Онкогены, стимулирующие нерегулируемую пролиферацию (самодостаточность в ростовых сигналах)

Протоонкогены: нормальные клеточные гены, чьи продукты стимулируют клеточную пролиферацию

Онкогены: мутантные варианты протоонкогенов, функционирующие автономно и не требующие нормальных, стимулирующих рост, сигналов

Онкогены могут стимулировать неконтролируемую пролиферацию несколькими механизмами:

Независимая от стимулов экспрессия фактора роста и его рецептора, в результате чего устанавливается аутокринная петля, стимулирующая клеточную пролиферацию (PDGF-PDGF-рецептор в опухолях головного мозга)

Мутации генов, кодирующих рецепторы факторов роста, ведущие к их избыточной экспрессии или постоянному «включенному» состоянию (например, рецепторы ЭФР)

Члены семейства рецептора ЭФР, включая HER2/NEU (молочная железа, легкое и другие опухоли)

Мутации генов, кодирующих сигнальные молекулы

RAS обычно мутирован в злокачественных опухолях человека; в норме может находиться в неактивном, связанном с ГДФ, или активном, связанном с ГТФ, состоянии; мутации блокируют гидролиз ГТФ в ГДФ, приводя к постоянно активному состоянию

Слияние ABL тирозинкиназы с BCR белком в некоторых лейкемиях ведет к появлению гибридного белка с постоянной киназной активностью

Избыточная продукция или нерегулируемая активность транскрипционных факторов

Транслокация MYC в некоторых лимфомах ведет к избыточной и нерегулируемой экспрессии его генов-мишеней, контролирующих клеточный цикл

Мутации, активирующие гены циклинов или инактивирующие нормальные регуляторы циклинов и циклин-зависимых киназ

Комплексы циклинов и циклин-зависимых киназ (CDKs) запускают клеточный цикл путем фосфорилирования различных субстратов; CDKs контролируются их ингибиторами; мутации генов, кодирующих циклины, CDKs и CDKIs ведут к неконтролируемому клеточному делению. Такие мутации обнаружены во многих злокачественных опухолях, включая меланомы, раки легкого, поджелудочной железы, опухоли головного мозга.

Нечувствительность к ингибирующим рост сигналам

Еще Исаак Ньютон предсказал, что всякое действие вызывает равное ему противодействие. Хотя он и не занимался биологией опухолей, его утверждение справедливо и для клеточного роста. В то время как онкогены кодируют белки, стимулирующие рост клетки, продукты генов-супрессоров опухолей тормозят клеточную пролиферацию. Повреждение этих генов делает клетку неспособной ингибировать свой рост, это напоминает действие онкогенов, которые стимулируют клеточный рост. В этом разделе мы поговорим о генах-супрессорах опухолей, их продуктах и возможных механизмах опухолевой трансформации клеток в результате нарушения функции этих генов.

Мы начнем с рассмотрения гена ретинобластомы (RB, retinoblastoma gene). Этот типичный ген-супрессор опухолей был открыт первым. Подобно другим успешным достижениям медицины, этот ген был открыт в результате изучения редкого заболевания, в данном случае ретинобластомы, редкой детской опухоли. Приблизительно 60% ретинобластом являются спорадическими, остальные – семейными. Предрасположенность к развитию опухоли передается как аутосомно-доминантный признак. Для объяснения возникновения одной и той же опухоли, как в спорадической, так и в семейной формах, Кнудсон в 1974 году предложил свою, ныне знаменитую, гипотезу двойного удара, которая гласит:

Для развития ретинобластомы необходимо наличие двух мутаций (ударов). Они поражают RB ген, находящийся в хромосоме 13q14. Должны быть инактивированы оба аллеля RB (два удара), чтобы развилась ретинобластома (рис. 6-20). В семейных случаях, дети наследуют одну дефектную копию RB гена, вторая копия нормальна. Ретинобластома развивается при потере в ретинобластах второго, нормального RB гена в результате соматической мутации. Поскольку для проявления заболевания необходима одна соматическая мутация, заболевание в таких семьях передается по аутосомно-доминантному типу. В спорадических случаях оба нормальных аллеля RB гена должны быть инактивированы в результате соматических мутаций. В обоих случаях результат один: клетка сетчатки, потерявшая оба аллеля гена RB, становится опухолевой.

Хотя изначально потеря нормальных RB генов была открыта в ретинобластомах, теперь стало очевидно, что гомозиготная потеря этого гена является довольно распространенным явлением во многих опухолях, включая рак молочной железы, мелкоклеточный рак легкого, рак мочевого пузыря. У пациентов с семейной ретинобластомой также повышен риск развития остеосарком и некоторых других мягкотканных сарком.

Теперь немножко разберемся с терминологией. Клетка, гетерозиготная по гену RB, не является опухолевой. Опухоль развивается, когда клетка становится гомозиготной по мутантному аллелю, или, другими словами, теряет гетерозиготность нормального RB гена.

Сигналы и сигнал-передающие пути, ведущие к ингибированию клеточного роста, изучены в гораздо меньшей степени, чем те, которые стимулируют клеточный рост. Тем не менее, разумно предположить, что, как и в случае с митогенными сигналами, рост-ингибирующие сигналы могут поступать извне и использовать для выполнения своего эффекта рецепторы, передатчики сигналов и ядерные регуляторы транскрипции. Гены-супрессоры опухолей кодируют различные компоненты этого ингибирующего рост пути.

В принципе, антиростовые сигналы препятствуют клеточной пролиферации двумя похожими механизмами. Сигнал может заставить делящиеся клетки вступить в фазу G₀ (фаза покоя), где они будут оставаться до тех пор, пока другие сигналы не заставят их вернуться в пул делящихся клеток. В то же время клетки могут встать на путь дифференцировки (войти в пул дифференцирующихся клеток), где они потеряют свой репликационный потенциал. Будет полезно начать нашу дискуссию о ингибирующих рост механизмах и их нарушениях с рассмотрения гена RB, типичного опухолевого супрессора.

КРАТКАЯ СВОДКА

Нечувствительность к ингибирующим рост сигналам

Гены-супрессоры опухолей кодируют белки, которые ингибируют клеточную пролиферацию, регулируя клеточный цикл. В отличие от онкогенов, чтобы развилась опухоль, должны быть потеряны обе копии гена (потеря гетерозиготности). В случаях семейной предрасположенности к развитию опухолей, пораженные индивидуумы наследуют одну дефектную (нефункционирующую) копию супрессорного гена, а вторую теряют в результате соматической мутации. В спорадических случаях обе копии гена теряются в результате соматических мутаций.

Ген RB и клеточный цикл

Много известно о гене RB, поскольку он был открыт первым. Продуктом гена является связывающий ДНК белок, который экспрессируется во всех исследуемых клетках, где существует в активном гипофосфорилированном и в неактивном гиперфосфорилированном состояниях. Важность RB заключается в том, что он способствует прохождению G₁, интервалу между митозом (M) и репликацией ДНК (S). У эмбрионов клеточные деления происходят очень быстро, репликация ДНК начинается сразу после окончания митоза. По мере дальнейшего развития, в клеточный цикл включаются два интервала: пресинтетический (G₁) между митозом и репликацией ДНК (S) и постсинтетический (G₂) между репликацией ДНК (S) и митозом (M) (рис. 6-19). Хотя каждая фаза клеточного цикла тщательно контролируется, переход из G₁ в S считают исключительно важной контрольной точкой клеточного цикла. После прохождения контрольной точки в G₁, клетка может на некоторое время приостановить клеточный цикл, однако обязательно должна завершить его, вступив в митоз. В фазу G₁ клетка может выйти из клеточного цикла либо временно (состояние покоя), либо постоянно (старение). В G₁, поэтому, на клетку могут действовать различные сигналы, которые определяют должна ли клетка войти в клеточный цикл, либо покинуть клеточный цикл и вступить на путь дифференцировки, либо погибнуть. RB является ключевым участником этих путей. Для того, чтобы понять, почему RB является столь важным, мы должны рассмотреть механизмы, контролирующие фазу G₁.

Начало репликации ДНК требует активизации комплекса циклин E/CDK2, экспрессия же циклина E зависит от семейства транскрипционных факторов E2F. В самом начале фазы G₁ белок RB находится в гипофосфорилированной активной форме, которая связывает и ингибирует белки семейства транскрипционных факторов E2F, тем самым препятствуя транскрипции циклина E. Гипофосфорилированный RB блокирует E2F-опосредованную транскрипцию, по крайней мере, двумя путями (рис. 6-21). Во-первых, он изолирует E2F, препятствуя его взаимодействию с другими активаторами транскрипции. Во-вторых, RB активирует белки, ремоделирующие хроматин, такие как гистоновые деацетилазы и гистоновые метилтрансферазы, которые связываются с промоторами E2F-активируемых генов, таких как ген циклина E. Эти ферменты модифицируют хроматин в области промоторов, в результате чего ДНК становится нечувствительной к действию транскрипционных факторов. При действии митогенных сигналов ситуация меняется. Действие факторов роста вызывает экспрессию циклина D и активацию комплексов циклин D-CDK4/6. Эти комплексы фосфорилируют RB, в результате чего он инактивируется и высвобождает E2F, который активирует целевые гены, такие как ген циклина E. Экспрессия циклина E стимулирует репликацию ДНК и прохождение клеточного цикла. Клетки, вступившие в S фазу, проходят оставшиеся фазы без дополнительной стимуляции ростовыми факторами. Во время последующей M фазы, фосфатные группы с RB удаляются клеточными фосфатазами, что регенерирует гипофосфорилированную форму RB.

E2F не является единственной мишенью для RB. Универсальный RB белок, как было показано, связывается с многими другими транскрипционными факторами, регулирующими клеточную дифференцировку. Например, RB стимулирует транскрипционные факторы, специфичные для миоцитов, адипоцитов, меланоцитов и макрофагов. Таким образом, сигнальный путь RB объединяет контроль прохождения клеточного цикла в G₁ с клеточной дифференцировкой. Это может объяснить, почему дифференцировка связана с выходом из клеточного цикла. В дополнение к этим двум функциям, RB также запускает процесс старения, что будет сказано ниже.

При условии, что RB является центральным звеном контроля клеточного цикла, можно задаться вопросом, почему RB не мутирован в каждой опухоли. Мутации других генов, которые контролируют фосфорилирование RB, могут приводить к тому же эффекту, что и потеря RB. Такие гены мутированы во многих опухолях, которые имеют нормальные RB гены. Например, активация CDK4 в результате мутации или избыточная экспрессия циклина D, стимулируют клеточную пролиферацию, облегчая фосфорилирование и инактивацию RB. Действительно, циклин D экспрессируется в избытке во многих опухолях вследствие амплификации или транслокации его гена. Мутационная инактивация CDKIs также способствует клеточной пролиферации вследствие нерегулируемой активации циклинов и CDKs. Как было сказано выше, ген CDKN2A очень часто подвергается мутационной инактивации или делеции в опухолях человека.

Возникает парадигма, что центральным звеном в злокачественной трансформации является потеря нормального контроля клеточного цикла, и, по крайней мере, один из четырех ключевых регуляторов клеточного цикла (CDKN2A, циклин D, CDK4, RB) мутирован в большинстве злокачественных опухолей человека. Далее, трансформирующие белки некоторых онкогенных ДНК-содержащих вирусов человека и животных, действуют, по крайней мере частично, путем нейтрализации ингибирующей рост активности RB. Большой T антиген обезьяньего вируса 40 (ОВ-40; simian virus 40, SV40) и полиомавируса, EIA протеин аденовируса, E7 протеин вируса папилломы человека (ВПЧ; human papillomavirus, HPV) – все они связываются с гипофосфорилированной формой RB. RB белок, неспособный связываться с E2F транскрипционными факторами, становится функционально неактивным, и клетка делается нечувствительной к антиростовым сигналам, действие которых осуществляется через сигнальный путь RB белка.

КРАТКАЯ СВОДКА