanwezig is. Het capside bestaat uit eiwitten die gecodeerd worden door het gag gen. (Groep-specifiek AntiGen). Ook hier is er eerst een primair genproduct dat achteraf geknipt wordt door een viraal protease (gecodeerd door het pol gen). Er zijn twee moleculen genomisch RNA aanwezig. Dit RNA is + streng; dus kan rechtstreeks als mRNA dienen. Er zijn ongeveer 10 kopieën van het reverse transcriptase aanwezig in een virus, gecodeerd door het pol gen. Het pol gen codeert voor verschillende producten (net zoals bij gag en env, wordt er eerst een groot polyproteïne gemaakt dat achteraf in stukken geknipt wordt): • Reverse transcriptase • Integrase (integratie viraal genoom) • RNase H (helpt reverse transcriptase) • Protease (knipt de primaire eiwitten). Dit eiwit is een nieuwe doelwit voor anti-virale therapie. 1.3.5.1.1 Oncovirinae Het eerste virus uit deze groep dat ontdekt werd, was het Rous Sarcoma Virus (RSV), wat kanker veroorzaakt bij kippen. Humane virussen uit deze groep zijn: HTLV-1 (humaan T-cel lymfotroop virus-1): oorzaak van Adult T-cel leukemie. Deze ziekte komt vooral voor in Japan, de Caraïben, Latijns-Amerika en Afrika. Het is een SOA. HTLV-2: ooraak van Hairy Cell Leukemia. 1.3.5.1.2 Lentivirinae Deze hebben een lange latente periode van infectie vooraleer er symptomen optreden. HIV behoort tot deze groep. 1.3.5.2Infectie en transformatie van een cel door retrovirussen Een infectie kent opeenvolgende stadia: • Binden op een specifieke receptor op de celmembraan • Opname via endocytose of via direct fusie met het celmembraan • Omzetting van het virale RNA in DNA door het reverse transcriptase. Het RT heeft net als het DNA polymerase een primer nodig. De primer is in dit geval een tRNA dat afkomstig is van een eerder geïnfecteerde cel. • Het DNA wordt dubbelstrengig gemaakt. • Het dsDNA wordt geïntegreerd in het gastheergenoom en gewoon mee gecopieerd bij elke celdeling. In dit stadium noemt men het virus een provirus. • Aanmaak van viraal genomisch RNA door gastheer RNA polymerase II. • Dit kan dan rechtstreeks gebruikt worden als mRNA voor ENV, GAG en POL polyproteïnen 1.3.5.3Replicatie van het viraal genoom Het gebruik van RNA polymerase II kent twee problemen: 1. Het RNA polymerase II kan enkel DNA omzetten in RNA als er bepaalde controlesequenties voor transcriptie, zoals een promotor bijvoorbeeld, aanwezig zijn die herkend worden door het enzym. Dit wil dus zeggen dat het viraal genoom geïntegreerd moet worden naast een gastheerpromotor ofwel dat het virus zijn eigen controlesequenties moet voorzien (die echter in principe niet worden omgezet in RNA door het RNA polymerase, dus in viraal genoom). 2. Het heeft geen proofreading activiteit Om het eerste probleem op te lossen, heeft een retrovirus volgende strategie: Het viraal RNA bestaat uit drie regio’s. aan elke uiteinde zitten terminale repeats (R). Deze repeatsequenties coderen niet voor eiwitten. Er is ook een PBS (primer binding site) waar het tRNA kan binden als het reverse transcriptase start. PPT is een polypurine tract. Als het genoom geïntegreerd is, wordt het ingewikkelder. De uiteinden U3 en U5 zijn gecopieerd naar de andere uiteinden (zoals transposons). Op deze manier worden de terminale repeats langer, men noemt ze dan ook LTR (long terminal repeats). De U3 regio bevat alle informatie van een promotor die nodig is voor de transcriptie, die begint met de R-regio. De U5 regio bevat alle informatie die nodig is voor de terminatie van transcriptie. Enkel de laatste U5 sequentie beëindigt de transcriptie. De U5 sequentie tussenin wordt onderdrukt door het gag gen wat erop volgt. Het RNA polymerase II zet dus het proviraal DNA om in genomisch RNA (quasi compleet, enkel de U3 en U5 sequentie is niet aanwezig) dat dan gespliced kan worden in mRNAs. 1.3.5.4Oncogenen in retrovirussen Sommige retrovirussen hebben buiten de drie typische genen (gag, pol en env) nog een of meer extra genen. Het zijn deze genen die als oncogen kunnen fungeren. Virussen die in staat zijn om cellen te transformeren zijn in het bezit van zulke oncogenen. Het eerste gen dat ontdekt werd, was een extra gen in het Rous Sarcoma Virus (RSV). Dit gen werd het src gen genoemd. Dit gen is niet nodig voor virale replicatie. Deleties en/of mutaties in dit gen zorgen ervoor dat het virus zijn transformatie-capaciteit verliest. RSV is een uitzonderlijk virus omdat het in staat is geweest zijn volledige genoom (gag, env en pol) te behouden. De meeste andere retrovirussen hebben een deel van hun genoom verloren om plaats te maken voor een oncogen. Dit heeft twee gevolgen: 1. Het genproduct van het oncogen is vaak een onderdeel van een fusie-eiwit. 2. Het virus is defect omdat het dus een aantal noodzakelijke genen mist. Voor zijn replicatie heeft het de hulp nodig van een helpervirus. Ondertussen zijn er ongeveer 40 virale oncogenen geïdentificeerd. Ze worden meestal aangeduid met een 3-letter code (bv. src, myc) die verwijst naar het virus waaruit het geïsoleerd werd. Sommige virussen hebben meer dan één oncogen. Omdat het virale oncogenen zijn, plaatst men de letter ‘v’ voor de naam. Hieronder staan enkele voorbeelden: Virus Oncogen Rous sarcoma virus v-src Simian sarcoma virus v-sis Avian erythroblastosis virus v-erbA or v-erbB Kirsten murine sarcoma virus v-kras Moloney murine sarcoma virus v-mos MC29 avian myelocytoma virus v-myc 1.3.5.5Cellen hebben proto-oncogenen Na de ontdekking van retrovirale oncogenen, deed men een verbazingwekkende ontdekking; in tegenstelling tot oncogenen van DNA virussen die echt uniek waren voor deze virussen, zijn er homologe genen van de retrovirale oncogenen aanwezig in alle cellen. Deze cellulaire homologe genen zijn betrokken bij de regulatie van de celdeling. Zij kunnen onder bepaalde omstandigheden aanleiding geven tot kanker. Men noemt deze genen proto-oncogenen. Om een onderscheid te maken met de virale oncogenen, zet men de letter ‘c’ voor de naam; vb. c- onc en v-onc. C-onc’s zijn niet identiek aan hun overeenkomstige v-oncs. Het virus heeft ooit een c-onc opgepikt tijdens zijn replicatie in een cel en dit gemuteerd. Een proto-oncogen is een gen van de gastheercel dat homoloog is aan een viraal oncogen. Het kan transformatie induceren als het gewijzigd wordt. Dit kan bijvoorbeeld door mutaties of een verandering in promotor. Het codeert meestal voor een eiwit dat betrokken is bij de replicatie van DNA of de controle van de celdeling. Het zijn eiwitten die aanwezig zijn in de kern (myc, myb) of in het cytoplasma of de celmembraan (abl, src, ras). FUNCTION OF PROTO-ONCOGENEENCODED PROTEINS EXAMPLE Control of DNA transcription (found in nucleus) myc Signaling of hormone/growth factor binding such as a tyrosine kinase src is a membrane-bound tyr kinase. GTP-binding proteins involved in signal transduction from a surface receptor to the nucleus ras Growth factors sis is an altered form of platelet-derived growth factor B chain Growth factor receptors erb-B is a homolog of the epidermal growth factor receptor (it is also a tyrosine kinase). fms is a homolog of the macrophage colonystimulating factor (M-CSF) receptor 1.3.5.6Retrovirussen zonder oncogenen Ook retrovirussen die niet in het bezit zijn van oncogenen, zijn in staat om cellen te transformeren. Dit komt doordat deze virussen zich stroomopwaarts integreren van een cellulair proto-oncogen. Op deze manier kom dit c-onc(bv. c-myc) onder controle te staan van een virale promotor en zal dus ongecontroleerd tot expressie komen. Deze overexpressie kan ook tot stand komen als het virus zich stroomafwaarts integreert. 1.3.6 Cellulaire oncogenen en kanker Eens men aangetoond had dat virussen ofwel een oncogen kunnen binnenbrengen ofwel de expressie van een cellulair proto-oncogen kunnen beïnvloeden, kwam de vraag of deze cellulaire proto-oncogenen ook zonder virussen aanleiding konden geven tot kanker? Het antwoord is ja. Chromosomale verschuivingen of herschikkingen kunnen ervoor zorgen dat een c-onc onder de controle komt te staan van een verkeerde promotor. Chromosomale mapping laat de precieze localisatie toe van genen. Vele vormen van kanker zijn gerelateerd aan veranderingen in de chromosomen en translocaties. Veel breekpunten in chromosomen van tumorcellen bevinden zich in de buurt van gekende oncogenen. Disease C-onc translocation Burkitt's lymphoma * myc 8 to 14 Acute myeloblastic leukemia mos 8 to 21 Chronic myelogenous leukemia abl 9 to 22 Acute promyelocytic leukemia fes 15 to 17 Acute lymphocytic leukemia myb 6 deletion Ovarian cancer myb 6 to 14 In Burkitt’s lymfoma is het c-myc van chromosoom 8 overgebracht naar chromosoom 14, in de buurt van het gen dat codeert voor immuunglobulines. Het proto-oncogen is dus onder controle komen te staan van de immunoglobuline promotor, die zeer actief is in B-lymfocyten. Dit verklaart waarom de kanker ontstaat in B-lymfocyten. Het Epstein-Barr virus is waarschijnlijk de oorzaak van Burkitt’s lymfoma. Dit virus is vaak de oorzaak van breuken in chromosomen, bv. een 8:14 translocatie. Er kunnen ook mutaties ontstaan in het c-onc gen zelf of in de promotor zodat het overgeëxpresseerd wordt (vaak genproducten die een rol spelen in de kern,bv.DNA replicatie) of aanleiding geeft tot een mutant eiwit met een gestoorde functie (een mutatie in een groeifactor of een receptor of een kinase, zodat het continu actief is). In al deze gevallen is de mutatie dominant. Dat wil zeggen dat als er één allel van het erb-B gen (een homoloog van de EGF-receptor) gemuteerd is zodat deze continu actief is (met of zonder binding van EGF), is de cel getransformeerd. 1.3.7 Tumorsuppressorgenen Men noemt ze ook wel anti-oncogenen. Dit soort genen heeft men ontdekt bij het onderzoek naar de transformatie-capaciteit van DNA-virussen. Het zijn genen die transformatie van cellen kunnen veroorzaken doordat ze uitgeschakeld worden. Dit is dus het tegenovergestelde van oncogenen (die overmatig tot expressie komen). Tumorsuppressorgenen komen in alle cellen voor en de functie van deze genen is meestal het onderdrukken, tegenhouden of stilleggen van de celdeling. In dit geval moeten beide allelen uitgeschakeld zijn om aanleiding te geven tot transformatie. Een bekend voorbeeld is retinoblastoma. Het Rb-gen codeert voor een eiwit dat de celdeling onderdrukt. Als beide allelen van het Rb-gen gemuteerd of uitgeschakeld zijn, dan leidt dit tot een ongecontroleerde celdeling. 1.3.7.1p53 en kanker Sinds zijn ontdekking is gebleken dat het p53 gen een belangrijke rol speelt bij verschillende vormen van kanker. Veel van deze kankers zijn erfelijk. Men schat dat ongeveer 60% van alle kankers te maken hebben met mutaties in p53 en 80% van het aantal gevallen van colonkanker. Human cancers that involve p53 cervix liver breast lung bladder skin prostate colon Het genproduct van p53 is een tumorsuppressor. Het speelt een belangrijke rol bij verschillende aspecten van de controle van DNA-beschadiging. In normale cellen zijn er slechts enkele kopieën van p53 aanwezig. Wanneer er echter schade aan het DNA optreedt (bv.door straling of chemische stoffen), zal de hoeveelheid p53 drastisch stijgen. p53 is een transcriptiefactor. Het kan bepaalde genen activeren. De producten van deze genen kunnen de mitose stil leggen. Dit is slechts één van de functies van p53. Het kan ook apoptose in gang zetten. Of de mitose wordt gepauzeerd of de cel in apoptose gaat, wordt bepaald door de staat waarin de cel zich bevindt. Bij grove DNA beschadiging zal er zeer veel p53 geproduceerd worden en wordt apoptose op gang gebracht. Bij erfelijke vormen van kanker, is er een mutatie in het p53 gen waardoor het eiwit niet meer kan binden op de correcte DNA site en de DNA replicatie niet stopgezet kan worden. Net zoals bij het Rb gen, verwacht je dat het effect van een p53 mutatie recessief is, zolang er nog een normaal allel is, kan de DNA replicatie nog stopgezet worden. Toch hebben deze cellen problemen. Het p53 vormt immers tetrameren in een bepaalde formatie. Dus als de helft van de p53 moleculen mutant is, dan kan het goed zijn dat er geen normale tetrameren gevormd worden. Er bestaan heel wat erfelijke p53 mutaties, maar de meeste mutaties zijn het gevolg van omgevingsfactoren; zoals carcinogenen of bestraling. Wat is nu de relatie met DNA tumor virussen? De aanwezigheid van een virus kan hetzelfde effect hebben als een mutatie door het tumorsuppressorgen te inactiveren. Dit lijkt plaats te vinden in hepatitis C patiënten die leverkanker ontwikkelen. Ook het humaan papillomavirus heeft een gelijkaardig effect: een viraal eiwit E6 kan het p53 binden en ervoor zorgen dat het afgebroken wordt. Ook het adenovirus produceert een eiwit (E1) dat het Rb blokkeert. Men doet nu volop onderzoek naar de mogelijkheden om een gezond p53 gen te introduceren in cellen om de tumorgroei te stoppen (gentherapie).