2. Молекулярно-генетические аспекты канцерогенеза.

Все клетки обладают сложной системой контроля деления, роста и дифференцировки клеток. Изучены две регулирующие системы оказывающие влияние на процесс пролиферации.

Протоонкогены - это группа нормальных генов, стимулирующие процессы клеточного деления, посредством специфических продуктов их экспрессии. Превращение протоонкогена в онкоген является одним из механизмов возникновения опухолевых клеток. Это происходит в результате мутации протоонкогена с изменением структуры специфического продукта экспрессии гена, либо же повышением уровня экспрессии протоонкогена при мутации.

Оказалось, что некоторые вирусы способны в определенных условиях вызывать образование опу­холей. Эти вирусы были названы онкогенными вирусами. Вирусы, как правило, содержат очень мало генов – от нескольких генов до нескольких десят­ков, тогда как в каждой клетке человека присутству­ет около 100000 генов. Далее было показано, что из всех генов вируса обычно только один нужен для превращения клетки в опухолевую, то есть для этого нужно появление в клетке лишь одного нового бел­ка. Такие гены были названы онкогенами. У неко­торых вирусов это собственные гены вируса (вирус­ные онкогены), у других вирусов в процессе цикла их развития происходит захват генов хозяина, и последние вы­ступают в роли онкогенов.

Рис. 1. Роль онкобелков, факторов роста и опухолевых белков-супрессоров в малегнизации клетки.

Возникает вопрос, почему эти нормальные гены начинают индуцировать возникновение опухолей. Есть несколько путей подобной активации онкогена. Один из путей активации онкогена – структурная мута­ция, то есть изменение структуры гена, например замена нуклеотида в ДНК, ведущая к замене амино­кислоты в белковой цепи и к изменению функции белка. Другой путь – это усиление активности он­когена, то есть усиление синтеза матричных РНК на матрице ДНК и в итоге усиление синтеза белкового продукта онкогена и его накопление в клетке. Акти­вация онкогена может быть результатом увеличения числа копий данного гена в геноме или следствием такой перестройки генома, когда рядом с потенци­альным онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию, то есть синтез матричной РНК.

Функции генов-супрессоров опухоли противоположны функциям протоонкогенов. Гены-супрессоры оказывают тормозящее влияние на процессы пролиферации и выхода из дифференцировки. Доказано, что в ряде случаев инактивация генов-супрессоров ведет к развитию некоторых онкологических заболеваний. Таким образом, система протоонкогенов и ГСО формирует сложный механизм контроля темпов клеточного деления, роста и дифференцировки. Нарушения этого механизма возможны как под влиянием факторов внешней среды, так и в связи с геномной нестабильностью. Итак, есть гены, белковые продукты кото­рых помогают нормальной клетке превратиться в раковую, и гены, белковые продукты которых этому препятствуют. Возникает центральный вопрос, ка­кова природа белковых продуктов онкогенов и ГСО. Оказалось, что она чрезвычайно разнообраз­на.

Чтобы клетка начала расти и размножаться, нуж­ны специальные сигналы, вырабатываемые обычно другими клетками, а иногда и самой клеткой. Это обычно белковые молекулы, называемые фактора­ми роста. Их производство строго регулиру­ется, но если регуляция нарушается, то факторы могут накапливаться в больших количест­вах. Они начинают сигнализировать клетке о необ­ходимости расти и делиться. Поэтому некоторые ге­ны, кодирующие факторы роста, могут выступать в роли онкогенов.

Чтобы фактор подействовал, необходим рецеп­тор для данного фактора, расположенный на по­верхности клетки-мишени. Когда фактор присое­диняется к рецептору, последний активируется. При некоторых повреждениях рецеп­торов факторов роста они обретают свойства "за­жигаться" при отсутствии своего фактора роста. Такой рецептор будет непрерывно передавать сиг­нал о необходимости начинать рост, хотя фактор роста и отсутствует. Поврежденный ген, кодирую­щий такой измененный фактор роста, может высту­пать в роли онкогена.

В передаче сигнала на рост участвует много других белков – пере­датчиков сигнала. Такая передача часто идет путем фосфорилирования одним белком второго, вторым третьего и т.д. Гены, кодирующие участников этих цепей, могут выступать в роли онкогенов.

Цепи передачи сигналов заканчиваются в кле­точном ядре. Там происходит активация факторов транскрипции, то есть белков, связывающихся с регуляторными участками опре­деленных генов в ДНК и активирующих транскрип­цию данных генов. Иными словами, под действием факторов транскрипции на соответствующих генах происходит синтез матричных РНК, а на матрице последних - белков. Это те белки, которые нужны для роста и размножения клеток. И снова среди ге­нов, кодирующих факторы транскрипции, оказыва­ются онкогены. Если соответствующий ген работает с высокой активностью независимо от описанной выше регуляторной цепи, то он способствует пре­вращению нормальной клетки в опухолевую.

Превращению нормальной клетки в опухолевую противостоят другие системы. Одна из них – это цепь передачи сигнала для подавления клеточного роста от поверхности клетки к ядру. Эти цепи состо­ят из компонентов, подобных описанным выше, но имеющих противоположный знак действия, то есть их действие реализуется в подавлении транскрип­ции генов, необходимых для роста и размножения клеток. Некоторые гены, продукты которых участвуют в таком процессе, были идентифицированы как ГСО, их инактивация индуцировала преобразо­вание клеток в опухолевые.

Важный механизм, препятствующий превраще­нию нормальной клетки в опухолевую, – это меха­низм "проверки в ходе клеточного цикла". Размножаясь, клетки проходят через несколько фаз клеточного цикла. Важнейшие фазы – это деление клеток или митоз (М); фаза, предшествующая син­тезу ДНК (G); фаза репликации или синтеза ДНК (S), когда происходит удвоение генетического мате­риала; следующая за ней фаза подготовки к делению  (G) и снова митоз (М). Кроме того, клетки могут переходить из G, не в S, а в фазу G₀ или фазу покоя, когда деление клеток отсутствует. (Рис. 2.)

Рис. 2. Схема регуляции митотического цикла клетки.

Оказалось, что переход из одной фазы клеточно­го цикла в другую – это строго регулируемый про­цесс. На определенных этапах клеточного цикла существуют "точки проверки", во время которых специальные белки определяют, все ли в клетке в порядке и готова ли она к переходу в следующую фазу цикла. Например, если в клетке повреждена ДНК, об этом идет сигнал и переход в следующую фазу блокируется. Или, например, в клетке синте­зируются не те белки, которые должны синтезиро­ваться на данном этапе. Опять идет сигнал о блока­де перехода в следующую фазу. Очень важной точкой проверки является точка между g₁ и S, по­скольку именно в фазе S происходит удвоение гене­тического материала ДНК и становится возможным последующее деление клетки.

Ясно, что такая система проверки требует боль­шого количества специальных белков. Ключевая роль в разрешении на продвижение по циклу при­надлежит белкам циклинам. (Рис.3). Они связываются со специальными ферментами - циклинзависимыми киназами (ЦЗК). Только находясь в комплексе с циклинами, ЦЗК начинают фосфорилировать свои белки-мишени, и это, в свою очередь, активирует гены, продукты которых нужны на следующей фазе цикла.

Рис. 3. Роль циклинов в регуляции митотического цикла.

Многие гены, кодирующие белки – участники этой системы контроля, выступают в роли онкогенов или ГСО. Гены, кодирующие белки, помогаю­щие клетке пройти через цикл, выступают в роли онкогенов. Гены, кодирующие белки, которые блокируют прохождение клетки че­рез точки проверки, выступают в роли ГСО. Как бы то ни было, недостаточно только запустить сигна­лизацию о необходимости роста и размножения клеток, надо еще сломать системы проверки.

Что происходит с клеткой, которая останови­лась в своем движении по клеточному циклу в точке проверки, например из-за того, что в ней оказалась повреждена ДНК. Первый путь – это устранение повреждений ДНК с помощью специальных фер­ментов. Если такая "репарация ДНК" не произой­дет, то остановленная в своем продвижении по цик­лу клетка вступает на путь "программированной смерти" - апоптоз. (Рис. 4). Приходят в действие специальные клеточные системы, которые разрушают ее жизненно важные структуры, в том числе хромосомы, и клетка умира­ет. Апоптоз играет большую роль в развитии орга­низма, т.к. таким путем устраняются ненужные ор­ганизму клетки. Таким же способом устраняются клетки, которые получили повреждения и резко из­менили свои свойства, – различные мутантные клетки. Именно эти механизмы устраняют многие клетки, приобретшие черты раковых.

Апоптоз определяется большим числом белков. Одно из центральных мест занимает ген, кодирующий белок р53, - белок с молекулярным весом около 53000. Этот белок включает апоптоз не только если в ДНК появляются повреждения, но и во многих других случаях. Наряду с белками, включающими апоптоз, есть белки, препятствующие апоптозу, и между те­ми и другими существует тонкий баланс. Апоптоз выступает в роли мощного защитника от превраще­ния нормальной клетки в раковую. Гены, способст­вующие апоптозу, относятся к ГСО, а гены, ему препятствующие – к онкогенам.

Поломка процесса апоптоза резко облегчает клетке превращение в раковую. В неспособных к апоптозу клетках легко будут накапливаться различные повреждения ДНК, ведущие к появлению мутаций. Среди этих мутаций будут встречаться му­тации, активирующие онкогены и подавляющие ГСО. Клетки с такими мутациями приобретут пре­имущества в отношении роста и размножения пе­ред своими собратьями и начнут разрастаться.

Рис. 4. Апоптоз – защитная реакция на возможное злокачественное перерождение клетки.

На их пути к окончательному приобретению не­зависимости и превращению в раковые клетки стоит еще одна преграда – ограничение числа клеточных делений в нормальных клетках в связи с укорочени­ем концов хромосом или теломеров. На концах хро­мосом расположены особым образом устроенные отрезки ДНК или теломеры. (Рис. 5). При каждом делении длина теломера уменьшается. Когда их длина пада­ет до критической величины, начинаются слипание концов хромосом, дезорганизация генома и гибель клеток. Нормальные клетки человека и других животных в культуре смертны. Однако у че­ловека и других видов есть клетки, функцией кото­рых является размножение и поддержание нужного уровня числа клеток в организме. У этих клеток по­теря теломеров не происходит благодаря тому, что в них есть фермент теломераза, восстанавливающий исходные размеры теломеров. В более зрелых клет­ках, из которых обычно происходят опухолевые клетки, теломераза утрачивается, ген для нее сохра­няется, но он молчит.

Большинство опухолевых клеток в культуре кле­ток не погибает, а продолжает расти в течение беско­нечно длительного времени, пока им предоставля­ется свежая среда. Одновременно эти клетки содержат активный фер­мент теломеразу, то есть в них ген теломеразы рабо­тает. Следовательно, ген теломеразы выступает в роли еще одного онкогена.

Рис. 5. Строение и функция теломеразы.

Это основные, хотя и не все классы онкогенов и ГСО, участвующие в превращении нормальной клетки в опухолевую. Кроме перечисленных генов и их белковых продуктов, для которых установлена функция, открыто еще много онкогенов, и особен­но ГСО, для которых функция еще не установлена. Поэтому можно ожидать появления новых функци­ональных групп среди ГСО и онкогенов. Как бы то ни было, видно, что громадное число генов, тем или иным способом связанных с контролем роста и раз­множения клеток, при своих изменениях (мутаци­ях) могут способствовать превращению нормаль­ной клетки в опухолевую.

Важным открытием явилось установление фак­та, что активации одного онкогена или, наоборот, потери функции одного ГСО недостаточно для превращения нормальной клетки в опухолевую. Это понятно в свете приведенных дан­ных о наличии разных барьеров, стоящих на пути такого превращения.

Поскольку онкогенов и ГСО чрезвычайно мно­го, то и набор мутаций в различных опухолях чело­века весьма разнообразен. В одних опухолях активированы или подавлены одни гены, в других – другие. Каждая опухоль, таким образом, имеет свой генетический портрет, который и определяет ее свойства. Более того, опухоль часто гетерогенна, то есть в ней есть клетки с разным набором генетичес­ких изменений.

Это создает крайне сложную и запутанную кар­тину, когда речь заходит об анализе механизма воз­никновения какой-либо конкретной опухоли чело­века. Особенно важно, что это многообразие и гетерогенность сильно ограничивают возможности разработки терапии опухолей на основе знания произошедших в ней генетических изменений.