BÜTÜN DERSLER İÇİN KAYNAK OLARAK KULLANILAN KİTAPLAR • Basic Clinical Radiobiology , 4.baskı Ed. Michael Joiner ve Albert van der Kogel • Radiobiology for the Radiologist, 6.baskı Eric J. Hall, Amato J. Giaccia İyonizan Radyasyona Bağlı Hücre Ölümü DNA tamir mekanizmaları Sağkalım eğrisi Klinik Radyobiyoloji Kursu 19-20 Şubat 2010 Ankara Dr. Beste M. Atasoy bmatasoy@marmara.edu.tr Dersin Başlıkları • Radyasyonun hücresel düzeyde etkileri • DNA ile etkileşimi • DNA tamir mekanizmaları • Hücre ölüm mekanizmaları • Sağkalım eğrisinin tanımı Kursun konusu, insanda habis hastalıkların iyonizan radyasyon ile tedavisinin biyolojik temel ve kanıtlarını incelemektir. İYONİZAN RADYASYONLA ZAMANDA ve DOKULARDA YOLCULUK saniye 10-18 10-12 10-6 100 106 Fiziksel Kimyasal Biyolojik Fiziksel etkiler 10-18 – 10-14s Enerji birikimi, iyonizasyon/eksitasyon Kimyasal etkiler 10-12 – 10-1s İndirekt etkiler/serbest radikal oluşumu (OH•, H•) Biyolojik etkiler 100s 105s 100 103 gün 101 104 gün Hücresel etkiler (DNA’nın tamiri) Doku üzerine etkiler - erken dönem Doku üzerine etkiler - geç dönem İYONİZAN RADYASYON SEÇİCİ DEĞİLDİR. NORMAL MALIGN DOKU DOKU HEDEF ? H2O Hasar küçük enerji paketleriyle gerçekleşir. • Küçük enerji paketleri Spur: <100 eV - 3 iyon çifti içerir -4nm Blob: 100-500 eV – 12 iyon çifti – 7 nm • Bir paketle aynı anda 20 baz hasarı • Blob: Nötron, alfa partikülerde • Spur: X-, gamma • Büyük paket = Büyük hasar !!! DNA Radyasyona bağlı hücre ölümünde DNA hasarının kritik önemi vardır. 1- Kısa menzilli RA izotopla DNA içinde hasar oluşturan deneylerlerden elde edilen veriler Sitoplazma ışınlaması ile hücre ölümüne neden olmak için daha yüksek doz gerekmesi 2- Kromozom aberasyonları ile hücre ölümü arasında var olan doğru orantı Product FaPy Guanine 8-Hydroxyguanidine 5-hydroxyhydantoin Thymine glycol Fapy Adenine 8-hydroxyadenine 2-hydroxyadenine 5-hydroxycytosine 5,6-dihydroxycytosine 5-hydroxymethyluracil 5-hydroxyuracil No. of molecules/105 DNA bases Fold increase over background 34.4 23.3 23.2 10.2 10.0 5.5 4.9 4.7 4.1 2.8 1.8 13 3 2 6 3 2 2 2 13 4 5 İyonizan radyasyona maruziyet sonrası 20’ye yakın baz hasar çeşidi görülebilmektedir; baz kayıpları da oluşabilir. M Dizdaroğlu Mutation Research,1992 Radyasyonun DNA üzerinde oluşturduğu hasar şekilleri (Bir hücrede 1 Gy düşük LET’li radyasyondan sonra) Baz hasarı ~3000 Şeker hasarı ~1000 DNA’da iyonizasyon ~2000 DNA’da eksitasyon ~2000 DNA-DNA crosslinks ~30 DNA-protein crosslinks ~150 Tek sarmal kırığı ~1000 Çift sarmal kırığı ~40 SSB ya da DSB oluşturmak için gerekli en düşük enerjiler • SSB: 20 eV • DSB: 50 eV McMillan & Steel, 1993 DNA hasarı • Endojen DNA hasarı (hücre/gün) 50.000 SSB 10 DSB • UV ve iyonizan radyasyon karşılaştırması 1000000 baz hasarı = 40 DSB Clustered (kümelenmiş) hasarlar Basit hasar B* Tek bir baz hasarı Tek bir sarmal kırığı Clustered (küme) hasar B* B* İki baz hasarı Her iki sarmal üzerinde kırık B* 2 tek sarmal 1 baz hasarı JF Ward, Radiat Res. 1981 JF Ward, Radiat Res. 1997 B* B* 3 tek sarmal 1 baz hasarı Radyasyon ve diğer ajanlara bağlı oluşan lezyonların miktarları Agent DNA lesion Ionizing radiation ssb dsb LMDS DPC Bleomycin ssb dsb UV light T<>T dim er ssb Hydrogen peroxide ssb Number of lesions per cell per D 37 1000 40 440 150 150 30 400,000 100 2,600,000 Benzopyrene(a)pyrene 4,5-oxide adduct 100,000 Aflatoxin adduct 10,000 1-Nitropyrene adduct 400,000 7-methylguanine O 6-Methylguanine 3-Methylguanine 800,000 130,000 30,000 adduct 700,000 Methylnitrosourea 2-(N-acetoxy-N-acetyl)amino-fluorene JF Ward Prog Nucleic Acid Res Mol Biol 1988 Işınlanan DNA için senaryolar • Gen ekspresyonları • Gen mutasyonları • Kromozomal değişiklikler • Genomik instabilite • Hücre ölümü TAMİR DNA DAMAGE RESPONSE DDR HÜCRE SİKLUSU • G1: GAP 1 • S: DNA REPLİKASYONU • G2: GAP 2 • M: MİTOZ • GO: DİNLENME • Cdk kompleksi Kurz & Lees-Miller, 2004 DNA hasarı DSB DNA hasar sensörleri: PARP, MRN, ATM proteinleri HÜCRE SİKLUSUNDA DURMA/GECİKME DNA tamiri TAMİR VAR HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM GENOM KUSURU YOK TAMİR YOK HÜCRE ÖLÜMÜ DNA tamiri: HR, NHEJ TAMİR YOK / HATALI MUTASYON HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM ONKOGENESİS Radyasyon sonrası DNA tamiri üzerine etkili faktörler • Zaman (genellikle IR sonrası 6 saat içinde) • Hücre siklusu, fazı (S fazında tamir oranı yüksek) • Doz hızı • Fraksiyon dozu/toplam doz • Radyasyonun tipi/kalitesi TAMİR MEKANİZMALARI • BAZ EKSİZYON TAMİRİ (BER) • YANLIŞ EŞLEŞMİŞ BAZLARIN TAMİRİ (MMR) • SSB TAMİRİ (SSBR) • DSB TAMİRİ (DSBR- HR – NHEJ) • NÜKLEOTİD EKSİZYON TAMİRİ (NER) Heleday 2008; Lieberman 2008; Powell & Bindra 2009; Jackson & Bartek, Nature, 2009 DNA’nın tamiri: 1. Homolog rekombinasyon 5’ 3’ Tek homologda DSB • Memeli hücresindeki önemi az • Hücre çevriminin S ve G2 fazlarında etkin, • Doğru tamir ihtimali yüksek Ekzonukleaz aktivitesi Eksizyon Homolog sarmalın invazyonu BRCA1/2, RAD51 Yeni DNA’nın sentezi DNA’nın tamiri: 2. Non-homologous endjoining (NHEJ) • Memeli hücresi için önemli yoldur. • Özellikle hücre çevriminin G1 fazında etkindir. • Hata ihtimali yüksek: DSB’nin en az %25’i tamir olmaz ya da hatalı tamir olur. • Ku70/Ku80, Artemis, XRCC4, Ligase, DNA-PKcs Tamir kusuru olan mutantlarda radyosensitivite 100 CHO-9 (wild-type) EM-C11 (XRCC1) XR-C1 (Ku80 XRCC5) Cell Survival (%) 10 1 0.1 0.01 0 2 4 6 8 Dose (Gy) DSB tamir kusuru olan mutantlar wild type’a göre ~ 3 kat daha radyosensitif DNA HASARININ TAMİRİ NORMAL DOKUDA GERÇEKLEŞSİN. TOKSİSİTE AZALSIN. MALIGN DOKUDA GERÇEKLEŞMESİN. TEDAVİNİN ETKİSİ ARTSIN. PARP1 İNHİBİTÖRÜ- OLAPARIB (RZD2281) Irradyasyon sonrası hücre nasıl ölür? 1. Apoptosis (tip 1 PCD): Ekstrinsik (Kaspaz) / intrinsik 2. Otofaji (tip 2 PCD) 3. Nekroz 4. Hücresel yaşlanma: Replikatif (premature)senescence (metabolik olarak yaşayan ancak bölünmeyen) 5. Mitotik katastrof: Mitotik arrest!!! 6. Bystander (death) ölüm Hücre ölüm modelleri REC:myc hücreleri 9.5 Gy IR’dan 40 saat sonra; mavi: uniform hücre membranına sahip hücreler, pembe: apoptotik hücreler ve parçaları HB Forrester, Cancer Res 1999 Apoptosis TRAIL TNF-related apoptosis inducing ligand Kaspazlar Bcl-2 Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür? Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür? 1.Erken: pre-mitotik ölüm İnterfaz ölümü; timosit, lenfosit, spermatogonia SOLİD TÜMÖRDE ÖNEMİ AZ 2. Geç: post-mitotik ölüm Reprodüktif / mitotik hücre ölümü Neredeyse tüm proliferatif hücrelerin radyasyona verdiği cevap geç dönem mitotik arrest şeklindedir. EPİTELYAL HÜCRE İÇEREN DOKULAR Mitotik ölüm (arrest-katastrof) • Hücrenin proliferatif durumuna ve hızına bağlıdır. • Erken ya da geç dönemde olabilir. • Hücre birkaç bölünme daha yaşayabilir. • DNA tamir kapasitesinden etkilenir. • Arrest sonrası hücre herhangi bir nedenle ölebilir. Kromozomal aberasyonlar= mitotik katastrofi nedeni (Incorrect segregasion) Karşılıklı değişimler (RE) translokasyon Disentrik Tam değişimler (CE) trisentrik Tam olmayan değişimler (IE) Tam olmayan translokasyon Tam olmayan disentrik sentrik ring insersiyon Kırıklar terminal ve interstitial delesyonlar Mikronükleus oluşumu TEMOZOLAMİD Apoptosis ve otofaji APOPTOTİK İNDEKS VE PROGNOZLA İLİŞKİSİ • 6 çalışmada AI’in yüksek olması iyi • 8 çalışmada AI’nin yüksek olması kötü • 13 çalışmada anlamsız Brown & Wilson, Cancer Biol and Ther 2003 Bystander death Suzuki & Tsuruoka Biol Sci Space 2004 ÖZETLE Irradyasyon sonrası hücre DNA hasarı ve mitotik katastrof nedeniyle; nekroz, otofaji, yaşlanma ve apoptosis yollarından birini veya birkaçını kullanarak ölür. Kolonojenik assay ve hücre sağkalım eğrisinin çizimi Matematik modellere giriş Sağkalım eğrisinin elde edilişi S.F. = exp(-kD) (k: radyosensitivite) Memeli hücresinde (in vitro) hücre sağkalım eğrisi HeLa hücre kültürü TT Puck ve MI Marcus, J Exp Med 1956 Dersten öğrendiklerimiz • Hedef molekül: DNA • Çift sarmal kırığı (DSB) • DSB tamiri: HR, NHEJ • DNA damage response sistemi • Mitotik arrest (katastrof) • Hücre sağkalım eğrisi ASTRO BOARD SORULARINDAN SEÇMELER