Молекулярно-генетические механизмы канцерогенеза

Превращение нормальной клетки в опухолевую называется трансформацией. Процесс, включающий механизмы опухолевой трансформации клетки, каскада явлений, инициируемых ею, и завершающийся образованием опухоли, определяют термином "онкогенез" (от греч. oncos -опухоль и genesis -развитие, формирование) или канцерогенезом (cancer - рак).

Современная концепция онкогенеза, получила название концепции онкогена. Основополагающие положения ее были сформулированы в 1981-1985 гг. Этому предшествовали сложные поиски ведущего патогенетического звена в механизме опухолевой трансформации. Все исследователи второй половины 20-го столетия признавали, что процесс этот осуществляется на молекулярно-генетическом уровне, но суть этих изменений трактовалась по-разному.

Существовали три альтернативные концепции канцерогенеза:

Мутационная концепция

Суть мутационной концепции заключается в следующем: нормальная клетка превращается в опухолевую в результате структурных изменений в генетическом материале, т.е. мутаций. Различают три ее варианта. Первый вариант концепции касается хромосомных аббераций и геномных мутаций, затрагивающих значительную часть генома. Второй вариант учитывает еще и точечные или генные мутации. Третий вариант касается возможности участия в канцерогенезе мутации регуляторных генов.

О возможной роли мутационных механизмов в канцерогенезе свидетельствуют следующие факты:

1. Мутагенность подавляющей части (90%) известных канцерогенов и канцерогенность (онкогенность) большинства (у 85-87% исследованных образцов) мутагенов.

2. Обнаружение в клетках ряда опухолей человека и животных так называемых маркерных хромосом (например, 22 хромосома – филадельфийская) при миелоцитарном лейкозе человека и др.

3. Резкое увеличение (в 20 - 50 раз) заболеваемости лейкозом и опухолевой болезнью людей с различного рода генетическими дефектами (при болезни Дауна, при синдромах Клайнфельтера, Шерешевского-Тернера и др.).

Эпигеномная концепция канцерогенеза

Согласно эпигеномной концепции канцерогенеза в основе превращения нормальной клетки в злокачественную лежат не изменения в структуре генетического материала, а нарушения реализации генетической информации, стойкие нарушения регуляции генной активности. Под влиянием тех или иных канцерогенных воздействий (химический или физический канцероген, онкогенный вирус) происходит сдвиг в строго специфичной для каждой ткани регуляции генной активности: дерепрессируются те группы генов, которые в данной ткани должны быть зарепрессированы и (или) блокируются другие гены, должные быть активными. В результате клетка в значительной мере утрачивает присущую ей специфику, становится нечувствительной или малочувствительной к регуляторным влияниям целостного организма, неуправляемой. Эпигеномная концепция канцерогенеза удачно объясняет целый ряд особенностей неоплазмы: явления изоферментного упрощения, антигенной реверсии, выработку некоторыми опухолями гормонов, не присущих клеткам гомологичной ткани.

Вирусо-генетическая концепция канцерогенеза

Автором вирусо-генетической концепции является Л.А.Зильбер (1948). По его мнению опухолевая пролиферация есть результат привнесения в генетический материал клетки новой генетической информации онкогенными вирусами. Главным свойством онкогенных вирусов является их "умение" разорвать цепочку ДНК клетки и объединиться, интегрироваться с ее обрывками, т.е. с клеточным геномом. Проникнув в клетку, вирус освободившись от белковой оболочки под влиянием содержащихся в нем ферментов, встраивает свою ДНК в генетический аппарат клетки. Привнесенная вирусом новая генетическая информация меняет характер роста и поведение клетки, превращая ее в злокачественную. При размножении такой клетки приобретенные ею новые свойства передаются дочерним клеткам.

Открытие явления обратной транскрипции, опровергающей центральную догму генетики, согласно которой списывание генетической информации возможно только в одном направлении ДНК - РНК - белок и обнаружение в РНК-содержащих вирусах - ретровирусах специального фермента - ревертазы или обратной транскриптазы, обеспечивающего процесс обратной транскрипции, позволили понять, как действуют и РНК-вирусы. Вначале синтезируется ДНК-овая копия их РНК, которая и встраивается затем в геном клетки. В процессе обратной транскрипции на концах ДНК-овой копии формируются одинаковые последовательности - большие терминальные повторы (LTR), - играющие роль в трансформации нормальной клетки в опухолевую.

Современные представления о молекулярно-генетических механизмах неопластической трансформации

Концепция онкогена

Наличие альтернативных точек зрения на природу неопластической трансформации уступило в 70-е годы место их сближению. Все более очевидным становилась правомерность участия в канцерогенезе и мутационных, и эпигеномных, и вирусо-генетических процессов, включающихся в механизм опухолевой трансформации последовательно.

Возникновение опухоли – это многостадийный процесс, включающий 3 этапа (стадии).

1 стадия – инициация (трансформация) – приобретение исходной нормальной клеткой способности беспредельно размножаться. Все теории, подготовившие базу для открытия молекулярных механизмов канцерогенеза, исходили из общей предпосылки, что превращение нормальной клетки в опухолевую является результатом стойких изменений в геноме клетки – мутации одного из генов, регулирующих клеточное размножение. Вследствие этого клетка становится инициированной (потенциально способной к неограниченному размножению), но требующей для проявления этой способности ряда дополнительных условий.

Инициирующими факторами могут служить различные канцерогены, вызывающие повреждения ДНК.

Установлено, что в нормальных клетках в ДНК имеется участок гомологичный по нуклеотидному составу онкогену вирусов, иными словами – для каждого из 20 известных ретровирусных онкогенов в геноме нормальных и опухолевых клеток различных видов животных имеется свой клеточный аналог. В нормальных клетках клеточный аналог вирусного онкогена неактивен и назван протоонкогеном. В опухолевых клетках он активен и называется клеточным онкогеном. Переход неактивного клеточного онкогена (протоонкогена) в активный клеточный онкоген происходит под влиянием химических, физических и биологических канцерогенов. Выделяют следующие основные механизмы активации протоонкогенов.

1. Включение (вставка) промотора. Промотор – это участок ДНК, с которым связывается РНК – полимераза, инициируя транскрипцию онкогена. Проявлению активирующего действия промотора, способствует его расположение рядом с протоонкогеном. В роли промоторов для протоонкогенов могут выступать ДНК-копии определенных участков онковирусов, а также «прыгающие гены», которые представляют собой мобильные сигналы ДНК, способные перемещаться и встраиваться в разные участки генома клеток.

2. Амплификация, т.е. увеличение числа (копий) протоонкогенов, которые в норме обладают небольшой активностью. В итоге общая активность может привести к опухолевой трансформации клетки.

3. Транслокация протоонкогенов. Установлено, что перемещение протоонкогена в локус с функционирующим промотором превращает его в клеточный онкоген.

4. Мутации протоонкогенов. Введение в геном клетки хотя бы одной копии клеточного онкогена (мутация) сопровождается активацией протоонкогенов.

Вслед за превращением протоонкогенов в активные клеточные онкогены начинается экспрессия активных клеточных онкогенов. Она проявляется в увеличении синтеза онкобелков или в синтезе структурно измененных онкобелков. Затем начинается превращение (трансформация) нормальной клетки в опухолевую по следующим механизмам:

а) онкобелки соединяются с рецепторами для факторов роста и образуют комплексы, постоянно генерирующие сигналы к делению клеток;

б) онкобелки повышают чувствительность рецепторов к факторам роста или понижают чувствительность к ингибиторам роста;

в) онкобелки сами могут действовать как факторы роста.

II стадия – промоция или активация опухолевых клеток. Трансформированные клетки длительное время могут оставаться в ткани в неактивной форме, а дополнительное воздействие канцерогенных факторов запускает амплификацию онкогенов, активирует новые протоонкогены, вызывает дополнительные генные и хромосомные аберрации, обусловливает включение промотора.

Промоторы – химические вещества, которые сами не вызывают повреждения и не являются канцерогенами, но их постоянное воздействие на инициированные клетки приводит к возникновению опухоли. Вследствие этого опухолевые клетки, до этого находившиеся в латентном состоянии, начинают интенсивно размножаться, образуя первичный опухолевый узел. Главное в промоции – стимуляция клеточного деления, вследствие чего создается критическая масса инициированных клеток, что обусловливает высвобождение инициированных клеток из-под тканевого контроля и способствует мутационному процессу.

III стадия– опухолевая прогрессия – стойкое качественное изменение свойств опухоли в сторону малигнизации, возникающее по мере ее роста. Опухолевая прогрессия – это не просто увеличение опухоли в размерах, это качественное изменение ее части с появлением по существу новой опухоли, обладающей ранее отсутствующими свойствами, что может быть связано с отбором клеточных клонов, а также с мутацией опухолевых клеток. Прогрессия опухоли осуществляется путем отбора клеточных популяций с их непрерывным развитием в направлении все большей автономии, деструктивного роста, инвазивности, способности к образованию метастазов и приспособляемостью к меняющимся условиям существования.

Опухолевая прогрессия в отличие от дифференцировки нормальных тканей происходит независимо, несопряженно, а поэтому развитие опухоли никогда нельзя считать завершенным. Прогрессия опухоли касается и первичных и вторичных признаков. (Первичным – «необъемлемым» признаком опухоли является нерегулируемый рост, а остальные свойства: скорость роста, инвазивность опухоли, метастазирование и т.д. – «вторичные» свойства или признаки, которые и изменяются в ходе прогрессии).

Трансформации нормальных клеток в опухолевые, промоции и опухолевой прогрессии способствует ряд факторов: снижение антибластомной резистентности и противоопухолевого иммунитета (иммунодепрессия, иммунодефицит, ослабление «кейлонного надзора» за опухолью, эндокринный дисбаланс, гормонально-метаболические нарушения и др.

Природа продуктов деятельности онкогенов и

механизмы их действия

Продукты деятельности онкогенов - онкобелки в следовых количествах синтезируются и в нормальных клетках, функционируя как регуляторы чувствительности их рецепторов к факторам роста или как синергисты последних. Многие онкобелки гомологичны или родственны ростовым факторам: тромбоцитарному фактору роста (ТФР), эпидермальному фактору роста (ЭФР), инсулинподобным фактором роста и др. Находясь под контролем регуляторных механизмов целостного организма, фактор роста действует прерывисто, обеспечивая процессы регенерации. Выйдя из-под контроля, "работает" перманентно, вызывая неудержимую пролиферацию и подготавливая почву для процесса малигнизации.

Механизмы действия онкогенов и их продуктов - онкобелков могут быть сведены к трем основным категориям (рис. 12):

1. Продукты онкогенов - онкобелки могут имитировать действие факторов роста, оказывая влияние на синтезирующие их клетки по аутокринному пути, в результате чего развивается синдром "самозатягивающейся петли" (рис. Б).

2. Онкобелки могут модифицировать рецепторы факторов роста, имитируя ситуацию, возникающую при взаимодействии рецептора с соответствующим фактором роста, не нуждаясь в его действии (рис. 12В)

3. Продукты онкогенов могут действовать на ключевые внутриклеточные процессы, участвующие в контроле роста клеток, как мессенжеры по типу интракринного взаимодействия, В этой ситуации внешний стимул клетке не нужен. Так, продукт гена src, являющийся тирозинпротеинкиназой, может оказывать воздействие на митотическую активность клетки, влияя на фосфорилирование ключевых регуляторных белков. Аналогичный результат может обеспечить продукт гена ras, стимулирующий (опосредованно) активность аденилатциклазы.

Рис. 12. Схема механизмов митогенной стимуляции нормальных и трансформиро-ванных клеток:

в норме (А) - факторы роста (обозначены точками) включают рецепторы (дуги), те посылают в клетку вторичные сигналы (зубчатые линии), периодически побуждающие клетку к делению; при раке (Б) - факторы роста, выделяясь в избытке из клетки, стимулируют ее рецепторы и вызывают безудержное деление - синдром «самозатягивающейся петли»; В - модифицированные в результате мутации протоонкогена рецепторы, посылая вторичные сигналы постоянно, вызывают бесконтрольное деление клетки.

Многоэтапность опухолевой трансформации

В становлении неопластического фенотипа принимает участие не один онкоген, а последовательное включение нескольких, по меньшей мере, двух онкогенов, что и лежит в основе еще одного, характерного для канцерогенеза, явления - многоэтапности, многоступенчатости процесса. Решающими являются два этапа. Первый - иммортализация популяции клеток, т.е. процесс, вызывающий их способность беспредельно размножаться. В этом этапе принимают участие "ядерные" онкогены, онкобелки которых поступают в ядро. Второй этап - процесс, меняющий характер роста клетки, делающий ее агрессивной, обеспечивающий возможность опухолевым клеткам прорастать в здоровые ткани и разрушать их. К этому причастны в основном "мембранные" онкогены, онкобелки которых накапливаются в мембранах. Полагают, что непрерывное деление клеток - функция ядра, а агрессивный (инфильтрирующий) рост - преимущественно функция мембран.

Антионкогены и их роль в явлениях опухолевой трансформации

В геноме клетки имеется и второй класс опухолеродных генов - генов-протекторов или генов-супрессоров (антионкогенов), контролирующих в отличие от онкогенов, синтез не стимуляторов роста, а его ингибиторов, подавляющих активность онкогена и соответственно размножение клеток и стимулирующих их дифференцировку. Нарушение баланса между ними и определяет результат. Впервые ген-супрессор был обнаружен в 1985 году при исследовании ретинобластомы - злокачественной опухоли сетчатки глаза у детей. Выяснилось, что в клетках опухоли отсутствует или в результате мутации функционально неактивен ген, локализующийся в длинном плече 13 хромосомы. Кодируемый геном РБ белок (р 110) регулирует активность генов, в частности онкогенов, вызывающих опухолевую трансформацию клеток сетчатки глаза. Выделенный ген РБ с помощью методов генной инженерии был перенесен в безудержно размножающиеся клетки культуры ретинобластомы. Получив отсутствующий ген, раковые клетки стали вырабатывать белок р 110, который блокировал действие онкогена. В результате опухолевые клетки превращались в нормальные. Они жили положенный им срок, старели и погибали.

Последующие исследования показали, что отсутствие РБ-гена обнаруживается в 40% случаев рака мочевого пузыря, почти во всех случаях рака легких, молочной железы, саркомы костей. При других формах злокачественных новообразований отсутствуют другие гены (возможно, супрессоры) различных хромосом.

Известно около двух десятков генов-супрессоров опухоли (антионкогены), они действуют как ингибиторы проведения рострегулирующих сигналов в клетке и тем самым предупреждают возможность нерегулируемой пролиферации. Инактивация антионкогенов, вызванная их мутациями, приводит к неконтролируемому росту. Важным антионкогеном, выполняющим в клетке рострегулирующие функции и запуская механизм апоптоза, является р 53. Мутация этого антионкогена приводит к нарушению этой функции и к безостановочному делению клетки, происходит накопление клеток с различными хромосомными повреждениями, что характерно для клеток опухолей. Мутации антионкогена р 53 выявляются примерно у 60% злокачественных опухолей у человека, этот антионкоген во многом определяет реакции опухолей на химио- и (или) лучевую терапию. В тех случаях, когда р 53 нормально функционирует, повреждение ДНК под влиянием химиотерапии или облучения вызывает апоптоз опухолевых клеток. В опухолях с инактированнным р 53 индуцированные повреждения ДНК не приводят к апоптозу, и такие опухоли резистентны к химио- и лучевой терапии.

Активное участие в регуляции процесса апоптоза принимают и другие факторы, в частности Fas-гликопротеин из семейства рецепторов фактора некроза опухоли и его лиганд. Fas экспрессируется преимущественно активированными лимфоцитами и естественными киллерами почти во всех органах и тканях человека, в том числе и в опухолях, ингибируя Fas-зависимый апоптоз.

По сути дела опухолевый рост – результат дисбаланса между процессами пролиферации клеток и апоптоза.

Снижение способности к апоптозу у опухолевых клеток играет существенную роль в развитии многих опухолей и осуществляется с помощью следующих механизмов:

- Ауто- и паракринное повышение экспрессии ростовых факторов и рецепторов к ним, возникающее в опухолевых клетках вследствие активации онкогенов, что делает клетки опухолевого клона независимым от микроокружения и облегчает их метастазирование;

- Мутации в генах bcl и р53, контролирующих суицидальную программу, что сопровождается превращением их из индукторов в ингибиторы апоптоза;

- Торможение апоптоза в результате нарушений его эффекторных механизмов и путей передачи проаптотических сигналов (например: блокирование рецепторов ретиновой кислоты - одного из мощных индукторов апоптоза);

- Уменьшение количества Fas-рецепторов на поверхности клетки или нарушение связывания этих рецепторов со своими лигандами (Fas-L).

Fas-L выделяется цитотоксическими Т-лимфоцитами и NK-клетками и является "фактором смерти», индуцирующим апоптоз в клетках мишенях.

На основании этих данных полагают, что опухолевые клетки могут отражать иммунную атаку, убивая цитотоксические Т-лимфоциты и нормальные киллеры (NK). При экспрессии Fas-L на опухолевых клетках его растворимая форма может попадать в циркуляцию, провоцируя клетки, имеющие на своей поверхности Fas-рецептор, к апоптозу и тем самым вызывать мульторганные поражения, часто наблюдаемые у онкологических больных. У опухолевых клеток программа клеточной гибели блокирована, что и «делает» опухолевую клетку «бессмертной».