Молекулярно-генетические механизмы канцерогенеза

Превращение нормальной клетки в опухолевую называется опухолевой трансформацией. Процесс, включающий механизмы опухолевой трансформации клетки, каскада явлений, инициируемых ею, и завершающийся образованием опухоли, определяют термином «онкогенез» (от греч. oncos – опухоль; genesis – развитие, формирование), или «канцерогенез» (от лат. cancer – рак). Все исследователи второй половины XX в. признавали, что процесс онкогенеза осуществляется на молекулярно-генетическом уровне, но суть этих изменений трактовалась по-разному. Существовали три альтернативные концепции канцерогенеза.

Мутационная концепция, согласно которой нормальная клетка превращается в опухолевую в результате структурных изменений в генетическом материале: хромосомных аберраций и геномных мутаций (первый вариант), точечных или генных мутаций структурных генов (второй вариант), мутации регуляторных генов (третий вариант). На возможную роль мутационных механизмов в канцерогенезе указыают мутагенность 90% известных канцерогенов и канцерогенность 85-87% мутагенов; обнаружение в клетках ряда опухолей человека и животных маркерных хромосом (22-я хромосома с укороченным длинным плечом – филадельфийская при хроническом миелоидном лейкозе человека и др.), 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 которой в основе превращения нормальной клетки в злокачественную лежат не изменения в структуре генетического материала, а стойкие нарушения регуляции генной активности. Под влиянием канцерогенных воздействий дерепрессируются те группы генов, которые в данной ткани должны быть зарепрессированы и (или) блокируются другие гены, должные быть активными. В результате клетка становится нечувствительной или малочувствительной к регуляторным влияниям целостного организма, неуправляемой. Эпигеномная концепция канцерогенеза удачно объясняет целый ряд особенностей неоплазмы: явления изоферментного упрощения, антигенной реверсии, эктопический синтез гормонов.

Вирусо-генетическая концепция, согласно которой опухолевая пролиферация – результат привнесения в генетический материал клетки новой генетической информации онковируса (Л.А.Зильбер, 1948). Проникнув в клетку, вирус, встраивает свою ДНК в генетический аппарат клетки, детерминируя синтез опухолетрансформирующего белка и превращая ее в злокачественную. При делении такой клетки приобретенные ею новые свойства передаются дочерним клеткам. Открытие явления обратной транскрипции с обнаружением в ретровирусах специального фермента – ревертазы, или обратной транскриптазы (Temin H.M., 1971), позволило распространить положения вирусогенетической концепции на онковирусы. Вначале синтезируется ДНК-копия РНК-вируса, которая и встраивается затем в геном клетки. В процессе обратной транскрипции на концах ДНК-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.

В 70гг. XX в. все более очевидным становилась правомерность участия в канцерогенезе мутационных, эпигеномных и вирусо-генетических механизмов, включающихся в процесс опухолевой трансформации последовательно.

Возникновение опухоли – это многостадийный процесс, включающий три этапа (стадии) (рис. 22).

1-я стадия – инициация (опухолевая трансформация) – приобретение исходной нормальной клеткой способности беспредельно размножаться – фундаментального признака опухоли. Критическим событием в процессе химического канцерогенеза является ковалентное связывание метаболитов канцерогенных веществ с ДНК и белками и образование аддуктов канцероген-ДНК и канцероген-белок, которые в свою очередь приводят к возникновению в клеточных генах мутаций в результате которых происходит активация онкогенов и инактивация генов-супрессоров.

Рисунок 22. Этапы патогенеза злокачественных новообразований.

Установлено, что в нормальных клетках имеются участки ДНК, гомологичные по нуклеотидному составу онкогену вирусов (v-онкогену). Для каждого из 50 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 клеточным протоонкогеном, обычно экспрессируемым в эмбриональном периоде онтогенеза, и лишь эпизодически в постнатальном развитии. В опухолевых клетках он активен и называется клеточным онкогеном. Клеточные протоонкогены – (прототипы v-онкогенов) – древние, необходимые клеткам консервативные гены, играющие ключевую роль в регуляции клеточного деления, особенно в ранние периоды эмбриогенеза (детерминирующие синтез протоонкопротеинов). Клеточные онкогены – видоизмененные гомологи нормальных клеточных протоонкогенов, детерминирующие синтез белков (онкобелков), трансформирующих клетку в опухолевую. Онкобелки (опухолетрансформирующие белки) – видоизмененные аналоги протоонкопротеинов – регуляторов роста клеток. Активация клеточного протоонкогена в онкоген осуществляется под воздействием химических, физических и биологических канцерогенов в случае мутации или делеции антионкогенов (генов-супрессоров). Антионкогены – доминантные гены, кодирующие белки, ограничивающие экспрессию протоонкогенов, активацию протоонкогенов в онкогены и ингибирующие клеточное деление, при этом инициируя апоптоз клетки, или усиливая процессы репарации ДНК, в целом ограничивая продолжительность жизни трансформированной клетки, что представляет антибластомную программу.

Выделяют следующие основные механизмы активации клеточных протоонкогенов: включение (вставка) промотора – участка ДНК, с которым связывается РНК-полимераза, инициируя транскрипцию онкогена. Проявлению активирующего действия промотора способствует его расположение рядом с протоонкогеном. В роли промоторов могут выступать онкогены ДНК-вирусов и ДНК-копии онковирусов, а также «прыгающие гены» (гены-транспозоны), которые представляют собой мобильные локусы ДНК, способные перемещаться и встраиваться в разные участки генома клеток; вставка в геном клетки инхансера (enchancer - усилитель) – участка ДНК, способного активизировать работу структурного гена; амплификация, т.е. увеличение числа (копий) протоонкогенов, которые в норме обладают небольшой активностью. В итоге суммарная активность может привести к опухолевой трансформации клетки; хромосомные аберрации с транслокацией протоонкогенов в локус ДНК с функционирующим промотором. Установлено, что такое перемещение протоонкогена превращает его в клеточный онкоген; мутации протоонкогенов; трансдукция неактивных клеточных генов-протоонкогенов в геном ретровируса и последующее их возвращение в клетку животных или человека при их инфицировании, что обеспечивает активацию «молчавшего» гена. За превращением протоонкогенов в активные клеточные онкогены следует их экспрессия, проявляющаяся в увеличении синтеза онкобелков или в синтезе структурно измененных онкобелков. Таким образом, в стадии инициации завершается необратимый процесс опухолевой трансформации клетки.

2-я стадия – промоция, или активация пролиферации опухолевых клеток. Трансформированные клетки длительное время могут оставаться в ткани в неактивной форме. Дополнительное воздействие факторов, усиливающих клеточную пролиферацию (промоторные факторы), запускает амплификацию онкогенов с последующим непрерывным включением митогенных сигналов и митотического деления клеток. Наряду с этим осуществляется активация все новых протоонкогенов и реализация эффектов клеточных онкогенов, направленная на стимуляцию клеточного деления. Факторы промоции – химические вещества (форболэстер, эстрогены и др.), которые сами не вызывают повреждения и не являются канцерогенами, но их постоянное воздействие на инициированные клетки приводит к пролиферации последних. Вследствие этого опухолевые клетки, находившиеся в латентном состоянии, начинают интенсивно размножаться, образуя бессмертный опухолевый моноклон. Главное в промоции – стимуляция клеточного деления, вследствие чего создается критическая масса инициированных клеток, что обусловливает высвобождение инициированных клеток из-под тканевого контроля и формирование опухолевой популяции. В качестве промоторных факторов функционируют половые гормоны. Например, гиперэстрогенизация женского организма способствует формированию рака молочной железы из «дремлющих» опухолевых клеток.

3-я стадия – прогрессия – стойкое качественное изменение свойств опухоли в сторону малигнизации, возникающее по мере ее роста. В основе прогрессии опухоли лежит деление моноклона на субклоны вследствие необратимой мутационной изменчивости опухолевых клеток в направлении все большей их агрессивности и злокачественности: приобретения способности к деструктивному росту, инвазивности, образованию метастазов и приспособляемости к меняющимся условиям существования. Прогрессия опухоли касается и первичных, и вторичных признаков. Первичным фундаментальным признаком опухоли является нерегулируемый рост, приобретаемый в процессе опухолевой трасформации, а остальные свойства – скорость роста, инвазивность опухоли, метастазирование, системное действие на организм опухоленосителя, структурно-функциональный атипизм – вторичные, которые возникают и изменяются в ходе прогрессии. Таким образом, третья стадия канцерогенеза завершается формированием злокачественной опухолевой популяции. Однако, развитие опухоли никогда нельзя считать завершенным в силу свойственной ей опухолевой прогрессии. Трансформации нормальных клеток в опухолевые и опухолевая прогрессия способствуют снижению антибластомной резистентности и противоопухолевого иммунитета: иммунодепрессия, ослабление «кейлонного надзора» за опухолью, эндокринный дисбаланс, гормонально-метаболические нарушения и др. Поэтому вопрос: «Быть или не быть злокачественной неоплазме?», – решается на высшем организменном уровне.

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, эпидермальному фактору роста, инсулинподобным факторам 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, отраженным на рис. 23.

Рисунок 23. Схема механизмов митогенной стимуляции нормальных и трансформиро-ванных клеток: а – в норме факторы роста (обозначены точками) включают рецепторы (дуги), которые посылают в ядро митогенные сигналы (зубчатые линии), периодически побуждающие клетку к делению; б – синдром «самозатягивающейся петли»; в – постоянно «включенные» модифицированные рецепторы, не нуждающиеся в действии факторов роста

Продукты онкогенов (онкобелки) могут имитировать действие факторов роста, оказывая влияние на синтезирующие их клетки по аутокринному пути, в результате чего развивается синдром "самозатягивающейся петли". Онкобелки могут модифицировать рецепторы факторов роста, имитируя ситуацию, возникающую при взаимодействии рецептора с соответствующим фактором роста, не нуждаясь в его действии. 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, опосредованно стимулирующий активность аденилатциклазы.

Многоэтапность опухолевой трансформации. В становлении неопластического фенотипа принимает участие не один онкоген, а последовательное включение нескольких, по меньшей мере, двух онкогенов, что лежит в основе многоэтапности, многоступенчатости процесса. Решающими являются два этапа. Первый – иммортализация популяции клеток, т.е. в процессе беспредельного деления опухолевые клетки самореплицируются, обеспечивая бессмертие (иммортализацию) опухолевого моноклона. Опухолевую трансформацию осуществляют ядерные онкобелки – продукты ядерных онкогенов. Второй этап (опухолевой прогрессии) – 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 придают клетке агрессивность. Полагают, что непрерывное деление клеток – функция ядерных онкобелков, а инфильтрирующий рост – преимущественно функция мембранных онкобелков.

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 возможность опухолевой инициации клетки. Мутация или делеция антионкогена обусловливает опухолевую трансформацию клетки и развитие опухоли. Наследуемость дефекта гена-супрессора по аутосомнодоминантному типу объясняет наследственную предрасположенность к развитию злокачественных новообразований. Впервые дефицит гена-супрессора был обнаружен в 1985г. при исследовании ретинобластомы (злокачественной опухоли сетчатки глаза) у детей. В клетках опухоли отсутствовал или в результате мутации был функционально неактивен ген Rb-1, локализующийся в длинном плече 13 хромосомы (13q14). Кодируемый этим геном белок (р 110) прерывает клеточный цикл опухолевых клеток, связывает вирусные промоторы роста и останавливает митотическое деление, предотвращая опухолевую трансформацию клеток сетчатки глаза. Выделенный ген методами генной инженерии был перенесен в безудержно размножающиеся клетки культуры ретинобластомы, после чего опухолевые клетки стали вырабатывать белок р 110, блокирующий действие онкогена. В результате опухолевые клетки превращались в нормальные, старели и погибали.

Известно около двух десятков генов-супрессоров опухоли, действующих как ингибиторы проведения рострегулирующих сигналов в клетке и тем самым предупреждающих возможность нерегулируемой пролиферации. Инактивация антионкогенов, вызванная их мутациями, приводит к неконтролируемому росту. Мутация антионкогена р53 блокирует апоптоз и приводит к накоплению неограниченно делящихся клеток с различными генетическими повреждениями, что характерно для клеток опухолей. Мутации антионкогена р53 выявляются примерно у 60% злокачественных опухолей человека. Этот антионкоген во многом определяет реакции опухолей на химио- и (или) лучевую терапию. В опухолях с инактированнным р53 индуцированные повреждения ДНК не приводят к апоптозу, и такие опухоли резистентны к химио- и лучевой терапии. Таким образом, опухолевый рост – результат дисбаланса между процессами пролиферации клеток и апоптоза. Снижение способности к апоптозу играет существенную роль в развитии многих опухолей и осуществляется с помощью следующих механизмов: гиперэкспрессии онкогена bcl (ингибитора апоптоза) на фоне мутации (делеции) гена-супрессора р53 (индуктора апоптоза), контролирующих суицидальную программу; ауто- и паракринное повышение экспрессии ростовых факторов и рецепторов к ним, возникающее в опухолевых клетках вследствие активации онкогенов, что делает клетки опухолевого клона независимыми от микроокружения и облегчает их метастазирование; торможение апоптоза в результате нарушений его эффекторных механизмов и путей передачи проапоптотических сигналов (например, блокирование рецепторов ретиноевой кислоты – одного из мощных индукторов апоптоза); уменьшение количества Fas-рецепторов на поверхности клетки или нарушение связывания этих рецепторов со своими лигандами (Fas-L), выделяющимися цитотоксическими Т-лимфоцитами и NK-клетками и являющимися «фактором смерти», индуцирующим апоптоз в клетках мишенях. На основании этих данных полагают, что опухолевые клетки могут отражать иммунную атаку, убивая цитотоксические Т-лимфоциты и естественные киллеры (NK). У опухолевых клеток программа клеточной гибели блокирована, что и «делает» опухолевую популяцию «бессмертной».