Cel en ziekte. X. Stoornissen in de signaaltransductie: dysregulatie van celgroei bij kanker

Klinische praktijk
E.C. Zwarthoff
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1993;137:2310-4
Download PDF

De reeds verschenen artikelen uit deze serie zijn gepubliceerd op bl. 1806, 1808, 1868, 1914, 1961, 2028, 2077, 2131 en 2243.

X.1. inleiding

Allerlei externe signalen hebben invloed op celgroei en celfunctie. De overdracht van zo'n extern signaal naar componenten in de cel wordt prikkeloverdracht of signaaltransductie genoemd. In de serie ‘Celbiologie in medisch perspectief’ werden biochemische aspecten van signaaltransductie uitvoerig besproken door Lamers (1992; 136: 63-9). Het ligt voor de hand om in het kader van cel en ziekte de pathologie van de gestoorde signaaltransductie te behandelen. Signaaltransductie is echter betrokken bij een zeer brede scala aan cellulaire activiteiten; weinig celfuncties vallen daar niet onder. Daarom is voor een ander uitgangspunt gekozen. De betrokkenheid van signaaltransductie bij celpathologische processen wordt geïllustreerd aan de hand van één concrete (categorie van) aandoening(en): kanker. De eiwitten die bij de signaaloverdracht betrokken zijn, spelen een rol bij de voor kanker kenmerkende stoornissen in celgroei en celdifferentiatie.

X.2. het proces van signaaltransductie

De moleculen die een rol spelen bij de regulatie van de celgroei kunnen globaal in 4 groepen worden ingedeeld; figuur X.1 geeft daarvan een beeld. In de eerste plaats zijn dat de groeifactoren en peptidehormonen die uit het de cel omgevende milieu het signaal naar de cel overbrengen. Voorbeelden van dergelijke signaalmoleculen zijn plaatjesgroeifactor (PDGF), epidermale groeifactor (EGF), insuline en ‘insuline like growth factor’. De tweede groep moleculen omvat de receptoren voor deze signaalmoleculen. Deze receptoren bestaan uit een extracellulair gedeelte dat het signaalmolecuul (de ligand) bindt, een transmembraandeel dat in de plasmamembraan is gelegen en een intracellulair deel dat het signaal in het cytoplasma doorgeeft. Dat gebeurt bij veel receptoren door tyrosinekinase-activiteit van het intracellulaire deel, dat wil zeggen dat een tyrosineresidu in het molecuul wordt gefosforyleerd en daarmee wordt geactiveerd. Binding van een ligand aan zijn receptor leidt tot dimerisatie van twee receptormoleculen, die vervolgens in elkaars intracellulaire domein tyrosinen fosforyleren. Een zodanig geactiveerde receptor kan op zijn beurt weer andere intracellulaire eiwitten fosforyleren. Deze intracellulaire kinasen behoren tot de derde groep moleculen in het signaaltransductieproces. In veel routes van signaaltransductie wordt het signaal doorgegeven door achtereenvolgens de fosforylering van een aantal intermediairen, die daardoor steeds worden geactiveerd. Voorbeelden van dergelijke eiwitten zijn de abl-, src- en ras-eiwitten en neurofibromine. Behalve de intracellulaire tyrosinekinasen omvat de derde groep signaaltransductiemoleculen ook de zogenaamde G-eiwitten. De G-eiwitten worden zo genoemd omdat ze guanosine-trifosfaat (GTP) binden. Een specifieke groep receptoren, de aan G-eiwit gekoppelde receptoren, dragen, na door een ligand geactiveerd te zijn, het signaal over aan het G-eiwit. Via verschillende intermediaire signaalmoleculen komen de signalen uiteindelijk bij eiwitten in de celkern terecht. Deze eiwitten, de transcriptiefactoren, waaronder myc, fos, jun, CREB en pRB, kunnen specifiek genexpressie reguleren en vormen de vierde categorie moleculen in het proces van signaaltransductie.

Moleculair-biologisch onderzoek van kanker heeft uitgewezen dat veel van de afwijkende eigenschappen van kankercellen terug te voeren zijn op fouten in de overdracht van signalen naar en de verwerking van die signalen in de cel. Sommige kankercellen produceren hun eigen groeifactoren en onderhouden zo hun ongeremde groei. Bij andere vormen van kanker zijn er stoornissen in de signaaltransductieketen. Dat is één van de redenen waarom deze signaaltransductie uitvoerig in detail wordt bestudeerd. Zoals in het voorgaande werd geschetst, weten wij al vrij veel van dat proces. Een volledige kaart van alle intracellulaire routes en de kruispunten daartussen ontbreekt echter nog.

X.3. oncogenen en tumorsuppressorgenen

Het is gebleken dat de genen die zijn betrokken bij ontstaan en progressie van kanker bijna allemaal een rol spelen bij de regulatie van groei en differentiatie via de beschreven signaaltransductieketen. Deze worden in twee groepen ingedeeld: oncogenen en tumorsuppressorgenen. Oncogenen zijn dominant, dat wil zeggen dat het genprodukt zelf celdeling stimuleert. Oncogenen ontstaan door veranderingen in normaal in de cel aanwezige regelgenen, de proto-oncogenen. Puntmutaties in een proto-oncogen kunnen leiden tot de produktie van een permanent actief eiwit, hetgeen bij de ras-genen het geval blijkt te zijn. Oncogenen zijn vooral gevonden via onderzoek bij acuut transformerende retrovirussen, in het dierenrijk voorkomende RNA-virussen waarmee kanker kan worden opgewekt. Van een aantal van die oncogenen is ook een rol aangetoond in het ontstaan van kanker bij de mens.

De produkten van de andere groep genen, de tumorsuppressorgenen, onderdrukken juist de celdeling. Deze genen zijn recessief, dat wil zeggen dat beide allelen van het gen moeten worden uitgeschakeld om volledige inactivatie te bewerkstelligen. Het uitschakelen van slechts één allel leidt immers theoretisch hooguit tot een reductie van de activiteit met 50. Wordt een dergelijk gen geïnactiveerd, dan valt de groeiremmende activiteit weg, hetgeen resulteert in verhoogde groeiactiviteit. De tumorsuppressorgenen zijn vooral betrokken bij erfelijke vormen van kanker. Het erven van één beschadigd allel leidt niet direct tot de ontwikkeling van een gezwel, omdat nog steeds 50 van de eiwitactiviteit in de cellen overblijft. Retinoblastoma bijvoorbeeld ontstaat pas als beide allelen van het RB-gen in een retinoblast uitgeschakeld zijn. De tumorsuppressorgenen zijn ontdekt door onderzoek naar chromosomale afwijkingen in tumoren van de mens.

Het zou te ver voeren alle bekende oncogenen en tumorsuppressorgenen systematisch te bespreken. Volstaan wordt met het geven van enkele kenmerkende voorbeelden, waaraan de stoornis in de signaaftransductieketen kan worden geïllustreerd. Daarbij wordt de indeling in stappen van figuur X.1 gevolgd.

X.4. groeireceptoren

Bij sommige vormen van kanker worden afwijkingen aan groeifactorreceptor-genen gevonden. Een voorbeeld daarvan is de amplificatie van het erb B-1-gen, die wordt gevonden in astrocytomen. Het produkt van het erb B-1-gen is de receptor voor de epidermale groeifactor (EGF). Amplificatie betekent dat van het stuk DNA waarop het gen voor de receptor ligt, vele kopieën achter elkaar op het chromosoom voorkomen. Transcriptie van al deze genen leidt tot overproduktie van het mRNA en van het EGF-receptoreiwit. Zo'n cel heeft daarom vele malen meer receptormoleculen op zijn oppervlak dan een normale cel. Als er voldoende EGF beschikbaar is, zal een dergelijke cel meer groeistimulerende signalen ontvangen. Een ander voorbeeld is de amplificatie van het erb B-2-gen, die wordt gevonden in 30 van de mammatumoren. Het erb B-2-gen codeert voor een EGF-achtige receptor, waarvan de ligand nog niet bekend is.

X.5. intracellulaire signaaltransductiemoleculen

X.5.1. Het abl-eiwit

Dit eiwit wordt gecodeerd door het c-abl-gen, genoemd naar Abelson-virus, dat bij muizen leukemie veroorzaakt. Dit retrovirus heeft ooit het muize-c-abl-gen opgenomen. In c-abl staat c voor cellulair, het gen in het virus wordt v-abl genoemd. Het produkt van het v-abl-gen is wat langer dan het produkt van het c-abl-gen, omdat het virus er een aantal aminozuren aan heeft toegevoegd. Het abl-eiwit heeft tyrosinekinase-activiteit. Waarschijnlijk is het activeren van de abl-kinase-activiteit een van de wegen waarlangs bepaalde receptoren hun effect bewerkstelligen. Het abl-eiwit kan met onder andere de PDGF-receptor en de EGF-receptor binden. Het abl-eiwit kan op zijn beurt weer andere tot nu toe onbekende eiwitten fosforyleren. Het abl-eiwit dat wordt geproduceerd door het virale gen heeft door de extra aminozuren een veel grotere tyrosinekinase-activiteit dan het produkt van het normale c-abl-gen. Bij chronische myeloïde leukemie wordt een variant van het abl-eiwit geproduceerd, die ook een vergrote tyrosinekinase-activiteit bezit. In de leukemische cellen van deze patiënten treft men het zogenaamde Philadelphia-chromosoom aan, dat ontstaan is door een reciproke translocatie tussen de chromosomen 9 en 22. Door deze translocatie verhuist het c-abl-gen van chromosoom 9 naar chromosoom 22 en wordt gekoppeld aan het zogenaamde bcr-gen. Het resultaat is een nieuw gen met eigenschappen van zowel het c-abl- als het bcr-gen waardoor een nieuw (fusie-)eiwit wordt geproduceerd. Het bcr-onderdeel van dit bcr-abl-eiwit vergroot de tyrosinekinase-activiteit van het abl-deel. Het resultaat is dat een dergelijk eiwit meer substraat kan fosforyleren en zo het groeifactorsignaal zal versterken.

X.5.2. GTP-bindende eiwitten

In deze groep kunnen de ras-eiwitten en de G-eiwitten worden onderscheiden, die achtereenvolgens zullen worden besproken.

De mens heeft drie verschillende ras-genen, H-, K- en N-ras. De eerste twee zijn, net als het abl-gen, in eerste instantie ontdekt als oncogen van een transformerend retrovirus. Deze genen coderen alle drie voor kleine eiwitten die in staat zijn guanosine-difosfaat (GDP) of guanosine-trifosfaat (GTP) te binden. Ze fungeren als schakelaar in de cel, waarbij de GTP-vorm een groeifactorsignaal kan doorgeven en de GDP-vorm niet. Een snel delende cel zal relatief meer ras-GTP bevatten dan een rustende cel. De verhouding in de hoeveelheid van beide vormen wordt door een aantal andere eiwitten gereguleerd. Het ‘GTPase activating protein’ (GAP) stimuleert de hydrolyse van GTP (GTPase-activiteit) enorm wanneer het aan ras is gebonden. GAP is daarom mogelijk een negatieve regulator van ras (figuur X.2). Puntmutaties die leiden tot veranderde aminozuren in de codons 12, 13 of 61, veranderen de ras-genen in oncogenen. In 90 van de pancreastumoren bijvoorbeeld is er een puntmutatie van codon 12 in het K-ras-gen. Een dergelijk gemuteerd ras-eiwit blijkt als het ware in de GTP-situatie bevroren te zijn. Het GAP is nu niet meer in staat GTP te hydrolyseren en er wordt een permanent groeistimulerend signaal doorgegeven.

Voor een groot aantal hormonen wordt, na binding van het hormoon aan de receptor op het celoppervlak, het signaal binnen de cel doorgegeven door guaninenucleotide-bindende eiwitten (de zogenaamde G-eiwitten). Voorbeelden van zulke aan G-eiwitten gekoppelde receptoren zijn de receptoren voor adrenaline, ACTH, somatostatine, GH-RH, serotonine, dopamine et cetera. Ook de fotonen van het licht worden in de retina door dergelijke receptoren opgevangen. Deze receptoren vertonen onderling structurele overeenkomsten en vormen een grote familie van aan G-eiwitten gekoppelde receptoren. De G-eiwitten die het door de receptor opgevangen signaal doorgeven, bestaan uit een ?–, ?– en ?-subunit. De ?-subunit kan net als ras GTP of GDP binden en werkt eigenlijk op dezelfde manier: na binding van het hormoon aan de receptor zorgt deze geactiveerde receptor ervoor dat het G-eiwit in de GTP-gebonden staat geraakt en het op deze manier geactiveerde G-eiwit activeert op zijn beurt weer de volgende stap in het signaaltransductieproces. Er zijn zo'n 30 verschillende G?-subunits gevonden. Omdat één enkele receptor interacties kan aangaan met verschillende typen G?subunits en, omgekeerd, receptoren voor verschillende hormonen hun signaal kunnen overdragen aan hetzelfde type G?-subunit, vormen de aan G-eiwitten gekoppelde interacties complexe netwerken. In een aantal gevallen is de route van de signaaltransductie die volgt op activering van een G-eiwit vrij goed bekend.

Zo bindt in de hypofyse op de somatotrope cellen GH-RH aan zijn receptoren (figuur X.3). De receptor activeert een G-eiwit dat een G?s-bevat. Deze subunit activeert op zijn beurt het enzym adenylaatcyclase, dat vervolgens adenosine-trifosfaat (ATP) omzet in cyclisch adenosine-monofosfaat (cAMP). Op zijn beurt activeert cAMP een eiwitkinase. Dit fosforyleert proteïnekinase A (PKA), dat vervolgens het ‘cAMP responsive element binding protein’ (CREB), een transcriptiefactor, fosforyleert. Dit geactiveerde CREB stimuleert de transcriptie van onder andere groeihormoon (GH), waardoor meer groeihormoon wordt geproduceerd.

In ongeveer de helft van de groeihormoonproducerende hypofysetumoren wordt een vergrote adenylaatcyclase-activiteit gevonden. Onlangs heeft men gevonden dat deze vergrote activiteit is te wijten aan mutaties in het gen voor de G?s-subunit (het gsp-gen). De mutaties hebben tot gevolg dat de G?s-subunit, net zoals dat het geval is bij de gemuteerde ras-eiwitten, steeds – dat wil zeggen ook zonder de aanwezigheid van GH-RH – in de GTP-gebonden staat verkeert en permanent actief is. Het gemuteerde eiwit activeert permanent adenylaatcyclase en daardoor ook de volgende stappen in de signaaltransductieketen. De cellen waarin dit is gebeurd, groeien wat sneller dan normaal en ze produceren te veel GH, hetgeen onder andere leidt tot acromegalie. Deze tumoren zijn lange tijd te behandelen met somatostatine. Somatostatine is een klein peptidehormoon dat ook aan een aan G-eiwit gekoppelde receptor bindt. Deze receptor activeert echter niet de G?s-subunit maar een G?isubunit. G-eiwitten met een G?i-subunit remmen (i voor inhibitie) juist adenylaatcyclase en zo kan het effect van het gemuteerde G?s-eiwit onderdrukt worden.

GTPase activating protein (GAP)-eiwitten

Neurofibromatosis type 1 (NF-1), de ziekte van Von Recklinghausen, is een erfelijke aandoening waarbij patiënten in meer of mindere mate last hebben van benigne neurofibromen en een vergroot risico van het ontstaan van maligne perifere schwannomen. Het gen dat deze ziekte veroorzaakt is gelegen op chromosoom 17. Het eiwit waarvoor dit gen codeert, wordt neurofibromine genoemd. Neurofibromine bleek grote overeenkomsten te vertonen met het hiervoor beschreven GAP-eiwit en is in staat om GTP van het ras-GTP-complex te hydrolyseren (zie figuur X.2). Bij patiënten met NF-1 worden mutaties in het NF-1-gen gevonden. De mutaties zijn steeds zodanig dat ze het NF-1-gen inactiveren, bijvoorbeeld door deleties of mutaties, die een verkort eiwit opleveren. In de maligne schwannomen van patiënten met NF-1 blijken beide allelen van het NF-1-gen te zijn uitgeschakeld. Het NF-1-gen is dus een tumorsuppressorgen. In de maligne Schwann-cellen wordt een veel hogere concentratie ras-GTP gevonden dan in normale Schwann-cellen. De verklaring hiervoor is waarschijnlijk dat er geen neurofibromine is om GTP te hydrolyseren. Het GAP-eiwit, hoewel aanwezig, lijkt in deze cellen de functie van neurofibromine niet over te kunnen nemen. Neurofibromine is een erg groot eiwit, waarvan het stuk met GAP-activiteit maar een klein deel is. Het is daarom niet uitgesloten dat dit eiwit behalve de GAP-activiteit nog andere functies heeft.

X.6. transcriptieregulerende factoren

X.6.1. De myc-genen

Bij patiënten met Burkitt-lymfoom treden chromosomale translocaties op waarbij het proto-oncogen c-myc in de buurt van immunoglobuline-genen terechtkomt. Hierdoor vindt meer transcriptie van het c-myc-gen plaats en wordt meer myc-eiwit geproduceerd. Ook het c-myc-gen is door onderzoek bij transformerende retrovirussen gevonden. Het N(neuroblastoom)-myc-gen is ontdekt doordat dit gen vaak in neuroblastomen is geamplificeerd en werd myc genoemd toen bleek dat het grote homologie vertoont met het c-myc-gen. Het resultaat van de amplificatie van N-myc is eveneens overproduktie van een myc-eiwit.In normale cellen staan de myc-genen onder controle van de celcyclus. In de G0-(rust)fase is er geen transcriptie van de myc-genen. Wordt een cel door een groeifactor gestimuleerd, dan start de G1-fase en is myc een van de eerste genen die worden aangezet. Als rustende fibroblasten bijvoorbeeld met PDGF worden gestimuleerd, leidt dit binnen een half uur tot een sterke toename van de transcriptie van het c-myc-gen, die een aantal uren aanhoudt. Myc is een eiwit dat zich in de kern bevindt en aan DNA bindt, samen met het max-eiwit. Waarschijnlijk stimuleert dit complex de transcriptie van bepaalde genen. Welke dit zijn is nog niet bekend. Sterke en continue expressie van myc zou kunnen verhinderen dat de cellen in de G0-fase terechtkomen en steeds in cyclus blijven. In erytroïde cellen is ongecontroleerde myc- expressie zelfs in staat bepaalde differentiatiestimuli te blokkeren, zodat de cellen blijven groeien in een situatie waarin ze normaliter zouden zijn opgehouden met delen.

X.6.2. Het retinoblastoma-gen

Het produkt van het retinoblastoma-gen, het pRB-eiwit, bevindt zich evenals het myc-eiwit in de kern. Het pRB-eiwit komt continu tot expressie, maar de fosforylering van het eiwit verandert in de verschillende fasen van de celcyclus. Tijdens de G0en de vroege G1-fase is het pRB-eiwit niet gefosforyleerd. Het bindt dan aan de transcriptiefactor E2F. Het pRB-E2F-complex bindt aan DNA en onderdrukt de transcriptie van bepaalde genen. Zodra pRB gefosforyleerd wordt, wordt de binding met E2F verstoord. E2F is nu in staat om de transcriptie te bevorderen van bijvoorbeeld c-myc, N-myc, DNA-polymerase en andere genen die van belang zijn voor de DNA-synthese. Het pRB-eiwit lijkt zodoende een rol te spelen bij de regulatie van de celcyclus. Ontbreken van het pRB-eiwit, zoals in retinoblastomacellen wordt gevonden, leidt tot expressie van door E2F gestimuleerde genen op momenten waarop de cel geen extra mitogene signalen ontvangt en kan zo bijdragen aan de maligne ontaarding van deze cellen.

X.7. oncogenese en dysregulatie van de celgroei

Een cel kan doorgaans niet uitgroeien tot een tumor als slechts één van de hier genoemde stappen in de route van signaaltransductie is gemuteerd. Ook uit proefdieronderzoek blijkt dat. Pas als een gemuteerd ras-gen en een geactiveerd myc-gen samen in een normale muizefibroblast worden ingebracht, is de zo ontstane cel in staat tot tumorvorming in de muis. Dat betekent ook dat ras en myc in verschillende signaaltransductieroutes hun werk doen. Ook bij de mens is het ontstaan van kanker waarschijnlijk een meerstapsproces. Een genetisch model voor het ontstaan van darmkanker suggereert dat ten minste één ras-gen en een drietal tumorsuppressorgenen moeten zijn gemuteerd voordat een carcinoom kan ontstaan.

In dit hoofdstuk heeft de nadruk gelegen op veranderingen in de transductie van de signalen die een kankercel sneller laten groeien dan een normale cel. Alleen al op theoretische gronden is het niet aannemelijk dat stimulering van de celgroei alle gevallen van kanker kan verklaren. Veel kankercellen delen immers niet sneller dan de normale cellen van hetzelfde weefsel. In deze gevallen zullen andere aspecten, zoals het blijven steken van cellen in een bepaald differentiatiestadium en het uitblijven van apoptose, ook een rol spelen.

Auteursinformatie

Erasmus Universiteit, Instituut Pathologie, Rotterdam.

Dr.E.C.Zwarthoff.

Contact prof.dr.F.T.Bosman, Postbus 1738, 3000 DR Rotterdam

Gerelateerde artikelen

Reacties