65.Молекулярно-генетические основы канцерогенеза. Протоонкогены, гены -супрессоры, гены-регуляторы апоптоза, их роль в развитии и прогрессии опухоли.
Этиология опухолей (каузальный генез)
Все многообразие взглядов на этиологию может быть сведено к четырем основным теориям: 1) вирусно-генетической, 2) физико- химической, 3) дизонтогенетической, 4) полиэтиологической.
1.Вирусно-генетическая теория отводит решающую роль в развитии неоплазм онкогенным вирусам. Сущность вирусно-генетической теории (Зильбер Л.А., 1968) заключается в представлении об интеграции геномов вируса и нормальной клетки, т.е. в объединении нуклеиновой кислоты вируса с генетическим аппаратом клетки, которая превратится в опухолевую. Онкогенные вирусы могут быть ДНК- и РНК-содержащими (онкорнавирусы). Среди экзогенных вирусов (ДНК- и РНК-содержащих) в этиологии опухолей человека имеют значение герпесоподобный вирус Эпстайна-Барра (развитие лимфомы Беркитта), вирус герпеса (рак шейки матки), вирус гепатита В (рак печени) и некоторые другие.
Наряду с экзогенными в настоящее время обнаружены и эндогенные онкогенные вирусы, относящиеся к онкорнавирусам. Эти вирусы в обычных условиях составляют интегральную часть клеточного генома, однако при определенных воздействиях они способны вызывать опухоли у человека.
Согласно вирусно-генетической теории, процесс канцерогенеза распадается на две фазы, в которых роль вируса различна.
Первая фаза - поражение вирусами клеточного генома и трансформация клеток в опухолевые. Опухолеродные ДНК-геномные вирусы и РНК-геномные ретровирусы, подобно возбудителям вирусных инфекций, - циклические внутриклеточные паразиты. Для размножения им необходимо извне проникнуть в клетку и встроить свой геном в ее геном. При первом попадании в клетку опухолеродные вирусы включают свой геном в ту часть генома клетки, где находится онкоген (протоонкоген), который представляет собой нормальные последовательности нуклеотидов клеточной ДНК (протоонкогены входят в состав генома каждой нормальной клетки и участвуют в регуляции ее деления и дифференцировки). Дочерние вирусы, уже содержащие онкоген, попадают затем в клетки-мишени. Онкоген, входящий в состав вирусного генома, активируется и трансформирует клетку в опухолевую.
Вторая фаза - размножение образовавшихся опухолевых клеток, при котором вирус не играет существенной роли.
2.Физико-химическая теория сводит причинувозникновения опухоли к воздействию различных физических и химических веществ. Уже много лет назад замечено, что под влиянием разных раздражителей возникает рак. Такие наблюдения дали повод Р. Вирхову еще в 1885 г. создать «теорию раздражения» для объяснения причин возникновения рака. По существу физико-химическая теория - это дальнейшее развитие теории Вирхова с рядом дополнений и изменений. В настоящее время известна большая группа опухолей, относящихся к так называемому профессиональному раку. Это рак легкого в результате заполнения их пылью, содержащей канцерогенные вещества (на кобальтовых рудниках), рак кожи рук у рентгенологов, у лиц, работающих на парафиновых производствах, рак мочевого пузыря у работающих с анилиновыми красителями. Установлено несомненное влияние курения на частоту рака легкого. Имеются бесспорные доказательства значения радиоактивных изотопов для возникновения опухолей.
Следовательно, развитие опухоли может быть связано во многих случаях с воздействием канцерогенных веществ (канцерогенов). Особое внимание привлекают химические канцерогены, среди которых наиболее активными считаются полициклические ароматические углеводороды, ароматические амины и амиды, нитросоединения, офлатоксины и другие продукты жизнедеятельности растений и грибов. Химические канцерогены могут иметь эндогенное происхождение. Среди эндогенных химических канцерогенов велика роль метаболитов триптофана и тирозина. Доказано, что химические канцерогены действуют на генетический аппарат клетки. Они вызывают ряд качественных изменений генома клеток-мишеней (точечные мутации, транслокации и т.д.), которые приводят к превращению клеточных протоонкогенов в активные онкогены. Последние посредством своих продуктов - онкобелков трансформируют клетку в опухолевую.
К химическому канцерогенезу примыкает дисгормональный канцерогенез. Показано, что в возникновении и стимуляции роста опухолей играют роль нарушения гормонального равновесия.
Дисбаланс тропных гормонов рассматривается как пусковой механизм канцерогенеза. Особенно велико участие в этом процессе эстрогенов, которые обладают прямым действием на орган-мишень и осуществляют гормональную регуляцию пролиферативных процессов в организме.
3.Дизонтогенетическая теория (disontogenesis - порочное развитие) создана Ю. Конгеймом (1839-1884). Согласно этой теории, опухоли возникают из эмбриональных клеточно-тканевых смещений и порочно развитых тканей при действии ряда провоцирующих факторов. Этой теорией можно объяснить возникновение небольшого числа опухолей.
4.Полиэтиологическая теория подчеркивает значение разнообразных факторов (химических, физических, вирусных, паразитарных, дисгормональных и др.) в возникновении опухолей, согласно ей, комплекс этих факторов может вести к появлению клонов опухолевых клеток. Полиэтиологическая теория как бы объединяет все перечисленные теории происхождения опухолей.
Вопрос о механизме перехода нормальной клетки в опухолевую не может считаться решенным, а между тем в познании именно этого вопроса лежит разгадка всей проблемы развития опухоли. Вероятно, опухолевая клетка возникает в результате мутации, т.е. внезапного превращения генома, но изменение генома клетки в процессе малигнизации может осуществляться и стадийно, будучи растянуто во времени (опухолевая трансформация).
Протоонкогены.-нормальные гены клеток, обычно находящиеся в неактивном состоянии; активация протоонкогенов и превращение их в онкогены, кодирующие определенные онкобелки , сопровождается пролиферацией клеток.
Процесс имеет место в эмбриогенезе, при возрастном росте органов и тканей , регенерации.
Понятие о протоонкогенах (онкогенах)
К важнейшим регуляторам, обеспечивающим постоянство структуры органов и количества клеток, относят сигнальные белковые молекулы
– факторы роста и цитокины, составляющие единую медиаторную систему. Они реализуют свое действие через высокоспецифичное связывание со специализированными клеточными рецепторами, расположенными на поверхности мембраны клетки, и являются важнейшей сигнальной системой для обмена информацией. Указанные сигнальные белки активируют внутриклеточную систему передачи сигнала, запускают экспрессию генов-регуляторов - протоонкогенов.
Однако основной генетический контроль численности, пролиферативной активности и весь процесс дифференцировки клеток и тканей контролируются путем трансляции сигнальных белков регуляторными генами - протоонкогенами. Протоонкогены представляют собой нормальные гены, всегда присутствующие в любой клетке. Положение, функция и химическая структура большинства протоонкогенов в хромосомах человека определены, значительная их часть расположена вблизи точек разрыва хромосом.
Также были выделены и специфические белки - продукты этих генов, принимающие участие в передаче митогенных сигналов. Функции, выполняемые протоонкогенами, весьма многообразны. В норме их активация наблюдается при репаративных процессах, эмбриональном развитии. Протоонкогены играют ключевую роль в формировании реакции клетки на действие цитокинов и сами способствуют их выработке.
Протоонкогены контролируют пролиферацию клеток, в основном, при переходе из одной фазы клеточного цикла в другую. Ключевым фактором в цепи передачи сигналов к пролиферации внутри клетки служат белковые продукты протоонкогенов – протоонкобелки. В упрощѐнном виде механизм передачи и контроля сигналов в клетке представляет собой прямое взаимодействие специфических протоонкобелков в строго определенной последовательности. Таким образом, протоонкогены обеспечивают нормальное функционирование системы передачи сигналов в клетке, чем создаются условия для ее полноценного существования в окружающей среде и взаимодействия с другими клетками.
В нормальных клетках протоонкогены с позиции их канцерогенности неактивны. В случае их структурных изменений (мутаций), они значительно повышают уровень своей функциональной активности. Такие активированные протоонкогены называют онкогенами, продуцирующими соответствующие онкобелки.
Последние напоминают нормальные белки протоонкогенов, но с тем исключением, что в качестве изменѐнных версий их выработка не зависит от естественных регуляторов. Функция онкобелков заключается в том, что практически, все они нарушают функционирование системы нормального роста и размножения клеток на различных этапах.
Онкобелки активируют клеточную пролиферацию, что приводит к трансформации клетки в злокачественную. Большинство известных онкогенов относится к ключевым белкам сигнальной системы клетки - факторам роста, мембранным и ядерным рецепторам, цитокинам.
Включение онкогенов в процесс опухолеобразования может быть непосредственным, когда производимый ими белок участвует в определенном этапе малигнизации, или опосредованным, когда он (белок) оказывает активирующее или ингибирующее влияние на другие гены.
Названия онкогенов образуют аббревиатуры от начальных букв латинских названий соответствующих вирусов, из которых они первоначально были выделены. Они распределены в соответствии с продуцируемыми ими белковыми молекулами, кодируемые их клеточными гомологами - протоонкогенами. По сходству со звеньями сигналов, стимулирующих митотическую активность, все протоонкобелки (или онкобелки) делятся на гомологи факторов роста и их рецепторов; передатчики ростовых сигналов от рецепторов на ДНК; аналоги G-белков (протеинкиназы), участвующих в регуляции клеточного деления. В настоящее время считается, что протоонкогены могут становиться онкогенами или при внесении их
вирусом в клетку или при канцерогенных воздействиях, трансформирующих протоонкогены in situ в клеточные онкогены.
Механизмы активации протоонкогенов
Процесс превращения нормальных протоонкогенов в онкогены называется активацией или экспрессией онкогенов, непосредственно вызывающих опухолевый рост.
Известны три основныхмеханизма активации протоонкогенов:
а) мутации в структуре протоонкогена или делеции (утеря генетического материала);
б) амплификация протоонкогена (увеличение количества копий гена);
в) перестройка генома в результате перемещения (транслокации) участков хромосом.
Мутации. Один из возможных путей активации протоонкогена – точечная мутация в его структуре под воздействием различных факторов (канцерогенов). Поскольку они вызывают перестройку структуры ДНК, то их называют генотоксическими канцерогенами. Изменение структуры гена ведет к продукции функционально измененного белка, который, включаясь в процесс вместо нормального, может блокировать или извращать реакцию или передачу сигнала.
Делеция характеризуется потерей генетического материала. При утрате антионкогенов, или генов-супрессоров, теряется контроль над процессами опухолевой трансформации.
Амплификация. Этот механизм активации как отдельных, так и нескольких протоонкогенов и характеризуется увеличением числа их копий, в клетке появляется значительное количество структурно
неизмененныхсигнальных белков протоонкобелков. Такая «суперэкспрессия» («оверэкспрессия») имитирует получение внешних сигналов, усиливающих митотическую активность - так называемых митогенных сигналов, которые постоянно поддерживают клетку в состоянии пролиферации. Это приводит к появлению клеток, реагирующих не на внешние, а лишь на свои внутренние ложные сигналы, что может привести к ее опухолевой трансформации.
Транслокация. Онкогены могут активироваться при перенесении по контроль другого гена - сильного промотора. Промотор – это ген, который контролирует начало репликации одного определѐнного гена. Перенос, или транслокация, происходит при перемещении участков одной хромосомы на другую без потери генетической информации - реципрокная транслокация— взаимный, равноценный обмен фрагментами генома. При этом онкоген может переноситься на активные участки генома. В результате этих событий протоонкогены., локализованные в зоне обмена участков генома могут претерпевать различные изменения своей структуры с последующим нарушением нормальной регуляции функции.
Разновидностью перестройки хромосом, является инсерционная активация протоонкогенов, или «вставочный канцерогенез», когда какой-либо ген может встраиваться в геном клетки и усиливать активность близлежащих протоонкогенов. Инсерционные гены называют еще гены-энхансеры. Их носителями являются РНК- содержащие ретровирусы, в то время как ДНК-вирусы способны вызывать клеточную трансформацию преимущественно посредством блокады генов-супрессоров.
Протоонкогены находятся под жестким контролем генов-супрессоров, или антионкогенов. Мутации протоонкогенов, выводящие их из-под воздействия генов-супрессоров, способствуют автономности их функционирования и вызывают постоянную, «не выключающуюся» активность и клетка теряет способность выходить из митотического цикла.
Понятие об опухолевых генах-супрессорах и мутаторных генах
Гены-супрессоры (другие названия - антионкогены, рецессивные опухолевые гены, опухолевые супрессоры) - класс онкоассоциированных генов, утрата или подавление активности которых также приводит к развитию опухолей. В неизмененных
клетках гены-супрессоры подавляют деление клеток и стимулируют их дифференцировку. Мутации в таких генах ведут к подавлению их активности, утрате контроля за процессами пролиферации и как следствие, развитию рака. Однако главный представитель антионкогенов ген-супрессор р53, который в норме в каждой отдельной клетке обеспечивает постоянный контроль ДНК, предотвращая появление вредоносных мутаций, в том числе и опухолеродных. У человека он находится в хромосоме 17.
Физиологические функции р53 заключаются в распознавании и исправлений ошибок, неизменно возникающих в ходе репликации ДНК.
Мутации могут привести к инактивации гена-супрессора р5З и появлению измененной формы белка. К основным мишеням относятся гены, продукты которых вызывают остановку клеточного цикла в различных его фазах; гены, индуцирующие апоптоз; гены-регуляторы морфологии и т.д.