4.3.8. Вирусы и рак
Рак известен человечеству с древних времен. Злокачественные опухоли были найдены на древнеегипетских и центрально-американских мумиях, имеющих возраст 5 тыс. и 2,4 тыс. лет, соответственно, а само заболевание описано в папирусах 1600 г. до н.э. (является копией документа, написанного около 3000 г. до н.э.) и 1550 г. До н.э. Кроме людей раком болеют звери, птицы, рептилии и рыбы. В начале XX в., вскоре после открытия вирусов, ученых заинтересовало, не могут ли вирусы вызывать рак? Ответ оказался неутешительным. В 1908 г. В. Эллерман (Vilhelm Ellermann) и О. Банг (Oluf Bang) показали, что вирусы вызывают лейкоз (рак крови) у кур. Для доказательства вирусной этиологии заболевания они использовали методику фильтрования материала и многократно повторяемую перевивку его чувствительным животным. Это открытие, как и открытие Ивановского, обнаружившего первый вирус, осталось почти незамеченным.
В 1911 г. американский ученый Пейтон Раус (рис.4.3.25) обнаружил, что куриная саркома может перевиваться не только клетками, но субмикроскопическими агентами, экстрагируемыми из клеток. Хотя поначалу другие ученые не приняли открытия Рауса, многочисленные эксперименты в последующие годы доказали его правоту, и в 1966 г. Раус был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине (Раус говорил, что Нобелевскую премию может получить любой ученый, если проживет достаточно долго). Во всем мире теперь эта саркома известна как саркома Рауса. В течение 25 лет после открытия Рауса было описано 18 вирусов, вызывающих саркомы у птиц.
Рис. 4.3.25. (Фрэнсис) Пейтон Раус (Francis Peyton Rous, 1879 —1970)
В 1936 г. Дж. Биттнер доказал вирусное происхождение рака молочной железы у мышей. Кроме того, он показал, что в образовании рака молочной железы играют роль также генетические и гормональные факторы. Вирус Биттнера («фактор молока») резко увеличивает чувствительность клеток молочных желез к действию маммотропных гормонов организма, вследствие чего происходит образование многочисленных узелков в ткани желез. У вскормленного потомства повышена вероятность развития рака молочных желез, того же клеточного типа, что и у матери. Опухоль развивается не у каждого грызуна, однако способность к передаче заболевания потомству сохраняется в следующих поколениях. Существуют линии мышей с высокой и низкой частотой рака.
В 1933 г. Р. Шоуп (Richard Shope) открыл вирус папилломы, поражающий кроликов в Северной Америке. У диких кроликов вирус обычно вызывает развитие доброкачественной опухоли, а у домашних кроликов вызванные им папилломы практически всегда перерождаются в злокачественные опухоли.
Впоследствии вирусы, вызывающие разнообразные виды рака у животных стали выделять все чаще и чаще. Один из видов паповавирусов, вирус полиомы, широко распространен у диких мышей, у которых он не вызывает видимых заболеваний. Однако при выращивании на культуре тканей и последующем введении в достаточном количестве новорожденным мышам, хомякам, морским свинкам или кроликам может вызывать развитие злокачественных опухолей. Название этот вирус получил за способность вызывать образование 23 видов опухолей легких, щитовидной железы, плевры, почек, надпочечников, желудка, зобной железы, молочной железы и слизистых оболочек у различных линий мышей. Вирус обладает высокой антигенной активностью, и у всех животных с опухолями всегда обнаруживаются нейтрализующие вирус антитела. Еще один онкогенный (вызывающий рак) вирус из этого семейства – вирус симиан-40 (SV40) (рис.4.3.26), был выделен впервые от африканской зеленой мартышки, в клетках которой он быстро размножался и вызывал их гибель. Этот вирус не может размножаться в клетках грызунов или человека, однако иногда приводит к их злокачественной трансформации.
Рис. 4.3.26. SV40 (Simian Virus 40, «вирус обезьян 40») – полиомавирус, геном которого представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 5 генов
Мышиный лейкоз сыграл важную роль при исследовании строения и размножения онкогенных вирусов. Электронно-микроскопическое изучение вируса показало, что он имеет почти сферическую форму и состоит как бы из двух концентрических оболочек: наружной с диаметром около 90 нм и внутренней с диаметром 50 нм.
В 80-х гг. ХХ в. усиленно изучался вопрос о связи между вирусами и раком у человека. Долгое время ученые не могли доказать, что в клетках раковой опухоли есть вирусы, которые после выделения могут вызывать злокачественную трансформацию (малигнизацию) клеток человека. Однако постепенно такие данные накопились. Было показано, что в мозге больного лейкозом содержится фактор, вызывающий ускорение развития этого заболевания. Затем удалось доказать вирусную этиологию лимфогрануломатоза.
В настоящее время установлено, что к вирусам, причастным к раковым заболеваниям человека, относятся ДНК-содержащие вирусы (вирусы Эпштейна–Барр и другие герпес-вирусы, гепатита В и несколько вирусов папиллом) и ретровирусы (вирусы Т-клеточного лейкоза). Кроме того, в геномах человека и животных имеются специфические гены, так называемые протоонкогены. Сами по себе протоонкогены рака не вызывают, но при их мутациях начинается развитие заболевания. Такие мутации могут быть вызваны не только радиацией или химическими мутагенами, но и встраиванием вирусной ДНК в геном клетки в непосредственной близости от протоонкогенов. К вирусам, подозреваемым в способности вызывать рак, таким образом, относятся, например, аденовирусы, вирусы SV40 и некоторые другие.
В 1946 г. выдающийся советский вирусолог Лев Александрович Зильбер (рис.4.3.27) предложил вирусогенетическую теорию рака. Согласно этой теории, вирусы вызывают рак, но в отличие от других заболеваний вирусного происхождения рак – патологический процесс, а не инфекционный. При онкогенезе ДНК вирусного происхождения внедряется (интегрируется) как фрагмент в ДНК клетки и становится составной частью клеточного генома. Поэтому при электронно-микроскопическом исследовании опухолей далеко не всегда в их клетках можно обнаружить вирус. Эта интеграция – начальное звено в цепи процессов превращения нормальной клетки в раковую.
Рис. 4.3.27. Лев Александрович Зильбер (1894-1966)
В середине 1950-х гг. американский ученый Ренато Дульбекко (Renato Dulbecco) показал, что вирус полиомы, подобно умеренным фагам, либо размножается обычным путем и вызывает острую инфекцию клеток, либо его геном интегрируется в геном клетки, после чего может вызвать ее злокачественную трансформацию. «Каким бы путем опухолеродный вирус ни проник в организм человека, долгое время он ничем не проявляет своего присутствия. В этом нет ничего удивительного. Он малоболезнетворен. Ему нужны особые условия, чтобы проявить болезнетворность, и пока этих условий нет, вирус вполне безобиден» (Л.А. Зильбер).
Большую роль в развитии рака может играть действие химических и физических канцерогенов, а также старение организма. У кур, зараженных вирусом птичьей оспы, при смазывании кожи метилхолантреном развивается рак кожи. Нанесение дегтя на кожу кролика, зараженного вирусом папилломы Шоупа, сокращает латентный период и увеличивает частоту образования опухолей.
Среди опухолеродных вирусов есть ДНК- и РНК-содержащие. Объяснение возникновения рака интеграцией вирусного и клеточного геномов, данное Л.А. Зильбером, было понятно для ДНК-содержащих вирусов. Однако его теория сталкивалась с большими трудностями в случае онкогенных вирусов, содержащих РНК, поскольку вирусная РНК не может встраиваться непосредственно в геном клетки. Между ДНК- и РНК-содержащими опухолеродными вирусами существуют кардинальные различия. При заражении клеток ДНК-содержащими вирусами происходит либо репликация, приводящая к инфекции, либо интеграция геномов, приводящая к трансформации клетки. РНК-содержащие вирусы индуцируют только трансформацию нормальной клетки в злокачественную, т.е. при заражении клетки таким вирусом должна происходить интеграция их геномов.
Только в 1970 г. американские ученые Г. Темин (Howard Martin Temin, 1934–1994) и Мицутани (Satoshi Mitsutani) и независимо от них Д. Балтимор (David Baltimore; род. в 1938 г.) разрешили эту загадку. Они доказали возможность передачи генетической информации от РНК к ДНК. Это открытие перевернуло центральную догму молекулярной биологии о том, что генетическая информация может переноситься только в направлении ДНК–РНК–белок. Пять лет понадобилось Г. Темину для обнаружения фермента, осуществляющего перенос информации от РНК к ДНК, – РНК-зависимой ДНК-полимеразы. Этот фермент получил название обратной транскриптазы. Г. Темину удалось не только получить фрагменты ДНК, комплементарные заданной цепи РНК, но и доказать что ДНК-копии могут встраиваться в ДНК клеток и передаваться потомству.
Группа РНК-содержащих вирусов, в цикле развития которых по геномной РНК с помощью обратной транскриптазы осуществляется синтез ДНК, встраивающейся затем в геном клетки хозяина, получила название ретровирусов (Retroviridae – от REversed TRanscription) (рис.4.5.28). В семейство ретровирусов входят вирусы саркомы Рауса, миелоцитоматоза, саркомы мышей Харви и Молони, лейкоза птиц, ретикулоэндотелиоза птиц, лейкоза мышей, Т-клеточного лейкоза человека, иммунодефицита человека.
У ДНК- и РНК-содержащих опухолеродных вирусов по-разному реализуется генетическая информация. ДНК-содержащий вирус, интегрированный в геном клетки, для начала самостоятельного существования должен физически «вырезаться» из генома клетки, а клетка должна вирус потерять. У РНК-содержащих вирусов «вырезания» не требуется – его заменяет транскрипция. Это связано с тем, что РНК, образующаяся при транскрипции с интегрированного в ДНК клетки генетического материала вируса, представляет собой вирусную РНК. Поэтому геном клетки, интегрировавший гены РНК-содержащих вирусов, их никогда не теряет.
Вирусная ДНК, встроившаяся в геном эукариотической клетки-хозяина, может в течение многих поколений никак себя не проявлять. Однако при определенных условиях вирусные гены могут активироваться и вызывать либо репликацию вируса, либо превращение клетки в раковую.
Многочисленные работы, проведенные в 1970–1980-х гг. показали, что у многих видов животных есть гены, похожие, но не совпадающие с генами ретровирусов. Эти гены животных и человека иногда называют эндогенными ретровирусами (HERV), или провирусами. Обычно HERV не активны и менее онкогенны для вида-хозяина, чем экзогенные. Возможно, вызывающие рак гены ряда ретровирусов когда-то, на ранних этапах биологической эволюции, закрепились в ДНК предков вида-хозяина. При репликации всей ДНК клетки онкогены передавались из поколения в поколение. По оценкам ученых HERV появились в геноме предков человека приблизительно 50 млн лет назад.
Опухолеродные вирусы, как правило, видоспецифичны, т.е. поражают животных только определенного вида. Но из каждого правила есть исключения. Например, вирусом куриной саркомы можно заразить крыс, кроликов, хомячков, обезьян, ящериц и даже змей. Группа ученых под руководством Б.А. Лапина установила, что вирус лейкоза человека может вызывать сходное заболевание у двух видов обезьян. Это привело к созданию экспериментальной модели для изучения всех стадий развития заболевания, начиная с самых первых этапов.
Онковирусы могут принимать участие в развитии иммунологических заболеваний. Так, при изучении красной волчанки методом молекулярной гибридизации было показано, что в ДНК клеток пораженных болезнью тканей имеются последовательности, комплементарные РНК вируса кори и обратная транскриптаза. Это указывало на экспрессию онковируса в клетках больных волчанкой. На основании полученных данных было высказано предположение, что на начальных стадиях заболевания происходит взаимодействие коревого вируса с латентным онковирусом. В результате обратная транскриптаза онковируса транскрибирует коревую РНК в ДНК, которая затем встраивается в геном клетки. Экспрессия этих дополнительных генов проявляется в синтезе специфических вирусных белков, часть из которых встраивается в мембраны клеток и изменяет их свойства. Эти клетки становятся чужеродными для организма и подвергаются атаке собственной иммунной системы. Онковирусы могут активироваться также при трансплантации (пересадке) тканей.
Возможно, онковирусы – нормальные компоненты организма, принимающие участие в процессах клеточного цикла, дифференциации и пролиферации. Тогда старение, действие физических и химических канцерогенов может вызвать развитие рака. Однако присутствие канцерогенов нехарактерно для естественной среды обитания, а заболевание особей, вышедших из репродуктивного периода, не может отразиться на судьбе популяции. В то же время, интегрированный в геном клетки онковирус со слабыми онкогенными свойствами может защитить клетку от родственного высокоактивного вируса.