МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ КЛЕТОЧНОГО ГЕНОМА

Общие положения

Различают антиканцерогенные, антимутационные и антицеллюлярные механизмы противоопухолевой защиты (П.Ф. Литвицкий, 2002).

Антиканцерогенные механизмы

Обеспечивают торможение и/или блокаду проникновения канцерогенов в клетку и элиминации бластомогенных агентов из клетки и организма.

Они включают:

· физико-химическую фиксацию (глюкуронизация, сульфатирование) и удаление из организма (с мочой, экскрементами, желчью, потом) канцерогенов;

· поглощение канцерогенов в процессе фагоцитоза, сочетающееся с их инактивацией и разрушением;

· разрушение или инактивацию канцерогенов в клетках и биологических жидкостях в процессе их окисления, восстановления, диметилирования;

· ингибирование («гашение») свободных радикалов и гидроперекисей факторами антиоксидантной защиты.

Среди антиканцерогенных факторов особое место занимают механизмы, препятствующие действию канцерогенных вирусов, в том числе:

· инактивация вирусов антителами;

· ингибирование вирусов интерфероном;

· обнаружение и разрушение вирусосодержащих клеток организма
цитотоксическими Т-лимфоцитами и фагоцитами.

Антимутационные механизмы

Обеспечивают стабильность клеточного генома и препятствуют злокачественной трансформации клеток в условиях действия на них генотоксических факторов.

Они включают:

· стабильность ДНК как физико-химической структуры в условиях изменения рН, температуры, изоэлектрической точки и других воздействий;

· комплементарность ДНК, исключающую возможность репликации некомплементарных нуклеотидов;

· действие онкосупрессоров, обеспечивающих арест клеточного цикла и реализацию активных программ:

а) репарацию ДНК с участием рестриктирующих эндонуклеаз;

б) программированную клеточную гибель - апоптоз.

Антицеллюлярные механизмы

Обеспечивают элиминацию трансформированных клеток.

Они включают:

· цитотоксические Т-лимфоциты (CD8⁺);

· NK-клетки;

· клетки моноцитарно-макрофагальной системы;

· ФНО.

СИСТЕМА РЕПАРАЦИИ ММR

Механизм регуляции MMR (по А.В. Лихтенштейну, В.С. Шапоту, 2001)

· Инициация и прогрессия опухоли - суть фенотипические проявления нарушений генотипа (ДНК). В связи с этим противоопухолевая защита клетки осуществляется не только через механизмы супрессии клеточной пролиферации и активации апоптоза, но и путем репарации ДНК - восстановления нарушенной структуры.

· Нарушения структуры ДНК могут быть следствием не только модификации или повреждения оснований и нуклеотидов, что характерно для действия физических и химических мутагенов. Они могут быть и результатом ошибок спаривания оснований, при которых вместо комплементарной пары нуклеотидов А+Т или Г+Ц в дочернюю цепь оказываются включенными нуклеотиды, некомплементарные нуклеотидам в материнской цепи ДНК. Эти некомплементарные нуклеотиды называют мисмэтчами (mismatch).

· Возникновение подобных нарушений структуры ДНК возможно из-за ошибочной подстановки нуклеотида ДНК-полимеразой,чему способствует наличие в геноме многократных повторов 2-3 нуклеотидов, образующих т.н. микросателлитные последовательности. В геноме человека присутствует около 100.000 повторов ЦА/ГТ. При репликации таких локусов и возможен эффект скольжения(slippage), что приводит к образованию неспаренных участков, которые затрагивают только дочернюю нить ДНК.

· Удаление подобных дефектов структуры ДНК - мисмэтч - репарация - прерогатива системы MMR (mutations in mismatch repair), которую обеспечивают несколько согласованно действующих белков. Одни из них (МSH2, GТВР) распознают дефект связывания с участками неспаренности и рекрутируют другие белки (МLН1, РМS2). Последние восстанавливают структуру дочерней нити ДНК, полностью комплементарную материнской нити.

· При дефектах ММR возникает т. н. мутаторный фенотип. Частота мутаций возрастает в 100-1000 раз. Нестабильность микросателлитов охватывает весь геном и отражается на функционировании многих генов, в составе или вблизи которых расположены микросателлиты.

· Неполноценность ММR резко увеличивает вероятность новых мутаций, которые, лавинообразно накапливаясь в ряду клеточных поколений, способствуют ускоренной прогрессии опухоли. Дефекты МLH1 и МSН2 обнаружены при различных семейных и спорадических формах рака, в частности, при раке толстой кишки.

· Поскольку гены ММR относятся к числу генов-супрессоров, мутаторный фенотип возникает при инактивации обеих аллелей соответствующего гена.

ГЕН p53 И ЕГО РОЛЬ В ОБЕСПЕЧЕНИИ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ДНК

· Сенсором повреждения ДНК и нарушения в клеточном цикле является ген р53. Этот ген, располагающийся на коротком плече хромосомы 17, кодирует образование ядерного белка из 393 аминокислот с молекулярной массой 53 кД. Тетрамер р53 локализован в клеточном ядре и функционирует как транскрипционный фактор, связываясь своим карбоксильным окончанием со специфическими регионами генов-мишеней. Показано, что активация гена р53 происходит не только в ответ на поражение ДНК (под действием ионизирующего или УФЛ-облучения, ингибитора топоизомеразы 2 и прочих факторов), но может явиться следствием многих других процессов, происходящих в клетке, в том числе активации онкогенов, гипоксии, дефиците питания, старении и др. Недаром этот ген получил название "хранитель генома" (Е.Б. Владимирская, 2002).

· При активации гена р53, кодируемый им белок р53 способен инициировать независимо друг от друга две программы (Н.Н. Белушкина, С.Е. Северин, 2001):

а) временную остановку клеточного цикла в G₁/S-фазе с помощью белка р21^WAF1, ингибирующего циклинзависимые киназы;

б) стимуляцию апоптоза путем активации генов Bax или Bid - проапоптотических генов семейства Bcl 2 и/или активации образования свободных форм кислорода, способствующих выходу цитохрома С из митохондрий.

· Блок клеточного цикла в фазе G₁ - фазе репликации ДНК, делает возможной репарацию поврежденной ДНК и предотвращает тем самым появление мутантных клеток. Считают, что приоритетной для большинства клеток является программа временной остановки митотического цикла, хотя выбор стратегии может характеризоваться тканеспецифичностью.

· Есть данные об участии р53 в процессах репарации ДНК путем активации вновь открытого гена р53R2, кодирующего рибонуклеотидредуктазу.

· Программа апоптоза включается при невозможности клетки репарировать ДНК во время "ареста" при прохождении митотического цикла, или дефиците белка р21^WAF1.

· Т.о., основной функцией гена р53 и кодируемого им белка (р53) следует считать защиту организма от накопления генетически дефектных клеток. Мутация гена р53 позволяет таким клеткам сохранять жизнеспособность в митозе, что чревато их выживанием и, следовательно, развитием опухолевого процесса. Такие мутации связаны с плохим прогнозом в лечении злокачественных новообразований, поскольку опухолевые клетки с этими мутациями оказываются резистентными к лучевой и химиотерапии.

· Мутация гена р53 обнаруживаются более, чем в половине раковых опухолей. При длительной химиотерапии частота ее повышается. У детей мутация в гене р53 чаще наблюдается при остром Т-лимфобластном лейкозе, составляя около 12% и всегда служит прогностически неблагоприятным фактором.

СХЕМА УЧАСТИЯ ОНКОСУПРЕССОРНОГО БЕЛКА p53 В ОБЕСПЕЧЕНИИ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ДНК

ОНКОСУПРЕССОРНЫЙ БЕЛОК АРС. РОЛЬ В КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ

(по V. Cumar, R.S. Cotran, S.L. Robbins, 1997; А.В.Лихтенштейну, В.С. Шапоту, 2001)

РЕЗЮМЕ

· В основе многоклеточности, которая служит фоном для развития опухоли, лежит способность каждой клетки интегрировать сигналы, поступающие от растворимых факторов, взаимодействий клеток с внеклеточным матриксом и друг с другом. Правильная обработка этих сигналов клеткой создает основы для нормального клеточного роста, дифференцировки и морфогенеза. Некорректная интеграция поступающих с разных сторон сигналов, приводит к развитию патологии, в частности, рака (Е.Д. Свердлов, 2001).

· Рак вызывается эволюцией клеток, выражающейся в последовательном накоплении не связанных между собой мутаций, делающих клетку все более автономной от окружения. Эти мутации затрагивают как онкогены (ras и др), способствующие пролиферации, так и гены-супрессоры, участвующие в контроле клеточного цикла (Rb) и обеспечивающие стабильность генома (р53, APC, BRCA, ATM и др.)

· Независимость мутаций отдельных генов не означает независимости действия в клетке каждого из контролируемых ими продуктов, которые выполняют функцию сигнальных молекул. Включаемые этими молекулами различные линейные сигнальные пути объединяются в общую сигнальную сеть (networks) и, таким образом, переплетаются. Т.е. онкогены и гены-супрессоры действуют зависимо друг от друга и при опухолевой трансформации изменяются не единицы и не десятки, а сотни генов. Таким образом, в раковую трансформацию вовлекаются не отдельные звенья регуляции генома, а интегральные процессы.

· Независимость опухоли от окружения не означает ее абсолютной изолированности: "нормальные клетки" внутри раковой опухоли оказываются активными участниками опухолевого процесса и используются раковыми клетками для своего существования. В частности, ростовые сигналы, управляющие пролиферацией клеток карциномы могут происходить от клеток нормальной стромы - компонентов опухолевой массы.

· "Успешными" опухолевыми клетками являются те, которые приобретают способность использовать своих нормальных соседей, индуцируя их испускать потоки сигналов роста для увеличения потенциала роста опухоли.

· В развивающейся опухоли идет непрерывное взаимодействие между системой передачи сигналов и изменениями генома. Изменения генома, улучшающие сигнализацию, могут приводить к дальнейшему ускорению изменения генома и т.д.

· Таким образом, опухоль превращается в сообщество множества типов клеток, которые коэволюционизируют, обмениваясь сигналами и изменяя структуру генома так, чтобы оптимизировать эволюцию опухоли, в том числе, возможно, путем оптимизации обмена сигналами между различными компонентами эволюционизирующей биомассы.