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Chemische Chemische KanzerogeneseKanzerogeneseDr. rer. nat. Cornelius Courts28.05.2014
Institut fInstitut füür r RechtsmedizinRechtsmedizin
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 2
Definitionen und BegriffeKrebs von griech. karkinos / lat. cancer
Tumor: Krebsgeschwulst
Bezeichnung maligner Tumoren mit Endung „-om“:
- Karzinom (Deckepithel)
- Sarkom (Stützgewebe)
- Lymphom (Blut/Knochenmark) Lungenkarzinom
„… und an der Brust sahen wir häufig Tumoren, die der Gestalt eines Krebses sehr ähnlich waren. So wie die Beine des Tieres an beiden Seiten des Körpers liegen, so verlassen die Venen den Tumor, der seiner Form nach dem Krebskörper gleicht.“
– Galenos von Pergamon
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02.06.2014 Seite 3
Definitionen und Begriffe
Chemische Kanzerogenese:Initiation eines Prozesses von unkontrollierter Neubildung (Neoplasie) von Geweben infolge der Einwirkung krebserzeugender Stoffe.Karzinogene/Kanzerogene:Substanzen, die eine Umwandlung von normalen Zellen in Tumorzellen durch Veränderung der DNA und damit Initiation eines Tumors bewirken.
⇒ Krebs ist eine genetische Erkrankung
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02.06.2014 Seite 4
Die sechs Kennzeichen von Krebs*
1.) Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren2.) Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren3.) Immunität gegen Apoptose4.) Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung5.) fortgesetzte Angiogenese6.) Gewebeinfiltration und Metastasierung
7.) Deregulierung des Energiestoffwechsels 8.) Umgehen der Immunantwort
a) Genomische Instabilitätb) tumorfördernde Entzündungsreaktion
* Cell. 2011 Mar 4;144(5):646-74.
aktivierende Charakteristika
Kennzeichen „auf Probe“
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02.06.2014 Seite 5
Krebs – Epidemiologiehäufigste Todesursachengruppen (2007, Deutschland)
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Krebs – EpidemiologieProzentanteil ausgewählter Tumorlokalisationen an allen Krebsneuerkrankungen (Deutschland)
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02.06.2014 Seite 7
Krebs – EpidemiologieDie 20 häufigsten Krebstodesursachen 2007 Altersstandardisiert, pro 100.000
Männer Frauen
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Übersicht
• Zellzyklus und DNA• Der Ablauf der Kanzerogenese
- Drei-Stufen-Modell (veraltet)- Onkogene und Tumorsuppressorgene- Mehrstufen-Modell
• Die Auslöser (Kanzerogene)• DNA-Modifikationen: Schäden und Mutationen• Physikalische und biologische Kanzerogenese• Chemotherapie
→ demnächst hier: http://www.rechtsmedizin.uni-bonn.de/studium/
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02.06.2014 Seite 9
Der Zellzyklus
Der Zellzyklus ist in mehrere Phasen unterteilt:
G0-Phase: Phase zwischen den ZellzyklenG1/G2-Phasen:
Ausdehnungsphasen mit NährstoffaufnahmeS-Phase: DNA-Replikation
(Chromatiden werden verdoppelt)M-Phase: Eigentliche Teilungsphase
(M: Mitose)
Die Steuerung des Zellzyklus‘ und damit der Zellteilung unterliegt einer strengen Kontrolle!
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02.06.2014 Seite 10
Grundstruktur und Nomenklatur der DNA-Bausteine
Deoxythymidin-5-phosphat (dTMP)
Deoxycytidin-5-phosphat (dCMP)Deoxyguanosin-5-phosphat (dGMP)
Deoxyadenosin-5-phosphat (dAMP)
Pyrimidine Purine
Bindungspartner
Grundbauplan von
Nukleotiden
T = A
C ≡ G
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02.06.2014 Seite 11
Ausschnitt aus einemDNA-Einzelstrang
» Orientierung von 5´-Phosphatende in Richtung 3´-OH-Ende (5‘→ 3‘)
» Verbindung der Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen: R-O- P- O-R
» Es gibt versch. Kurzschreibweisen für DNA-Ketten:
5‘-Ende
3‘-Ende
=O
-O
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02.06.2014 Seite 12
DNA-Struktur: Doppelhelix
» Grundlagen für die Aufklärung der DNA-Struktur:– Chargaff´sche Regel der Basenverhältnisse:
(T + C) = (A + G)– Hinweis auf Komplementarität der Basenpaare A-T und G-C– Röntgenstrukturanalysen (durchgeführt v.a. durch Maurice
Wilkins u. Rosalind Franklin)
» Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und antiparallel (5´-3´- bzw. 3´-5´- Strang)
» Implikationen aus der DNA-Struktur: Sequenz der Nukleotide für genet. Information verantwortlichReplikationsmodell wurde vorgeschlagen
» Nobelpreis 1962 für J. Watson u. F. Crick
» 2013: DNA wird 60!DNS-Doppelhelix nach James
Watson & Francis Crick, Nature, 1953
(34 Angström = 3,4 nm)
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02.06.2014 Seite 13
Was hält die Doppelhelixzusammen?
I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n
ElektronegativitätΔ = 1,24
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02.06.2014 Seite 14
Wasserstoffbrückenbindungen
I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n
3‘- Ende 5‘- Ende
5‘- Ende 3‘- EndeAngström
» Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren
2x
3x
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02.06.2014 Seite 15
Struktur der DNA-Doppelhelix
Zucker-Phosphat-Rückgrat
2D3D
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02.06.2014 Seite 16
Entstehung von Krebs„Drei-Stufen-Modell“ (veraltet)
Initiation
Promotion
Progression
Normale Zelle DNA-Schäden durch Chemikalien, Strahlung, Viren etc. (Mutationen sammeln sich an)
Initiierte Zelle(Selektive klonale Expansion)
Präneoplastische Läsion(genetische Veränderungen)
Bösartiger Tumor(Metastasierung)
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02.06.2014 Seite 17
Chemische KanzerogeneseSchematisch
Nahrung
Kanzerogen
Co-Kanzerogen(Promotor)
DNADNA
mutierte DNA
KANZEROGENESE
K R E B S K R E B S
Zelltod
Reparatur
Antipromoter
enthält mutiert
leitet ein
führt zu
Promotion
Initiation
beschleunigt hemmt
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02.06.2014 Seite 18
Beispiele für Promotoren
Saccharin 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin
Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) Phenobarbital Butylhydroxytoluol (BHT) E321
Ethanol !Männer: max. 24 g/d! Frauen: max 12 g/d!
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Zusammenwirken von Initiation und Promotion
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02.06.2014 Seite 20
Proto-onkogene und Onkogene
»Proto-Onkogene sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden»Proto-Onkogene steuern das ‚Teilungsverhalten‘ der Zellen; es
gibt mehrere Klassen (kodierte Proteine sind an Regulation der Proliferation und Differenzierung beteiligt)
»Proto-Onkogene mutieren zu Onkogenen krebsförderndeGene (erhöhte Expression oder Expression zur falschen Zeit sowie qualitative Veränderungen der Onkogenprodukte können krebsauslösend sein)
»Abweichung vom physiolog. Genexpressionsmuster trägt zur Umwandlung in Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum bei
maligne Transformation
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02.06.2014 Seite 21
Tumorsuppressorgene (TSG)
»TSG sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden
»TSG begrenzen das Zellwachstum, stoppen den Zellzyklus bei DNA-Schäden oder leiten den programmierten Zelltod ein
»Das TSG tp53 ist in ~50% aller menschlichen Tumore durch Mutationen deaktiviert!
»Die Deaktivierung von TSGs trägt zur Umwandlung Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum und Immunität gegen den programmierten Zelltod bei
maligne Transformation
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02.06.2014 Seite 22
Entstehung von Krebs„Mehrstufen-Modell“
KREBS
Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren
Immunantwort umgehen
Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren
Immunität gegen Apoptose
Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung
tumorförderndeEntzündungsreaktion
Gewebeinfiltration und Metastasierung
fortgesetzte Angiogenese
Genomische Instabilität
Deregulierung des Energiestoffwechsels
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02.06.2014 Seite 23
Die „Auto-Analogie“„Mehrstufen-Modell“
Bremsen kaputt
Gaspedal festgeklemmt
Motorabriegelung deaktiviert
Eigener Tanklaster
Lenkung außer Kontrolle
Verlassen der Strasse
Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren
Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren
Immunität gegen Apoptose
Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung
Gewebeinfiltration und Metastasierung
fortgesetzte Angiogenese
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02.06.2014 Seite 24
Die Ursachen von Krebs
- Alter (Mutationen sammeln sich an)
- Vererbung (Prädispositionen)
- Umwelteinflüsse auf DNA (Karzinogene, Strahlen, Viren)
»Wirkungskumulation: Gesamtzeit des Kontaktes mit karzinogener Substanz bestimmt die Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung; Latenzperiode von 10-20 Jahren
AllgemeinesDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 25
» im Gegensatz zu Einzellern besitzen vielzellige Organismen komplexe Steuerungsmechanismen der Zellteilung(Regelkreise für koordiniertes Wachstum)
»Aufgaben der Ausgangszelle werden nicht (mehr) erfüllt (Hormonproduktion, Abwehr etc.): Zellen verlieren Identität (Entdifferenzierung)
»Stadium der Zunahme der Bösartigkeit (Malignität) durch Hinzukommen neuer mutativer Ereignisse = Progression
AllgemeinesDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 26
» ca. 1016 Zellteilungen im Laufe eines Menschenlebens; spontane Fehlerrate bei 1:106 bis 1:108; jedes Gen hat 108 - 1010 mal die Chance spontan zu mutieren(+ fremdstoffinduzierte Mutationen)(Hinweis: der Zug einer Zigarette erzeugt bis zu 10.000 Punktmutationen!)
» pro Zelle müssen Ø 2-7 mutagene Ereignisse eintreffen, damit sie maligne entarten kann (Abhängigkeit vom Alter)
Die Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken, steigt mit der Lebenserwartung an: Krebs ist eine Erkrankung des Alters!
AllgemeinesDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 27
Wie häufig ist chemische Kanzerogenese?
> 65 % aller Krebstodesfälle!
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02.06.2014 Seite 28
Krebsrisikofaktoren gem. WHO
⇒ Stoffe oder Prozesse, die im Tierversuch einen der folgenden Vorgänge induzieren:
• Inzidenz von spontanen Tumoren (ohne Zufuhr von kanzerogenen Substanzen) wird erhöht
• Tumore werden erzeugt, die nicht spontan beobachtet werden
• die Latenzzeit bis zum Auftreten eines Tumors wird verkürzt
• die Zahl der Tumore pro Einzeltier wird erhöht
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 29
Typische Eigenschaften von KrebsrisikofaktorenKomplette Kanzerogene Bedingt krebs-
auslösende Faktoren
- Reagieren mit DNA; mutagen
- Reagieren nicht mit DNA; nicht mutagen
- lösen DNA-Reparatur aus - wirken proliferationssteigernd
- initiieren - promovieren
- Wirkung ist irreversibel und additiv
- Wirkung ist reversibel und kann additiv sein
- Keine Wirkungsschwelle - Wirkungsschwelle möglich
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02.06.2014 Seite 30
Einteilung der chemischen KanzerogeneEinteilung der Chemischen Kanzerogene in drei Gefahrenkategorien(§ 1.4.2.1 GefStoffV Anhang 1 und Richtlinie 67/548/EWG)
• Kategorie 1 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 1“)
- krebserzeugende Wirkung beim Menschen ist bekannt
- Kausalzusammenhang zw. Exposition und Krebsentstehung ist belegt
• Kategorie 2 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 2“)
- begründeter Verdacht, daß Exposition zu Krebsentstehung führt (z.B. durch Langzeitversuche etc.)
• Kategorie 3 (R40)- möglicherweise krebserzeugend beim Menschen
- noch nicht genügend Information/Belege für Kat. 2
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02.06.2014 Seite 31
Beispiele für chemische KarzinogeneKategorie 1Asbest
Benzol
Dieselabgase
Kategorie 2Acrylamid
Benzpyren
Ottokraftstoff
Kategorie 3Ozon
Oxazepam
Heizöl
(Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4
Chrysotilasbest
Acrylamid
Benzol 3,4-Benzpyren
Oxazepam
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02.06.2014 Seite 32
Nitrosamine, Nitrosamide
• N-Nitrosamine entstehen endogen im sauren Milieu des Magens aus sek. Aminen (diese entstehen aus Proteinen beim Kochen o. Braten) durch Umsetzung mit Nitrit (enthalten in Pökelsalz oder bakterielle Entstehung im Speichel aus Nitrat (Dünger); freigesetzte Amine werden nitrosiert (hemmbar durch Vit. C)
• Nitrosamide reagieren spontan, Nitrosamine erst nach enzym. Oxidation; gleiche Reaktion auch bei Hydrazin- und Azoxy-Verbindungen
• heute Aufnahme < 0,5 μg Nitrosamine/d; vor Jahren Bier mit 6,8 μg/L (Veränderung der Malzgewinnung und Verzicht auf Gerstentrocknung mit heißer Luft); Pökelfleisch mit 12 μg/kg (jetzt Ascorbinsäure)
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02.06.2014 Seite 33
Kanzerogene Naturstoffe Mycotoxine (z.B. Aflatoxin)
»Vorkommen in Schimmelpilzen
»hochgradig karzinogen,lösen Leberkrebs aus
»Aufnahme durch verschimmelteNahrungsmittel (v.a. Brot, Nüsse, Getreide)
»Regional differentielle Aufnahmezw. 4-222 µg/kg KG, was gut mit Inzidenz von Lebertumoren korreliert (1-13 / 100.00 Einwohner / Jahr)
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02.06.2014 Seite 34
Weitere chemische Karzinogene
• polyzyklische Aromaten; PAK (Benzol, 3,4-Benzpyren…)
• aromatische Amine (Oxazepam…)
• freie Radikale
• aliphatische Epoxide (Klebstoffe….)
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02.06.2014 Seite 35
DNADNA--ModifikationenModifikationenSchSchääden und Mutationenden und Mutationen
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 36
Maßstäbe von Mutationen
Die DNA kann auf verschiedenen Organisationsebenen mutiert werden:
GenommutationVeränderung des Chromosomensatzes durch Verlust/Zugewinn ganze Chromosomen (z.B. bei Fehlern in der Mitose)
Chromosomenmutation- Chromosomenbrüche und Verlust von Teilen - Chromosomentranslokation: Austausch von Chromosomenstücken
Genmutation- Einzelnukleotidaustausche, Insertion, Deletion, Inversion, Verdoppelungen
Maß
stab
-
+
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02.06.2014 Seite 37
DNA-Schäden und Mutationen
- DNA-Schäden und DNA-Mutationen sind nicht identisch
- DNA-Schäden erzeugen nicht immer Mutationen- Schäden können erkannt und repariert werden
- bei schwersten Schäden zerstört sich die Zelle selbst
- Mutationen werden nicht immer durch DNA-Schäden erzeugt- Mutationen können spontan entstehen
- DNA-Schäden selbst lösen keinen Krebs aus; Mutationen können Krebs auslösen:
DNA-Schaden (→) DNA-Mutation (→) Krebs
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02.06.2014 Seite 38
DNA-Veränderungen im Überblick
Bezeichnung Typ Beispiel
Basenmodifikation S
S
S
S
S
M
M
Deletion M AGCTAGCTA → AGCCTA
M
8-Oxo-7,8-Dihydroguanin , Thymindimere
Strangbruch Einzelstrangbruch, Doppelstrangbruch
AP-Läsion Verlust einer Base, z.B. Guanin
Quervernetzung Vernetzung zwischen Basen desselben Stranges oder zwischen den Strängen
Interkalation Einlagerung von Molekülen, die die Struktur der DNA verzerren
Substitution AGCTAGCTA → AGCTGGCTA
Insertion AGCTAGCTA → AGCATGTAGCTA
Inversion AGCTAGCTA → AGGATCCTA
S: Schädigung M: Mutation
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02.06.2014 Seite 39
- DNA-Addukte durch Reaktion elektrophiler Fremdstoffe oder Fremdstoffmetabolite mit Basen
- Reaktion mit Sauerstoffradikalen
- Bestrahlung mit UV-Licht einer Wellenlänge, die von DNA absorbiert wird (Absmax: 260 nm)
- Spontane Basenmodifikation: z.B. Desaminierung von Cytosin zu Uracil (100x/Zelle/d); U ist komplementär zu A statt zu G: falsche Basenpaarung in Tochtergeneration
DNA-ModifikationBasenmodifikation
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
Die normale Basenpaarung (A:T und C:G)
Methylierung von Guaninzu O6-Methylguaninführt zur Paarung mit Thymin (statt Cytosin).
DNA-ModifikationBasenmodifikaton: Mutation durch Fehlpaarung
Thymin = Adenin Cytosin ≡ Guanin
Thymin ≡ O6-Methylguanin
Ein neu gebildeter Tochterstrangträgt also ein T statt ein C: Mutation!
-CH3
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02.06.2014 Seite 41
DNA-ModifikationStrangbrüche
Strangbruch = Hydrolyse einer Zucker-Phosphat-Bindung eines Nucleotids
• Reaktion mit Sauerstoffradikalen(Bldg. u.a. durch Röntgen-, Gamma- und UV-Strahlung)
• Beeinflussung der Enzymaktivität von DNAsen, Topoisomerasen, und Endonucleasen durch Fremdstoffe
• Fremdstoffe, die die intrazelluläre Ca-Konzentration erhöhen und damit die Ca-abhängigien Endonucleasen aktivieren
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02.06.2014 Seite 42
DNA-Modifikation AP-Läsionen
AP-Läsion = Hydrolyse glykosidischer Bindung und Verlust einer Base
• Alkylierende Fremdstoffe erleichtern die Hydrolyse von Guanin-Zucker-Bindungendurch N7-Substitution der Purine
• Bei radikalischem Angriff können oxidierte AP-Läsionen entstehen
⇒ Pro Tag gehen etwa 5000 Purinbasen aus dem Genom einer menschlichen Zelle durch therm. Hydrolyse der glykosidischen Bindung zur Desoxyribose verloren
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 43
DNA-Modifikation Quervernetzung
Vernetzung- der beiden Stränge (interstrand-
crosslink)
- zweier Basen des gleichen DNA-Stranges (intrastrand-crosslink)
- zwischen Kernprotein (z.B. Histon)und DNA ( DNA-Protein-crosslink)
⇒ Ausgelöst durch bifunktionelle Elektrophile (Lost-Derivate, cis-Platin-Abkömmlinge)
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 44
DNA-Modifikation Interkalation
Interkalation = Einlagerung von Fremdstoffen zwischen Basenpaare und Veränderung der räumlichen Anordnung
⇒ Flache, positiv geladenen Moleküle können mit den Phosphat-Resten der DNA wechselwirken und sich zwischen die Basenpaare einschieben
Interkalatoren: Ethidiumbromid(Fluoreszenzfarbstoff), Proflavin
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 45
GenmutationMögliche Folgen
Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen
• Falsche Base führt nicht zu einer Änderung der codierten Aminosäure → stumme Mutation, keine schädlichen Folgen
• Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion nicht-essentiellen Aminosäure → neutrale Mutation, keine schädlichen Folgen
• Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion essentiellen Aminosäure → schädliche Mutation, möglicherweise gefährlich
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02.06.2014 Seite 46
GenmutationMögliche Folgen
Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen
• Es wird eine Base übersprungen → Deletion (frame-shift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich
• Es wird eine Base zuviel eingebaut → Insertion (frame-shift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich
• Es wird eine Base betroffen, die an Rekombination beteiligt ist → irreguläre Rekombinationsprosse, Duplikation von DNA-Abschnitten, sehr wahrscheinlich schädlich
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02.06.2014 Seite 47
ChromosommutationMögliche Folgen
DNA-Strangbrüche gehen voraus
• Chromosomenbruch → Teile gehen verloren
• Translokation → Teile werden auf anderes Chromosom übertragen
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 48
Krebs durch TranslokationEin Beispiel
Blutkrebs: myeloische Leukämie Translokation von Chromosom 22
und Chromosom 9
» Auf Chromosom 9 liegt ein Proto-Onkogen, das vor allem im Rückenmark die Ausbildung weißer Blutzellen steuert
» Dieses wird durch die Translokation an einen Platz versetzt, der oft abgelesen wird
» Dadurch entsteht eine „Überdosis“des Proto-Onkogens und die Steuerung der Zellteilung wird dysreguliert ⇒ Blutkrebs
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02.06.2014 Seite 49
GenommutationMögliche Folgen
• Verlust oder Erwerb eines ganzen Chromosoms → Kern wird aneuploid; immer schädlich
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 50
Reparatur von DNA-Schäden?
Ja, aber nicht so!
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 51
DNA-Reparatur
→ DNA-Reparatur: Bezeichnung für eine Vielzahl an Prozessen, durch die eine Zelle Schäden an der DNA detektieren und reparieren kann (man kennt mind. 34 vererbliche Mutationen in DNA-Reparatur-Genen, die das Krebsrisiko erhöhen)
→ Verschiedene Reparaturmechanismen für verschiedene Arten von Schäden
• Direkte Reparatur (Schaden wird „rückgängig“ gemacht; z.B. Thymin-Dimere durch Photolyase)
• Einzelstrangreparatur (BER, NER, MMR)
• Doppelstrangreparatur (NHEJ, MMEJ, HR)
• Transläsionale Reparatur („Drüberschreiben“)
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 52
Reparatur von DNA-SchädenBeispiel: Einzelstrangreparatur, NER
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 53
Wie schädigen Kanzerogene die DNA?
am Beispiel von
• Aliphatischen Epoxiden
• PCKWs
• kanzerogene Naturstoffen
• Aflatoxin B1
• Freie Radikalen
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
• Mischfunktionelle Oxygenase + spontane Umlagerung• das Chloracetaldehyd o. auch schon das Epoxid reagiert mit
nucleophilen Stellen an DNA-Basen (z.B. Adenin)
Aliphatische Epoxide(Vinylchlorid)
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 55
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
» Entstehen beim Braten und Räuchern v.a. über offenem Feuer.» Sind auch in Farben und Lösungsmitteln enthalten
⇒ Wirken kanzerogen aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den DNA-Basen
AdeninGuanin
PAK
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 56
Kanzerogene Naturstoffe
können metabolisch zu direkt gentoxischenElektrophilen aktiviert werden
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 57
Kanzerogene Naturstoffe Aflatoxin B1
Überwiegend Reaktion mit Guanin
Epoxi-dierung
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 58
Freie Radikale
O2 + NADPH NADPHoxidase O2 + NADP + H+ +-
O2 + Fe O2 + Fe+++. - ++
O2 + 2 H H2O2. +-
H2O2 + Fe OH + OH + Fe+++-++ .
OH ist elektrophil und greift DNA-Basen an.
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 59
Direkte (ultimate) und indirekte (proximale) Kanzerogene
»Direkte Kanzerogene sind aktiv ohne metabolische Aktivierung, reagieren direkt mit DNA
»Indirekte Kanzerogene werden erst nach metabolischerAktivierung aktiv (Kapazität der metabol. Aktivierung sowohl spezies- als auch individual- und organspezifisch, daher Spezies- und Organspezifität (z.B. Anilin - Harnblase; Vinylchlorid - Angiosarkom in Leber)
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 60
Ursachen für Organotropie
»bevorzugte Aufnahme in bestimmte Zellen
»ultimates Kanzerogen (K.) wird extrazellulär nur unter best. Bedingungen gebildet (z.B. pH)
»proximales K. wird nur in best. Zellen zu ultimatem K. metabolisiert
»nur in best. Zellen mißlingt rechtzeitige Deaktivierungultimater K. (z.B. mit Glutathion)
»betroffenes Gen wird nur in best. Zellen exprimiert, ansonsten ist Repression zu stark
»K. ist unvollständig, für Promotor fehlt Rezeptor
Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
02.06.2014 Seite 61
Wie entsteht Krebs durchDNA-Mutationen?
Zusammenfassung bisher: - Krebs = bösartiger Tumor: besteht aus entarteten
Zellen, die die Kontrolle über Teilung, Wachstum und Funktion verloren haben
- Bestimmte Chemikalien können die DNA schädigen- DNA-Schäden können Mutationen bedingen→ Mutationen können Krebs auslösen
⇒ Mutationen in verschiedenen Genen können unterschiedliche Auswirkungen auf die Zelle haben und alle Merkmale einer Krebszelle bedingen
z.B. Aktivierung von Proto-OnkogenenDeaktivierung von Tumorsuppressorgenen
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Andere Wege der Kanzerogenese
» Drei Klassen von Kanzerogenen - wobei zur kanzerogenen Wirkung noch eine mögliche familiäre Disposition hinzukommt:
Chemische Kanzerogene
Physikalische Kanzerogene
Biologisch-virale Kanzerogene
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Physikalische Kanzerogene
Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe:
• Ionisierende Strahlung, die Atombindungen zerstört (kürzerwelligals Licht, Röntgen-, Gammastrahlung)
• UV-Strahlung, die falsche Paarungen in der DNA auslöst, die die DNA-Raumstruktur verzerren
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Physikalische Kanzerogene
Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe:
• Radioaktive Strahlung (α- und β-Strahlung)
• Radionuklide, also Kontrastmittel für Röntgen-Untersuchungen, führten früher zur Ausbildung bösartiger Lebertumoren
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Was Strahlung in der DNA anrichtet
Chromosomen a und b
normaler Zustand
Chromosomenbrüche
Reparatur-mechanismus
hν
Reparierte Chromosomen
Translokation!
Physikalische KarzinogeneDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
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Photocycloaddition
Was Strahlung in der DNA anrichtetPhysikalische Karzinogene
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Was Strahlung in der DNA anrichtetPhysikalische Karzinogene
Quervernetzung!
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Biologische Kanzerogenese
vor allem Viren und Bakterien!
Helicobacter pylori (Bakterium) verursacht chronische Gastritis und ist an der Entstehung der meisten Magenkarzinome beteiligt! Ca. 40-50% der Bevölkerung sind infiziert.
Viren werden mit 15% aller Krebsleiden in Verbindung gebracht.Bei 90% aller an Gebärmutterhalskrebs erkrankter Frauen wurde im
Tumorgewebe Erbsubstanz des Papillmovirus‘ (HPV) gefunden.Das Epstein-Barr-Virus kann u.a. Burkitt-Lymphome auslösen.
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Virale Kanzerogenese
»Viren binden spezifische Zelloberflächenantigene (z.B. CD4), fusionieren mit oder perforieren die Zellmembran und importieren ihre Erbsubstanz in die Wirtszelle
»Bei einigen Viren wird die DNA in die Wirtszell-DNA integriert, was kanzerogene Wirkung haben kann.
Biologische Kanzerogenese
Wirtszelle
Viren (viel kleiner)
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Zusammenfassung
» Es gibt viele Arten von DNA-Mutationen
» Kanzerogene (darunter bestimmte Chemikalien) können DNA-Mutationen auslösen
» Krebs entsteht, wenn DNA-Mutationen die Entartung einer Zelle bewirken (z.B. durch Transformation von Proto-Onkogenen zu Onkogenen oder die Deaktivierung von Tumorsuppressor-genen)
» Die Regulation der Zellteilung wird aufgehoben, die Zellen entdifferenzieren, wachsen und teilen sich unkontrolliert und bilden schließlich Tumore
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Ziel der Tumortherapie ist vollständige Elimination aller Tumorzellen.
Problembei jedem Behandlungsschritt wird nur ein bestimmter Anteil getroffen (Elimination nach Kinetik 1. Ordnung)
Bsp.: Tumor von 100 g enthält ca. 1011Zellen; wenn in mehreren Schritten 99% eliminiert sind, bleiben 109 Zellen übrig (1 g)→ Folge: zwar komplette Remission (keine klinischen Symptome), aber keine Heilung!!
ChemotherapieMedikamentöse Therapie von Tumoren
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Phasen-spezifisch wirksame Stoffe: Mitosehemmstoffe und Antimetabolite (Hemmung der Bereitstellung von Vorstufen für die DNA-Synthese)
Zyklus-spezifisch wirksame Stoffe: Alkylantien und Antibiotika wirken phasen-unspezifisch, evtl. abhängig von Proliferation
ChemotherapeutikaDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts
1: Behandlung muß nach 4 erfolgreichen Applikationen unterbrochen werden, die verbleibenden Zellen wachsen weiter.
2: Wirksamkeit der Behandlung wird durch Resistenzentwicklung vermindert
3: Erfolgreich Behandlung in wenigen gleichbleibend wirksamen Schritten
ChemotherapieTypische Verläufe
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» außer Hormonen fungieren alle Chemotherapeutika als Zytostatika UND bewirken Zytolyse auch in normalen Zellen (vor allem betroffen sind Wechselgewebe wie Knochenmark, Magen-Darm-Epithel, Haut)
» bei intermittierender Chemotherapie werden Pausen eingelegt, wodurch gleichzeitig Synchronisationsprozesse gefördert werden (Rekrutierung aus G0-Phase)
» bei Stoßtherapie hohe Dosen in größeren Abständen (wenig resistente Zellen!)
» niedrig dosierte Dauertherapie ist der Erhaltungstherapie vorbehalten
ChemotherapieNebenwirkungen
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haben Affinität zu Enzymen der Biosynthese von Nukleinsäurebasen; wirken vor allem in S-Phase, da dort besonderer Bedarf an Nukleotidenbesteht
» Folsäure-AnalogeMethotrexat blockiert Umwandlung von Dihydrofolsäure zur Tetrahydrofolsäure (wichtig für Thymidin- und Purin-Synthese)
» Pyrimidin-Analoge5-Fluoruracil blockiert Thymidilatsynthethase
» Purin-AnalogeMercaptopuren hemmt ersten Schritt der Purinbiosynthese
ChemotherapieAntimetabolite
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ChemotherapieAntimetabolite
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→ mit zytotoxischen Eigenschaften bes. in S-Phase (trifft sich schnell teilende Zellen)
» Dactinomycin interkaliert in DNA, wodurch RNA-Polymerase und Zellwachstum gehemmt werden
» Daunorubicin und Doxorubicin interkalieren, produzieren aber auch Sauerstoffradikalanionen für Einzel- u. Doppelstrangbrüche und Schwesterchromatidaustausch
» Bleomycin bildet Chelat mit Metallionen und erzeugt als Oxygenase Sauerstoffradikalanionen
ChemotherapieAntibiotika
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