background image

THE EITIOLOGY OF CANCER 

 
The  cause  of  cancer  has  been  a  focus  of  scientific  researches  for  over  half  a 
century.  
 
Evidences now indicate that for a large number of cancer types, there exist not only 
environmental influences but also hereditary predisposition. 
 
Hereditary forms of cancer can be divided into 3 categories: 

 

a.  Inherited cancer syndromes:  whereby, inheritance of  a single  mutagen 

(i.e. an agent that causes mutation) greatly increases the risk of developing 
a  tumor.  The  predisposition  to  these  tumors  shows  an  autosomal 
dominant
 type of inheritance. Examples include  

-  Retinoblastoma. 
-  Familial adenomatous polyps. 

 

b.  Familial cancers. Many known types of cancer are included here whereby 

tumors  

-  Occur in an early age.  
-  Arise in two or more relatives.   
-  Are sometimes multiple or bilateral.  

 
The  predisposition  is  either  dominant  or  multifactorial  (multifactorial: 
multiple factors).
 
Sometimes  tumors  are  linked  to  certain  genes  such  as  the  linkage  of 
BRCA-1 & BRCA-2 to familial breast & ovarian cancers. 
(BRCA stands for breast carcinoma) 

 

c.  Autosomal  recessive  syndromes  of  defective  DNA  repair  e.g. 

xeroderma pigmentosa(um) .  

 
 
 


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 cells. 

 

2.  The  tumor  mass  is  the  result  of  clonal  expansion  of  a  single 

progenitor  (precursor)  cell  that  incurred  the  genetic  damage.  When 
such tumors are analyzed in women who are heterozygous for x-linked 
markers, they are made up of cells that contain the active maternal X

A

 

or the paternal X

B

 chromosomes but not both. 

Progenitor  cell  is  that  from  which  another  cell  or  a  family  of  cells  is  descended,  (an 
ancestor; a parent). 

The  most  commonly  used  method  to  determine  tumor  clonality  involves 
the  analysis  of  methylation  patterns  adjacent  to  the  highly  polymorphic 
locus  of  the  human  androgen  receptor  gene,  AR.  The  frequency  of  such 
polymorphisms in the general population is more than 90%, so it is easy to 
establish clonality by showing that all the cells in a tumor express the same 
allele. For tumors with acquired cytogenetic aberrations of any type (e.g., a 
translocation) their presence can be taken as evidence that the proliferation 
is  clonal.  Immunoglobulin  receptor  and  T-cell  receptor  gene 
rearrangements serve as markers of clonality in B- and T-cell lymphomas, 
respectively. 
3.  Involvement  of  normal  regulatory  genes.  Four  classes  of  normal 

regulatory 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  because  they 
transform cells despite the presence of a normal counterpart.  .  
Both  normal  alleles  of  the  second  group  must  be  damaged  or  absent 
(recessive).  However,  loss  of  a  single  allele  of  a  tumor  suppressor  gene 
sometimes reduces levels or activity of the protein enough that the brakes on 


background image

cell proliferation and survival are released. Loss of gene function caused by 
damage  to  a  single  allele  is  called  haploinsufficiency.  Such  a  finding 
indicates  that  dosage  of  the  gene  is  important,  and  that  two  copies  are 
required for normal function. The third group may act in both ways, i.e. may 
behave as proto-oncogenes or tumor suppressor genes.

 

 

 

d.  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.  A  disability  in  the  DNA-repair 
genes can predispose cells to widespread mutations in the genome and 
thus  to  neoplastic  transformation.  Cells  with  mutations  in  DNA  repair 
genes are said to have developed a  mutator phenotype. Interestingly, a 
new  class  of  regulatory  molecules,  called  microRNAs  (miRNAs),  has 
recently  been  discovered.  Even  though  they  do  not  encode  proteins, 
different  families  of  miRNAs  have  been  shown  to  act  as  either 
oncogenes or tumor suppressors. They do so by affecting the translation 
of other genes. 
  
 

4.  Carcinogenesis is a multi-step process at both the phenotypic and the 

molecular (genetic) levels.  
 
At the phenotypic level
, excessive growth, local invasiveness & distant 
metastasis  are  acquired  in  a  stepwise  fashion  so  that  over  a  period  of 
time  many  tumors  become  more  aggressive  and  acquire  greater 
malignant potential, 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.  
 
Every cancer reveals multiple genetic alterations involving activation of 
several  oncogenes  &  loss  of  tumor  suppressor  genes.  Tumor 
progression and associated heterogeneity result from multiple mutations 
that  accumulate  independently  in  different  cells,  generating  subclones 
with  varying  abilities  to  grow,  invade,  metastasize,  and  resist  (or 


background image

respond  to)  therapy.  Some  of  the  mutations  may  be  lethal;  others  may 
spur  cell  growth  by  affecting  additional  proto-oncogenes  or  tumor 
suppressor genes. Even though most malignant tumors are monoclonal 
in  origin,  by  the  time  they  become  clinically  evident  their  constituent 
cells are
 extremely heterogeneous. During progression, tumor cells are 
subjected to immune and nonimmune selection pressures. For example, 
cells that  are highly  antigenic  are destroyed by  host defenses, whereas 
those  with  reduced  growth  factor  requirements  are  positively  selected. 
A growing tumor therefore tends to be enriched for subclones that “beat 
the odds” and are adept at survival, growth, invasion, and metastasis. 
Genes that seem to regulate the entry into the multistep carcinogenesis 
pathway  are  called  gatekeeper  genes.  Those  that  affect  genomic 
stability  are  called  caretaker  genes.  Their  loss  leads  to  increase 
mutations of all genes including the gatekeepers.  

 

 

FEATURES (PROPERTIES) OF TRANSFORMED CELLS:  

 
On  cell  culture,  one  can  differentiate  normal  cells  from  those  undergoing 
transformation as follows: 

 
1.  Density  independent  growth.  The  tumor  cells  are  usually  density 

independent in their growth. Instead of producing confluent monolayer 
on tissue culture (as is the case with normal cells), they continue to pile 
up on top of each other. 

2.  Anchorage  independent  growth  i.e.  there  is  no  attachment  to  solid 

support such as plastic surface. Transformed cells grow in suspension in 
a semisolid medium like soft agar. 

3.  Immortality. Fetal fibroblasts undergo 50 divisions before they senesce 

(grow old). Transformed cells continue on dividing. 

4.  Decreased  dependence  on  exogenous  growth  factors.  They  produce 

their own growth factors leading to autocrine stimulation of growth i.e. 
respond to growth factors that they secrete. 

5.  In vivo tumorigenicity. When used in suspension, they produce tumors 

in nude mice. 

6.  Formation of blood vessels (capillaries). 
7.  Metastasis.  

Upon applying those features on malignant cells we can summarize 
the essential alterations for malignant transformation as follows: 


background image

 

     
   

     Self-sufficiency in growth signalsSignalling in between cell could be one 

of the folliwings:  

1.  Autocrine:  cells  respond  to  signaling  substances  that  they 

secrete (growth factors). The cell produces a growth factor & its 
receptor leading to an autocrine loop. 

2.  Paracrine:  cells  produce  molecules  that  affect  target  cells  in 

vicinity,  such  as  what  happens  between  macrophages  & 
fibroblasts. 

3.  Endocrine:  substances  are  produced  in  endocrine  glands  & 

affect distant organs. 

Tumors have the capacity to proliferate without external stimuli (autocrine), 
usually as a consequence of oncogene activation. 
 

   

     Insensitivity to growth-inhibitory signals: Tumors may not respond to 

molecules that are inhibitory to the proliferation of normal cells such as 
transforming growth factor-β (TGF-β), and direct inhibitors of cyclin-
dependent kinases. 

   

     Evasion of apoptosis: Tumors may be resistant to programmed cell death, as 

a consequence of inactivation of p53 or other changes. 

   

     Defects in DNA repair: Tumors may fail to repair DNA damage caused by 

carcinogens or unregulated cellular proliferation. 

   

     Limitless replicative potential: Tumor cells have unrestricted proliferative 

capacity, associated with maintenance of telomere length and function. 

   

     Sustained angiogenesis: Tumors are not able to grow without formation of a 

vascular supply, which is induced by various factors, the most important 
being vascular endothelial growth factor (VEGF). 

   

     Ability to invade and metastasize: Tumor metastases are the cause of the 

vast majority of cancer deaths and depend on processes that are intrinsic to 
the cell or are initiated by signals from the tissue environment. 

    

.

     Defects in DNA repair: Tumors may fail to repair DNA damage caused by 

carcinogens  or  incurred  during  unregulated  cellular  proliferation,  leading  to 
genomic  instability  and  mutations  in  proto-oncogenes  and  tumor  suppressor 
genes. 

 
 

 


background image

In order to understand what happens in transformation of cells to malignant ones, 
we must think of the normal micro physiology of cells. 
 
The sequence of events that take place during normal cell growth include: 

 
1.  The  binding  of  growth  factor  to  its  specific  receptor  on  the  cell 

membrane. 

2.  Transient  &  limited  activation  of  the  growth  factor  receptor  which  in 

turn activates several signal transducing proteins on the inner leaflet of 
the plasma membranes. 

3.  Transmission of the transduced signal across the cytosol to the nucleus 

via second messengers. 

4.  Induction  &  activation  of  nuclear  regulatory  factors  that  initiate  DNA 

transcription. 

5.  Entry & progression of the cell into the cell cycle resulting ultimately in 

cell division. 

 
 

 
 

ONCOGENES  

 
Oncogenes  are  derived  from  proto-oncogenes;  these  are  cellular  genes  that 
promote  normal  growth  &  differentiation.  They  were  first  discovered  in 
retroviruses  (RNA  viruses  containing  reverse  transcriptase  enzyme),  which  can 
produce DNA molecules on an RNA template.  
 
During  evolution,  these  genes  are  transduced  (captured)  by  the  virus  through  a 
chance  of  recombination  of  DNA  of  normal  host,  infected  by  the  virus.  The 
designation v-onc indicates viral oncogene & c-onc indicates cellular oncogene. 

 
 

 

 
 

Transformation of proto-oncogenes to oncogenes: 

 
Transformation of proto-oncogenes to oncogenes takes place through the following 
ways: 


background image

  

1. 

Proto-oncogenes  may  be  damaged  &  thus  activated  by  extracellular 
events such as radiation or contact with a chemical carcinogen that lead to 
point mutations in the gene sequence. 

2. 

They may be damaged as they are translocated from one DNA position 
to another
 when they are carried or transduced by viruses (v-onc). 

3. 

They may be excessively activated by unfamiliar genes lying adjacent to 
them
  following  translocation  e.g.  translocation  of  myc  proto-oncogene 
from  the  long  arm  of  chromosome  8  to  the  long  arm  of  chromosome  14. 
This  translocation  if  takes  place  in  a  B  lymphocyte  renders  the  myc  gene 
becoming  near  the  gene  of  immunoglobulin  heavy  chain  and  under  its 
promoter. The immunoglobulin heavy chain gene is active all the time in a 
B  cell  to  produce  antibodies.  There  will  be  excessive  activation  of  c-myc 
rendering  it  becoming  oncogenic.  This  genetic  abnormality  is  found  in 
certain B cell lymphoma (Burkitt’s lymphoma).  

4. 

There  may  be  an  amplification  of  the  oncogene  itself  i.e.  the  neoplastic 
cell  DNA  may  contain  multiple  copies  of  the  same  oncogene  either  in  the 
form  of  homogenously  stained  region  (HSR)  or  double  minutes  (DM),  as 
what  happens  in  N-myc  gene  in  neuroblastoma.  Both  HSRs  and  DMs  can 
be transcribed and expressed into the encoded protein N-myc.  

5. 

Combination of more than one process could occur even in a single gene. 

 

 

ONCOPROTEINS 

 
These are the protein products of oncogenes. They are required for self-sufficiency 
in growth signals. 
 
 
 
 
 
They include: 

1.  Growth factors: mutations of genes that encode growth factors 

render them oncogenic e.g. c-sis encodes the Beta- chain of platelet-
derived growth factor (PDGF). Cancer cells acquire the ability to 
synthesize the same growth factors to which they are responsive, 
generating an autocrine loop. Many glioblastomas secrete platelet-


background image

derived growth factor (PDGF) and express the PDGF receptor, and 
many sarcomas make both transforming growth factor α (TGF-α) and 
its receptor. Growth factor driven proliferation contributes to the 
malignant phenotype by increasing the risk of spontaneous or induced 
mutations in the proliferating cell population but is not sufficient for 
neoplastic transformation. 

 Cells could be forced to secrete large amounts of 

growth factors by products of other oncogenes that lie along many signal 
transduction pathways, such as RAS which causes overexpression of growth 
factor genes.

 

2. 

 Growth factor receptors: The oncogenic versions of these receptors 

are associated with persistent activation without binding to growth 
factor, delivering continuous mitogenic signals to the cell. They 
become oncogenic due to mutation, gene rearrangement and 
overexpression. e.g. receptors for EGF. Two members of the 
epidermal growth factor (EGF) receptor family are the best described. 
The normal form of ERBB1, the EGF receptor gene, is overexpressed 
in up to 80% of squamous cell carcinomas of the lung, in 50% or 
more of glioblastomas and in 80% to 100% of head and neck tumors. 
The ERBB2 gene (also called HER-2/NEU), the second member of 
the EGF receptor family, is amplified in approximately 25% of breast 
cancers and in human adenocarcinomas arising within the ovary, 
lung, stomach, and salivary glands. Because the molecular alteration 
in ERBB2 is specific for the cancer cells, new therapeutic agents 
consisting of monoclonal antibodies specific to ERBB2 have been 
developed and are currently in use clinically, providing an example of 
targeted therapy.

 

Greater  than  90%  of  gastrointestinal  stromal  tumors  have  a  constitutively 
activating  mutation  in  the  receptor  tyrosine  kinase  c-KIT  or  PDGFR,  which  are 
the  receptors  for  stem  cell  factor  and  PDGF,  respectively.  These  mutations  are 
amenable to specific inhibition by the tyrosine kinase inhibitor imatinib mesylate.  

3. 

 

Signal transducing proteins: most of these are located in the inner 

leaflet  of  the  plasma  membrane  where  they  receive  signals  from 
outside the cell & transmit them to the nucleus. Normal RAS proteins 
are  tethered  to  the  cytoplasmic  aspect  of  the  plasma  membrane  and 
can be  activated  by  growth  factor binding  to  receptors  at  the plasma 
membrane.

  (Fig-8)  It  is  a  member  of  a  family  of  small  G  proteins  that  bind 

guanosine nucleotides (guanosine triphosphate, GTP and guanosine diphosphate, 
GDP).  RAS  proteins  flip  back  and  forth  between  an  excited  signal-transmitting 
state  and  a  quiescent  state.  In  the  inactive  state,  RAS  proteins  bind  GDP. 
Stimulation  of  cells  by  growth  factors  leads  to  exchange  of  GDP  for  GTP  and 


background image

subsequent  conformational  changes  that  generates  active  RAS.  The  activated 
RAS  stimulates  downstream  regulators  of  proliferation,  such  as  the  mitogen-
activated  protein  (MAP)  kinase  cascade
,  which  floods  the  nucleus  with  signals 
for cell proliferation. Several distinct point mutations of RAS have been identified 
in cancer cells. The affected residues lie within either the GTP-binding pocket or 
the enzymatic region essential for GTP hydrolysis, and thus markedly reduce the 
GTPase  activity  of  the  RAS  protein.  Mutated  RAS  is  trapped  in  its  activated 
GTP-bound  form,  and  the  cell  is  forced  into  a  continuously  proliferating  state. 

Alterations  in  non-receptor-associated  tyrosine  kinases  which 
normally  function  in  signal  transduction  pathways  that  regulate  cell 
growth 

could 

be 

due  to 

chromosomal 

translocations 

or 

rearrangements that create fusion genes encoding constitutively active 
tyrosine kinases. An important example of this oncogenic mechanism 
involves  the  c-ABL  tyrosine  kinase.  In  CML  and  some  acute 
lymphoblastic  leukemias,  the  ABL  gene  is  translocated  from  its 
normal  abode  on  chromosome  9  to  chromosome  22  where  it  fuses 
with  the  BCR  gene.The  resultant  chimeric  gene  encodes  a 
constitutively active, oncogenic BCR-ABL tyrosine kinase

4.  Nuclear transcription proteins: DNA replication & cell division are 

regulated by genes whose products are localized to the nucleus where 
they control the transcription of growth related genes. The 
transcription factors contain specific amino acid sequences that allow 
them to bind DNA e.g. c-myc.

 

In contrast to the regulated expression 

of MYC during normal cell proliferation, persistent expression, and in 
some cases overexpression, of the MYC protein are commonly found 
in tumors. Dysregulation of MYC expression resulting from 
translocation of the gene occurs in Burkitt lymphoma, a B-cell tumor. 
MYC is amplified in some cases of breast, colon, lung, and many 
other carcinomas. The related N-MYC and L-MYC genes are 
amplified in neuroblastomas and small-cell cancers of the lung, 
respectively. 

The MYC proto-oncogene is expressed in virtually all eukaryotic cells and belongs 
to the immediate early response genes, which are rapidly induced when quiescent 
cells receive a signal to divide. After a transient increase of MYC messenger RNA, 
the expression declines to a basal level. The molecular basis of MYC function in 
cell replication is not entirely clear. As with many transcription factors, it is 
thought that MYC is involved in carcinogenesis by activating genes that are 
involved in proliferation. MYC interacts with components of the DNA-replication 
machinery, and plays a role in the selection of origins of replication. Thus, 
overexpression of MYC may drive activation of more origins than needed for 
normal cell division, or bypass checkpoints involved in replication, leading to 
genomic damage and accumulation of mutations. It is regarded as one of a handful 


background image

of transcription factors that can act in concert to reprogram somatic cells into 
pluripotent stem cells MYC may also enhance self-renewal, block differentiation, 
or both. 

5. 

Cyclines & cycline-depending kinases: the orderly progression of 

cell through the various phases of cell cycle is orchestrated by 
cycline-dependent kinase (CDKs), which are activated by binding to 
cyclins, so called because of the cyclic nature of their production and 
degradation. The CDK-cyclin complexes phosphorylate crucial target 
proteins that drive the cell through the cell cycle. On completion of 
this task, cyclin levels decline rapidly. The cyclin D genes are 
overexpressed in many cancers, including those affecting the breast, 
esophagus, liver, and a subset of lymphomas. Amplification of the 
CDK4 gene occurs in melanomas, sarcomas, and glioblastomas.  

More 

than 15 cyclins have been identified; cyclins D, E, A, and B appear sequentially 
during the cell cycle and bind to one or more CDK. The cell cycle may thus be 
seen as a relay race in which each lap is regulated by a distinct set of cyclins, and 
as one set of cyclins leaves the track, the next set takes over.

 

Inhibitors of the cycline-CDK complexes are also important in the cell 
cycle (e.g. p21). They are regarded as cancer suppressor genes. 

Cell cycle checkpoints: 

There are two main cell cycle checkpoints, one at the G

1

/S transition and the other 

at G

2

/M. The S phase is the point of no return in the cell cycle. Before a cell makes 

the final commitment to replicate, the G

1

/S checkpoint checks for DNA damage; if 

damage is present, the DNA-repair machinery and mechanisms that arrest the cell 
cycle are put in motion. The delay in cell cycle progression provides the time 
needed for DNA repair; if the damage is not repairable, apoptotic pathways are 
activated to kill the cell. Thus, the G

1

/S checkpoint prevents the replication of cells 

that have defects in DNA, which would be perpetuated as mutations or 
chromosomal breaks in the progeny of the cell. DNA damaged after its replication 
can still be repaired as long as the chromatids have not separated. The G

2

/M 

checkpoint monitors the completion of DNA replication and checks whether the 
cell can safely initiate mitosis and separate sister chromatids. 

This checkpoint is 

particularly important in cells exposed to ionizing radiation. Cells damaged by ionizing radiation 
activate the G

2

/M checkpoint and arrest in G

2

; defects in this checkpoint give rise to 

chromosomal abnormalities. To function properly, cell cycle checkpoints require sensors of 
DNA damage, signal transducers, and effector molecules.The sensors and transducers of DNA 
damage seem to be similar for the G

1

/S and G

2

/M checkpoints. They include, as sensors, proteins 

of the RAD family and ataxia telangiectasia mutated (ATM) and as transducers, the CHK kinase 


background image

families. The checkpoint effector molecules differ, depending on the cell cycle stage at which 
they act. In the G

1

/S checkpoint, cell cycle arrest is mostly mediated through p53, which induces 

the cell cycle inhibitor p21. Arrest of the cell cycle by the G

2

/M checkpoint involves both p53-

dependent and p53-independent mechanisms. Defects in cell cycle checkpoint components are a 
major cause of genetic instability in cancer cells

 
 
 

VIRAL CARCINOGENESIS 

 

Most  of  the  viruses  that  participate  in  cancer  production  in  human  are 
DNA viruses. In order for the cell to become transformed by a virus, it 
must  sustain  the  infection  healthily.    (Of  course,  when  it  undergoes  a 
lytic cycle of virus infection the cell dies i.e. there is no cancer). 
  
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 (using their genomic RNAs as templates). 
Retroviral genome contain: 

1.  The gag region coding for virion core proteins. 
2.  The pol region coding for reverse transcriptase enzyme. 
3.  The env region coding for the envelope glycoprotein. 

 
These are bound at each side by long terminal repeats (LTRs) which are 
untranslated sequences that contain promoters & enhancer sequences for the 
synthesis of adjacent viral RNA.  
 
There are three types of retroviruses depending on their transforming activities & 
genomic structure:  

 


background image

1.  Acute transforming viruses: These produce tumors in animals & transform 

cells  in  vitro.    All  members  (except  Rous  sarcoma  virus)  have  lost  genetic 
information  coding  for  replicative  genes  i.e.  they  are  replication  defective. 
The  new  genetic  set  sequences  inserted  instead  of  the  deleted  material  are 
responsible for their transforming ability. V-oncs are named according to the 
virus and the type of malignancy e.g. simian sarcoma = sis. Where did the v-
oncs  sequences  come  from?  There  are  proto-oncogenes  that  become 
introduced  into  the  viral  genome  during  the  process  of  viral  replication 
within the normal cell.  
Replication  defective  viruses  usually  act  in  association  with  replication-
competent ones (helper viruses) that provide genes for completing the viral 
life cycle (pol sequence).  
 
How do v-oncs cause malignancy?  

a.  During transduction, mutation in v-oncs sequences leads to formation 

of an altered gene product, which causes unregulated growth.  

b.  Transduction  brings  proto-oncogenes  into  proximity  of  retroviral 

promoters,  which  causes  excessive  expression.  Rous  sarcoma  virus 
genome  contains  both  reverse  transcriptase  genes  &  oncogenic 
sequence (src).

  

 

2.  Slow transforming viruses: These have the typical retroviral genome; they 

are  replication  competent  but  do  not  possess

 

oncogenes.  They  are  called 

chronic  leukemia  viruses  because  they  are  responsible  for  causation  of 
leukemia.  Their  neoplastic  transforming  mechanism  of  action  is  through 
insertional mutagenesis i.e. the newly synthesized viral DNA is integrated 
near the proto-oncogene. The presence of retroviral promoter in the vicinity 
(upstream)  of  proto-oncogene  leads  to  its  increased  transcription  & 
conversion  to  cellular  oncogenes  (c-oncs).  They  also  cause  structural 
changes in the cellular genes. 
Human  T-cell  leukemia  virus-I  (HTLV-  I):  this  is  the  only  oncogenic 
retrovirus that is implicated in human cancer causation. It is associated with 
a  form  of  T-cell  leukemia/lymphoma.  Like  the  AIDS  virus,  HTLV-I  has 
strong  tropism  to  CD4  cells  (which  are  the  target  for  neoplastic 
transformation).  It  does  not  contain  v-onc  but  acts  by  insertional 
mutagenesis. Its genomic structure reveals gag, pol, env & LTR regions. In 
addition,  it  contains  the  (tat  region)  between  env  &  3’LTR.  This  is 
responsible for the production of transforming proteins. The latter products 
induce activation of IL-2 & its receptor genes in the infected T-cell that lead 


background image

to  the  formation  of  an  autocrine  system  for  growth  &  proliferation.  The 
outcome is clonal T-cell proliferation.  

 
 

CANCER SUPPRESSOR GENES 

 

Like oncoproteins, protein products of the members of this category of genes 
function in different localities in the cells. Similar to mitogenic signals, growth-
inhibitory, pro-differentiation signals originate outside the cell and use receptors, 
signal transducers, and nuclear transcription regulators to accomplish their effects; 
tumor suppressors form a portion of these networks. 

 

 

1. Genes acting on the cell cycle: 

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.  
Malignancy  occurs  when  the  cell  becomes  homozygous  for  the  mutant  allele  or 
loses its heterozygosity (LOH) for the normal allele.  
 

The retinoblastoma gene (Rb) 

The product of this gene, Rb protein (pRb) in its active form serves as a brake to 
DNA replication in cell cycle.  
Mutation renders the protein inactive & thus the cell divides non-stop. 
 
The deletion or mutations of the Rb locus on chromosome 13q14 lead to neoplastic 
proliferation of the retinal cells. Functioning in the two-hit theory model, two types 
of retinoblastoma are found: 
 
In  the  familial  form  of  retinoblastoma,  all  somatic  cells  inherit  one  mutant  Rb 
gene from a carrier parent (1

st

 hit). The second mutation affects the Rb locus in one 

of the retinal cells after birth (2

nd

 hit).  

 
In the sporadic form of retinoblastoma, on the other hand, both mutations at the 
Rb locus are acquired by the retinal cells after birth. 
 
The  pRb  polices  the  normal  cell  cycle.  Quiescent  cells  (in  the  G0  or  early  G1) 
contain the active hypophosphorylated form of the pRb. In this state, pRb prevents 


background image

cell replication by binding & possibly sequestering the E2F family of transcription 
factors.  The  hyperphosphorylated  form  of  the  pRb  releases  the  E2F  transcription 
factors. The released E2F proteins then activate the transcription of several target 
genes such as cyclin E. 
 

P53 

Another  very  important  gene;  it  is  the  guardian  of  the  genome  or  the  molecular 
policeman.  

P53 prevents replication of damaged or faulty DNA. P53 prevents neoplastic 
transformation by three interlocking mechanisms: activation of temporary cell 
cycle arrest (quiescence), induction of permanent cell cycle arrest (senescence), or 
triggering of programmed cell death (apoptosis).

  

Normal (wild type) 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: Transcription up regulation of the p21gene is mediated by 

the  p53  protein.  P21  arrests  the  cell  cycle  at  the  G1  phase  whereby 
promotion  of  DNA  repair  is  mediated  by  the  group  of  genes  which  are 
collectively called GAAD45 (growth arrest DNA damage 45).    

b.  Apoptosis:  When  the  repair  is  efficient  or  the  damage  was  beyond  the 

capacity of the repair system, the p53 causes transcriptional upregulation of 
an apoptosis gene, the bax gene. 

c.  Another p53function is to mediate gene repression by activating 

transcription of miRNAs. P53 activates transcription of the mir34 family of 
miRNAs. mir34s repress translation of both proliferative genes, such as 
cyclins, and anti-apoptotic genes, such as BCL2. Repression of these genes 
can promote either quiescence or senescence as well as apoptosis.  

 
In such cases there is no cancer. 
 
 

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.   
 


background image

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”.  Mutated p53 protein  has 
got a longer half life and can be visualized by immunohistochemistry methods. 
 

NOTE: The discovery of p53 family members p63 and p73 has revealed that p53 has 
collaborators. Indeed, p53, p63, and p73 are players in a complex network with significant cross-
talk  p53 is ubiquitously expressed, while p63 and p73 show more tissue specificity. For 
example, p63 is essential for the differentiation of stratified squamous epithelia, while p73 has 
strong pro-apoptotic effects after DNA damage induced by chemotheraputic agents. 
Furthermore, both p63 and p73, and probably p53 as well, are expressed as different isoforms, 
some of which act as transcriptional activators and others that function as dominant negatives.  

 

2.  Down  regulation  of  growth  promoting  signals

  is  another  area  where 

products  of  cancer  suppressor  genes  can  operate.  Germ  line  mutations  at  certain 
loci  are  associated  with  benign  tumors  that  are  precursors  of  carcinoma  later  on. 
Patients  with  mutant  allele  of  adenomatous  polyposis  coli  (APC),  which  is 
genetically  transmitted, develop  hundreds  to  thousands  of  adenomatous  polyps  in 
the  colon  at  ages  10-20  years;  the  condition  is  also  called  familial  adenomatous 
polyposis (FAP). One or two of these polyps undergo malignant transformation i.e. 
cancer  of  the  colon.  Both  loci  for  the  APC  gene  must  be  lost  for  the  tumor 
development (adenoma). Several additional mutations are needed for carcinoma to 
occur.   
APC  protein  is  located  in  the  cytoplasm.  It  interacts  with  other  intracellular 
proteins  such  as  B-catenin  (a  transcription  activator  of  growth  promoting  genes). 
APC  causes  degradation  of  B-catenin,  thus  maintaining  its  low  level  in  the 
cytoplasm  (negative  regulator  of  B-catenin  signaling).  Sometimes,  Certain 
mutations  in  B-catenin  render  it  refractory  to  APC  protein  regulation,
 
although the latter is normal.  
 
Inheritance  of  one  mutant  allele  of  NF-1  gene  (NF  stands  for  neurofibromatosis
causes  the  appearance  of  numerous  benign  neurofibromas  as  a  result  of 
inactivation  of  the  second  copy  of  the  gene.  The  condition  is  called 
neurofibromatosis  type-1.  Later  on  neurofibrosarcoma  may  develop.  The  protein 
product of the gene is neurofibromin. Its function is to regulate signal transduction 
via  the  ras  protein.  Neurofibromin  is  a  GTPase  activating  protein  that  facilitates 
conversion  of  active  GTP-ras  into  inactive  GDP-ras.  With  loss  of  neurofibromin, 
ras is continuously active. 

 


background image

3.  The  third  group  of  cancer  suppressor  genes  involves  cell  surface  receptors.     
The  binding  of  TGF-B  to  its  receptor  up-regulates  transcription  of  growth 
inhibitory  genes.  This  is  done  partly  by  stimulating  the  synthesis  of  CDK 
inhibitors,  which  regulate  the  cell  cycle.  Cadherins  are  glycoproteins  that  act  as 
glues between epithelial surfaces. Their loss leads to easy disaggregation with local 
invasion & later on metastasis. The cytoplasmic aspect of cadherin is bound to B-
catenin whereby the latter stabilizes cadherin.  

 
 
 

 
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 in a malignant process called small cell lymphoma.  
The location of the bcl-2 protein is on the outer leaflet of mitochondrial membrane, 
endoplasmic  reticulum  &  nuclear  membrane.  This  protein  regulates  the  exit  of 
cytochrome-c from mitochondria to the cytoplasm. In turn, cytochrome-c assists in 
activation of a proteolytic enzyme caspase responsible for cell death. 
The tumor suppressor gene P53 mediates up-regulation of the bax gene promoting 
apoptosis.  
 
 

 

CELLULAR SENESCENCE 

 

With  each  cell  division  there  is  shortening  of  specialized  structures  at  the  end  of 
chromosomes  called  telomers.  This  reaches  to  a  point  whereby  loss  of  telomers 
function leads to an end to end fusion of chromosomes & cell death. In germ cells 
telomers  are

 

prevented  from  shortening  by  the  action  of  the  enzyme  telomerase. 

This  enzyme  is  absent  from  most  somatic  cells.  Tumor  cells  have  the  ability  to 
reactivate this enzyme. 

 
 

GENES THAT REGULATE DNA REPAIR

 


background image

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. 
In  hereditary  nonpolyposis  colon  cancer  (HNPCC),  familial  carcinoma  of  the 
colon  (affecting  its  right  side)  does  not  arise  from  adenoma.  Defects  in  genes 
involved in DNA mismatch repair lead to HNPCC (genes as spell

 

checker).

  

DNA repair genes are not oncogenic but allow mutations in other genes in normal 
cell cycle. Cells with such defect are said to be replication error (RER) phenotype. 
Xeroderma  pigmentosum  is  another  example  whereby  genes  encoding  enzymes 
like  nucleases,  polymerases  &  ligases,  which  cut  DNA,  add  neucleotides  &  join 
them in the DNA strand respectively.  

 
 

CHEMICAL CARCINOGENESIS  

 
Chemical  carcinogenesis  involves  the  generation  of  malignant  cells  by  going 
through  multiple  steps.  These  steps  can  be  grouped  into  two  stages,  initiation  & 
promotion. 

 

INITIATION  
This  signifies  exposure  of  cells  to  an  appropriate  dose  of  a  carcinogenic  agent 
(initiator)  so  that  it  becomes  transformed  (altered).  However,  initiation  alone  is 
not  sufficient  to  cause  tumor
.  Initiation  is  a  rapid  process  &  has  memory. 
Multiple  applications  of  an  initiator  have  the  same  effect  because  initiating 
carcinogens produce permanent damage  in the  DNA  of target cells. Tumor  arises 
in an initiated cell only after the application of another substance (promoter). 
 
PROMOTION  
Promoters can cause tumor in an initiated cell even if their application was delayed 
for  several  months  but  they  cannot  cause  tumors  by  themselves.  Multiple 
applications of a promoter are also associated with tumor formation in an initiated 
cell. Tumor does not occur when the promoter is applied before an initiator. This 
indicates that cellular  changes by  promoters  are reversible (they  do  not  affect  the 
DNA). If the time between multiple promoter applications is prolonged, no tumor 
occurs. 
 
Chemicals are either  

-  Complete  carcinogens  having  both  initiation  &  promotion 

effects or 

-  Incomplete carcinogens capable only of initiation.   

 


background image

INITIATORS are of two types either natural or synthetic; they are either 

1.  Direct  acting,  which  do  not  require  chemical  transformation  for  their 

carcinogenicity. They include alkylating & acylating agents. 

2.  Indirect acting (pro-carcinogens), which require metabolic conversion in 

vivo by the cytochrome p-450 system dependent activation & formation of 
“ultimate carcinogen”.  

 
The  carcinogenic  potency  of  such  chemicals  is  determined  by  the  inherent 
reactivity of their electrophilic derivatives & by the balance between its metabolic 
activation & detoxification.  
 
The susceptibility to carcinogensis is regulated in part by polymorphism in genes 
encoding  metabolizing  enzymes.  For  example,  CYP1A1  is  a  product  of  P-450 
gene, which metabolizes polycyclic aromatic hydrocarbons such as benzopyrenes. 
Ten percent of the white population has highly inducible form of the enzyme with 
an increase risk of cancers in smokers. 
 
All  directly  acting  initiators  are  highly  reactive  electrophiles  (have  electron 
deficient  atoms)  that  can  react  with  nucleophilic  (electron  rich)  sites  in  the  cell 
such  as  DNA,  RNA  &  proteins  in  non-enzymatic  reaction  resulting  in  the 
formation of covalent adducts (addition products) between the chemical carcinogen 
& neuceotides in the DNA. Interaction with DNA,  RNA or proteins is sometimes 
lethal. 
In the initiated cell the target is usually DNA (proto-oncogenes) & the interaction 
is non-lethal.  
 
Chemical  carcinogens  are  mutagens  (cause  mutation).  However  carcinogen 
induced DNA damage do not always lead to initiation since several forms of DNA 
damages can be repaired by cellular enzymes. 
 
For  the  changes  to  be  heritable  in  the  initiated  cell,  the  damaged  DNA  template 
must be replicated & for initiation to occur, carcinogen altered cell must undergo at 
least one cycle of proliferation so that the changes in the DNA become fixed.  
 
No  single  unique  DNA  alteration  can  be  associated  with  initiation,  however  the 
interaction  with  DNA  is  not  completely  random  &  each  carcinogen  produces  its 
“molecular  finger  print”  that  can  link  specific  chemicals  with  their  mutational 
effects. 
 
 


background image

PROMOTERS 
These  are  not  electrophilic  &  they  do  not  damage  DNA.  Their  action  involves 
altered  expression of  genetic  information  in the  cell; this is  mainly  by  binding  or 
activation  of  protein  kinases  that  catalyze  phosphorylation  of  protein  causing 
change  in  the  intracellular  pH  &  increase  growth  &  activity.  By  this,  promoters 
induce clonal proliferation of initiated cells
 & alter their differentiation program 
by activating enzymes that are part of the physiologic signal transduction pathways 
(kinases). 
 
 
The process of promotion involves 

1.  Proliferation of pre-neoplastic cells. 
2.  Malignant conversion. 
3.  Tumor progression. 
  

 

Examples of carcinogenic chemicals  
Initiators  

1.  Direct  acting  alkylating  agents.  These  are  activation  independent, 

weak  carcinogens  that  are  important  for  being  therapeutic  agents  used 
in anticancer therapy like cyclophosphamide, chlorambucil & busulfan. 
Some  are  immuno-  suppressive  and  used  in  the  treatment  of 
immunological  disorders  such  as  rheumatoid  arthritis.  They  cause 
interaction  with  the  damaged  DNA  &  can  cause  leukemia,  lymphoid 
neoplasms & other cancers. 

 
2.  Polycyclic  aromatic  hydrocarbons.  These  are  the  most  potent 

carcinogens  requiring  metabolic  activation.  They  can  cause  skin 
cancers,  sarcomas  &  local  cancers  in  specific  organs.  They  are 
produced by combustion of tobacco particularly with cigarette smoking 
&  are  present  in  smoked  fish  &  meat.  They  lead  to  causation  of  lung 
cancer & bladder cancers. 

 

3.  Aromatic  amines  &  azodyes.  Their  carcinogenicity  is  exerted  in  the 

liver  mainly  where  the  ultimate  carcinogen  is  formed  e.g. 
acetylaminofluorene which is implicated in hepatocellular carcinoma & 
B-naphthylamine in bladder cancer in workers in aniline dye & rubber 
industries. 

 


background image

4.  Naturally  occurring  carcinogens.  The  potent  hepatic  carcinogen 

Aflatoxin  B1  is  produced  by  some  strains  of  Aspergillus  flavus  that 
thrive on improperly stored grains. 

 

5.  Nitroseamines  &  amides.  These  may  form  in  the  GIT  of  human  & 

contribute  to  GIT  cancers.  They  are  formed  from  the  reaction  of 
nitrostable amines & nitrates by bacteria. 

 

 

6.  Miscellaneous agents.  

 

-  Occupational  exposure  to  asbestos  leads  to  bronchogenic 

carcinoma, mesothelioma & GIT cancers.  

-  Cigarette smoking is associated with bronchogenic carcinoma.  
-  Vinyl chloride (the monomer of polyvinyl chloride) exposure is 

associated with in hemangiosarcoma of the liver.  

-  Chromium,  Nickel  &  other  metals  (vapors)  exposure  is 

associated with lung cancers.  

-  Arsenic exposure is associated with skin cancers. 

 

Promoters 

Tumor  promotion  may  occur  after  exposure  to  an  exogenous  agent  such  as 
cigarette  smoking  or  viral  infections  that  cause  tissue  damage  &  reactive 
hyperplasia. 
Promoters may be endogenous such as hormones & bile salts. Estrogen can cause 
liver  tumors  in  animals.  Diethyl  stilbesterol  is  associated  with  postmenopausal 
endometrial  carcinoma.  Increase  dietary  fat  can  lead  to  colon  cancer  due  to 
increase synthesis of bile acids.  

 
 

RADIATION & CANCER: 
Radiation  is  the  energy  distributed  across  the  electromagnetic  spectrum  as  waves 
(having long wave length & low frequency) or particles (having short wave length 
& high frequency). 
 
TYPES  
    Natural  

  Cosmic  rays  of  galactic  &  solar  origin.  These  are  not  included  in  the 

electromagnetic spectrum they are high energy charged particles. 


background image

  Ultraviolet rays 

  Radioactive elements in the earth crust. 

 
    Human generated radiation  

  Medical diagnostic and therapeutic agents 

  Industrial agents   

  Nuclear weapons. 

 

 
Non-ionizing  radiation
;  these  are  electromagnetic  radiation  of  long  wave  length 
& low frequency. They include electric power, radio waves, microwaves, infra red 
&  ultraviolet  light.  They  produce  vibration  &  rotation  of  atoms  in  biological 
molecules. 

 

Ionizing radiations  are radiation energy of short wave length & high frequency. 
They  can  ionize  biologic  target  molecules  &  eject  electrons.  They  include  x-rays 
produced in  the  roentgen tube  &  gamma  rays  emitted from  natural  sources. They 
also  include  particles  released  by  natural  decay  of  radio-isotopes  or  by  artificial 
acceleration  of  subatomic  particles.  All  ionizing  radiation  produce  their  effect 
through transferring of energy to the molecules & atoms within the cell
. With 
sufficient  energy  transfer,  orbiting  electrons  may  be  separated  from  the  atomic 
nucleus producing ionization of the atom or the molecule. Transfer of less energy 
may move the electron into distant orbit with excitation of the molecule.  
 
Particulate radiation  

  Alpha  particles  constitute  the  nucleus  of  helium  atom.  It  is  generated 

when  a  heavy  element  is  transformed  to  lighter  one.  They  are  positively 
charged particles. 

 

  Beta  particles;  negative  beta  particles  are  negatively  charged  electrons 

which  are  produced  when  a  neutron  is  converted  into  a  proton  &  an 
electron  in  the  nucleus.  Positive  beta  particles  are  positively  charged 
electrons (positrons) which are produced when a proton is converted into 
a neutron & a positron in the nucleus. A photon or more of gamma rays 
may be associated with these two reactions.

 

 

  Neutrons : are neutral particles emitted either in nuclear fission reaction in 

the nuclear reactors, or in fusion reactions

 

 


background image

Alpha particles have a strong ionizing power but low penetration because of their 
large size (2 protons & 2 neutrons). Beta particles have weaker ionizing power & 
higher penetration than alpha.  
 


background image

MECHANISM OF ACTION  

 

Target theory (direct hit)  
Charged particles produce their effects by direct hits on target molecules within the 
cell, the DNA specifically the linkage & bonds leading to mutations having genetic 
or  cancerous  potentials or  to  inhibition of cell  division  &  cell death  having  acute 
somatic  effects,  in  addition  to  effects  on  enzymes  &  macromolecules  within  the 
membranes. 
 
The indirect action theory 
Radiation  energy  like  x-ray  &  gamma  rays  exert  their  effects  by  producing  free 
radicals. Absorbed radiant energy leads to radiolysis of cell water & the formation 
of  the  ionized  water  molecules  H2O+  &  H2O-,  which  dissociate  to  form  free 
radicals
 H+ & OH-. These initiate reactions within themselves, their own reaction 
products  &  tissue  water  to  form  other  free  radicals  like  H2O2’  &  HO2’.  Free 
radicals interact with membranes, nucleic acids & enzymes leading ultimately 
to cell death or to inhibition of cell division.
  
 
Oxidant stress activates transcription factors that increase gene expression. 
 
Cells are sensitive to radiant energy in direct proportion to their reproductive 
or mitotic activity & in an inverse proportion to their level of specialization.
  
 
In sufficient dose, radiation inhibits the cell capacity to divide & kill the cell. In the 
fetal life it causes teratogenicity.  
 
Smaller  doses  induce  mutations  &  heritable  or  non-heritable  alteration  in 
metabolism. 
 
The  effect  on  DNA  include  formation  of  pyrimidine  dimmers,  cross  links  single 
stranded  or  double  stranded  breaks  &  various  rearrangements  leading  to  a  wide 
range  chromosomal  &  chromatid  alterations  including  deletions,  breaks 
translocations,  interadherance  of  chromosomes,  fragmentation  &  all  forms  of 
abnormal  chromosome  morphology.  Disordered  mitotic  spindle,  polyploidy  & 
aneuploidy;  nuclear  swelling,  condensation  of  chromatin,  nuclear  membrane 
breaks, giant cells, nuclear pyknosis & lysis can all be seen . 
A  delayed  carcinogenic  effect  of  ionizing  radiation  is  due  to  a  phenomenon 
called  induced  genetic  instability
  (mutations  continue  to  be  expressed, 
accumulation  of  these  mutations  is  due  to  persistent  DNA  lesions  that  are  not 
repaired).

 


background image

 

UV LIGHT  
UVB leads to generation of reactive oxygen species & damage chromophores such 
as melanin. 
 
UV  damages  DNA  with  formation  of  pyrimidine  dimmers  between  adjacent 
pyrimidines  on  the  same  DNA  strand,  formation  of  pyrimidine-pyrimidine  (6-4) 
photo  products,  single  stranded  breaks  &  DNA  protein  cross  links.  Mutations 
involving  adjacent  pyrimidine  bases  in  P53  C  to  T  or  CC  to  TT  double  base 
substitutions is an example. 
 
Ultraviolet response pathway  
This  involves  activation  of  the  ras  signal  transduction  with  activation  of  mitogen 
activated  protein  kinases  &  induction  of  cellular  proto-oncogenes  &  genes 
involved in cell proliferation. 
 
Thymidine dinucleotides produced by UV activates the P53 pathway in a manner 
analogue to DNA breaks produced by ionizing radiation causing DNA repair. 
Nuceotide excision repair (NER) includes: 

1.  Recognition of the DNA lesion. 
2.  Incision of the damaged strand on both sites of the lesion. 
3.  Removal of the damaged oligonucleotide. 
4.  Synthesis of a nucleotide patch. 
5.  Ligation.  
 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 29 عضواً و 337 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