Radyobiyolojinin R’leri ve Moleküler Kanser Biyolojisi ile Etkileşimi Klinik Radyobiyoloji Kursu 11-12 Kasım 2017 İzmir Beste Atasoy bmatasoy@marmara.edu.tr

RADYOBİYOLOJİNİN R’LERİ HR Withers 1975 (4R) Repair/Recovery Redistribution Reoxygenation Repopulation GG Steel 1989 (4+1R) (Intrinsic) Radiosensitivity W. Dörr 2009 (5+1R) IrRadiated volume

RADYOBİYOLOJİNİN R’LERİ HR Withers 1975 (4R) Repair/Recovery Redistribution Reoxygenation Repopulation GG Steel 1989 (4+1R) (Intrinsic) Radiosensitivity W. Dörr 2009 (5+1R) IrRadiated volume YENİLER (6+1R) Restoration

REDİSTRİBÜSYON

INTERFAZ G1: Metabolik olaylar; transport, sentez, lizis, reaksiyonlar, organel yapımı, RNA sentezi vb. En uzun interfaz evresi. Bölünen hücreler bu fazda büyürler. Kas ve sinir hücreleri. S fazı: DNA replikasyonu. En fazla protein sentezlenen faz. G2: Bölünmeyle ilgili enzimlerin sentesi. Organel miktarında artış. RNA sentezi devam eder. G0: Selüler aktivitelerin durduğu faz. Bazı genler proteinlerle kaplanır. M: Mitozun yapıldığı faz.

REDİSTRİBÜSYON –YENİDEN DAĞILIM-

REDİSTRİBÜSYON Geç G2-M: en duyarlı Tüm kontrol noktaları geçilmiş ve mitoz başlamıştır. S (geç S): en dirençli DNA’da oluşan bir kırığı tamir etmek ve artan doğal -SH miktarı ile serbest radikaller temizlenir.

Neden G2-M? Erikson, Targeted Radionuclide Tumor Therapy, 2008 The main strategy for activation of the G2/M-arrest involves silencing of the critical mitosis-promoting Cdk1-Cyclin B complex. The first mechanism exploited for this purpose prevents activation of the Cdk1-Cyclin B complex by inactivating the Cdc25 family of proteins (Cdc25A, Cdc25B, Cdc25C) (reviewed in [108, 109]). Initially, Cdc25C was considered to be the most important member of the Cdc25 family for the G2/M DNA damage arrest [110]. However, Cdc25C and Cdc25B deficient cells display a normal G2/M checkpoint [110–112], implying that Cdc25A is also the most important Cdc25 family member for activation of the G2/M arrest. The Cdc25 family at normal conditions cooperates as positive regulators of the Cdk1-Cyclin B complex by removing inhibitory phosphatases on Cdk1, thereby promoting mitosis during normal division [109, 113]. Following exposure to ionizing radiation, Chk1 and Chk2 are phosphorylated and in turn phosphorylate several substrates including Cdc25 family members [109, 110]. Consequently, Cdc25A is degraded, by the same mechanism employed by the G1/S and intra-S-phase checkpoints [17, 74, 95, 113, 114]. Furthermore, hyperphosphorylation of Cdc25A by both Chk1 and Chk2 following exposure to ionizing radiation promotes an accelerated turnover via ubiquitin-mediated proteolysis of Cdc25A [115], which is mediated by β-TrCP [116]. Additionally, Chk1 phosphorylates Cdc25A at an extra C-terminal site, which directly inhibits the phosphatase activity [117]. Cdc25C is also phosphorylated by Chk1 and Chk2 in response to ionizing radiation, which promotes binding of 14-3-3 proteins and subsequent sequestration of Cdc25 in the cytoplasm and degradation via the ubiquitin-proteasome pathway [118–120]. One of the most important components for the maintenance of the G2/M arrest is p53. As with the G1/S checkpoint, the ATM/ATR-CHK2/CHK1 pathway becomes activated, which leads to phosphorylation and stabilization of p53. P53 in turn upregulates transcription of p21, 14-3-3, and Gadd45, which collectively inhibit Cdk1 and activation of the G2/M arrest (reviewed in [121]). 14-3-3 binds to the Cdk1-cyclinB complex and sequesters it in the cytoplasm where it cannot induce mitosis [121, 122]. P21 can inhibit the Cdk1-cyclin B complex directly [123–125] but can also inhibit Cdk2-cyclin A, Cdk2-cyclin E, Cdk4-cyclin D and Cdk6-cyclin D complexes and consequently phosphorylation of Rb, which inhibits the E2Fdependent transcription [71, 126]. Genome-wide analysis of E2F transcriptional regulation using a microarray imply that multiple genes important in mitosis are regulated by the RB-E2F pathway [127, 128]. E2F target genes, which are important in the G2/M regulation include Cdk1, cyclin A, and cyclin B1,2 [129]. Gadd45 inhibits the Cdk1-cyclinB complex activity by dissociating Cdk1 from cyclin B [121]. However, GADD45 may only be important for the activation of G2/M arrest following exposure to UV, but not ionizing radiation [130] (Fig. 14.3). Finally, also the checkpoint mediators, including 53BP1, BRCA1 and MDC1 have been reported to contribute to the G2/M checkpoint response [50, 53, 105, 131, 132] Erikson, Targeted Radionuclide Tumor Therapy, 2008

REDİSTRİBÜSYON HAFTA PZTS SALI ÇRŞ PERŞ CUMA CMTS PAZAR GEÇ G2-M GEÇ G2-M GEÇ G2-M GEÇ G2-M GEÇ G2-M Fraksiyonasyonun amaçlarından biri farklı günlerde ışınlayarak hücreleri daha duyarlı oldukları fazda yakalamaktır.

REPOPÜLASYON

REPOPULASYON

REPOPULASYONUN 3A’SI Asimetri kaybı ile doz kompansasyonu Akselere bölünme ile kompansasyonun hız ayarı Abortif kök hücre bölünmesi ile hücre kaybı kompansasyonu

R’LERİN ZAMANLA İLİŞKİSİ

RADYOSENSİTİVİTE Radyasyona doku/organın cevabı nedir/nasıldır? Neye göre belirlenebilir? Hangi parametreler gerekli/önemlidir?

RADYOSENSİTİVİTE Bergonie & Trebondeau Yasası Işınlanan dokunun radyosensitivitesini belirleyen faktörler: 1. Sürekli proliferasyona neden olan aktif kök hücrelerden (undiferansiye hüxrelerden) oluşması 2. Kök hücre – ara hücre – matür hücre sisteminin proliferasyon hızı

Bergonie & Trebondeau Yasası En sensitif En az sensitif Lenfositler İmmatür hemapoetik hücreler İntestinal epitel hücreleri Spermatogonia Overin folüküler hücreleri Matür eritrositler Kas hücresi Matür baş doku hücreleri Matür kemik/kartilaj hücresi

Michalowski Doku Sensitivite Sınıflaması Esnek Dokular Kök hücre = fonksiyonel hücre Örnek organ ve sistemler: Akciğer, Böbrek, SSS Reaksiyonlar yarı erken-geç dönemde görülür Şiddeti fraksiyon dozu ve doz hızı ile orantılıdır. Hiyerarşik Dokular Kök hücre –ara hücre –diferansiye hücre Örnek organlar: Kemik iliği, GIS epiteli, Deri Ortaya çıkış süresi dozdan bağımsız Reaksiyonlar akut dönemde görülür Şiddet ve iyileşme hızı doz ve süre ile orantılıdır.

Rubin & Casarett Sınıflaması Proliferasyon kinetiğini dikkate alan sınıflama Vejetatif intermitotik hücre barındıran dokular (undiferansiye, kısa hücre siklusu olan) Kök hücre, intestinal hücre Diferansiye intermitotik hücre barındıran dokular Parsiyel proliferatif, matür olunca mitoz durur Spermatogonia

Rubin & Casarett Sınıflaması Multipotansiyel konnektif doku Uzun ömürlü hücreler Kök hücre, intestinal hücre Bölünme açısından düzensiz intervale sahip Fibroblast Postmitotik ancak bölünme yeteneği olan doku Uzun ömürlü, gerektiğinde bölünür Karaciğer parankim hücreleri

Rubin & Casarett Sınıflaması Fikse postmitotik dokular Uzun ömürlü Hiç bölünmez SSS hücreleri

DOKU RADYOSENSİTİVİTESİ Geç cevap veren dokular Toplam doz Erken cevap veren dokular 6 Gy 2 Gy 0.8 Gy Thames & Whithers IJROBP 1982

IŞINLANAN DOKU HACMİ (IrRadiated volume) ve Fonksiyonel Subünite Kavramı PARALEL ORGANLAR SERİ ORGANLAR AKCİĞER KARACİĞER BÖBREK FONKSİYONEL HASAR İÇİN EŞİK HACİM GEREKLİ TOTAL DOZ HOT SPOT DEĞİL HOT VOLUME MEDULLA SPİNALİS ÖZEFAGUS İNTESTİNAL SİSTEM HOT SPOT ! BİR KAYIP = TAM KAYIP

RADYOBİYOLOJİNİN R’LERİ HR Withers 1975 (4R) Repair/Recovery Redistribution Reoxygenation Repopulation GG Steel 1989 (4+1R) (Intrinsic) Radiosensitivity W. Dörr 2009 (5+1R) IrRadiated volume YENİLER (6+1R) Restoration

Serra’nın R’leri Restoration (long-term recovery) Remote bystander effect Reprogramming energy metabolism Relases immunological danger signals

5R VE MOLEKÜLER KANSER BİYOLOJİSİ HANAHAN & WEINBERG,CELL 2000

5R VE MOLEKÜLER KANSER BİYOLOJİSİ K HARRINGTON, CLIN ONCOL 2007

GÜNCELLEME

SELF SUFFICIENCY IN GROWTH FACTORS GROWTH FACTOR RECEPTOR - GFR Otokrin stimülasyon ile reseptörlerin aktive edilmesi Reseptörlerin sayı ve fonksiyonlarının değiştirilmesi K HARRINGTON, CLIN ONCOL, 2007

İDEAL BİR HEDEFE YÖNELİK TEDAVİNİN ÖZELLİKLERİ RT İLE BİRLİKTE KULLANIMINA BİR ENGEL OLMAMALI TÜMÖRDE YÜKSEK ORANDA EKSPRESE EDİLMELİ NORMAL DOKUDA OLMAMALI RT’NİN TEK BAŞINA LK’DE BAŞARISIZ OLDUĞU BİR KONUDA OLMALI TÜMÖR DİRENCİ İLE İLGİLİ BİR RADYOBİYOLOJİK MEKANIZMAYI AŞMAYA YARDIMCI OLMALI IN VITRO VE IN VIVO PREKLİNİK ÇALIŞMALARI OLMALI EGFR M KRAUSE, R&0 2006

ANTI GROWTH SIGNAL EVASION K HARRINGTON, CLIN ONCOL 2007

IMMORTALISATION BY REACTIVATION OF TELOMERASE Normal hücrede Hayflick limiti (replikatif limit) Kanser hücresinde telomer uzunluğu, telomeraz aktivitesinin artışıyla ya da diğer yollarla korunur. Radyasyonla birlikte çalışılması zor. Telomeraz aktivitesinin inhibe edilmesi zaman alıyor ve süreklilik gerektiriyor.

Klasik radyobiyoloji Fraksiyonasyon LQ model Tamir (sublethal hasar, lethal hasar) Oksijen etkisi Repopülasyon …

Doğrudan DNA hasarı dışı etkilenme BYSTANDER ETKİ: Radyasyonsuz ortamda görülen etki APSKOBAL ETKİ: RT’nin sistemik immün etkisi EPİGENETİK: DNA metilasyonu ve post-translasyonel histon modifikasyonu

Bystander etki Suzuki & Tsuruoka Biol Sci Space 2004

RIBE Murphy& Morton (1915) Parson (1954) Emerit (1994) Çernobil Mothersill&Seymour (2004) Kromozomal aberasyonlar, kardeş kromatid değişimi, genomik instabilite, gen ekspresyonunda değişiklik, apoptozis, sinyal iletilerinde değişme, radyoadaptif cevap, karsinogenez.

DNA metiltranseferazda değişiklik Epigenetik etkiler DNA metiltranseferazda değişiklik H2AX histonunda fosforilasyon ve H4K20 histonunda trimetilasyon ile hücre ölümü

DNA DIŞI HÜCRESEL CEVAP