Behandeling van kanker door de "schakelaar" om of vast te zetten?
Ivo Horn
ivomart@zonnet.nl
Inleiding
Ontstaan van
kanker
Ras
eiwit
Ras
mutatie
Ras functie
blokkeren
Intermezzo
phage display
Research
Bronvermelding
Vragen
Docentenhandleiding
Antwoorden vragen en
vragen om kennis na 14 dagen te testen
Kanker is in de westerse wereld de tweede belangrijkste doodsoorzaak. Gedurende de afgelopen decennia is veel inzicht verkregen in de onderliggende processen, die deze ziekte veroorzaken. Met name dankzij de opkomst van moleculaire technieken in de biologie, de kennis over ons erfelijk materiaal (DNA) en de toenemende kennis van eiwitten is veel vooruitgang geboekt. Duidelijk is geworden dat kanker in alle gevallen een genetische ziekte is. Enerzijds kan de ziekte erfelijk zijn, anderzijds veroorzaakt door veranderingen van ons DNA (mutaties genoemd).
Deze
tekst geeft een voorbeeld van zoín DNA mutatie, die het
ontstaan van bepaalde tumoren verklaart.
Mutaties kunnen op vele wijzen plaatsvinden
(bijv. door giffen of door straling). Er wordt wel beweerd dat vele
kankers veroorzaakt worden door de toenemende vervuiling van ons
milieu. Als we ouder worden kunnen we vaak geen weerstand meer bieden
aan de vele chemische verbindingen die we binnenkrijgen en ons DNA
kunnen beschadigen.
Zoals uit deze tekst zal blijken, kan kennis van moleculaire mechanismen, het ontstaan van nieuwe technologieën en begrip van eiwitbouw leiden tot het ontwikkelen van mogelijk nieuwe medicijnen. Het onderstaande voorbeeld is echter het begin van een lange weg tot het mogelijke ontstaan van een uiteindelijk geneesmiddel. Het is van belang te beseffen dat het moleculair karakteriseren van nieuwe middelen slechts één van de vele stappen vormt op weg naar een nieuw medicijn. Het verdere testen in dieren, gezonde vrijwilligers en patiënten kan er toe leiden dat een veelbelovende medicijn alsnog sneuvelt.
-Terug naar index-
Dat
leefwijze een belangrijke rol speelt bij het ontstaan van kanker is
bekend. Met name roken, teveel en te vette voeding en drank zijn
belangrijke factoren. Vele kankersoorten zijn echter erfelijk en dus
tot op bepaalde hoogte onafhankelijk van de voornoemde factoren. We
weten van studies onder verschillende volkeren dat er volk- en
regioafhankelijke kankers bestaan. Ook dit kan vaak gerelateerd
worden aan de leefwijze van de mensen in een bepaald land.
Als bijvoorbeeld Japanners verhuizen naar
Amerika, dan zie je onder deze emigranten kankers optreden die ook
optreden bij Amerikanen. Het omgekeerde is natuurlijk ook het geval,
ware het niet dat de omgekeerde emigratie minder gebruikelijk
is.
Het eiwit Ras is betrokken bij kanker.
Een signaal van buiten de cel wordt doorgegeven naar de kern via een zogenaamde signaal-transductie route, waarbij diverse eiwitten betrokken zijn. Groeifactoren van buitenaf prikkelen een zogeheten receptoreiwit op het celmembraan, dat via eiwitten (Grb2 en Sos) Ras in een actieve staat brengen. Nu wordt GDP gewisseld voor GTP. Ras kan dan binden aan eiwitten van de Raf familie die het signaal verder doorgeven aan diverse ìkinaseî eiwitten. Uiteindelijk wordt het DNA afgelezen.
Onze lichaamscellen zijn voor hun groei afhankelijk van een belangrijk eiwit: Ras. Dit molecuul, dat zich aan de binnenzijde van celmembranen bevindt, kan zich in twee verschillende situaties bevinden. De eerste is een inactieve situatie, waarin het gebonden is aan GDP. GDP, guanosine difosfaat, is een chemische structuur van fosfaten, een base en een suikergroep. Als dit molecuul een fosfaatgroep opneemt spreken we van guanosine trifosfaat, ofwel GTP. Voor Ras maakt het nogal wat uit of het GDP of GTP bindt. Gebonden aan GTP wordt het actief. Dit laatste wil zeggen dat het aan andere eiwitten in de cel kan binden. Zodra Ras GTP weer wisselt voor GDP wordt het weer inactief. We spreken ook wel van een "schakelaar" functie van Ras in de cel. Deze functie heeft grote consequenties: Ras bevindt zich namelijk midden in een moleculaire "route", die leidt tot celgroei door het afwisselend activeren van eiwitten. Een prikkel van buiten de cel wordt naar binnen vertaald in een signaal, dat vervolgens via Ras doorgegeven wordt naar de kern. Hier wordt het DNA vervolgens afgelezen en vertaald in eiwit (transcriptie en translatie) of het verdubbelt zichzelf (replicatie). De route staat weergegeven in de bovenstaande figuur. Dit proces leidt gewoonlijk tot vermenigvuldiging en groei van cellen. Indien in de route een foutje optreedt, en dat is soms het geval bij kanker, kan gemakkelijk ongecontroleerde groei plaatsvinden.
Een foutje in het gen dat codeert voor Ras is verantwoordelijk voor het ontstaan van verschillende soorten kankers. Bepaalde soorten kanker van de alvleesklier, de dikke darm en de longen worden veroorzaakt door onder meer zoín foutje (vaak zijn nog andere eiwitten betrokken bij de uiteindelijke aanzet tot vorming van tumoren). Omdat Ras heel vaak betrokken is bij kanker, is de afgelopen twee decennia zeer veel onderzoek gericht op opheldering van de precieze functie van Ras in de cel, en de mogelijkheden geneesmiddelen te ontwikkelen die op de één of andere manier Ras beïnvloeden.
Foutjes is het Ras gen kunnen ontstaan
door straling (bijv. radioactiviteit) of chemicaliën.
Chemicaliën zijn natuurlijk niet alleen nicotine of vergiften
maar kunnen net zo goed bepaalde stoffen in onze voeding zijn. De
figuur laat een van de meest gangbare mutaties in kanker zien die in
het Ras gen optreden en effecten hebben op de vorm van het
uiteindelijke eiwit Ras.
Op
moleculair niveau gebeurt het volgende: een mutatie van het DNA dat
codeert voor Ras leidt tot de inbouw van een verkeerd aminozuur in
het uiteindelijke eiwit.
In het geval van Ras is de inbouw van een
verkeerd aminozuur op die plaats van groot belang voor het
functioneren van Ras binnen de cel. Wanneer het aminozuur nummer 12
wordt veranderd van een glycine naar een arginine, lopen we al het
risico om kanker te krijgen. De reden hiervoor is halverwege de jaren
negentig duidelijk geworden. Glycine is het kleinste aminozuur, en
het is daarom het enige dat op die plaats past in het eiwit. Als een
iets groter aminozuur door een mutatie deze plaats inneemt, dan is de
structuur van Ras veranderd. Een bepaalde mechanisme kan dan niet
meer plaats vinden, zoals we zullen zien.
Ras
wordt geactiveerd na een signaal van buiten de cel. Dit gaat via een
molecuul dat Sos heet, en ervoor zorgt dat GDP voor GTP gewisseld
wordt. Nu vindt een verandering van de moleculaire structuur van Ras
plaats, waardoor het kan binden aan het volgende eiwit in de reeks
dat Raf heet. Indien er nu niets zou gebeuren, dan zou Ras vrijwel
continu actief blijven. Het kan zelf het gebonden GTP afbreken tot
GDP, maar dit gebeurt heel langzaam. Ras wordt daarom geholpen bij
het inactief maken van GTP. En dit is nu precies het punt waar het om
gaat: het eiwit (p120GAP) dat hierbij
assisteert kan niet binden aan de gemuteerde vorm van Ras, omdat de
ruimtelijke structuur door het nieuwe aminozuur op positie 12
veranderd is. Daardoor staat Ras dus continu als schakelaar op "aan"
en blijft het signalen doorgeven naar de kern. De cel blijft dus
groeien en delen en geeft bovendien de mutatie aan alle dochtercellen
door, waardoor die ook niet meer te reguleren zijn. De vraag is dus
hoe we kunnen zorgen dat Ras weer inactief wordt, of hoe we de
signaalroute kunnen onderbreken. Hoe Ras inactief gemaakt kan worden
zal hier niet worden besproken. Wel zal ik ingaan op het verstoren
van de route; de resultaten van recent onderzoek zullen nu kort
besproken worden.
Indien we nieuwe medicijnen willen maken om
kanker te bestrijden, dan ligt het voor de hand om te zoeken naar
menselijke eiwitten, omdat het lichaam die zal tolereren. Zoals
eerder besproken willen we een eiwit hebben dat de signaalroute
blokkeert van buiten de cel naar de kern.
Om
zulke eiwitten te vinden hebben we grote verzamelingen verschillende
eiwitten nodig, waardoor we precies iets kunnen selecteren dat bindt
aan actief Ras, en nergens anders aan. Het nieuwe eiwit moet precies
"passen" op Ras. Daarbij willen we graag dat dit nieuwe molecule ook
nog eens precies de plaats inneemt van Raf, maar niet zo werkt als
Raf. Het moet immers de signaalroute onderbreken. Het menselijke
afweersysteem biedt een dergelijke bron van eiwitten (antistoffen),
die allemaal hun eigen specificiteit voor bepaalde eiwitten hebben.
Via bepaalde methoden is het mogelijk gebleken om verzamelingen,
"banken" of "bibliotheken" geheten, van tien miljard verschillende
eiwitten in het laboratorium te maken. Een dergelijke bank is van
onschatbare waarde gebleken, want door de enorme grootte is er altijd
wel een antistof in de bank aanwezig die precies op een bepaald eiwit
past waar men in geïnteresseerd is. Over de selectie van zulke
antistoffen middels de zogeheten "phage display" technologie gaat het
intermezzo.
Intermezzo. Selecteren van biomoleculen die mogelijk nieuwe medicijnen kunnen worden.
Eind jaren tachtig werd een nieuwe biologische technologie ontwikkeld, "phage display" geheten, om grote verzamelingen eiwitten te maken als algemene bronnen om nieuwe medicijnen te ontwikkelen. De technologie maakt gebruik van bacteriofagen en DNA dat codeert voor eiwitten betrokken bij de menselijke afweer (antistoffen). Het principe van de technologie is als volgt: fagen parasiteren op bacteriën. Na infectie van de bacterien door de fagen gaan de bacterien deze fagen en hun DNA in grote aantallen maken. De technologie maakt hiervan gebruik door een extra stukje DNA met de fagen mee te sturen, dat codeert voor het belangrijkste gedeelte van een menselijke antistof, de Fab, en dat na vertaling in de bacterie wordt gemaakt op het oppervlak van de faag (vandaar de naam "phage display"). Deze nieuwe faag bezit dus een extra stukje eiwit. Als we nu maar een grote verzameling van fagen maken met allemaal verschillende eiwitten (dat kunnen er 10 miljard zijn!), dan hebben we een grote bron van nieuwe moleculen, gekoppeld aan fagen. Het selecteren uit deze enorme bron doen we door ons eiwit (hier actief Ras), te hechten aan een plastic buisje en vervolgens de gehele verzameling fagen toe te voegen. Na spoelen van de buis zal alleen die faag achterblijven in het buisje, die een stukje antistof op zijn oppervlak heeft dat kan binden aan Ras; de rest is weggespoeld. Na infectie zullen we nu een grote hoeveelheid van de Ras-bindende faag hebben in de bank. We hebben deze dan verrijkt. Het is dus een krachtige technologie die ons in staat stelt zeer snel nieuwe eiwitten te selecteren tegen de eiwitten waarin we geïnteresseerd zijn.
-Terug naar index-
Uit een
bank zoals besproken in het intermezzo is een eiwit geïsoleerd
(een Fab), dat bindt aan Ras. Omdat we specifiek geprobeerd hebben om
Ras in de actieve toestand te houden gedurende het experiment, hebben
we uiteindelijk een Fab gevonden die alleen aan actief Ras bindt. Na
verdere karakterisering van de Fab (bijv. hoe sterk bindt deze aan
Ras?) hebben we vervolgens gevonden dat deze de binding van Raf aan
Ras volledig kan blokkeren (zie de onderstaande figuur). Dit laatste
is interessant, want het is dus een middel om de activiteit van Ras
te remmen in de cel. Als we nu nog een mogelijkheid vinden om de Fab
bij mensen op de juiste plaats te krijgen, zou het een mogelijk
medicijn kunnen worden. Daarbij moeten we niet vergeten dat de juiste
plaats betekent dat het in de tumor, in de cellen moet komen. Hoe we
dat zouden willen bereiken is het terrein van de gentherapie, en
voert te ver om hier te bespreken.
Grafiek die de uitkomsten van een test
laat zien of het nieuw geselecteerde molecuul, de Fab, de binding van
Ras aan Raf kan blokkeren. Op de Y-as het percentage binding Ras aan
Raf; op de X-as de hoeveelheid Fab. Zoals uit de figuur blijkt,
hebben we ongeveer 1 miljoenste molair (1 micromolair) Fab nodig om
Ras te blokkeren.
In deze tekst is beschreven hoe modern moleculair-biologisch onderzoek heeft geleid tot het vinden van een nieuw molecuul dat mogelijkerwijs in de toekomst, na vele proeven en testen in patiënten, kanker zouden kunnen bestrijden. De beschreven methode, "phage display" technologie, in combinatie met het meten van sterkte van binding van eiwitten aan elkaar vormen een krachtige methode om nieuwe moleculen te vinden. De technologie heeft natuurlijk ook nadelen, en de selectie van nieuwe eiwitten levert ook zeker niet altijd het gewenste resultaat. Hoewel onbelicht in deze tekst, dient men zich altijd te realiseren dat een wetenschappelijke methode vrijwel nooit honderd procent waterdicht is.
Bronvermelding
Vragen:
1.Hoe zouden we op een andere wijze in de Ras-route kunnen ingrijpen bij kanker?
2.Waarom is kennis over de sterkte van de binding van eiwitten aan elkaar zo belangrijk?
3.Hoe zou een signaal van buitenaf gegeven kunnen worden aan de cel?
4.In veel gevallen is kanker een ouderdomsziekte. Er wordt wel gezegd dat we ergens aan dood moeten gaan en onderzoek niet zo nodig is. Hoe denk je daarover?
5.De besproken methode ëphage displayí is zeker niet alleen handig in kankeronderzoek. Bedenk waarom ook ander onderzoek ervan gebruik kan maken.
6.De grafiek in de tekst zou er heel anders uitzien als de binding van de Fab aan Ras minder sterk was. Probeer te bedenken hoe.
Docentenhandleiding
De
tekst "kankertherapie door de ëschakelaarí om of vast te
zetten" is bedoeld om de leerlingen iets te leren over de oorzaken
van kanker en de biologische achtergrond. Enige aandacht wordt
besteed aan levenswijze en risico op het ontstaan van kanker. Ten
tweede gaat de tekst iets dieper in op modern kankeronderzoek. Een
voorbeeld wordt gegeven van een mogelijk toekomstige manier om de
ziekte te bestrijden, gebaseerd op recent onderzoek. Ten slotte wordt
iets dieper ingegaan op de gebruikte methoden en technologieën
die gebruikt zijn in dit onderzoek. Getracht is om op een
begrijpelijke manier een zeer geavanceerde technologie, genaamd
ëphage displayí uit te leggen. Ook worden voorbeelden
gegeven van structuur van eiwitten en de functionaliteit van die
structuur. Dit is een moeilijk maar belangrijk onderdeel van de
biologie.
Om enig begrip te krijgen van de informatie in
deze tekst dient men gedegen biologische kennis te hebben.
Voornamelijk op het gebied van basale genetica, moleculaire biologie
en eiwitten zal enige voorkennis handig zijn, hoewel het geen
vereiste is. Een basale kennis van kanker zou beslist het begrip
kunnen vergroten. Die kennis zou niet verder hoeven te gaan dan wat
kanker is en hoe we kwaadaardigheid definiëren. Een minder voor
de hand liggend punt, maar in mijn ogen belangrijk issue, is dat
leerlingen enigszins zouden moeten weten hoe we in de
biologie/biochemie afkortingen gebruiken en terminologie hanteren. Er
wordt bijvoorbeeld gesproken van p120GAP. Het vooraf
bekendmaken met het feit dat we hier de grootte en naam van het eiwit
in één term verwoorden maakt de tekst makkelijker
leesbaar. Hetzelfde geldt natuurlijk ook voor de aminozuren en
nucleotiden.
De tekst is beschrijvend, maar zowel mogelijkheden als onmogelijkheden van de gebruikte methoden worden in de tekst genoemd. Het is dan ook van belang om goed te benadrukken dat deze informatie slechts illustratief is voor modern kankeronderzoek. Zoals gebruikelijk in de wetenschap, zal ook deze informatie onderhevig zijn aan scepsis en kritiek van andere onderzoekers. Om dit belangrijke punt duidelijk te maken is dus enige scepsis in de tekst vermeld.
Antwoorden op de gestelde vragen:
1. Er zijn diverse antwoorden. Bijvoorbeeld: de functie van een ander eiwit blokkeren in de Ras-route of zorgen dat het signaal niet via de receptor in de cel terechtkomt.
2. Het kan van belang zijn in een therapeutische situatie om te bepalen hoeveel er nodig is.
3. Door middel van bijvoorbeeld hormonen, andere eiwitten of chemische verbindingen.
4. Voorbeeldantwoorden: ook kinderziekte; stimulans voor biologisch onderzoek in het algemeen; ziekte kent dramatisch verloop in sommige gevallen, verlichting daarvan is al grote winst (meningvormende vraag).
5. In het algemeen kun je allerlei biomoleculen als doelwit kiezen. Deze zijn natuurlijk in zeer uiteenlopende biologische processen betrokken (inzicht, toepassing).
6. De curve schuift naar rechts want we hebben meer nodig (inzichtvraag).
Vragen en antwoorden om de kennis na 14 dagen te testen:
1. Hoe werkt het eiwit Ras bij het ontstaan van kanker? (moleculaire schakelaar)
2. Waarom is het van belang om een zo groot aantal verschillende bacteriofagen te maken in ëphage displayí technologie? (Grotere verscheidenheid vergroot de kans op succes in selecties)
3. Wanneer wordt een gezwel kwaadaardig? (Voorkennis ter begrip van de tekst, niet expliciet in de tekst. Antwoord: ingroeien in weefsels en verspreiding door het lichaam)
4. Waarom past voor normaal functioneren van Ras alleen een glycine op positie 12? (ruimtelijk probleem: bepaald eiwit kan niet meer normaal binden)