Ген p53 и его роль в обеспечении стабильности генома при повреждениях днк

• Сенсором повреждения ДНК и нарушения в клеточном цикле является ген р53. Этот ген, располагающийся на коротком плече хромосомы 17, кодирует образование ядерного белка из 393 аминокислот с молекулярной массой 53 кД. Тетрамер р53 локализован в клеточном ядре и функционирует как транскрипционный фактор, связываясь своим карбоксильным окончанием со специфическими регионами генов-мишеней. Показано, что активация гена р53 происходит не только в ответ на поражение ДНК (под действием ионизирующего или УФЛ-облучения, ингибитора топоизомеразы 2 и прочих факторов), но может явиться следствием многих других процессов, происходящих в клетке, в том числе активации онкогенов, гипоксии, дефиците питания, старении и др. Недаром этот ген получил название "хранитель генома" (Е.Б. Владимирская, 2002).

• При активации гена р53, кодируемый им белок р53 способен инициировать независимо друг от друга две программы (Н.Н. Белушкина, С.Е. Северин, 2001):

а) временную остановку клеточного цикла в G₁/S-фазе с помощью белка р21^WAF1, ингибирующего циклинзависимые киназы;

б) стимуляцию апоптоза путем активации генов Bax или Bid - проапоптотических генов семейства Bcl 2 и/или активации образования свободных форм кислорода, способствующих выходу цитохрома С из митохондрий.

• Блок клеточного цикла в фазе G₁ - фазе репликации ДНК, делает возможной репарацию поврежденной ДНК и предотвращает тем самым появление мутантных клеток. Считают, что приоритетной для большинства клеток является программа временной остановки митотического цикла, хотя выбор стратегии может характеризоваться тканеспецифичностью.

• Есть данные об участии р53 в процессах репарации ДНК путем активации вновь открытого гена р53R2, кодирующего рибонуклеотидредуктазу.

• Программа апоптоза включается при невозможности клетки репарировать ДНК во время "ареста" при прохождении митотического цикла, или дефиците белка р21^WAF1.

• Т.о., основной функцией гена р53 и кодируемого им белка (р53) следует считать защиту организма от накопления генетически дефектных клеток. Мутация гена р53 позволяет таким клеткам сохранять жизнеспособность в митозе, что чревато их выживанием и, следовательно, развитием опухолевого процесса. Такие мутации связаны с плохим прогнозом в лечении злокачественных новообразований, поскольку опухолевые клетки с этими мутациями оказываются резистентными к лучевой и химиотерапии.

• Мутация гена р53 обнаруживаются более, чем в половине раковых опухолей. При длительной химиотерапии частота ее повышается. У детей мутация в гене р53 чаще наблюдается при остром Т-лимфобластном лейкозе, составляя около 12% и всегда служит прогностически неблагоприятным фактором.

СХЕМА УЧАСТИЯ ОНКОСУПРЕССОРНОГО БЕЛКА p53 В ОБЕСПЕЧЕНИИ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ДНК

Повреждения днк

Экспрессия гена-онкосупрессора (wt р53)

Накопление в ядре белка р53

Активация других генов-онкосупрессоров (waf) р53

Транскрипция (мРНК) cdk киназ -ингибирующих протеинов (р21^sip)

Ингибирование cdk- 4 в комплексе с циклином D

Блокада фосфорилирования рRb

Стимуляция синтеза проапоптотического фактора (Вах) и подавление синтеза антиапоптического фактора (Bcl-2)

Арест клеточного цикла в G₁ - S фазе

Индукция ферментов репарации

Отсутствие репарации ДНК

Репарация ДНК

АПОПТОЗ

ДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНЫХ КЛЕТОК

Нарушения функционирования системы wt p53-p53 в результате:

* мутантного варианта wt р53 /mt p53/

* блокады wt p53

*блокады клеточных эффектов р53 (Bcl-2, E2F, онкобелком с-myc)

НЕКОНТРОЛИРУЕМЫЙ РОСТ, ОБРАЗОВАНИЕ МАЛИГНИЗИРОВАННЫХ КЛЕТОК.

ОНКОСУПРЕССОРНЫЙ БЕЛОК АРС. РОЛЬ В КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ

(по V. Cumar, R.S. Cotran, S.L. Robbins, 1997; А.В.Лихтенштейну, В.С. Шапоту, 2001)

Ген АРС является геном - супрессором опухоли. Регулируемый им белок АРС наделен особой функции "сторожа" (gatekeeper), ответственного за постоянство числа клеток в обновляемых тканях, за адекватность клеточных реакций в ситуациях, требующих клеточного роста (развитие ткани, травма). Уникальность гена АРС заключается в том, что его нарушения инициируют клеточную пролиферацию и, если последуют мутации других генов, - рост опухоли. С другой стороны, повреждения других генов при нормальном гене АРС могут не иметь никаких последствий, поскольку в этом случае не произойдет накопления мутировавших клеток. Таким образом, определяющим для канцерогенеза может оказаться не просто накопление мутаций, а порядок их появления. Если уже первая из них затрагивает ген АРС, то последующие канцерогенные события будут весьма вероятны, поскольку размножение дефектных клеток будет увеличивать их базу. Ген АРС оказывается мутированным в большинстве случаев рака толстого кишечника у человека, причем его мутация происходит на ранней стадии прогрессии опухоли. Мутации гена АРС вызывают также наследуемое онкологическое заболевание - семейный аденоматозный полипоз толстого кишечника, переходящий в инвазивный рак. * Предполагается, что динамика подобных изменений инициируется гомозиготной утратой локусов АРС (на обеих аллелях), что приводит

к дисбалансу соотношения клеточная гибель/пролиферация в сторону преобладания пролиферации. В этот период клетки сохраняют свою нормальную морфологию, но могут появляться и фокусы дисплазии с различной степенью атипии (утрата полярности, слоистости) без изменений стромы. Последующая мутация, приводящая к экспрессии онкогена ras, запускает сигнальный каскад с участием МАР-киназ, что усиливает клеточную пролиферацию, обусловливая развитие аденомы - доброкачественной опухоли из железистого эпителия. Процесс может быть значительно ускорен, если страдает система репарации ММR (mutations in mismatsth repair) вследствие еще одной мутации контролирующего ММR-гена. В дальнейшем события определяются возможностью вовлечения и других (кроме АРС) генов-супрессоров: DСС, р53. Для инактивации каждого из них требуются по два генетических события (по одной мутации на каждой аллели соответствующих генов). Итогом является нарастание клеточного атипизма и формирование инвазивной карциномы кишечника. *Таким образом, мутация АРС инициирует опухолевый процесс, а последовательно возникающие мутации других генов обусловливают опухолевую прогрессию. *Белок АРС - продукт гена АРС тесно связан с β-катенинами и сигнальным путем Wnt и играет также важную роль в направленной миграции клеток.

РЕЗЮМЕ

• В основе многоклеточности, которая служит фоном для развития опухоли, лежит способность каждой клетки интегрировать сигналы, поступающие от растворимых факторов, взаимодействий клеток с внеклеточным матриксом и друг с другом. Правильная обработка этих сигналов клеткой создает основы для нормального клеточного роста, дифференцировки и морфогенеза. Некорректная интеграция поступающих с разных сторон сигналов, приводит к развитию патологии, в частности, рака (Е.Д. Свердлов, 2001).

• Рак вызывается эволюцией клеток, выражающейся в последовательном накоплении не связанных между собой мутаций, делающих клетку все более автономной от окружения. Эти мутации затрагивают как онкогены (ras и др), способствующие пролиферации, так и гены-супрессоры, участвующие в контроле клеточного цикла (Rb) и обеспечивающие стабильность генома (р53, APC, BRCA, ATM и др.)

• Независимость мутаций отдельных генов не означает независимости действия в клетке каждого из контролируемых ими продуктов, которые выполняют функцию сигнальных молекул. Включаемые этими молекулами различные линейные сигнальные пути объединяются в общую сигнальную сеть (networks) и, таким образом, переплетаются. Т.е. онкогены и гены-супрессоры действуют зависимо друг от друга и при опухолевой трансформации изменяются не единицы и не десятки, а сотни генов. Таким образом, в раковую трансформацию вовлекаются не отдельные звенья регуляции генома, а интегральные процессы.

• Независимость опухоли от окружения не означает ее абсолютной изолированности: "нормальные клетки" внутри раковой опухоли оказываются активными участниками опухолевого процесса и используются раковыми клетками для своего существования. В частности, ростовые сигналы, управляющие пролиферацией клеток карциномы могут происходить от клеток нормальной стромы - компонентов опухолевой массы.

• "Успешными" опухолевыми клетками являются те, которые приобретают способность использовать своих нормальных соседей, индуцируя их испускать потоки сигналов роста для увеличения потенциала роста опухоли.

• В развивающейся опухоли идет непрерывное взаимодействие между системой передачи сигналов и изменениями генома. Изменения генома, улучшающие сигнализацию, могут приводить к дальнейшему ускорению изменения генома и т.д.

• Таким образом, опухоль превращается в сообщество множества типов клеток, которые коэволюционизируют, обмениваясь сигналами и изменяя структуру генома так, чтобы оптимизировать эволюцию опухоли, в том числе, возможно, путем оптимизации обмена сигналами между различными компонентами эволюционизирующей биомассы.