Биохимические основы канцерогенеза

Тема занятия: «Биохимические основы канцерогенеза»

1.Опухоли: определение, классификация, признаки доброкачественных и злокачественных опухолей. Теории онкогенеза.

2.Основные положения современной полиэтиологической теории канцерогенеза.

3.Канцерогены: определение, свойства, классификация, гены-мишени. Онкогены и онкобелки: характеристика и роль в канцерогенезе.

4.Последствия повреждения ДНК клетки канцерогенами.

5.Химический канцерогенез.

6.Радиационный канцерогенез.

7.Вирусный канцерогенез.

8.Особые свойства опухолевых клеток и механизм их приобретения.

9.Биохимические изменения метаболизма в опухолевых клетках.

10.Принципы диагностики, лечения и профилактики злокачественных

новообразований.

1. Опухоли: определение, классификация, признаки доброкачественных и злокачественных опухолей. Теории онкогенеза

Онкогенез - процесс образования опухоли в организме.

Опухоль - это результат патологического разрастания клеток,

характеризующихся их бесконтрольным делением, ростом, атипической структурой

иособыми биологическими свойствами. Изучение процесса канцерогенеза является ключевым моментом как для понимания природы опухолей, так и для поиска новых

иэффективных методов лечения онкологических заболеваний. Опухоли гетерогенны по происхождению:

•эпителиальные

•из клеток соединительной ткани

•нейроэндокринные

•из клеток гемопоэтической системы

•из клеток иммунной системы

•множественного гистогенеза

Карциномы – опухоли из клеток экто- и энтодермы. Саркомы – из клеток мезодермы

Гемобластозы (лейкозы, лимфомы) – из клеток крови.

По способности к распространению в организме, биологическим характеристикам, влияющим на прогноз, их подразделяют на две группы:

1.доброкачественные (локальные)

2.злокачественные (способные к разрастанию – инвазии, перемещению в др.

части тела, давая начала метастазам – вторичным опухолям). В доброкачественных опухолях обмен веществ подобен метаболизму нормальной ткани. В

злокачественных опухолях наблюдается перестройка обмена веществ.

Трансформация клеток - это превращение нормальной клетки в опухолевую.

Опухолевые клетки часто не дифференцированы, по ряду свойств они напоминают эмбриональные клетки и делятся неограниченно, у них изменена клеточная мембрана и они не чувствительны к контактному торможению. Цитоскелет у опухолевых клеток также изменен, часто редуцирован, из-за чего они имеют более или менее округлую форму. Опухолевые клетки могут содержать несколько ядер, не типичных по форме и размерам. Доброкачественные опухоли растут относительно медленно и состоят из дифференцированных клеток. Злокачественные (малигнизирующие)

опухоли способны к быстрому и инвазивному росту и к метастазированию

(образованию вторичных опухолей).

Биологическая классификация новообразований

Особенности доброкачественных клеток:

1.слабо контролируемый рост;

2.отсутствие метастазирования;

3.экспансивный рост (отодвигание окружающих тканей без выраженной их деструкции)

4.доброкачественные клетки делятся до максимального предела (~до 30-50

делений), после чего они погибают.

Особенности злокачественных клеток:

1.неконтролируемое, бесконечное деление;

2.инвазивность - способность проникать в окружающие нормальные ткани и вызывать деструкцию этих тканей;

3.метастазирование (способность перемещаться из первичной «материнской» опухоли в органы и ткани, расположенные на расстоянии и образовывать в них новые вторичные опухоли этой же гистологической структуры).

Существует ряд теорий канцерогенеза:

•мутационно-генетическая теория

•вирусно-генетическая теория

•теория дисгормонального канцерогенеза

•физико-химическая теория (ряд факторов инициирует неоплазию)

•дис-онтогенетическая (нарушения внутриутробного периода, хранимые клетками, дают толчок к их перерождению с возрастом)

•теория четырех-стадийного канцерогенеза (последовательной аккумуляции).

Воснову каждой из этих теорий положено действие определенных факторов риска или канцерогенов. Ведущие к малигнизации мутации накапливаются при действии всех указанных факторов (дис-онтогенетических, вирусных,

дисгормональных, физико-химических).

2. Основные положения современной полиэтиологической теории

канцерогенеза

Согласно современной полиэтиологической теории канцерогенеза выделяют

четыре стадии развития онкологического заболевания.

І стадия - инициации (стадия мутаций) - первичное воздействие

канцерогенного фактора на клетку приводит к следующим процессам:

повреждению ДНК в соматической клетке

активации онкогенов, ростовых факторов

инактивации генов-супрессоров

выключении генов, вызывающих апоптоз

активизации генов, препятствующих апоптозу

экспрессии эмбриональных изоферментов, дающих клетке метаболические преимущества

Внутриклеточные сигнальные каскады устроены таким образом, что нарушение лишь одного из их звеньев вызовет апоптоз клетки, а не её бесконтрольное деление.

Поэтому для успешного канцерогенеза необходимы изменения многих звеньев,

максимально имитирующие влияние цитокинов и устраняющие возможность гибели клетки.

ІІ стадия – промоции (селекции - отбор мутировавших клеток). Для

осуществления опухолевой трансформации клетки необходимо повторное воздействие на клетку канцерогенного фактора, способного вызвать активизацию промотора изменённых онкогенов. Появление несанкционированных сигналов является хотя и необходимым, но не достаточным условием образования опухоли. На этом этапе наблюдаются следующие процессы:

Активация посредством активизации пролиферативных сигнальных каскадов,

прежде всего протеинкиназы С.

Образование опухолей вследствие воздействия онкогенных ретровирусов.

Происходит преимущественное размножение опухолевых клеток, поврежденных опухоль-инициирующими факторами.

Качественно-количественные изменения в условиях переключения генной активности приводят к формированию неопластического фенотипа.

Клетка обладает неограниченным пролиферативным потенциалом, не отвечает на контролирующие сигналы организма.

ІІІстадия – прогрессии (инвазии, селективного автономного роста клеточных клонов) характеризуется тем, что опухолевый рост продолжается при уклонении трансформированных клеток от дальнейшей дифференцировки, идут процессы размножения малигнизированных клеток, инвазии и метастазирования,

ведущие к появлению злокачественной опухоли. На этой стадии наблюдаются

следующие события:

Нарушение и прекращение дифференцировки из-за отсутствия цитокинов,

необходимых для специализации клеток (присутствие цитокина может вызвать нормализацию и продолжение дифференцировки раковых клеток — процесс,

обратный канцерогенезу).

Созревание трансформированных клеток приостанавливается, они накапливаются в результате непрерывной пролиферации и подавления апоптоза.

Формируется опухоль — клон клеток, стволовая линия с особенностями, не свойственными нормальным клеткам (нарушения митоза, нестабильность генома,

генные и хромосомные мутации)

Происходит нарушение морфологических характеристик ткани (клеточный и тканевой атипизм).

Мембраны опухолевых клеток не способны реагировать на стимулы микроокружения (кровь, лимфа, межклеточная среда).

Сформировавшийся опухолевый клон (стволовая линия) синтезирует собственные цитокины, наращивает темпы деления, предотвращая сокращение теломер,

уклоняется от иммунного надзора организма и обеспечивает интенсивное кровоснабжение.

Появляется способность к миграции, продвижению в окружающие ткани

(инфильтрация или инвазия, что стимулирует метастазирование)

IV стадия – метастазирование опухоли (лимфогенное, гематогенное,

тканевое). В организме человека постоянно образуются потенциальные опухолевые клетки. Однако в силу своей антигенной гетерогенности они быстро распознаются и разрушаются клетками иммунной системы. Нормальное функционирование иммунной системы является основным фактором защиты от опухолей. Иммунный механизм сопротивляемости опухолям опосредован большим количеством специфических клеток (В- и Т-лимфоциты, NK-клетки, моноциты,

полиморфноядерные лейкоциты) и гуморальных механизмов.

В процессе опухолевой прогрессии клетки опухоли оказывают выраженное антииммунное действие, что приводит к ускорению темпов роста опухоли и появлению метастазов.

Прорастая в кровеносные и лимфатические сосуды опухолевые клетки разносятся по всему организму и, оседая в капиллярах различных органов,

формируют вторичные (метастатические) очаги опухолевого роста.

Мигрирующие клетки раздвигают эндотелиоциты новообразующихся сосудов,

проникая в эндотелиальные трубочки еще до начала синтеза субстанций базальной мембраны и роста перицитов.

В их плазмалемме появляются рецепторы для адгезии к эндотелию сосудов в местах оптимальных по совместимости с тканевой средой обитания.

Клетки сохраняют при циркуляции способность к лизису базальной мембраны капилляров, лизису стромы, а также к миграции и размножению в новых условиях органа-мишени.

3.Канцерогены: определение, свойства, классификация, гены-мишени.

Онкогены и онкобелки: характеристика и роль в канцерогенезе

Канцерогены - это химические, физические и биологические факторы, которые

приводят к мутациям и запускают канцерогенез.

Различают следующие виды канцерогенов:

физические (УФ, рентген, ионизирующее излучение),

химические (курение (никотин), химические канцерогены, токсины),

биологические (онковирусы),

врожденные генетические дефекты и хроническое воспаление (редко).

Мишенями в механизме действия разных канцерогенов являются 4 семейства генов:

1.протоонкогены - регуляторы пролиферации и дифференцировки клеток;

2.гены-супрессоры опухолей (антионкогены, ингибирующие пролиферацию клеток);

3.гены, участвующие в реализации апоптоза;

4.гены, отвечающие за процессы репарации ДНК.

Врезультате действия факторов риска активируются протоонкогены, мутируют супрессорные гены, как следствие, изменяются клеточные программы регуляции.

Последнее обеспечивается путем стимуляции экспрессии ростовых факторов, их рецепторов, пострецепторных трансдукторов сигналов роста, а также блокированием апоптоза и нарушением контактного ингибирования пролиферации клеток.

Молекулярные основы опухолевой трансформации

В ДНК всех нормальных клеток присутствуют протоонкогены. Протоонкоген – нормальный ген, кодирующий белок, регулирующий нормальную пролиферацию клеток, и способный, в результате изменения структуры превращаться в онкоген.

Протоонкогены – онкогены в неактивном состоянии, их активация - превращение в онкогены за счет изменения структуры ДНК - мутаций происходит: в норме - в

процессе эмбриогенеза, при репаративной регенерации, при опухолевом росте.

Онкоген - это ген, экспрессия которого приводит к синтезу онкобелков - белков с утраченной регуляторной функцией, что ведет к нарушению регуляции пролиферации клеток, неконтролируемому делению и росту. Изучена канцерогенная активность протоонкогенов группы ras (HRAS, KRAS2). При различных онкозаболеваниях регистрируется значительное повышение активности этих генов

(рак поджелудочной железы, рак мочевого пузыря). Например, раскрыт патогенез лимфомы, при которой активация протоонкогена MYC происходит в случае его

переноса в область хромосом, где содержатся активно транскрибируемые гены иммуноглобулинов.

Рис. Основные онкогены, кодирующие различные онкопротеины

Выделяют следующие группы онкобелков по эффектам:

•гомологи факторов роста (онкогены sis, int-2, hst, int-r, k-fgt),

•гомологи их рецепторов (кодирующие онкогены: еrb В, met, ros), рецепторы тирозинкиназного типа (кодированы: src, yes, abl);

•онкопротеины - трансдукторы сигналов, связанные с пострецепторной передачей сигнала - аналоги G-белков (Ras, Bcl-2), серин-треониновые протеинкиназы (Raf, Mos);

•гомологи транскрипционных факторов - ядерные белки, передающие сигналы роста на ДНК (продукты онкогенов: fos, jun, myb, erbA, myc).

Онкогены записывают трёхбуквенным кодом из строчных латинских букв,

который обычно указывает: 1. объект, из которого данный онкоген был выделен впервые (онкоген ras впервые идентифицирован в саркоме крысы, rat sarcomas);

2. за кодом следует буква или цифpa, если существует несколько генов в семействе:

для обозначения вирусных онкогенов перед названием вводят строчную букву v (virus - вирус) - v-onc; для клеточных онкогенов, образующихся в трансформированных клетках при мутациях, букву с (cell - клетка) - с-onc. Белковые продукты генов часто обозначают так же, как гены, но с заглавной буквы. Так, ген ras кодирует белок Ras,

ген р53 - белок Р53.

Гены-кандидаты для онкологических заболеваний с различной локализацией опухоли

Регуляторы пролиферации, кодирующие онкопротеины, гомологичные факторам роста. Рост и развитие клетки в нормальных и опухолевых клетках начинаются с воздействия на рецепторы клетки факторов роста. Факторы роста

(ФР) - это многочисленная группа полипептидов из 40 – 50 аминокислот. Наиболее клинически значимые факторы роста:

• эпидермальный фактор роста (ЭФР, Epidermal Growth Factor, EGF),

•инсулиноподобные ИФР-1 и ИФР-2,

•ФР нервов (ФРН), интерлейкины (ИЛ-1, ИЛ-2),

•ФР фибробластов (FGF, продукт int-2онкогена)

•тромбоцитарный ФР (Platelet-Derived Growth Factor, PDGF, продукт sis),

•стимуляторы ангиогенеза: фактор роста эндотелия сосудов (Vascular Еndothelial Growth Factor,VEGF).

К«антиростовым факторам», можно отнести:

•трансформирующий фактор некроза опухолей (ФНО или TNF),

•TGF-, интерфероны, которые, подавляют пролиферацию.

Общими функциями пептидных ростовых факторов в норме является стимуляция митоза, дифференцировки, пролиферации. Передача клетке пролиферативных сигналов от факторов роста включает активацию циклин-

зависимых киназ. Запуск цикла клеточного деления начинается с присоединения молекулы ФР к соответствующему клеточному рецептору и реализации его сигнала подобно путям передачи гормональных сигналов в клетки-мишени.

Механизмы действия ФР осуществляются 3 путями:

1.эндокринный - ФР секретируются в кровь и с током крови переносятся к клеткам-мишеням разных органов

2.аутокринный - белки рецепторы ФР находятся в собственных клетках

3.паракринный - ФР действуют на соседние клетки, т.к собственные клетки не имеют рецепторов

Взаимодействуя с поверхностными или внутриклеточными рецепторами, ФР стимулируют активность генов, ответственных за биосинтез белков,

обеспечивающих рост и деление клеток. При взаимодействии ФР с рецептором мембраны, являющимся тирозин-киназой, либо за счет включения аденилат-

циклазного и фосфатидил-инозитольного каскадов происходит фосфорилирование белков и активация транскрипционных факторов, которые вызывают синтез новых м-

РНК и белков. Если ФР входит в клетку, то в комплексе с внутриклеточным рецептором поступает в ядро, активируя транскрипцию генов (протоонкогенов)

кодирующих регуляторные белки трансдукторы сигналов и транскрипционные