КАНЦЕРОГЕНЕЗ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ОПУХОЛЕВОГО РОСТА
Можно утверждать, что рост объема литературы, посвященной молекулярным основам канцерогенеза, далеко опережает скорость роста даже самых злокачественных из опухолей. В растущем лесу этой информации очень легко заблудиться. Первым делом мы укажем фундаментальные принципы, затем углубимся более детально в генетические основы опухолевого роста.
В основе канцерогенеза лежит нелетальное генетическое повреждение. Такое генетическое повреждение (или мутация) может быть приобретенным под действием агентов окружающей среды, таких как химические вещества, радиация или вирусы, или же врожденным. Генетическая гипотеза опухолевого роста предполагает, что опухоль происходит в результате клональной экспансии единственной клетки, которая подверглась генетическому повреждению (т.е. опухоли моноклональны). Это предположение подтвердилось в большинстве опухолей, которые были исследованы. Клональность опухолей легко демонстрируется у женщин, которые являются гетерозиготами по различным Х-сцепленным признакам, таким как фермент глюкозо-6-фосфат дегидрогеназа или Х-сцепленный полиморфизм длин рестрикционных фрагментов. Принцип, лежащий в основе такого исследования, показан на рисунке 6-14.
Четыре класса нормальных регуляторных генов – стимулирующие рост протоонкогены, ингибирующие рост гены-супрессоры опухолей, гены, регулирующие программированную гибель клетки (т.е. апоптоз), и гены осуществляющие репарацию ДНК – являются основными мишенями для генетических повреждений. Все генетические повреждения в опухолевых клетках дают им превосходство в росте и выживании над нормальными клетками, что мы увидим в последующей дискуссии.
Мутантные аллели протоонкогенов называются онкогенами. Они считаются доминантными, поскольку мутация одного аллеля может привести к клеточной трансформации. В противоположность этому,
Рисунок 6-14
Диаграмма, показывающая использование Х-сцепленных изоферментных клеточных маркеров как доказательство моноклональности опухолей. В результате случайной инактивации Х хромосомы все женщины мозаичны по двум клеточным популяциям (в данном случае изоферменты глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы А и В). Опухоли, возникающие у женщин, гетерозиготных по Х-сцепленным маркерам, состоят из клеток, у которых активна либо материнская (ХА), либо отцовская (ХА) Х хромосома, но не обе одновременно. В настоящее время, Х-сцепленные молекулярные маркеры используются более широко, чем изоферментные варианты.
оба нормальных аллеля генов-супрессоров опухолей должны быть повреждены, чтобы произошла трансформация, поэтому это семейство генов иногда называют рецессивными онкогенами. Однако последние исследования четко показали, что, в некоторых случаях, потеря одного аллеля гена-супрессора опухоли может вызывать трансформацию (гаплонедостаточность). Гены, регулирующие апоптоз, могут быть доминантными, как протоонкогены, или же рецессивными, как гены-супрессоры опухолей. Гены-супрессоры опухолей обычно делят на две подгруппы, промоутеры и смотрители*. Промоутеры, это традиционные гены-супрессоры, такие как pRB или p53, мутация которых ведет к трансформации из-за снятия ограничений клеточного деления. Гены-смотрители ответственны за процессы, обеспечивающие целостность генома, такие как репарация ДНК. Мутация этих генов не приводит прямо к трансформации в результате нарушения процессов пролиферации и апоптоза. Вместо этого, гены репарации ДНК влияют на клеточную пролиферацию и выживание непрямым путем, влияя на способность организма восстанавливать нелетальные повреждения других генов, включая протоонкогены, гены-супрессоры, а также гены, регулирующие апоптоз. Недееспособность генов репарации ДНК делает клетку подверженной различным мутациям в геноме и, таким образом, неопластической трансформации. О клетках, имеющих мутации в генах-смотрителях говорят, что они приобрели мутаторный фенотип.
Канцерогенез – это многостадийный процесс, происходящий на генетическом и фенотипическом уровнях, являющийся результатом накопления множественных мутаций. Как было сказано выше, злокачественные опухоли имеют несколько фенотипических признаков, таких как избыточный рост, местная инвазия, способность давать отдаленные метастазы. Далее, точно установлено, что с течением времени, многие опухоли становятся более агрессивными и приобретают больший злокачественный потенциал. Это явление называют опухолевой прогрессией, и это не просто увеличение размера опухоли. Тщательные клинические и экспериментальные исследования показали, что степень злокачественности опухоли постепенно нарастает со временем. На молекулярном уровне, опухолевая прогрессия и связанная с ней гетерогенность, наиболее вероятно, происходит в результате множественных мутаций, которые независимо накапливаются в различных клетках, в результате чего появляются субклоны клеток с различными характеристиками (рис 6-15), такими как способность к инвазивному росту, быстрому росту, способность метастазировать, кариотип, восприимчивость к гормональной стимуляции и противоопухолевым препаратам. Некоторые мутации являются летальными; другие побуждают клетку к безудержному росту, воздействуя на протоонкогены и гены-супрессоры опухолей. Хотя большинство злокачественных опухолей моноклональны по происхождению, к тому моменту, когда они становятся клинически определяемыми, составляющие их клетки чрезвычайно гетерогенны. По мере опухолевой прогрессии, клетки подвергаются давлению иммунного и неиммунного отбора. Например, клетки, являющиеся высокоантигенными, разрушаются иммунной системой, в то время как клетки с малым количеством антигенов «ускальзывают» от ее действия. Поэтому, растущая опухоль, богата клеточными субклонами, которым удалось выжить, несмотря ни на что, и которые являются «специалистами» в вопросах выживания, роста, инвазии и метастазирования.
КРАТКАЯ СВОДКА
Краткий обзор канцерогенеза
Опухоли возникают в результате клонального роста клеток, приобретших мутации в четырех классах генов. К ним относят гены, регулирующие клеточный рост (протоонкогены и гены-супрессоры опухолей) и гены, регулирующие апоптоз и репарацию ДНК. Мутации нескольких генов достаточно, чтобы взывать опухоль. Обычно, фенотипические признаки, характерные для злокачественных опухолей появляются при накоплении множественных мутаций, затрагивающих множество генов. Поэтапное накопление мутаций с постепенным нарастанием злокачественности называют опухолевой прогрессией.
После краткого обзора (рис. 6-16), мы теперь рассмотрим в деталях молекулярный патогенез опухолевого роста, а также поговорим о канцерогенных агентах, вызывающих генетические повреждения. В последние 20 лет были открыты сотни опухоль-
Рисунок 6-15
Опухолевая прогрессия и появление клеточной гетерогенности. Новые субклоны возникают из потомков первоначальной трансформированной клетки вследствие множественных мутаций. В ходе прогрессии опухоль обогащается вариантами клеток, более приспособленными к выживанию в организме и являющимися более агрессивными.
ассоциированных генов. Некоторые, например p53, мутированы во многих опухолях, другие, например c-ABL, повреждены только при некоторых формах лейкемии. Каждый опухолевый ген имеет определенную функцию, нарушение которой способствует возникновению или прогрессии опухоли. Поэтому лучше всего рассматривать гены, имеющие отношение к опухолевому росту, в контексте семи фундаментальных изменений клеточной физиологии, которые вместе определяют злокачественный фенотип. Все они, за исключением мутаторного фенотипа, приведены на рисунке 6-17.
Самодостаточность в ростовых сигналах.
Невосприимчивость к ингибирующим рост сигналам.
Уклонение от апоптоза.
Неограниченный репликативный потенциал (т.е. подавление клеточного старения и уклонение от митотической катастрофы).
Непрерывный ангиогенез.
Способность к инвазивному росту и метастазированию.
Генетическая нестабильность вследствие нарушения репарации ДНК.
Мутации генов, регулирующих все, или некоторые из этих свойств, наблюдаются во всех опухолях, поэтому эти свойства будут являться основой нашей дискуссии о молекулярных основах развития опухолей. Дальше по тексту символы, обозначающие гены, будут написаны курсивом, а их белковые продукты – обычным шрифтом (например, ген RB и RB протеин).
Самодостаточность в ростовых сигналах
Гены, способствующие автономному клеточному росту в опухолях, называются онкогены. Они появляются в результате мутаций в протоонкогенах и характеризуются тем, что стимулируют клеточный рост в отсутствие нормальных стимулирующих рост сигналов. Продукты этих генов, называемые онкопротеинами, похожи на нормальные продукты протоонкогенов, за исключением того, что в них отсутствуют важные регуляторные элементы, и их продукция в трансформированных клетках не зависит от наличия ростовых факторов или других внешних сигналов. Для облегчения понимания природы и функции онкопротеинов, необходимо кратко рассмотреть последовательность событий, характеризующих нормальную клеточную пролиферацию; это было представлено в главе 3. В нормальных условиях, процесс клеточной пролиферации состоит из следующих этапов:
Связывание ростового фактора со специфическим рецептором на клеточной мембране – временная и ограниченная активация рецептора фактора роста, который, в свою очередь, активирует другие передающие сигнал белки, расположенные на внутренней поверхности клеточной мембраны – передача преобразованного сигнала через цитозоль в ядро посредством вторичных мессенджеров или каскада сигнальных передающих молекул – индукция и активация ядерных регуляторных факторов, запускающих транскрипцию ДНК – вход и продвижение клетки по клеточному циклу, завершающемуся делением клетки.
На основании сказанного выше, мы теперь можем определить стратегии, используемые опухолевыми клетками, для того, чтобы приобрести самодостаточность в ростовых сигналах. Они могут быть объединены в группы на основании их роли в передаче сигналов или регуляции клеточного цикла. В самом деле, каждый из этапов, описанных выше, может использоваться опухолевыми клетками.