DNA-Reparatur, genomische Instabilität und klinische Syndrome
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DNA-Reparatur, genomische Instabilität und
klinische Syndrome
J. Dahm-Daphi, E. Dikomey
Sektion für Strahlenbiologie & Experimentelle Radioonkologie
Radiologisches Zentrum
DNA Reparatur
Krebsentstehung Strahlenempfindlichkeit
DNA-Reparatur
Krebstherapie
Erbkrankheiten
Nr. 2
Entstehung von Krebs
Nr. 3
Gatekeeper und Caretaker ⇒ Neoplastische Transformation
Neoplasie
Caretaker, mindestens 4 Mutationen
Normal
Gatekeeper, mindestens 2 Mutationen
Caretaker: Erhalten die Integrität des genetischen Materials
typischerweise DNA-Reparatur-Gene (z.B. ATM, BRCA1 und 2, p53, XP-Gene,
HNPCC, Werner Syndrom, Fanconi-Anämie)
Mindestens 4 zusätzliche Mutationen müssen zur primären hinzukommen
Gatekeeper: Schutz vor ungebremster Proliferation
Typischerweise Zellzyklusregulation (z. B Retinoblastom, APC (adenomatous
polypous coloncancer). FAP (familial adenomatous polyposis), Wilms Tumor
Nur ein bis zwei weitere Mutationen müssen zur primären hinzukommen
Nr. 4
Gatekeeper und Caretaker ⇒ Neoplastische Transformation
Neoplasie
Caretaker, mindestens 4 Mutationen
Normal
Genetische Instabilität
Gatekeeper, mindestens 2 Mutationen
Normale Lymphozyten B-cell Lymphom
(1000 x vergr.) (2000 x vergr.)
Genetische Instabilität Chromosomenduplikationen
Nr. 5
Schrittweise Karzinogenese am Beispiel Kolonkarzinom
APC-Mutation K-RAS-Mutation p53-Mutation
(adenomatöse Polyposis Coli) Allelverluste
(> 70%) (> 40%) (> 55%)
DCC/DPC4/SMAD2
Hypomethylierung
normales hyperprolifera- frühes mittleres spätes
tives Epithel
Karzinom
Epithel Adenom Adenom Adenom
Polyp
nach Fearon and Vogelstein, 1990
Nr. 6
Erbkrankheiten mit DNA-Reparaturdefekt
Ataxia teleangiektatika (ATM) (Louis Bar Syndrom)
Nijmegen breakage Syndrom (NBS)
ATLD (Mre11)
SCID-Artemis
Ligase IV (Leukämie Prädisposition)
DNA-PK Defekt (Immundefekt)
Brustkrebs (BRCA1/2) Strahlenempfindlichkeit
Li Fraumeni Syndrom (p53) Krebsdisposition
Fanconi Anämie (A-F)
Immundefekte
Bloom-Syndrom (BLM)
Rothmund-Thomson-Syndrom Neuronale Defekte
Werner-Syndrom (Progerie, WRN)
Rett Syndrom
Cockayne-Syndrom (A, B, C)
SCAN 1
HNPCC (Lynch-Syndrom)
Xeroderma pigmentosum (A-F)
Trichothiodsytrophie
Nr. 7
Ataxia teleangiektatika - ATM-Gen (Chr.11q23)
Beispiel 1
Cerebelläre Ataxie
Stamm und Extremitäten
Oculomotorische Apraxie
Nystagmus
Dysarthrie
Dystonien
Athethosen
Polyneuropathie, spin. Muskelatrophie
Progressive zerebrale Degeneration (ab 3.LJ)
Nr. 8Häufigkeit von autosomal rezessiven Erbkrankheiten
1:100 heterozygot
? 0,01 x 0,01= 0,0001 : 4
0.000025
1:40.000 homozygot
Ataxia telangiektatika
1:40.000- 1:100.000
√(homozygot x 4) = heterozygot
Phenylketonurie 1:15.000 (Hardy- Weinberg Gesetz)
Nr. 9 Down-Syndrom 1:800
Ataxia teleangiektatika - ATM-Gen (Chr.11q23)
Cerebelläre Ataxie
Oculo-kutane Teleangiektasien
Immunschwäche (T-Zell Depletion, B-Zell-Defekt
IgA, IgG, IgE Mangel, erhöhtes IgM)
Mittlere Lebenserwartung 20-25 Jahre
Keratose, graue Haare, irreguläre Pigmentation
Strahlenempfindlichkeit
Chromosomenschäden
Erhöhtes Krebsrisiko, 5-fach
(Lymphome, Brustkrebs, Sarkome, Magen)
Nr. 10DNA Schäden
Art und Anzahl der Schäden/Zelle /Gy
1000
150
3000
40
200
300
Nr. 11
Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB)
60 2 Gy
DNA Double-Strand Breaks, GyEq
40
20 nicht-reparierbar
10
8 90 min
6 3 min
konst
4
0 1 2 3 4 5 24
Time after Irradiation, h
Nr. 12DNA-Doppelstrangbrüchen und Chromosomenschäden
DNA Double-Strand Breaks, GyEq
60
2 Gy
40
20 nicht-reparierbar
10
AT-Zellen
8 90 min
6 3 min
konst
4
0 1 2 3 4 5 24
Time after Irradiation, h
Nr. 13
Strahlenempfindlichkeit
1 ATM
Nijmegen breakage
normal
10 -1 Syndrome
Surviving fraction
Mre11 NBS
Rad50
10 -2
Nicht-homologe Homologe
10 -3 AT Reparatur Rekombination
70 70
Ku80Ku80
DNA-PK
10 -4
0 2 4 6 8 10 Artemis
X-ray dose, Gy SCID
Polymerase λ
XRCC4 XRCC4
Lig LigIV
Nr. 14Severe combined immunodeficiency syndrome - Artemis
Beispiel 2
1
normal SCID
10 -1
Surviving fraction
T- und B-Zell Defekt
V(D)J Rekombination
(Diversität von Antikörpern und T-Zell-Rezeptoren)
10 -2
DSB Reparatur-Defekt
SCID Strahlenempfindlichkeit (RS-SCID)
Artemis-Gen
10 -3 AT z.B. bei Apache und Navajo-Indianern
Athabaskan-sprechend (1:2000 Geburten)
10 -4
0 2 4 6 8 10
X-ray dose, Gy
Nr. 15
DNA Reparatur und Translokationen
Nr. 16Translokation und Leukämie
CML und das Philadelphia Chromosom
Translokation t(9;22) mit Fusionsprotein BRC-Abl
Chromosomen Rearrangements sind für 80% der Leukämien verantwortlich
Nr. 17
Nijmegen breakage syndrom (NBS)
Beispiel 3 Mikrocephalie
Mikrognathie
Wachstumsretardierung
Immunschwäche
Mittlere Lebenserwartung 20-25 Jahre
Irreguläre Pigmentation
Strahlenempfindlichkeit
Chromosomenschäden
Erhöhtes Krebsrisiko (Lymphome)
Defekt in homologer Rekombination
Nr. 18Homologe Rekombination
Nr. 19
Homologe Rekombination ⇒ Genomische Stabilität
Rad52-Epistasisgruppe
RPA
• Rad51-Familie: Rad51, Rad51B,
Rad52
Rad51C, Rad51D, Xrcc2, Xrcc3
• Rad52, Rad54
Rad51 Rad54
Rad51
Rad51
BRCA1 Rad51 Rad51D
p53 Rad51 Xrcc2
BRCA2 Rad51
Rad51 Rad51C
Fanconi Xrcc3 Rad51B Rad51D
BLM
Mre11
WRN Rad50
Tumor-Suppressoren NBS
• BRCA1, BRCA2
• p53,
• BLM, WRN, Fanconi
• MRN
Nr. 20BRCA1/2 – Defekt in der Homologen Reparatur
⇒ Genomische Instabilität ⇒ Krebs
Beispiel 3
erblich bedingtes Mammakarzinom
• 5-10% aller Mammakarzinome, 40-60% familiärer MammaCa
• autosomaler dominanter Erbgang
• 40-100-prozentige Penetranz
• frühes Manifestationsalter (im Mittel bei 40 Jahren)
• häufig synchrone Zweitkarzinome
• Defekt in der Homologen Rekombination
• Gene BRCA1, BRCA2, Rad51?, Fanconi D1,
• Erhöhte Rate an Chromatidtypaberrationen
• Erhöhtes Risiko für bds MammaCa, OvarialCa,
• Colon, Prostata
•BRCA1/2-Mut verantwortlich für familiäre Häufung von Mamma und OvarCa
Nr. 21
Defiziente Homologe Rekombination ⇒ Chromosomale Instabilität ⇒ Krebs
Späte S-Phase
G2-Phase
Reparatur durch Keine vollständige Reparatur bei
Homologe defekter homologen
Rekombination Rekombination
Mitose
Chromatidtypaberrationen
Nr. 22 in der nächsten MetaphaseMammakarzinom
Deutschland: 10% der Frauen
48.000 Erkrankungen
pro Jahr
4.000 genetisch bedingt; 5-10%
44.000 spontan
90-95%
Nr. 23
Mammakarzinom- familiär gehäuft- vererblich
100
genetisch bedingt
90
spontan
Kummulative Häufigkeit (%)
80
70
60
50 BRCA1
40 BRCA2
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Alter (Jahre)
Loman et al. 2003
Nr. 24Fanconi Anämie
Beispiel 4
Fanconi Anämie (A-E)
Aplastische Anämie
Infektionen, Blutungen
Microcephalie
Wachstumsstörung
Nr. 25
Fanconi Anämie
Beispiel 4
Fanconi Anämie (A-E)
Aplastische Anämie
Infektionen, Blutungen
Microcephalie
Wachstumsstörung
Schnelle Ermüdung
Deformation von Hand-Skelett (Daumen)
Hypogenital, infertil
Chromosomenaberrationen
Hypersensitiv gegen „Crosslinker“
MitomycinC, Cis-Platin
mäßig strahlenempfindlich
Heterozygot 1:300
Ashkenasische Juden 1:90
Südafrika (Africaans-sprechend) 1:77
Nr. 26Fanconi Anämie- BRCA1/2
„stalled replication fork“ Fanconi
FancD2
A F
G
C
E
Aktivierung und
Monoubiquitinierung
BRCA1 Ub
BRCA2 FancD2
Homologe (FancD1)
Rekombination
RAD51
XRCC2, 3
Rad51B, C, D
Nr. 27
Genetik und Epigenetik der Regulation der HR
Rolle auch für spontanen Brustkrebs (!)
BRCA1 Kopien Anzahl
(LOH, Promoter-Methylierung)
BRCA1 Mutation (assoz. mit ERBB2 Amplifikation, PR neg.)
45% sporad. MammaCa
BRCA2 Mutation Cisplatin- EMSY-Amplifikation
sensitiv bind/silence Exon3 BRCA2
13% sporad. MammaCa
17% advanced OvarialCa
Fanconi Mutation
FancF hypermethyliert
? inaktiviert BRCA1/2
RAD51 Polymorph.? Cisplat.-sensitiv. OvarialCa
Überexpression? Fanconi A. häufige Kopf-Hals-
und VulvaCa, (mit HPV assoziiert)
Nr. 28 Staff, Cancer Res, 2003 Hughes-Davies, Cell, 2003 Taniguchi, Nat. Med. 2003, Kutler, J Nat Cancer I, 2003Homologe/Nichthomologe Rekombination- Werner Syndrom
Beispiel 5
Progerie II
Setzt ein mit der Pubertät
Immunschwäche
Fehlender Wachstumsschub
Gonadeninsuffizienz
Ostroporose, Muskelabbau
Katarakt
Arteriosklerose
Diabetes TypII
12 Jahre 48 Jahre
Frühzeitige Kancerogenese
Lebenserwartung unter 49 J
Defekt in der RecQ Helikase (WRN)
Chromosomenbrüchigkeit
Nr. 29
Defekte Mismatch-Reparatur ⇒ Genomische Instabilität ⇒ Krebs
Beispiel 6:
Nicht-polypöses kolorektales Karzinom (HNPCC)
(Lynch-Syndrom)
5-10% aller kolorektalen Karzinome
autosomaler dominanter Erbgang
80-prozentige Penetranz
frühes Manifestationsalter (im Mittel bei 45 Jahren)
Therapie Kolektomie
häufig synchrone Zweitkarzinome
Defekt in der Mismatch-Reparatur
Gene MLH1, MSH2, MSH6, PMS1, PMS2, MLH3
Numerische Änderungen von Tandem-Repeats
Mikrosatelliten-Instabilität
Nr. 30Mismatch -Reparatur
ACTGCCTGACGCAATAGGA
TGACGGACTGCGTTATCCT
A
ACTGCCTGA GCAATAGGA
TGACGGACT CGTTATCCT
G8
MLH1 0H MSH2
ACTGCCTGACGCAATAGGA
Nr. 31
Replikation von repetitiven Sequenzen
normal
Defekt: Insertion durch Zurückrutschen
Mismatch-Reparatur
Defekt: Insertion durch Vorrutschen
Mismatch-Reparatur
Nr. 32Instabilität von repetitiven Sequenzen
Kolorektales Karzinom
Länge der repetitiven Sequenz
kurz← →lang
Nr. 33
Basenexcisionsreparatur (BER) – Cockayne Syndrom
Beispiel 7
Empfindlichkeit gegen Sonnenlicht
Mikrognathie-„bird-like“ face
Mikrocephalie
Körperliche und mentale Retardierung
Kachektischer Zwergenwuchs
progressive neuronale Degeneration, Myelindefekte,
Gangstörung
Immunschwäche
Krebsdisposition (kein Hautkrebs !)
Mittlere Lebenserwartung: 16 Jahre
Defekt in der Basenexisions (BER)
und Nukleotidexzision (XP-G)
Reparaturmechanismus
BER repariert einzelne geschädigte Basen (durch oxidative Metabolismus, alkylierende Substanzen
und Bestrahlung)
Es wird die einzelne geschädigte oder einige wenige benachbarte Basen enfernt und die Lücke
entsprechend der Komplementärsequenz aufgefüllt.
Nr. 34Defekte DNA-Reparatur von UV-Schäden
Beispiel 8 Xeroderma pigmentosum
O Häufigkeit in Japan ist 1:100.000
O Häufigkeit in den USA ist 1:1.000.000
8 Jahre 27 Jahre
Empfindlichkeit Sonnenlicht
kutane Maligome (BCC, SCC, Melanom)
autosomaler dominanter Erbgang
100-prozentige Penetranz
sehr frühes Manifestationsalter (bei 8-10 Jahren)
häufig synchrone Zweitkarzinome
Defekt in der Nukleotidexzisionsreparatur (NER)
Gene XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG
Nr. 35
Defekt in der NER ⇒ Hautkrebs
O in der Normalbevölkerung liegt das mittlere Alter 60 Jahren
O bei XP-Patienten liegt das mittlere Alter für Hautkrebs bei 8 Jahren
Nr. 36Defekt in der NER ⇒ Hautkrebs
5‘ UV 3‘
H O
N C
O C N
CH3 C C
O
Thymidin
H
N C
O C N
CH C
3
C
3‘ 5‘
5‘ 3‘
H
O
N
O 2 3
N1 4 O
6 5
CH3
H O 4
OH
5
N C P
3 N
O C N
CH3 C C 6
2
O 1
H O N O
N C
O C N
CH C
3
C
P
3‘ 5‘
Thymidindimer (T-T) 6-4 Photoprodukt (T-C)
Nr. 37
Defekt in der NER ⇒ Hautkrebs
100
normal
Überleben, %
10 XP-E
XP-F
XP-C
1 XP-G
XP-B
XP-D
XP-A
0,1
0 2 4 6 8
UV-Dosis, J/m 2
Nr. 38×
Defekt in der NER ⇒ Therapie ⇒ Hautkrebs
Therapie:
O extremer Sonnenschutz
OUV-undurchlässiger Anzug
OAufenthalt im Freien nur nachts
„Mondscheinkinder“
O Tumorexzisionen
O nur Schutz gegen exogene Schädigung
O kein Schutz gegen endogene DNA-Schädigung
O Gentherapie !!
Nr. 39
Zusammenfassung
DNA Reparatur Genetische Defekte
Ataxia teleangiektatika (ATM)
Nijmegen breakage Syndrom (NBS)
ATLD (Mre11)
SCID-Artemis
Ligase IV (Leukämie Prädisposition)
DNA-PK Defekt (Immundefekt)
Brustkrebs (BRCA1/2)
Li Fraumeni Syndrom (p53)
Fanconi Anämie (A-F)
Bloom-Syndrom (BLM)
Rothmund-Thomson-Syndrom
Werner-Syndrom (Progerie, WRN)
Rett Syndrom
Cockayne-Syndrom (A, B, C)
SCAN 1
HNPCC (Lynch-Syndrom)
Xeroderma pigmentosum (A-F)
Trichothiodsytrophie
Strahlenempfindlichkeit
Krebsdisposition
Immundefekte
Neuronale Defekte
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