Oncogenen, tumorsuppressiegenen en de medische genetica van kanker

Kanker is een ziekte waar de medische wetenschap tot nu toe slechts in algemene termen een antwoord op heeft. De meest gebruikte therapieën zijn gericht tegen snel delende weefsels in het algemeen en hebben daardoor veel bijwerkingen. Preventie en screening berusten vaak op prevalentiegegevens en zijn daardoor van beperkte waarde voor het individu.

Door de opkomst van de moleculaire genetica is in de laatste decennia veel kennis vergaard over het ontstaan van kanker en de factoren die daarbij betrokken zijn. De toepassing van deze kennis in de preventie, diagnostiek en therapie van kanker neemt daarbij toe, dankzij een goede samenwerking tussen artsen en onderzoekers. Zo is een nieuw vakgebied ontstaan dat de oncologische toepassing van de moleculair-genetische technieken beoogt: de medische genetica van kanker. In dit caput geven wij een overzicht van de herkomst en de inhoud van dit vakgebied.

Kanker is een ziekte van de genen

Ziekte wordt veroorzaakt door een wisselwerking tussen genetische aanleg en factoren uit de omgeving. Dit geldt ook voor kanker. Enerzijds zijn er invloeden van buiten het lichaam die kanker kunnen veroorzaken, zoals ultraviolette (UV-)straling, chemische stoffen en virussen. Deze agentia hebben als gemeenschappelijk kenmerk dat ze beschadigend werken op het DNA van cellen en daardoor mutaties kunnen veroorzaken. Anderzijds komt de invloed van aanleg naar voren in de wisselende gevoeligheid van mensen voor het krijgen van kanker. Bepaalde individuen of families hebben een grotere kans kanker te krijgen dan andere. Erfelijkheid speelt ook op cellulair niveau een rol: een tumor ontstaat uit een cel die tumoreigenschappen verwerft en deze via de genen in het DNA van de cel doorgeeft aan haar dochtercellen. De medisch geneticus plaatst het DNA centraal bij het ontstaan en bij de progressie van kanker en beschouwt net als de moleculair bioloog en Nobelprijswinnaar Bishop kanker als ‘een ziekte van de genen’.

Een karakteristieke eigenschap van een tumorcel is ongereguleerde celgroei en -differentiatie, waardoor tumorvorming, invasieve groei en metastasering kunnen optreden. Een aantal bij kanker betrokken genen heeft een functie als regulator van celgroei en -differentiatie. Boveri postuleerde al in 1929 het bestaan van twee verschillende regulerende mechanismen, die vertaald naar de huidige kennis berusten op twee typen genen.1 Ten eerste genen die normaliter een celgroeistimulerend effect hebben en door verhoogde activiteit tot versnelde groei en (of) mindere differentiatie leiden, de oncogenen. Ten tweede genen die in normale cellen een remmend effect op de celgroei hebben en waarvan juist inactivering leidt tot versnelde groei of verstoring van het contact met omgevende cellen. Deze genen worden tumorsuppressiegenen genoemd. Wij bespreken deze twee typen achtereenvolgens.

Oncogenen

Rond 1980 zijn in een type retrovirussen, de acute RNA-tumorvirussen, de eerste oncogenen geïdentificeerd.2 Retrovirussen zijn RNA-virussen die tumoren kunnen veroorzaken. Het genoom van deze virussen bevat 3 genen die nodig zijn voor de eigen vermenigvuldiging. Acute RNA-tumorvirussen onderscheiden zich doordat ze sneller dan de andere retrovirussen tumoren veroorzaken. Deze acute RNA-tumorvirussen blijken naast de 3 normaal aanwezige virale genen een extra gen te bevatten, dat de snelle tumorvorming veroorzaakt. Een voorbeeld hiervan is het H--ras-oncogen. Zeer belangrijk was de ontdekking dat dit soort genen ook een rol speelt in tumoren die niet door een virus veroorzaakt zijn. Dit werd duidelijk uit experimenten waarin DNA-fragmenten uit een humane blaascarcinoomcellijn werden ingebracht in gekweekte muizecellen. Enkele muizecellen verkregen daarbij tumoreigenschappen. Bij analyse van deze cellen bleek dat het ingebrachte DNA een gemuteerde versie bevatte van een gen (in dit geval het H-ras-gen) dat behoort tot de normale genenset van de mens. Dit veranderde cellulaire gen vertoonde daarnaast ook grote overeenkomst met het retrovirale H-ras-oncogen. De normale versie is betrokken bij de regulatie van de celgroei. Door veranderingen in dit gen, bijvoorbeeld door integratie in een virus of door mutaties als gevolg van UV-straling, krijgt het gen tumorgroeibevorderende eigenschappen. Op grond hiervan wordt dit soort normale cellulaire genen ‘proto-oncogenen’ genoemd. Door activering veranderen deze in oncogenen.

De retrovirussen zijn klaarblijkelijk tijdens de evolutie in staat geweest (delen van) menselijke genen op te nemen. Opname van een groeiregulerend gen en activering daarvan als gevolg van de integratie in het virus-DNA, leverde een groeivoordeel voor deze virussen op, waardoor ze bleven bestaan.

Er zijn ongeveer 70 oncogenen geïsoleerd. Sommige daarvan zijn betrokken bij tumoren van de mens. Onderzoek van deze tumoren heeft laten zien dat oncogenen behalve door mutaties ook op andere wijze geactiveerd kunnen worden, bijvoorbeeld door amplificatie, deletie of translocatie van gedeelten van chromosomen. Sommige van deze veranderingen zijn specifiek voor een bepaald tumortype. Bij leukemieën en lymfomen zijn dit vaak chromosoomtranslocaties en bij solide tumoren deleties en amplificaties.

Een voorbeeld van een tumorspecifieke structurele chromosoomverandering vinden wij bij chronische myeloïde leukemie (CML). Deze aandoening wordt gekenmerkt door een klonale expansie van niet volledig uitgedifferentieerde myeloïde cellen. In de leukemische cellen van een CML-patiënt heeft een reciproke translocatie tussen chromosoom 9 en 22 (afgekort: t(9;22)) plaatsgevonden.3 Deze translocatie is schematisch weergegeven in figuur 1. Het breukpunt in chromosoom 9 ligt in het abl-oncogen. De plaats van de breuk in chromosoom 22 ligt in een beperkt gebied van een bepaald gen op chromosoom 22, dat daarom ‘breakpoint cluster region’ (bcr)-gen wordt genoemd. Door de translocatie verhuist een gedeelte van het abl-gen van chromosoom 9 naar het achtergebleven deel van het bcr-gen op chromosoom 22. Er ontstaat een bcrabl-fusiegen, dat codeert voor een nieuw, groter bcrabl-fusie-eiwit. Dit fusie-eiwit heeft in vitro oncogene activiteit en kan in muizen het aan CML verwante myeloproliferatief syndroom veroorzaken.4 Dit maakt het waarschijnlijk dat door de translocatie het abl-oncogen geactiveerd is en dat deze activering betrokken is bij het ontstaan van CML.

Amplificatie van een gen is een toename van het aantal kopieën van dat gen per cel. In een normale cel bevinden zich 2 kopieën van ieder gen. Als gevolg van genamplificatie kan dat oplopen van 3 tot vele honderden genkopieën. Deze genamplificatie is microscopisch zichtbaar als homogeen gekleurde gebieden op het chromosoom of als kleine, haltervormige, chromosoomachtige structuren. Toen met moleculair-genetische technieken genamplificaties aangetoond konden worden, bleek dat ook hierbij oncogenen zijn betrokken en op deze wijze geactiveerd kunnen worden. Zo wordt in ongeveer 30 van de mammacarcinomen amplificatie van het erb B-2 (neu)-oncogen gevonden. In neuroblastomen vindt N-myc-amplificatie plaats, echter alleen in graad III- en graad IV-tumoren.5 Daarom wordt aangenomen dat deze amplificatie een rol speelt bij de progressie van de tumor.

Tumorsuppressiegenen

Tumorsuppressiegenen beschermen weefsels tegen tumorvorming. Alleen als beide genkopieën (allelen) van een tumorsuppressiegen geïnactiveerd zijn, kan een tumor ontstaan.6 Een goed voorbeeld van de wijze waarop tumorsuppressiegenen bijdragen aan de tumorgroei is het retinoblastoom, een tumor van embryonale retinacellen. Wanneer geen erfelijke factor in het spel is, heeft de patiënt meestal maar één tumor. Wanneer er wel sprake is van een erfelijk retinoblastoom, heeft de patiënt vaak meerdere tumoren, die zich bovendien op jongere leeftijd manifesteren. Knudson formuleerde in 1971 een statistisch model waarmee deze incidentieverschillen worden verklaard.7 Hij postuleerde dat een tumor alleen kan ontstaan als in een retinacel beide allelen van een tumorsuppressiegen door mutaties worden uitgeschakeld. Bij de erfelijke vorm wordt een gemuteerd allel geërfd van een van de ouders en is dat in de geslachtscellen aanwezig. Alle lichaamscellen, ook die van de zich ontwikkelende retina, hebben daardoor 1 gemuteerd allel. Als in een retinacel ook het 2e allel gemuteerd wordt, kan een tumor ontstaan. In het geval van een sporadisch retinoblastoom zijn beide allelen intact en moeten dus 2 mutaties in dezelfde retinacel plaatsvinden. De kans hierop is uiteraard veel kleiner, vandaar dat hier ook meestal slechts één tumor wordt gevonden. De juistheid van het model van Knudson is na klonering van het retinoblastoomgen in 1987 met moleculair-genetische technieken bevestigd.

Oncogenese als meerstapsproces

Wij hebben door middel van een aantal voorbeelden laten zien hoe oncogenen en tumorsuppressiegenen kunnen bijdragen aan tumorvorming. Andere voorbeelden hiervan worden gegeven in de tabel, waarin een aantal humane tumoren met de daarin gevonden genetische afwijkingen is opgenomen. Wij zien dat in een tumor vaak meerdere genetische veranderingen worden gevonden, zowel in oncogenen als in tumorsuppressiegenen. Het effect van 1 onco- of tumorsuppressiegen is kennelijk niet voldoende om een tumor te veroorzaken. Het is vooral de accumulatie van genetische veranderingen die uiteindelijk leidt tot het maligne karakter van de cellen. Een duidelijk voorbeeld hiervan is het coloncarcinoom. Zoals aangegeven in figuur 2 kan in de ontwikkeling van normale darmepitheelcel tot carcinoom een aantal adenoomstadia worden onderscheiden. Vogelstein et al. hebben aangetoond dat de overgang naar een volgend stadium steeds gepaard gaat met het verwerven van een nieuwe genetische verandering.8 Vaak wordt een vaste genetische verandering gezien bij de overgang naar een volgend stadium. Zo gaat de overgang van een adenoom met sterke atypie naar een carcinoom gepaard met mutaties in het p53-tumorsuppressiegen. Elk volgend stadium gaat dus gepaard met accumulatie van genetische veranderingen in de cel. Bij het coloncarcinoom betreft het achtereenvolgens deleties en mutaties van de genen: APC, MCC, K-ras, DCC en p53. Na metastasering worden ook verschillende andere genetische afwijkingen waargenomen.

Het lijkt erop dat in het geval van coloncarcinoom bij iedere overgang een eigen genetische verandering hoort. Als dit inderdaad het geval is, kan dit gebruikt worden om coloncarcinomen te classificeren op basis van de genetische veranderingen in de tumor.

Normale functie van oncogenen en tumorsuppressiegenen

Nieuwe therapieën en diagnostische methoden komen vaak voort uit een gedetailleerd inzicht in de (patho)fysiologie. Willen wij de kennis van tumorsuppressiegenen en oncogenen klinische toepassing geven, dan zullen wij eerst moeten weten wat de functie van deze genen in normale cellen is en op welke wijze ze betrokken zijn bij het ontstaan van tumoren.

De groei en de differentiatie van lichaamscellen worden gereguleerd door signalen van buiten de cel. Het is dan ook niet verbazingwekkend dat de produkten van oncogenen en tumorsuppressiegenen een functie hebben in de regulatie van de celgroei en de celdifferentiatie. In figuur 3 is dit regelsysteem schematisch weergegeven en is van een aantal oncogenen en tumorsuppressiegenen aangegeven waar het genprodukt gelokaliseerd is. Bij alle fasen van de celgroeiregulatie en -differentiatie zijn deze genprodukten betrokken: als groeifactoren, groeifactorreceptoren, boodschappermoleculen, transcriptiefactoren of als celcyclus-regulerende eiwitten.9 Het door het sis-oncogen gecodeerde produkt is een onderdeel van de ‘platelet derived growthfactor’ (PDGF), die met name endotheelcellen tot groei aanzet. Het oncogen int-2 bevat de code voor een eiwit met sterke gelijkenis met de fibroblastengroeifactor (FGF). Het erb B-2-oncogenprodukt is de receptor voor een nog onbekende groeifactor. Het oncogen abl, het tumorsuppressiegen NF-1 en de ras-genen zijn betrokken bij de signaaloverdracht van de receptor op de celmembraan, naar de celkern. In de celkern hebben de myc-, fos-, tcl- en WT-1-eiwitten een functie bij de DNA-transcriptie. De RB-, p53- en bcl-eiwitten hebben een functie bij de regulatie van de celcyclus.

Het is goed voor te stellen dat overproduktie of toegenomen activiteit van een groeifactor, zoals de door sis gecodeerde PDGF, tumorgroei kan bevorderen. Dit geldt ook voor het erb B-2-oncogen. Daarbij kan door genamplificatie het aantal groeifactorreceptoren sterk toenemen, met als gevolg een grotere stimulering van de celgroei door de (mogelijk nog onbekende) groeifactor. Amplificatie van genen van transcriptiefactoren zoals myc en fos kan tot overexpressie van deze groeistimulerende eiwitten leiden zonder dat er signalen van buitenaf komen. Verlies van het retinoblastoom-eiwit leidt door ontregeling van de celcyclus ook tot ongereguleerde groei. Het door het suppressiegen DCC gecodeerde eiwit is een celadhesiemolecuul. Mutatie of verlies hiervan verstoort de relatie tussen de cellen onderling.

Met deze kennis van de fysiologie en de pathologie kan gezocht worden naar nieuwe aangrijpingspunten voor therapie. Remming van een overactief signaalsysteem of suppletie van produkten van tumorsuppressiegenen behoort theoretisch tot de mogelijkheden. Daarnaast kunnen door tumorcellen geproduceerde eiwitten met een veranderde structuur gebruikt worden als aangrijpingspunt voor immuuntherapie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van specifiek tegen tumorcellen gerichte antilichamen, die al of niet gekoppeld zijn aan een chemotherapeuticum. Het moge duidelijk zijn dat de toepasbaarheid wordt gecompliceerd doordat in tumorcellen vaak meerdere genen beschadigd zijn, die gezamenlijk het instabiele regelsysteem vormen dat tot tumorgroei heeft geleid.

Medische genetica van kanker

De medische genetica van kanker is een nieuw vakgebied dat de toepassing van de genetische aspecten van kanker omvat. Wij geven een aantal voorbeelden.

In de diagnostiek wordt gebruik gemaakt van tumorspecifieke veranderingen in oncogenen. Bij CML bijvoorbeeld wordt het nieuwe bcrabl-oncogen gebruikt ter differentiatie van andere leukemieën, maar ook voor het vaststellen van het effect van therapie, het succes van beenmergtransplantatie en de vroege diagnostiek van een relaps. Met moleculair-genetische technieken kan een 10 tot 100 maal zo grote gevoeligheid bereikt worden als met de gevoeligste immunologische technieken.10

In 90 van de pancreascarcinomen komen ras-mutaties voor, maar niet in andere tumoren van het pancreas. Het aantonen van deze mutaties kan gebruikt worden om deze tumoren te onderscheiden van pancreatitis, galgangcarcinomen en de overige pancreastumoren waarin ras-mutaties niet vóórkomen. Met behulp van de gebruikelijke lichtmicroscopische technieken is dit onderscheid doorgaans moeilijk te maken.

Bij verscheidene vormen van kanker wordt een statistisch verband gelegd tussen oncogenamplificatie in de tumor en het beloop van de ziekte. Bij het mammacarcinoom is amplificatie van het erb B-2-oncogen gecorreleerd met een kortere respons op endocriene therapie en een goed effect van chemotherapie.11 N-myc- en L-myc-amplificatie correleren sterk met een ongunstige prognose bij een kleincellig longcarcinoom.12 Dergelijke waarnemingen kunnen consequenties hebben voor de therapie en de classificatie van deze tumoren.

Genetische advisering van families waarin een vorm van kanker veelvuldig vóórkomt, is een moeilijk probleem. Identificatie van de betrokken tumorsuppressiegenen betekent echter een grote vooruitgang.13 Technieken die met succes gebruikt worden bij bijvoorbeeld dragerschapsanalyse bij hemofilie worden hierdoor ook toepasbaar in de oncologie. Het wordt daardoor mogelijk vast te stellen of er in een familie erfelijke aanleg tot het krijgen van kanker bestaat. En ook wordt het mogelijk vast te stellen welke familieleden drager zijn van een gemuteerd allel van een betrokken tumorsuppressiegen en daardoor kans hebben op het krijgen van de ziekte. Belastende preventieve maatregelen zoals frequente coloscopie of mammografie kunnen dan beperkt worden tot degenen die drager zijn en dus baat hebben bij preventie.

Conclusie

De inbreng van de medische genetica van kanker breidt zich momenteel uit over alle terreinen van de oncologie, te weten: tumordiagnostiek, de keuze en de evaluatie van therapie, de ontwikkeling van nieuwe specifieke therapieën, en genetische advisering. De verwachting lijkt gerechtvaardigd dat deze inbreng in de nabije toekomst sterk zal toenemen.