background image

THE MOLECULAR BASIS OF CANCER 

 

1. 

Non-lethal  genetic  damage

  lies  at  the  heart  of 

carcinogenesis. This damage (mutation) may be  

A. Acquired

 by environmental factors such as  

-  Radiation,  
-  Chemical substances  
-  Viruses  

B.  Inherited

 in the germ line. 

 
The  tumor  mass  is  the  result  of  clonal  expansion  of  a  single 
proginator cell 
that incurred the genetic damage.  
Progenitor cell is that from which another cell or a family of cells is 
descended, (an ancestor; a parent). 

 

2.  Involvement of normal regulator genes. Three classes 

of 

normal 

regulator 

genes 

are 

involved 

in 

carcinogenesis; 

a.  The growth promoting proto-oncogenes. 
b.  The growth inhibiting cancer suppressor genes. 

c. 

Genes  that  control  programmed  cell  death. 

The  programmed  cell 

death is termed apoptosis. 

 

These three types of genes are the principal targets of genetic damage. 
Mutant alleles of the first group are considered dominant.  
Both  normal  alleles  of  the  second  group  must  be  damaged  or  absent 
(most  of  cases).  For  this  reason  they  are  called  recessive  oncogenes. 
The third group may act in both ways. 

Oncogenes  are  derived  from  proto-oncogenes;  these  are  cellular 
genes that promote normal growth & differentiation. 

 

3. 

Genes  regulating  repair  of  DNA  damage.

 

A  forth 

category of genes are those that regulate repair of damaged DNA. 
These  affect  cell  proliferation  or  survival  indirectly  by 
influencing  the  ability  of  the  organism  to  repair  non-lethal 
damage in other genes. Both alleles must be inactivated to induce 
genomic  instability.  In  this  respect,  they  can  be  considered  as 
tumor suppressor genes.  

4. 

Carcinogenesis 

is a multi-step process at both the phenotypic 

and the molecular (genetic) levels.  


background image

 
At the phenotypic level
, excessive growth, local invasiveness & 
distant  metastasis  are  acquired  in  a  stepwise  fashion  a 
phenomenon called tumor progression.  

(Phenotypic:  pertaining to the observable features of organisms)

 

 
At  the  genetic  (molecular)  level,  these  features  are  due  to 
accumulation of genetic lesions that are favored or facilitated by 
defects in the DNA repair.  
 
Fortunately, in most if not all instances, no single mutation is 
sufficient  to  transform  a  normal  cell  into  a  cancer  cell. 
Carcinogenesis is thus a multistep process resulting from the 
accumulation  of  multiple  genetic  alterations  that  collectively 
give  rise  to  the  transformed  phenotype  and  all  of  its 
associated  hallmarks,  Every  cancer  reveals  multiple  genetic 
alterations involving activation of several oncogenes & loss of 
tumor suppressor genes. 
 

 


background image

 
A simplified scheme of the molecular basis of cancer  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Acquired(environmental)  

DNA damaging agents: 

  Chemicals 

  Radiation 
  viruses 

NORMAL CELL 

DNA Damage 

Mutations in the 

genome of  

somatic cells 

Inherited mutations in : 

  Genes affecting 

DNA repair  

  Genes affecting cell 

growth or apoptosis  

Inactivation of 

cancer suppressor 

genes 

Alterations of 

genes that 

regulate apoptosis  

Activation of 

growth-promting 

oncogenes 

Expression of altered gene products 

and loss of regulatory gene products 

Malignant neoplasm 

Failure of 
DNA repair 

Clonal expansion  

Additional mutations (progression) 

Heterogeneity 

Successful  
DNA repair 


background image

 

VIRAL CARCINOGENESIS 

 

DNA  oncogenic  viruses

:  some  of  these  viruses  contain  oncogenic 

sequences  like  human  papilloma  virus.  Others  like  hepatitis  B  virus  & 
Epstein  Bar  virus  (EBV)  do  not  contain  oncogenic  sequences  so  they  act 
indirectly.  The  DNA  virus  must  be  integrated  in  the  DNA  of  the  host  cell. 
Early  genes  containing  the  promoters  &  core  protein  genes  must  be 
integrated. Late genes (coat protein genes) are excluded. When these genes 
are integrated  they  code  for the production of  transforming proteins,  which 
bind to cellular proteins that regulate growth. 

 

RNA oncogenic viruses

: all RNA viruses involved in carcinogenesis are 

retroviruses i.e. they contain the enzyme reverse transcriptase. The latter 
helps in DNA synthesis by these viruses. 

 

 
 
 

 

 

CANCER SUPPRESSOR GENES 

 

The most important of these are the Rb (retinoblastoma) & P53 genes.  

Loss  or  malfunction  of  key  regulatory  proteins  that  these  genes  encode  can 
cause malignancy 

The retinoblastoma gene (Rb) 

The of Rb protein (pRb) active form serves as a brake to DNA replication in 
cell cycle.  
Mutation renders the protein inactive & thus the cell divides non-stop. 
 
The mutations of the Rb lead to neoplastic proliferation of the retinal cells.  
 
In the familial form of retinoblastoma, all somatic cells inherit one mutant 
Rb gene from a carrier parent. The second mutation affects the Rb locus in 
one of the retinal cells after birth.  
 
In the sporadic form of retinoblastoma, on the other hand, both mutations 
at the Rb locus are acquired by the retinal cells after birth. 

 


background image

p53 

Another  very  important  gene;  it  is  the  guardian  of  the  genome  or  the 
molecular policeman.  
p53 prevents replication of damaged or faulty DNA. It either stops the cell 
in the G1 phase or promotes apoptosis.  
 
Faulty  p53  molecules  allow  cell  with  damaged  DNA  to  survive  & 
replicate.
  The  existing  mutation  will  pass  to  the  progeny  cells,  which  will 
have the chance to accumulate additional mutations to pass to neoplasia.   
 
P53  gene  is  the  single  most  common  target  of  genetic  alteration  in 
human tumors.
 50% or more of human tumors have either loss of p53 gene 
in both alleles or have what is called “a negative dominant mutation”. 
P53  is  called  into  action  in  emergency  breaks  after  exposure  to  irradiation, 
UV  light or  mutagenic  chemicals. The  accumulated  wild  type  p53 binds to 
DNA & stimulates transcription of several genes that mediate the two major 
effects of p53:  

a.  Cell cycle arrest &  
b.  Apoptosis. 

 

 

GENES THAT REGULATE APOPTOSIS 

These  genes  either  prevent  programmed  cell  death  (apoptosis)  e.g.  bcl-2,  or 
induce  programmed  cell  death  e.g.  bax  &  bad  genes.  Juxtaposition  of 
immunoglobulin  heavy  chain  gene  located  on  chromosome  14q  with  bcl-2 
located  on  chromosome  18q  causes  over-expression  of  bcl-2. By  a  not  well-
understood  mechanism  this  over  expression  protects  lymphocytes  from 
apoptosis; they survive causing lymphadenopathy 
 

The  tumor  suppressor  gene  P53  mediates  up-regulation  of  the  bax  gene 
promoting apoptosis.  

 
 

GENES THAT REGULATE DNA REPAIR

 

There  are  several  inherited  disorders  in  which  genes  that  encode  proteins 
involved in DNA repair are defective. Those are at great risk of developing 
cancer. 

 

DNA  repair  genes  are  not  oncogenic  but  allow  mutations in other  genes in 
normal cell cycle.  
 


background image

 

biological properties of cancer cells.

  

    It  appears  that  all  cancers  display  eight  fundamental  changes  in  cell 
physiology,  which  are  considered  the  hallmarks  of  cancer.  These  changes 
are consist of the following:  

• Self-sufficiency in growth signals  
• Insensitivity to growth-inhibitory signals 
 • Altered cellular metabolism 
 • Evasion of apoptosis  
• Limitless replicative potential (immortality)  
• Sustained angiogenesis  
• Invasion and metastasis 
 • Evasion of immune surveillance 
 


background image

    

Eight  cancer  hallmarks  and  two  enabling  factors  (genomic  instability  and  tumor-

promoting  inflammation).  Most  cancer  cells  acquire  these  properties  during  their 
development, typically due to mutations in critical genes.

 

 
 
 

Mechanism of local and distant spread:- 

 
Invasion and metastasis are biologic hallmarks of malignancy. 
The spread of tumors is a complex process involving a set of steps. 

 

1- Invasion of extracellular matrix: 

Human tissues are organized into a series of compartment 
separated from each other by two steps of extracellular matrix, 
basement membrane and interstitial CT, the tumor cells must 
interact with ECM at several stages, a carcinoma must first 
breach the underlying basement membrane, then traverse the 
interstitial CT and gain access to the circulation by penetrating 
the vascular BM, this cycle is repeated when tumor cell emboli 


background image

extravasate at a distant site, invasion of ECM is an active 
process that can be resolved into four steps: 
 
1- Detachment of tumor cells from each other. 
2- Attachment of tumor cells to matrix components. 
3- Degradation of ECM. 
4- Migration of tumor cells. 

 

 

 


background image

 

 
 
Vascular dissemination and homing of tumor cells once in the 
circulation tumor cells are vulnerable to destruction by the host 
immune cells, in the blood stream, some tumor cells form 
emboli by aggregating and adhering to circulating leukocytes, 
particularly platelets, aggregated tumor cells are afforded some 
protection from the antitumor host effecter cells, extravasation 
of free tumor cells or tumor emboli involves adhesion to the 
vascular endothelium followed by egress through the BM by 
mechanism similar to these involved in invasion. 
 
The site of extravasation and the organ distribution of metastasis 
can generally be predicted by the location of primary tumor and 
its vascular or lymphatic drainage, however in many cases the 
natural pathways of drainage do not readily explain the 
distribution of metastasis e.g. some tumor as lung cancers tend 
to involve the adrenals but almost never spread to skeletal 
muscles such organ tropism may be related  to expression of 


background image

adhesion molecules by tumor cells whose ligands are expressed 
on the endothelium of target organs another novel mechanism of 
site-specific homing involves chemokines and their receptors 
chemokines are involved indirected movement (chemotaxis) of 
leukocytes. 

So that the site at which metastases appear is related to two 

factors:  
1-  the anatomic location and vascular drainage of the primary tumor,  
2-  and the tropism of particular tumors for specific tissues.      
 

e.g  humen breast cancer cells express high levels of the 
chemokine receptor genes, the lignads for these receptors are 
highly expressed only in those organs where breast cancer 
metastasis, so the application by blocked of kemokine receptors 
may limit metastasis.  
 


background image

  

 

 


background image

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 93 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل