Kræft er en fællesbetegnelse for en lang række sygdomme hvor nogle af vores celler begynder at vokse uhæmmet. Kroppens almindelige celler kan kun udvikle sig til kræftceller igennem massive ændringer i deres arvemasse, DNA’et. Heldigvis er alle vores celler fra naturens side udstyret med et forsvarsværk, DNA-skade responset, som beskytter vores DNA og dermed holder kræften på afstand.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2008 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Simon Bekker-Jensen, PhD og Niels Mailand, PhD, Kræftens Bekæmpelses Center for Gentoksisk Stress Forskning
En menneskekrop består af lige i underkanten af en million milliard celler. En så kompleks organisme kan kun fungere fordi alle vores celler indgår i et socialt netværk, som dikterer hvordan hver enkelt celle skal opføre sig. Således lever og dør alle cellerne kun med det formål at forme, vedligeholde og beskytte vores krop. Et vigtigt princip i den færdigudviklede organisme er, at der skal være homeostase, dvs. balance mellem hvor mange celler der dør og hvor mange nye celler der dannes. Derfor udøves der streng kontrol med cellevækst og celledød, både fra cellernes indre og fra påvirkninger i deres miljø. Kræft opstår når en enkelt af vores celler kaster denne kontrol fra sig og begynder at vokse og dele sig uhæmmet. Dette giver anledning til dannelsen af en lokal klump af celler, en kræftsvulst. I mange tilfælde kan kræften sprede sig til andre steder i kroppen og ødelægge de indre organer, og det er denne proces som slår langt de fleste kræftpatienter ihjel (ref. 1).
Grunden til at kræftceller ikke opfører sig som vores normale celler er, at deres DNA er anderledes. Tilfældige ændringer i en celles DNA, også kaldet mutationer, kan resultere i, at der bliver produceret for meget af ét protein og måske for lidt af et andet. Andre ændringer kan gøre at cellen mister hele gener, eller at nogle af dens proteiner får en skadelig funktion. Og da det er cellens proteiner som udfører alle dens funktioner, så kan disse ændringer også bevirke, at den normale kontrol med celledeling bliver sat ud af kraft.
Vi bliver bombarderet med DNA-skader
Langt de fleste af de skadelige mutationer opstår som resultatet af en skade på DNA, som ikke bliver repareret korrekt. Og faktisk bliver cellernes DNA konstant påført massive mængder af DNA-skader, både fra naturens side og pga. en usund livsstil. Som de naturlige kilder til DNA-skader kan bl.a. nævnes frie radikaler dannet ved cellernes naturlige stofskifte, og stråling fra solen, rummet og jorden. Vi påfører også selv vores celler DNA-skader når vi f.eks. ryger, solbader eller lader os påvirke af giftige kemikalier, og det er derfor at disse velkendte risiko-faktorer kan give anledning til kræft.
Problemet med at vedligeholde DNA’et har eksisteret lige siden livets oprindelse for milliarder af år siden. Derfor er der igennem evolutionen udviklet og forfinet metoder til at beskytte alle typer af levende celler mod de farlige konsekvenser af DNA-skader.
Således råder alle levende celler over en lang række proteiner, hvis vigtigste opgave er at sørge for at skader på DNA bliver repareret hurtigt og korrekt. Alle disse proteiner fungerer i et kompliceret netværk af pathways, kaldet DNA-skade responset (ref. 2). Dette respons aktiveres af skader på DNA og påvirker diverse aspekter af cellers skæbne såsom cellevækst, celledød og – selvfølgelig – DNA-reparation.
Udforskning af DNA-skade responset
På Center for Gentoksisk Stress Forskning (CGSF), beliggende på Kræftens Bekæmpelse, forsøger vi at forstå hvordan DNA-skade responset fungerer i menneskelige celler, og dermed også hvordan vi normalt er beskyttet med kræft. Målet med denne forskning er i første omgang at identificere de proteiner som er med til at vedligeholde og reparere vores DNA, samt at forstå hvordan disse proteiner spiller sammen.
En vigtig egenskab for mange af DNA-skade respons-proteinerne er, at de akkumulerer på de steder i cellekernen hvor skaderne befinder sig. Herved opnås en højere lokal koncentration af de vigtige reparationsfaktorer, hvilket er vigtigt for at sikre en effektiv og korrekt reparationsproces. På CGSF har forskerne udviklet et fascinerende eksperimentelt værktøj til at følge reparationsproteinernes jagt på DNA-skaderne: Ved at føre en laserstråle igennem cellernes kerner, kan vi påføre dem DNA-skader specifikt langs laserens spor. Og ved at fusionere de interessante proteiner med det grønne fluorescerende protein (GFP), og introducere disse fusionsproteiner i cellerne, kan vi vha. fluorescensmikroskopi følge akkumulationsprocessen mens den foregår (figur 1).
Dette unikke værktøj har tilladt os at konstruere en tidstabel over hvornår de forskellige proteiner ankommer til DNA-skaderne. Og det viser sig at denne proces foregår ekstremt hurtigt, men at proteinerne alligevel akkumulerer i en nøje tilrettelagt rækkefølge. Således har vi fundet ud af at der eksisterer to tidsmæssigt adskilte akkumulationsbølger i den allertidligste del af DNA-skade responset (ref. 3). De først ankomne proteiner, såsom Mdc1 og Nbs1, kan detekteres ved DNA-skaderne blot få sekunder efter at læsionerne er blevet dannet, og allerede efter 2 minutter er akkumuleringen af disse tidlige proteiner maksimal. Den anden akkumulationsbølge, hvor proteiner som 53BP1 og BRCA1 finder frem til DNA-skaderne, starter et par minutter efter den første bølge, men følger i øvrigt samme kinetik.
Proteinkomplekser er som små lego-klodser
Fjerner man bare en enkelt af de vigtige reparationskomponenter, betyder det at cellernes evne til at overleve DNA-skader reduceres markant. Vi ved således, at defekter i proteiners akkumulation ved DNA-skader fører til et kompromitteret DNA-skade respons og dermed dårligere DNA-reparation. Derfor har man brugt mange kræfter på at afdække og forstå de molekylære mekanismer som ligger bag den dramatiske og meget vigtige opkoncentrering af proteiner ved DNA-skader.
Og takket være den intensive forskning i dette emne fra vores eget og andre førende laboratorier igennem de sidste par år, begynder der nu at tegne sig et billede af hvordan reparationsproteinerne hjælper hinanden til at finde DNA-skaderne. Det viser sig at denne proces involverer diverse kemiske modifikationer af både reparationsproteinerne og kromatin (den proteinstruktur som cellekernens DNA er pakket ind i).
De kemiske modifikationer udgør den lim som tillader proteinerne at binde til hinanden på helt nye måder, samt at blive »klistret« fast til DNA-skaderne. Proteinerne er nemlig som små legoklodser, som kan sættes sammen på alle mulige forskellige måder, afhængig af hvilke kemiske modifikationer de bliver påført. Og udfordringen har i høj grad været at afdække de præcise detaljer som ligger til grund for at »legoklodserne« sætter sig sammen. En mere detaljeret og videnskabelig model for reparationsproteinernes binding til DNA-skader er beskrevet i figur 2.
Fejl i reparationsgener ligger bag arvelig kræft
En tredjedel af alle danskere når at få kræft i løbet af deres levetid, og ca. en fjerdedel af os vil dø af denne sygdom (ref. 4). Disse tal virker skræmmende høje, men når man tænker på hvor mange celler vi består af, og hvor mange DNA-skader disse celler hele tiden bliver påført fra naturlige og menneskeskabte kilder, ja så er det måske snarere et mirakel at kræft ikke opstår oftere. Og faktisk har nogle mennesker arvet en markant højere risiko for at udvikle kræftsygdomme. I nogle tilfælde kan sådanne prædisponerede personer sågar udvikle kræft flere gange i løbet af deres levetid, noget som næsten aldrig ses hos normalt disponerede personer.
De fleste tilfælde af arvelig kræft skyldes nedarvede mutationer i de gener som koder for DNA-skade respons-proteinerne. Hvis ens celler fra naturens side er udstyret med et defekt DNA-skade respons, så er der stor chance for at en eller flere af dem får tilraget sig nogle af de uheldige mutationer som i sidste ende kan omdanne dem til kræftceller.
Et gen som mere end noget andet er associeret med arvelig kræft er det som koder for BRCA1, et af de reparationsproteiner som akkumulerer ved DNA-skader. Opdagelsen i 1990’erne af at netop dette gen er muteret i familier, hvor kvinder har op til 80% risiko for at udvikle kræft i bryst og æggestokke, markerer starten på en revolution i den molekylære kræftforskning. Et af målene med vores forskning er netop at identificere nye komponenter i DNA-skade responset, og disse gener har alle potentialet til at ligge bag nogle af de mange tilfælde af arvelig kræft. Og jo flere af sådanne gener vi kender, jo flere muligheder har vi for at finde de mest udsatte grupper i befolkningen, så man i disse tilfælde kan skride ind overfor kræften i tide.
På CGSF har vi for nylig identificeret proteinet RNF8, en ny og meget vigtig komponent i DNA-skade responset (ref. 5). Vi ved endnu ikke om genet som koder for RNF8 kan linkes direkte til arvelige kræfttilfælde, men vores opdagelse af at proteinet regulerer BRCA1-proteinets normale funktion (se figur 2), gør at det er yderst relevant at undersøge.
Kan vi få bedre kræftbehandling?
Det er skader på vores DNA som ligger bag kræft, men paradoksalt nok behandler vi de fleste kræftsygdomme ved at forsøge at beskadige kræftcellernes DNA så meget at de dør af det. Kemo- og stråleterapi forårsager store mængder af skader på alle cellers DNA, de raske såvel som de syge. Men ofte er kræftcellerne opstået fordi de har fået ødelagt deres DNA-skade respons tidligt i kræftudviklingen. Derfor er kræftcellerne oftest mere følsomme overfor DNA-skader end vores raske celler, og derfor virker kemo- og stråleterapi i mange tilfælde.
Effekten af behandlingen på vores raske celler sætter dog en naturlig grænse for hvor aggressivt man kan behandle kræften. De velkendte bivirkninger ved kemoterapi såsom nedbrydning af patientens mave-tarm funktion, svækket immunforsvar og hårtab, skyldes utilsigtet drab på de mest følsomme af kroppens raske celler. Derfor forskes der intensivt i metoder som kan øge den toksiske effekt på kræftcellerne, og/eller reducere virkningen på de raske celler. Et eksempel er regional kemoterapi, hvor man kortvarigt standser blodcirkulationen gennem et kræftramt organ, for at forhindre at de injicerede kemoterapeutiske midler kan cirkulere rundt i hele kroppen.
En anden mulighed, som har tiltrukket sig medicinalindustriens interesse, er at farmakologisk hæmme kræftcellernes evne til at reparere de DNA-skader som kemo- og stråleterapi forårsager. De mest åbenlyse drug targets i denne forbindelse er de enzymer som er involveret i DNA-skade responset. Langt de fleste traditionelle lægemidler er netop små molekyler som specifikt binder til og hæmmer aktiviteten af et enzym i vores celler.
De seneste års intensive forskning i DNA-skade responset har ført til identifikationen af en række relevante enzymer, og en forståelse af deres virkemåde. Et eksempel på et muligt drug target er det nyligt opdagede enzym RNF8, som vi ved fra vores cellemodeller har betydning for om kræftceller kan overleve at blive påført DNA-skader. Grunden til at dette enzym er så vigtigt, er at det er nødvendigt for at reparationsproteiner som 53BP1 og BRCA1 kan akkumulere ved DNA-skaderne (figur 3).
Inhibitorer af andre enzymer i DNA-skade responset er langt tættere på at blive medicinsk virkelighed, og der pågår for tiden adskillige kliniske studier, som skal evaluere effekten af at kombinere denne nye type af lægemidler med konventionel kemo- og stråleterapi. Selvfølgelig vil disse lægemidler også have en effekt på kroppens raske celler, men det er sandsynligt, at kræftcellerne er de mest følsomme, ligesom de er det overfor de almindelige metoder til at behandle kræft. Kræftcellerne er jo i de fleste tilfælde blevet til i kraft af et kompromitteret DNA-skade respons, så måske kan den ekstra indgriben i deres evne til at reparere DNA være det som skubber dem ud over kanten. De almindelige celler vil derimod have langt flere forsvarsresourcer til deres rådighed.
Kræftsygdomme har for længst vist sig som en meget hård nød at knække, og mange nye behandlingsprincipper har ikke kunnet leve op til de første lovende resultater. Men desto vigtigere er det, at vi bliver ved med at udtænke og afprøve nye behandlinger.
Referencer
[1] Hanahan, D. og Weinberg, RA. (2000). The hallmarks of Cancer. Cell, 100(1):57-70.
[2] Kastan, MB. og Bartek, J. (2004). Cell-cycle checkpoints and cancer. Nature, 432(7015):316-23.
[3] Bekker-Jensen, S., Lukas, C., Melander, F., Bartek, J., og Lukas, J. (2005). Dynamic assembly and sustained retention of 53BP1 at the sites of DNA damage are controlled by Mdc1/NFBD1. J Cell Biol, 170(2):201-11.
[4] Clemmensen, IH. Nedergaard, KH. og Storm HH. (2006). Kræft i Danmark – en opslagsbog. Udgivet på FADL’s forlag for Kræftens Bekæmpelse.
[5] Mailand N., Bekker-Jensen S., Melander F., Faustrup H., Bartek J., Lukas C. og Lukas J. RNF8 ubiquitylates histones at DNA double-strand breaks and promotes assembly of repair proteins. Cell, 131(5):887-900.
Simon Bekker-Jensen (th) er 28 år gammel og uddannet som bioteknologi-ingeniør og PhD fra Danmarks Tekniske Universitet.
Niels Mailand er 34 år gammel og uddannet som biokemiker og PhD fra Københavns Universitet.
Begge arbejder som forskere på Kræftens Bekæmpelses ”Center for Gentoksisk Stress Forskning”, som ledes af Professor Jiri Lukas fra Tjekkiet. Centeret beskæftiger ca. 20 forskere, hvoraf godt halvdelen er udenlandske.
Figur 1. Binding af proteiner til DNA-skader. Ved at føre en laserstråle igennem cellekernerne, beskadiges DNA’et i laserens spor. Mange af proteinerne i DNA-skade responset reagerer på dannelsen af disse læsioner, ved at opkoncentreres på de steder i cellekernen hvor skaderne findes. Her er det to cellekerner som indeholder proteinet 53BP1, koblet til det grønne fluorescerende protein (GFP), som er blevet ramt af laseren. De to billeder er taget henholdsvis før (venstre) og 10 minutter efter laserbestrålingen (højre). Pilene indikerer laserens vej igennem cellekernerne.
Figur 2. Model for binding af proteiner til DNA-skader. Når et kromosom knækker midt over (trin I), bliver kromatinet i nærheden af DNA-skaden fosforyleret af enzymet ATM (trin II). Kromatin er den proteinstruktur som cellens DNA er pakket ind i. Proteinet Mdc1 har stærk affinitet for kromatin, men kun når det er fosforyleret af ATM, og derfor kan Mdc1 akkumulere ved det beskadigede DNA (trin III). Mdc1 fungerer hovedsageligt som en bindingsplatform for andre proteiner, og takket være denne funktion rekrutterer Mdc1 proteinerne Nbs1 og RNF8 til DNA-skaderne (trin IV). Ligesom ATM er RNF8 et enzym, som straks går i gang med at modificere det beskadigede kromatin. RNF8 katalyserer den kovalente binding af ubiquitin-molekyler (et lille signaleringsprotein som alle celler indeholder store mængder af) til kromatinet (trin V). Herved ændres kromatinstrukturen endnu en gang, og der dannes en bindingsplatform for proteinerne 53BP1 og BRCA1 (VI). Omstruktureringen af kromatin er en relativt tidskrævende proces, og derfor kan man observere at 53BP1 og BRCA1 ankommer til DNA-skaderne 1-2 minutter efter Mdc1, Nbs1 og RNF8. Den massive akkumulering af proteinkomplekser ved DNA-skader, sikrer at DNA’et bliver repareret effektivt og korrekt.
Figur 3. Hæmning af enzymet RNF8 resulterer i et defekt DNA-skade respons. Cellekernerne for oven har et intakt DNA-skade respons, og akkumulerer både Mdc1 og 53BP1 i laserens spor. Proteinerne er farvet vha. fluorescerende antistoffer, og den gule farve til højre i det øverste panel indikerer co-lokalisering af de to proteiner ved DNA-skaderne. Cellerne forneden har derimod fået fjernet RNF8 ved brug af siRNA-teknologi, og kan derfor ikke længere akkumulere 53BP1. En tilsvarende situation vil opstå ved farmakologisk hæmning af RNF8’s enzymatiske aktivitet. Fra celleforsøg ved vi at dette gør kræftceller ekstra følsomme overfor behandlinger som modsvarer kemo- og stråleterapi.
