Proces Delenia Nádorových Buniek a Mechanizmy Rakoviny

Biológovia z Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity a Medzinárodného centra klinického výskumu Fakultnej nemocnice u sv. Anny v Brne spolu s kolegami zo Švajčiarskeho federálneho technického inštitútu v Zürichu (ETH) odhalili dôležitú časť procesu delenia buniek, ktorého opis môže pomôcť pochopiť vznik nádorových buniek, ale aj bunkového starnutia. Pre správne fungovanie organizmu a udržanie jeho vnútornej rovnováhy musí byť delenie buniek prísne kontrolované.

Základné Princípy Bunkového Delenia

Každá nová bunka organizmu vzniká delením už existujúcej bunky. Ak by sme toto delenie sledovali retrospektívne, dostali by sme sa až k úplne prvej bunke - zygote (oplodnenému vajíčku). Všetky somatické bunky organizmu nesú kompletnú a identickú genetickú informáciu s touto zygotou. Zygota a prvé embryonálne bunky sú totipotentné, čo je maximálny diferenciačný potenciál, teda schopnosť jedinej bunky dať vzniknúť kompletnému mnohobunkovému organizmu. Počas vývinu organizmu dochádza k zmene tvaru, štruktúry a vlastností dcérskych buniek, čo nazývame diferenciácia.

Typy Bunkového Delenia

Bunkové delenie je časť bunkového cyklu, počas ktorého sa rodičovská bunka rozdelí na dcérske bunky. Sú dva známe spôsoby delenia bunky: mitóza a meióza. Existuje aj amitóza.

Mitóza (Nepriame Delenie)

Mitóza je najčastejší spôsob delenia buniek a zabezpečuje rovnomerné odovzdanie genetickej informácie dcérskym bunkám a zachovanie pôvodného počtu chromozómov. Prostredníctvom mitotického aparátu sa zabezpečuje presné rozdelenie chromozómov do dcérskych buniek, čím sa zachováva genetická zhoda materských a dcérskych buniek.

Vlastnému deleniu buniek predchádzajú zložité syntetické procesy. V S-fáze sa znásobuje genetický materiál bunky (DNA a hmota celého chromozómu) na dvojnásobok. Každý jednochromatidový chromozóm sa zdvojuje na dvojchromatidový, spojený v mieste centroméry. Súčasne sa syntetizujú aj bielkoviny deliaceho vretienka. Chromozómy majú v tomto štádiu nitovitý tvar - sú dešpiralizované, pod mikroskopom nerozlíšiteľné.

Základné fázy mitotického delenia sú:

• Profáza: Chromozómy sa skracujú, hrubnú, špiralizujú sa, stávajú sa tak rozlíšiteľné. Rozpúšťa sa jadrová membrána, zaniká jadierko a objavuje sa deliace vretienko.
• Metafáza: Vrcholí špiralizácia, chromozómy sú najlepšie pozorovateľné. Dvojchromatidové chromozómy zoradené do centrálnej roviny sa postupne pozdĺžne rozdelia na dve dcérske chromatidy spojené centromérou, na ktorú sa upínajú mikrotubuly deliaceho vretienka.
• Anafáza: Skracovaním mikrotubúl deliaceho vretienka a úplným rozdelením centroméry na dve časti pokračuje oddeľovanie a rozchádzanie dcérskych chromatíd každého chromozómu na protiľahlé póly bunky. Vzniknutý dcérsky chromozóm je jednochromatidový až do novej S-fázy.
• Telofáza: Zaniká deliace vretienko, jednochromatidové dcérske chromozómy sa postupne dešpiralizujú a vytvorí sa okolo nich nová jadrová membrána.

Karyokinéza (delenie jadra) končí obnovením štruktúry jadra a nasleduje cytokinéza - rozdelenie materskej bunky na dve samostatné dcérske bunky s tým istým počtom chromozómov, ako mala dcérska bunka.

Meióza (Redukčné Delenie)

Meióza sa skladá z dvoch po sebe nasledujúcich delení (výsledkom sú teda 4 bunky) a zabezpečuje redukciu počtu chromozómov v dcérskych bunkách na polovicu (2n → 1n, resp. 4n → 2n). Je to jediný spôsob vzniku pohlavných buniek (gamét) a výtrusov.

Prvé delenie (heterotypické) je charakteristické redukciou počtu chromozómov na polovicu. V profáze sa chromozómy stávajú viditeľné a párovaním homologických chromozómov vznikajú dvojice chromozómov - bivalenty. V každom bivalente možno rozlíšiť štyri chromatidy homologických chromozómov. Susediace chromatidy sa spravidla prekrížia (crossing-over) a vymenia si navzájom genetický materiál. Tak vznikajú chromozómy zložené z častí otcovského aj materského pôvodu.

Druhé delenie (homeotypické) prebieha ako normálna mitóza, pričom sa počet chromozómov nemení.

Amitóza (Priame Delenie)

Amitóza je delenie bunky prostým zaškrtením. Nezdvojujú sa pri ňom chromozómy a nevytvára sa deliaci aparát. Jadro sa postupne zaškrcuje, pretiahne a rozdelí na dve časti, pričom zákonite nie je zaručené rovnomerné rozdelenie genetického materiálu. Amitóza sa u vyšších organizmov vyskytuje u buniek vysoko špecializovaných tkanív alebo pre degenerujúce či nádorové bunky.

Bunkový Cyklus

Časové trvanie bunkového cyklu sa nazýva generačná doba bunky a je rozdielna. Jej dĺžku podmieňujú vhodné životné podmienky. Súčasťou bunkového cyklu sú všetky procesy, ktoré sa udejú v bunke. Medzi hlavné fázy bunkového cyklu patria:

• G1 fáza: Hlavný kontrolný uzol s regulačnou funkciou, ktorý za nepriaznivých podmienok zastavuje priebeh celého bunkového cyklu.
• S fáza (syntetická): Prebiehajú počas nej syntetické procesy - syntéza DNA, hmoty chromozómov a bielkovín. Kľúčovým procesom je zdvojenie DNA a následné zdvojenie jednochromatidových chromozómov na dvojchromatidové.
• G2 fáza (postsyntetická, predmitotická): Pokračuje syntéza bielkovín, najmä tých, ktoré sa podieľajú na tvorbe mitotického aparátu. Bunka ďalej rastie a pripravuje sa na rozdelenie jadra.
• M fáza (mitotická): Prebehne karyokinéza - rozdelenie jadra, a po nej cytokinéza - rozdelenie bunky na dve dcérske. Ak sa jadro viacnásobne rozdelí, ale bunka len raz, vznikajú viacjadrové bunky.

Regulácia Bunkového Cyklu a Jej Narušenie

Bunkový cyklus neprebieha automaticky, ale je riadený komplexným kontrolným systémom. Reguláciu zabezpečujú špecifické signálne molekuly (predovšetkým bielkoviny), ktoré rozdeľujeme do dvoch skupín:

• Exogénne regulátory: Sú mimobunkového pôvodu. Zabezpečujú reakciu bunky na vonkajšie podmienky (rastové faktory, hormóny, signálne látky od iných buniek).
• Endogénne regulátory: Sú vnútrobunkového pôvodu. Produkujú si ich vlastné bunky podľa aktuálneho fyziologického stavu bunkového cyklu.

Základným princípom riadenia bunkového cyklu je kontrola integrity genetickej informácie na konci každej fázy. Na kritických miestach sa nachádzajú kontrolné uzly (checkpoints). Vnútrobunkové signály v nich vyhodnocujú, či môžu prebehnúť ďalšie životne dôležité udalosti. Ak bunka nie je pripravená (napríklad pre poškodenú DNA), cyklus sa zastaví, čím sa predchádza vzniku defektných dcérskych buniek.

Rozlišujeme štyri kľúčové kontrolné uzly:

• G1/S prechod (hlavný kontrolný uzol): Rozhoduje sa tu o ďalšom osude bunky na základe podmienok prostredia. Prísne sa kontroluje stav DNA pred jej replikáciou. Ak bunka nedostane signál na pokračovanie, prechádza do pokojovej G0-fázy.
• S/G2 prechod: Kontroluje sa, či replikácia DNA prebehla úplne a bez chýb. Prípadné poškodenia sa na tomto mieste musia opraviť.
• G2/M prechod: Kontroluje sa celková pripravenosť na delenie.

Kľúčovými faktormi, ktoré posúvajú alebo zastavujú bunkový cyklus v uzloch, sú bielkoviny kódované dvoma antagonistickými skupinami génov:

• Protoonkogény: Stimulujú bunkový cyklus a posúvajú ho do ďalšej fázy, pričom zároveň inhibujú bunkovú diferenciáciu. Patria sem cyklíny a cyklín-závislé kinázy (CDK). V dôsledku poškodenia na rôznej úrovni sa protoonkogény môžu zmeniť na skutočné onkogény, ktoré dokážu zmeniť normálnu bunku na nádorovú. Napríklad mutácia poškodzujúca bunkový receptor pre rastový faktor môže spôsobiť, že tento receptor ostáva trvalo zapnutý.
• Tumor-supresorové gény: Pôsobia opačne. Inhibujú bunkové delenie a podporujú diferenciáciu. Ich produkty slúžia ako brzdy bunkového cyklu. Typickými zástupcami sú produkty génov p53 a rb1. Poškodenie týchto génov mutáciou spôsobí stratu ich funkcie, čo vedie k tvorbe nádorov.

Samotný mechanizmus regulácie funguje na báze fosforylácie. Kináza je enzým, ktorý katalyzuje fosforyláciu inej cieľovej bielkoviny, čím zmení jej priestorovú štruktúru a vlastnosti. Tieto CDK enzýmy však nedokážu fosforylovať substrát samostatne - potrebujú na to väzbu s proteínom cyklínom. Pre každú fázu bunkového cyklu sú v bunke prítomné iné cyklíny, ktoré po splnení svojej úlohy degradujú, aby cyklus plynule pokračoval.

Špecifiká Delenia Nádorových Buniek

Rakovina je súhrnný názov pre mnoho ochorení, ktoré spája rýchle nekontrolované množenie abnormálnych buniek. Zdravé bunky sa delia, rastú a diferencujú kontrolovane. Proces bunkového delenia je kontrolovaný na viacerých úrovniach. Ak sa chybná bunka nezničí a začne sa nekontrolovateľne deliť na ďalšie chybné bunky, hovoríme o nádorovom bujnení.

Čím sa odlišuje nádorová bunka od zdravej?

Nádorové bunky sú chybné bunky, ktorým zlyhal kontrolný systém. Ak je zdravá bunka obkolesená normálnymi bunkami, funguje mechanizmus kontaktnej inhibície rastu, čo znamená, že bunka nie je stimulovaná k deleniu. Nádorové bunky túto inhibíciu strácajú. Najvýznamnejšou vlastnosťou malígnych nádorových buniek je ich schopnosť rásť, množiť sa a hlavne prerastať tkanivo, v ktorom vznikli. Využívajú na to špecifické látky, ktoré ničia pevné väzby medzi bunkami, tzv. metaloproteázy. Takto vstupujú aj do krvného obehu a lymfatického systému, ktorými sa dostanú do iných orgánov v tele, a tam sú schopné ďalej rásť a množiť sa, čo vedie k tvorbe metastáz.

Záludnosť choroby a hlavný problém s jej liečením spočívajú v tom, že nádorové bunky sa od zdravých buniek líšia okrem svojej schopnosti neobmedzeného delenia len nepatrne.

Teloméry a ich Rola pri Delení Nádorových Buniek

DNA v sebe uchováva všetky informácie potrebné na fungovanie každej bunky uložené v podobe chromozómov. Tie sa pri každom bunkovom delení replikujú. Pri každom delení sa však skráti časť špecifickej štruktúry, ktorá každý chromozóm uzatvára - má označenie teloméra. Jej dĺžka tak vlastne môže byť známkou starnutia organizmu.

Výnimkou sú nádorové bunky, ktoré vedia teloméry predĺžiť, vďaka čomu sa môžu stále deliť. Vedci sa zamerali na štruktúru označovanú ako TERRA (telomerická RNA), čo je dlhý reťazec ribonukleovej kyseliny, ktorý vzniká pri prepise genetickej informácie teloméry. Odhalilo sa, že bielkovina s označením RAD51 je potrebná na to, aby sa TERRA na konce chromozómov naviazala. RAD51, ktorého nesprávne fungovanie sa často spája so vznikom nádorových ochorení, môže týmto spôsobom ovplyvňovať mechanizmus predlžovania telomér.

Warburgov Efekt: Metabolizmus Rakovinových Buniek

Už 100 rokov vedcov a lekárov po celom svete trápi, prečo sa rýchlo rastúce bunky, ako napríklad tie rakovinové alebo imunitné, spoliehajú pri svojej činnosti na zdanlivo neúčinnú formu metabolizácie glukózy, známu ako Warburgov efekt. Nádorové bunky ho využívajú na tvorbu adenosintrifosfátu (ATP), ktorý slúži ako primárny zdroj energie.

Podľa vedcov zo SKI (Sloan Kettering Institute) je zvláštne správanie nádorových buniek pravdepodobne spôsobené signálnou molekulou nazývanou PI3 kináza (fosfatidylinositol-3-kináza). Tento enzým sa podieľa na množstve bunečných aktivít vrátane rastu a delenia. Predpokladá sa, že zvýšená aktivita PI3 kináz vedie k nádorovému bujneniu. PI3 kináza využíva ATP ako aktivačný zdroj energie na vynútenie bunkového delenia. Postupne, ako sa rakovinové bunky začnú posúvať a využívať Warburgov efekt, hladina PI3 kináz sa zvyšuje, čo vedie k rýchlemu bunkovému deleniu a množeniu. „PI3 kináza je kľúčová signalizačná molekula, ktorá sa správa ako hlavný veliteľ bunkového metabolizmu“, vysvetľuje imunológ a autor štúdie Dr. Ming Li.

Warburgov efekt sa však neprejavuje iba pri nádorových bunkách, ale využívajú ho aj imunitné bunky, napríklad T-lymfocyty. Kľúčovú rolu pri prepínaní do stavu tejto špeciálnej fermentácie zohráva enzým LDHA (Lactate DeHydrogenase A), ktorý vzniká v dôsledku reakcie na signalizáciu PI3 kinázy. Množstvo PI3 kinázy ovplyvňuje množstvo enzýmov LDHA. Vedci teda naznačujú, že metabolické enzýmy môžu riadiť signálne molekuly, ktoré riadia bunkové delenie, čo vysvetľuje, prečo nádorové bunky môžu využívať túto špeciálnu fermentáciu vo svoj prospech.

Mechanizmy Vzniku Nádorových Buniek

Nádorové bunky vznikajú aj v zdravom organizme, predovšetkým u starších jedincov. Ak sa bunky množia v tkanive tak, že vznikajúci novotvar je presne ohraničený, hovoríme o benígnom, čiže nezhubnom nádore.

Genetická Nestabilita a Apoptóza

Normálna bunka má schopnosť identifikovať a opraviť chyby svojho genetického materiálu skôr, než dá vzniknúť novej generácii buniek. Každá bunka v tele má vo svojej genetickej výbave uložené reparačné gény, ktoré majú na starosti kontrolu genetického materiálu a v prípade jeho poškodenia spúšťajú rad opravných krokov. Charakteristickou vlastnosťou nádorových buniek je schopnosť vytvárať a predovšetkým zachovávať mutácie svojho genetického materiálu. Poškodenie reparačných génov znamená kumulovanie genetického poškodenia, v dôsledku čoho sú bunky geneticky nestabilné.

Apoptóza alebo programovaná smrť buniek je ďalším z ochranných mechanizmov organizmu pred nekontrolovaným rastom buniek a vznikom rakoviny. Je to prirodzený spôsob eliminácie buniek bez zápalových reakcií. U dospelých jedincov spúšťajú apoptózu vonkajšie aj vnútorné senzory ako reakciu napríklad na rozsiahle poškodenie genetického materiálu, ktoré nie je možné opraviť. Nádorové bunky sa však dokážu apoptóze vyhnúť. Spomínané tumor-supresorové gény majú schopnosť doviesť bunky do apoptózy. Ak je však tumor-supresorový gén poškodený mutáciou, stráca svoju funkciu, a bunka bez zastavenia prechádza „kontrolným bodom,“ v ktorom by sa za normálnych okolností zastavila.

Genetický Mechanizmus Vzniku Nádorov

Rakovina je ochorením génov. Poškodenie jedného z nich, či už protoonkogénu alebo tumor-supresorového génu, dovoľuje bunke nadobudnúť vlastnosti, ktoré ju zvýhodňujú pred okolitými, hlavne schopnosť rýchlejšieho rastu a množenia. Čím rýchlejšie sa bunky množia, tým náchylnejší je ich genetický materiál na poškodenie. Pre rozvoj malígneho nádoru je potrebných 4-7 genetických udalostí. Premena normálnej bunky na nádorovú trvá približne 5-20 rokov. Počas tohto obdobia sa v bunkách nahromadia mutácie v spomenutých génoch, preto sa onkologické ochorenia prejavujú spravidla u ľudí vo vyššom veku.

Dobrým príkladom vzniku nádorového ochorenia vplyvom postupného hromadenia mutácií je familiárna rakovina hrubého čreva a konečníka. Prvá mutácia postihuje tumor-supresorový APC-gén, dôsledkom čoho je zrýchlené množenie buniek sliznice hrubého čreva. Vzniká súbor buniek, v ktorých je vyššia pravdepodobnosť vzniku ďalšej mutácie, najčastejšie v protoonkogéne k-ras. Kolobeh bunkového množenia sa zrýchľuje, jeho výsledkom je vznik polypov. V bunkách týchto útvarov potom vzniká poškodenie genetického materiálu. Proces završuje mutácia v ďalšom tumor-supresorovom géne, označovanom ako p53. Z normálnych buniek nezhubného polypu sa stanú malígne a zvyšuje sa možnosť, že niektoré sa odtrhnú a vytvoria metastázy.

Boj Proti Rakovine: Zameranie na Delenie Buniek

Z povahy rakoviny ako ochorenia génov a bunkového delenia je evidentné, že terapia je komplexná. Včasná diagnostika je základným predpokladom úspešného boja s rakovinou.

Liečebné prístupy ovplyvňujúce bunkové delenie

Liečba nádorových ochorení spočíva v chirurgickom zákroku, rádioterapii a systémovej liečbe. Pomocou chirurgického zákroku sa dajú operačne odstrániť nádory, ktoré ešte nezačali metastázovať.

• Chemoterapia: Spočíva v užívaní liekov, ktorých cieľom je ničiť nádorové tkanivo. Tieto lieky sú často zamerané na rýchlo sa deliace bunky, čo zahŕňa aj nádorové bunky. Chemoterapia sa zvyčajne podáva formou infúzie, no existuje aj vo forme tabliet.
• Rádioterapia: Je liečba ionizujúcim žiarením zacieleným na oblasť nádoru. Žiarenie poškodzuje DNA, čo vedie k zastaveniu delenia buniek a ich odumretiu.
• Hormonálna terapia: Niekedy je vhodné použiť terapiu, ktorá bráni tvorbe hormónov podporujúcich rast nádoru.
• Imunoterapia: Je pomerne nový a rýchlo sa rozvíjajúci smer v terapii onkologických ochorení. Nádorové bunky sa dokážu maskovať pred imunitným systémom, ktorý ich tak nedokáže rozpoznať a zničiť. Imunoterapia posilňuje imunitný systém, aby dokázal nádorové bunky rozpoznať a eliminovať.
• Génová terapia: Pomocou upravených vírusov boli do nádorových buniek dopravené rôzne typy génov (napr. tumor-supresorové gény), ktoré spôsobili zastavenie rastu alebo úplné vstrebanie nádoru. Táto technika sa začala využívať aj na dopravenie látok, ktoré majú znemožniť tvorbu nových krvných ciest ku vznikajúcemu nádoru, a tým ho odstaviť od prísunu životne dôležitých látok.

tags: #mnozenie #nadorovych #buniek