Глава 14 канцерогенез

ИЗМЕНЕНИЯ ФЕНОТИПА КЛЕТКИ ПРИ МАЛИГНИЗАЦИИ

В основном злокачественную клетку характеризуют потеря феноти­пических признаков дифференцированной клетки специализированной тка­ни, интенсивная клеточная пролиферация и способность к метастазиро- ванию.

Многие из малигнизированных клеток обладают фенотипическими при­знаками здоровых дифференцированных клеток той специализированной ткани, из которой произрастают составляемые ими злокачественные опухо­ли. Например, в цитозоле клеток злокачественных опухолей щитовидной железы находятся коллоидсодержащие фолликулы. Чем больше в фенотипе злокачественных клеток признаков клеточной дифференциации, тем в мень­шей степени прогрессирует и метастазирует злокачественная опухоль (вы­сокодифференцированные опухоли).

Одним из механизмов приобретения нормальной клеткой фенотипа зло­качественной можно считать блокаду клеточной дифференциации на опре­деленном ее этапе (частичная дифференциация злокачественных клеток), когда потенциал ее пролиферации значительно выше, чем у высокодиффе­ренцированных клеток. Клетка, не достигая зрелости в качестве структур­но-функционального элемента специализированной ткани, начинает интен­сивно делиться, образуя клон потенциально злокачественных или уже малигнизированных клеток. Так, например, гепатоцеллюлярная карцинома содержит много альфа-фетопротеина, белка, образуемого эмбриональными гепатоцитами. Экспрессия генома злокачественной клетки может давать протеины, которых нет в здоровой специализированной ткани того же про­исхождения.

Злокачественная клетка в повышенном количестве образует и высво­бождает цитокины, представляющие собой факторы клеточного роста и злокачественного перерождения клеток. При этом малигнизированная клетка теряет свою нормальную реакцию на действие других цитокинов и митоге- нов. Метастазирующие злокачественные клетки интенсивно высвобожда­ют протеазы.

Малигнизированная клетка во многом теряет способность к адгезии при взаимодействии с другими клетками. Трансмембранный потенциал злока­чественной клетки меняется таким образом, что происходит ее отталкива­ние от других клеток. В злокачественной клетке падает содержание калия и кальция. Некоторые из малигнизированных клеток приобретают способ­ность к эктопической секреции гормонов, а другие секретируют гормоны, высвобождаемые их клетками-предшественницами на пути малигнизации.

К первым можно отнести клетки некоторых злокачественных опухолей лег­ких, секретирующие гормон околощитовидных желез, а ко вторым клетки инсулиномы, злокачественной опухоли поджелудочной железы, секретиру- ющей инсулин.

Малигнизированная клетка лишена многих из тех ее элементов, кото­рые определяют ее специфичность как структурно-функциональной едини­цы органа. Малигнизация миоцитов ведет к потере мышечными клетками актиновых нитей. Злокачественная клетка, происходящая из энтероцитов, теряет микроворсинки. У межклеточных соединений между злокачествен­ными клетками, десмосомами, нет органоспецифичности. Это относится и к промежуточным нитям. Кроме того, патологические изменения происхо­дят и в некоторых внутриклеточных органеллах. В частности развивается отек митохондрий и митохондриальной матрицы.

Обмен злокачественной клетки отличается от метаболизма доброкаче­ственной. Сдвиги обмена злокачественной клетки ведут к устранению осо­бенностей ее метаболизма, определяющих специфику клетки как диффе­ренцированного клеточного тканевого элемента. Это явление получило название биохимической конвергенции. Метаболизм злокачественной клет­ки ориентирован преимущественно на обеспечение частого деления малиг- низированных клеток.

Патологические изменения генома злокачественной клетки проявляют себя гиперхромазией клеточного ядра, то есть более интенсивной, чем у доброкачественных клеток, его окраской. При этом часто выявляют марги- нацию ядра (смещение хроматина на периферию ядра клетки).

Клетки злокачественных опухолей содержат на своей поверхности ан­тигены, которых нет на плазматической мембране их нормальных клеток- предшественниц. Один из таких антигенов присутствует на клетках разно­образных по происхождению злокачественных опухолей (неспецифический опухолевый антиген, НОА). Лимфоциты с функциями естественных килле­ров могут распознавать НОА и, связываясь с ним на наружной поверхности злокачественных клеток, вызывают цитолиз малигнизированных клеток без предварительной иммунизации данным антигеном. Кроме того, наружная клеточная мембрана злокачественных клеток может содержать специфич­ные для данного вида опухоли антигены, которых нет на нормальных клет­ках той же ткани (опухоль-специфичные траснплантационные антигены, ОСТА). После иммунизации экспериментальных животных нежизнеспособ­ными злокачественными клетками, несущими ОСТА, их организм приоб­ретает способность противостоять приживлению и размножению введен­ных извне живых злокачественных клеток с аналогичными специфичными антигенами на плазматической мембране. ОСТА не участвуют в озлокаче- ствлении клетки и представляют собой лишь маркеры ее малигнизации.

В соответствии с иммунопатологической теорией возникновения злока­чественных опухолей, по ходу онтогенеза неоднократно происходит малиг­низация клеток разных тканей. Это не приводит к появлению злокачествен­ных новообразований, так как озлокачествленные клетки уничтожаются с преимущественным участием того или иного звена системы иммунитета.

Схема 14.1. Патогенез выхода злокачественной клетки из-под иммунного надзора

Иммунодефицит различного генеза может способствовать превращению первичного клона злокачественных клеток в злокачественную опухоль (схе­ма 14.1). О роли иммунопатологических сдвигов в развитии опухолей сви­детельствуют: а) лимфоцитарная инфильтрация злокачественных опухолей;

б) частые малигнизация В-лимфоцитов (лимфома) и саркома Калоши у боль­ных с синдромом приобретенного иммунодефицита; в) высокая частота зло­качественных новообразований, которая у больных с различными видами иммунодефицита в 200 раз выше, чем у людей без каких-либо иммунопато­логических сдвигов.

Один из механизмов выхода злокачественной клетки из-под иммунного надзора - это прекращение экспрессии на их поверхности антигенов из си­стемы антигенов лейкоцитов человека (НЬА), экспрессия которых на на­ружной клеточной мембране необходима для распознавания лимфоцитами клеток-мишеней, подлежащих уничтожению иммунной системой.

В частности, содержание антигенов НЬА на клеточной поверхности сни­жается под воздействием на клетку онкогенных аденовирусов. Поверхность злокачественных клеток, составляющих нейробластому, почти лишена ан­тигенов системы НЬА.

КАНЦЕРОГЕНЕЗ КАК КОМПЛЕКСНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ГЕНОТИПА КЛЕТКИ

Канцеризация (канцерогенез, озлокачествление, малигнизация) - ряд изменений генотипа и фенотипа клетки, которые окончательно придают ей свойства злокачественной (малигнизированной). При этом признаком окон­чательного злокачественного перерождения является приобретение свой­ства метастазирования. Канцеризация складывается не только из генотипи­

ческих изменений, которые через трансляцию изменяют клеточный фено­тип. Известно, что изменения генетического материала в виде амплифика­ции генов, транслокации хромосом и утраты хромосомами своих частей (де- леции), которые in vitro часто вызывают озлокачествление клетки, in vivo не всегда приводят к малигнизации.

В настоящее время общепринятая схема механизма канцеризации вклю­чает ряд вполне определенных этапов. Инициирующим моментом канцери­зации признают действие на клетку ряда генотоксических канцерогенов (хи­мические соединения, токсины, ионизирующее излучение и др.), которые придают геному клетки свойство определять предрасположенность к пато­генной реакции малигнизации на действие внешних и внутренних факто­ров или сразу вызывают озлокачествление клетки. Канцерогенез начинают нарушения генетического материала клетки (альтерации генома) в виде ак­тивации прото-онкогенов (доминирующие альтерации) и (или) инактива­ция генов белков супрессоров опухолевого роста, эффект которых на эксп­рессию генома клетки противодействует канцерогенезу (гены-супрессоры клеточного роста). Изменение генома клетки, обуславливающее канцеро­генез, составляют сниженная экспрессия генов белков, подавляющих кле­точную пролиферацию и злокачественный клеточный рост (гены-супрессо­ры опухолей), и усиленная экспрессия генов, продукты которых, воздействуя на геном, усиливают клеточную пролиферацию (прото-онкогены).

Канцерогенез клетки - это во многом многоступенчатый процесс на­копления изменений генома как причины изменения фенотипа клетки экви­валентного окончательной малигнизации. Полагают, что обычно для окон­чательной малигнизации клетки требуется около десяти мутаций генов различной локализации.

Результаты экспериментов, в основном проведенных во второй полови­не XX века, позволили предположить, что изменения фенотипа клетки, ха­рактеризующие ее озлокачествление, представляют собой прямое следствие изменений или повреждений клеточного генома (генетическая теория кан­церогенеза). Альтернативой генетической теории канцерогенеза выступает эпигенетическая теория злокачественной трансформации клетки. Эпиге­нетическая теория связывает канцерогенез с нарушениями регуляции кле­точного роста, функций клетки и экспрессии генов, составляющих ее ге­ном, без изменений и повреждений самого генетического материала.

Свидетельством в пользу генетической теории рака является выявление у веществ и воздействий на клетку (ионизирующие излучения и др.), кото­рые способны повреждать ДНК и менять ее структуру (мутагены), свойств канцерогенов. Установлено, что предшественники злокачественных клеток на пути озлокачествления претерпевают ряд повреждений и изменений ге­нетического материала, приводящих к образованию мутантных генов. Экс­прессия мутантных генов дает фенотип клетки, определяющий ее озлока­чествление. Эти генетические изменения происходят в клетках органов, где первично возникают злокачественные опухоли и получили название сома­тических мутаций. Тем самым подчеркивается их отличие от мутаций ге­нетического материала в гаметах, которые передаются по наследству.

В начале шестидесятых годов экспериментальным путем было показа­но, что включение генов ДНК-содержащих и других вирусов (вирусных он­когенов) в состав генома инфицированной клетки приводило к изменениям клеточного фенотипа эквивалентным клеточной малигнизации. Длительное присутствие вирусных онкогенов в составе генома злокачественной клетки было необходимым условием сохранения ее злокачественности. После вы­ведения вирусных онкогенов из генетического материала клетки малигни- зация нередко подвергалась обратному развитию.

Вирусные онкогены, которые содержал геном клеток, малигнизирован- ных ретровирусами, были относительно небольшими по размерам и про­стыми по строению. Это позволило предположительно считать, что мута­ция небольшого числа генов из состава генома клетки может обусловить множество изменений ее фенотипа, приводящих к озлокачествлению. В шестидестях-семидесятых годах было впервые высказано предположение, что изменения генетического материала в небольшом числе генов как при­чина канцерогенеза в первую очередь нарушают реакцию клетки на сис­темные и местные интегрирующие регуляторные воздействия, в том чис­ле и в виде эффектов факторов клеточного роста. Гены, мутации которых могут быть одним из этапов озлокачествления, назвали онкогенами. Иден­тификация онкогенов связана с изучением трансформирующих ретровиру­сов (ТРВ). ТРВ - это РНК-содержащие вирусы, которые интегрируются в геном инфицированной клетки и включают ее генетический материал в свой собственный геном. Иногда это приводит к мутациям генов инфицирован­ной клетки, которые вирус включает в свой геном. Результатом такой мута­ции может быть образование онкогена, то есть гена, экспрессия которого служит одной из причин озлокачествления клетки.

Разработка технологии клонирования генов в начале восьмидесятых годов позволила выявить онкогены, играющие роль при озлокачествлении клеток разной локализации. Один из наиболее хорошо изученных онкогенов ШЛГ24 играет роль в озлокачествлении клеток мочевого пузыря (карцинома мочево­го пузыря человека). Это относительно небольшой по размерам онкоген вклю­чает только 6000 пар спаренных оснований ДНК, тогда когда геном клетки содержит 6 миллиардов таких пар. Тем не менее, онкоген качественно меняет фенотип клетки, вызывая изменения ее размера, секреции клеткой факторов роста, нарушение связей клетки с близлежащими клетками, а также ряд дру­гих изменений фенотипа, включающих приобретение способности образо­вывать злокачественную опухоль и метастазировать.

Онкоген карциномы мочевого пузыря, выявленный с помощью исполь­зования технологии клонирования генов, происходил из нормального кле­точного гена, строение которого была почти идентично структуре Е.1/Т24. Такой нормальный ген, мутация которого приводит к образованию онкоге­на, называют прото-онкогеном. Прото-онкоген - это нормальный ген, ко­торый приобретает свойства онкогена в результате изменения нуклео­тидной последовательности ДНК.

Прото-онкогены содержит геном многих клеток многих организмов. Это позволяет считать их играющими важную роль в функционировании клеток и всего организма. Поэтому прото-онкогены остались незатронуты­ми мутациями в течение всего длительного пути эволюции. Вовлечение прото-онкогенов в канцерогенез после их трансформации в онкогены про­исходит только в результате относительно редких повреждений генетичес­кого материала клетки. В результате этих повреждений нарушаются функ­ции прото-онкогенов, что расстраивает систему регуляции клеточного роста.

Для многих прото-онкогенов, мутация которых в составе генома транс­формирующего ретровируса была причиной малигнизации клеток инфици­рованной клеточной культуры, была установлена способность превращать­ся in vivo в онкогены в результате мутаций, не связанных с действием вирусов. Так Ha-ras-онкоген (англ. rat’s sarcoma-саркома крыс), превраще­ние которого в онкоген из протоонкогена было связано с эффектом на геном клеток ретровируса саркомы крыс, по строению своему был почти иденти­чен EJ/T24. Оказалось, что прото-онкоген аЫ (англ. mouse Abelson leukemia - лейкемия мышей Абельсона), впервые идентифицированный как протоон­коген при исследовании культуры клеток, инфицированной ретровирусом, вызывающим у мышей лейкемию, участвовал в канцерогенезе при миело- генных лейкемиях у людей, не инфицированных ретровирусом. Прото-он­коген туе (англ. avian myelocytomatosis - миеломатоз птиц), который транс­формировался в онкоген после включения в геном соответствующего ретровируса, был причастен к этиологии многих хронических лейкемий, возникавших без инфицирования больных ретровирусами (табл. 14.1). Транс­формацию прото-онкогенов в онкогены обуславливают различные сомати­ческие мутации. Мутация, вызывающая рак мочевого пузыря, - это точеч­ная мутация (генная или точечная мутация - это результат изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосомы, гене), которая касается только одной пары спаренных основа­ний двойной спирали ДНК.

Озлокачествление клетки начинается с изменения структуры ДНК под влиянием способной вызывать изменения нуклеотидной последовательно­сти ДНК формы канцерогена (реактивной формы канцерогена) или свобод­ных кислородных радикалов при их усиленном образовании в клетке. Из­менение структуры ДНК служит причиной мутации определенных генов (прото-онкогенов) и генов-супрессоров опухолей. Экспрессия измененного генома клетки, содержащего онкогены и инактивированные гены-супрессо- ры опухолей, патологически меняет клеточный фенотип. В результате клет­ка приобретает свойства, характеризующие ее как злокачественную.

Когда у определенного химического вещества выявляют свойство всту­пать в реакцию с ДНК, меняя ее структуру и вызывая мутации генов как причину озлокачествления различных клеток, то его относят к ДНК-реак- тивным или генотоксическим канцерогенам. Большинство из канцероге­нов, чье действие вызывает малигнизацию клеток организма человека, - это генотоксические канцерогены.

Действие некоторых из гормонов (диэтилстильбэстрол, эстрадиол и др.) ведет к образованию в организме веществ со свойствами генотоксических канцерогенов.

	Ретровирус,	Злокачественная	Локализация
Онко­	трансформирую*	опухоль, в развитии	белка продукта	Функция
ген	щий прото-онко-	которой играет роль	экспрессии	белка
	ген в онкоген	данный онкоген	онкогена
аЫ	Вирус лейкемии	Миелогенные лей­	Плазматическая	Рецептор ти-
	мышей Абель-	кемии	мембрана клеток	розинкиназы
	со на		крови миелоид- ного ряда
егЬ-В	Вирус эритро-	Карцинома молочной	Плазматическая	Рецептор ти-
	бластоза птиц	железы, глиобластома	мембрана	розинкиназы
егЬ-В-2		Рак яичников, молоч­	Наружная клеточ­	Рецептор ти-
НШ-2/пеи		ной железы и желудка	ная мембрана	розинкиназы
На-га$	Вирус саркомы	Множество злокачест­	Цитоплазматичес­	Связывание и
	мышей Г а рве я	венных опухолей	кие мембраны	гидролиз гуано- зинтрифосфата
Кьга$	Вирус саркомы	Множество злокачест­	Цитоплазматичес­	Связывание и
	мышей Кирстена	венных опухолей	кие мембраны	гидролиз гуано- зинтрифосфата
N-«18		Множество злокачест­	Цитоплазматичес­	Связывание и
		венных опухолей	кие мембраны	гидролиз гуано- зинтрифосфата
туе	Вирус миелома- тоза птиц	Лимфома		Транскрипци­онный фактор
1Ч-тус		Нейробластома	Ядро клетки	Транскрипци­онный фактор (предположи­тельно)

Таблица 14.1

Некоторые клеточные онкогены, играющие роль в этиологии злокачественного клеточного роста у человека

При обмене веществ в нормальной клетке высвобождаются свободные кислородные радикалы. В клетке есть эндогенные системы инактивации и выведения из нее свободных кислородных радикалов, главными молеку­лярными эффекторами которых часто являются ферменты (супероксид цис- мутаза, глютатионпероксидаза и др.). Несмотря на действие эндогенных защитных систем свободные кислородные радикалы могут изменять струк­туру ДНК через образование нуклеотидов, содержащих 8-гидроксидеокси- гуанин. Особенно велика вероятность таких изменений структуры ДНК в присутствии ряда канцерогенов химической природы. Работа механизмов «ремонта» ДНК, которая складывается из экспрессии соответствующих ге­нов и действия белка эффектора функции, может восстановить структуру ДНК, устранив из ее состава 8-гидроксидеоксигуанин.

Вещества способные вступать в реакции метилирования и этилирова- ния с ДНК также могут быть ДНК-реактивными канцерогенами. Под мети­лированием в молекулярной биологии понимают присоединение метило­вой группы к цитозиновому остатку как элементу двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты. В результате метилирования гены, со­

ставляющие двойную спираль ДНК, становятся неактивными. Метилиро­вание может быть нормальным процессом регуляции экспрессии элемен­тов генома. В частности, метилирование служит механизмом клеточной диф­ференциации В-лимфоцитов. Метилирование может закрепляться в генетическом материале гамет и определять фенотипические признаки, пе­редаваемые по наследству при мейозе (импринтинг, англ. imprinting-штам­пование, закрепление информации). Нередко метилирование подвергается обратному развитию (деметилирование), что меняет экспрессию генома и функции клетки, в некоторых случаях приводя их в соответствие с биологи­ческой целесообразностью.

Если действие генотоксического канцерогена приводит к метилирова­нию гена-супрессора опухоли, которое инактивирует этот ген, то такое из­менение генома клетки и связанная с ним модификация фенотипа может служить одним из этапов канцерогенеза.

Канцерогены, способные вызывать метилирование или этилирование ДНК ведут к появлению в ее составе 0⁶-ал кил гуанинов. В клетках суще­ствует система восстановления структуры ДНК, измененной через метили­рование или этилирование. В результате ее действия, связанного с активно­стью фермента метилтрансферазы, каждый моль 0⁶ метиловой группы трансформируется в один моль сульфгидрильного остатка. Исследование данной эндогенной системы восстановления структуры ДНК привело к иден­тификации многих канцерогенов.

Чаще всего одним из этапов канцерогенеза при возникновении разных злокачественных опухолей человека является инактивация гена-супрессора опухолей, экспрессия которого дает фосфопротеин р53. Ген р53 локализо­ван на коротком плече семнадцатой хромосомы. Функция данного фосфоп- ротеина состоит в торможении клеточного роста и блокаде злокачествен­ной трансформации клетки. Продукт гена р53 блокирует малигнизацию, задерживая пролиферацию клетки с измененной нормальной нуклеотидной последовательностью ДНК, что дает системам восстановления нормальной структуры ДНК достаточное время для достижения своего конечного по­лезного присособительного результата. Для этого р53 активирует транскрип­цию генов, кодирующих белки, которые подавляют пролиферацию клетки. Инактивация гена р53 или предрасполагает к канцерогенезу через неогра­ниченную пролиферацию или служит одной из причин озлокачествления клетки в случае потери фосфопротеином вследствие мутации гена свойства блокировать канцерогенез. Синтез и содержание р53 снижены в клетках большинства злокачественных опухолей легких, при колоректальном раке (у 50 % больных) и раке мочевого пузыря. Инактивация гена р53 чаще всего представляет собой последний этап изменения генетического материала клетки на пути ее озлокачествления.

При канцерогенезе, ведущем к образованию многих злокачественных опухолей человека, сначала происходит делеция (потеря, удаление) одного из аллелей гена р53. Оставшийся аллель (альтернативная форма гена) пре­терпевает мутацию. Если делеции одного из аллелей нет, то для инактива­ции гена-супрессора клеточного роста необходимы мутации двух аллелей.

Обусловленная мутацией замена лишь одной аминокислоты в составе р53 может инактивировать его как протеин, подавляющий пролиферацию кле­ток и тем самым препятствующий малигнизации. Об инактивации соответ­ствующего гена-супрессора опухолей свидетельствует возросшая способ­ность р53 связываться с белком теплового шока Ьвр70. Мутации гена р53, играющие роль в канцерогенезе, неоднородны по механизму возникнове­ния. В частности инактивировать ген могут транзиция^I и изменение струк­туры одной пары спаренных азотистых оснований ДНК. Это указывает на полиэтиологичность мутации гена-супрессора опухолей р53 как одного из этапов канцерогенеза.

Если онкогенная мутация закрепляется в геноме всего организма и по­падает в генетический материал гамет, то потомство наследует высокую предрасположенность к политопным злокачественным опухолям, то есть одну или две инактивированные аллели прото-онкогена.

Синдром Ли-Фраумени - это наследуемое по аутосомально-доминант- ному типу состояние высокой предрасположенности к злокачественному клеточному росту различной локализации (опухоли надпочечников, мо­лочной железы, гортани, легких, мозга, лейкозы и лимфомы), при котором вероятность озлокачествления клеток велика на любом этапе онтогенеза. Фибробласты кожи больных с синдромом Ли-Фраумени высокорезистен­тны к ионизирующей радиации (характерная особенность клеток, всту­пивших на путь канцерогенеза) и содержат в 3-8 раз больше нормального продукта экспрессии прото-онкогена с-тус. Кроме того, в них активиро­ван прото-онкоген с-га/. Предрасположенность к канцерогенезу при синд­роме Ли-Фраумени представляет собой результат двух мутаций двух алле­лей гена р53. Один аллель мутирует в ряду предшествующих поколений предков больного, а второй - по ходу онтогенеза. Аналогично происходит и двухэтапное изменение генетического материала клеток, предраспола­гающее к возникновению ретинобластомы. Данный механизм наследова­ния и приобретения предрасположенности к раку и индукции канцероге­неза получил название «двух последовательных ударов по генетическому материалу клетки».

Прото-онкогены - это элементы генома клетки, которые кодируют бел­ки (прото-онкопротеины), необходимые для нормального функционирова­ния систем регуляции клеточного роста. Обычно эти гены кодируют белки, играющие важную роль в регуляции экспрессии генов или в передаче сиг­нала геному от цитокинов со свойствами факторов клеточного роста. Мута­ция прото-онкогенов ведет к их активации, то есть к приобретению продук­тами их экспрессии свойств онкопротеинов, белков, чье действие на клетку может привести к малигнизации клетки. В настоящее время известно более чем 50 прото-онкогенов (табл. 14.1).

Онкогены составляют разнородную группу «раковых генов», которые, возникая в результате мутаций прото-онкогенов, обладают способностью вызывать злокачественное перерождение клетки. Одна из частых причин мутаций прото-онкогенов - это нарушение нормального функционирова­ния фермента ДНК-полимеразы. Онкогены могут происходить из генома содержащих рибонуклеиновую кислоту вирусов или быть элементом гено­ма нормальной немалигнизированной клетки (прото-онкогены).

Кроме точечных мутаций, механизмом активации прото-онкогенов мо­гут быть цитогенетические аномалии: транслокация, амплификация генов, а также потеря хромосомами своих частей (делеция).

Транслокация - это перемещение сегмента одной хромосомы в другую. Филадельфийская хромосома - это небольшая акроцентрическая хромосо­ма, которая представляет собой остаток двадцать второй хромосомы после транслокации дистальной части ее длинного плеча в длинное плечо девя­той. Чаще всего транслокация приводит к образованию филадельфийской хромосомы в полипотентной стволовой клетке и сохраняется в клетках ми- елоидной, эритроидной, мегакариоцитарной и лимфоидных линий клеточ­ной дифференциации. Транслокацию с образованием филадельфийской хромосомы как причину возникновения онкогена и канцерогенеза выявля­ют у 95 % хронической миелоидной лейкемией и у 5-20 % пациентов с острой лимфоцитарной лейкемией. В результате транслокации ген c-abl из состава двадцать второй хромосомы становится в положение юкстапози- ции с геном Ьсг девятой, функция которого еще полностью не ясна. Это ведет к образованию нового гибридного гена, экспрессия которого завер­шается образованием онкопротеина P210*^cr/eW. Онкопротеины, представля­ющие собой продукт экспрессии онкогена, образовавшегося при возникно­вении из двух генов гена-гибрида (слияние генов) называют слившимися или спаянными белками (от англ. fusion proteins, что можно перевести как «бел­ки, образовавшиеся в результате слияния»).

Действие онкопротеинов, приводящее к малигнизации клетки, всегда можно свести к изменениям или индукции конкретных биохимических ре­акций. Так онкопротеин Р210^WaW предположительно обладает активностью тирозинкиназы, которая не зависит от функционирования эндогенной сис­темы регуляции активности данного энзима. Такой же активностью облада­ет прото-онкопротеин (продукт экспрессии онкогена src). Тирозинкиназа осуществляет фосфорилирование остатка тирозина в составе белковых мо­лекул. Тирозинкиназа фосфорилирует белки, находясь в составе тирозинки- назного рецептора наружной клеточной мембраны. Через фосфорилирова­ние осуществляется передача сигнала к интенсификации пролиферации клеток на уровне взаимодействия ФР со своими рецепторами на поверхности клеток (эпидермальный и тромбоцитарный факторы клеточного роста и др.).

Амплификация генов (лат. Amplificatio -распространение, увеличение) - это возникновение в ядре клетки одного или нескольких дубликатов целой хромосомы, ее частей или отдельных фрагментов генетического матери­ала. В ходе амплификации прото-онкогены становятся онкогенами как в результате мутаций и слияний генов, так и вследствие повышенного син­теза клеткой продуктов копий амплифицированных прото-онкогенов, сти­мулирующих клеточный рост. Морфологически амплификация генов про­являет себя появлением в ядре хроматиновых телец, не связанных с хромо­сомами, или изменением генетического материала, которое характеризует возникновение гомогенно окрашиваемых участков хромосом. Так, канце­рогенез при нейробластоме отчасти представляет собой результат ампли­фикации прото-онкогена N-туе.

Делеция, то есть потеря хромосомами части входящего в их состав генетического материала, служит причиной канцерогенеза, когда эта часть содержит ген-супрессор опухолей. Потеря одного плеча первой хро­мосомы служит одним из этапов многоступенчатого изменения генетичес­кого материала клетки, составляющего канцерогенез при образовании твер­дых злокачественных опухолей.

Высокая частота деления клеток предрасполагает к канцерогенезу, так как снижает время, «отпущенное» для воссстановления нормальной нукле­отидной последовательности ДНК. Растущий организм более предрасполо­жен к индукции малигнизации эффектом канцерогенов. Воздействие ради­ации при атомной бомбардировке Хиросимы привело к возникновению рака молочной железы по ходу онтогенеза в четыре раза чаще у тех женщин, которым в момент взрыва было 10-15 лет (период онтогенеза, в который наиболее интенсивна пролиферация клеток молочной железы).

ДНК-реактивные канцерогены вступают в прямые или опосредованные реакции не только с ДНК, но и с другими протеинами организма. Это ведет к появлению аномальных белков, специфических для того или иного варианта канцерогенеза (маркеры злокачественных клеточного роста и опухолей).

Одного изменения генетического материала, включающего все этапы канцерогенеза на уровне генома одной клетки, которое вызывают действие химических канцерогенов, свободных кислородных радикалов, онкогенных вирусов и эффект ионизирующих излучений, еще недостаточно для возник­новения из одной малигнизированной или ряда озлокачествленных клеток раковой опухоли.

Процесс возникновения выявляемых при обследовании больного клона (гр. klon — ветвь, побег, отпрыск) злокачественных клеток или раковых опу­холей из одной малигнизированной или группы озлокачествленных клеток называют промоцией (англ. promotion, содействие). Экзогенное вещество или эндогенный агент эндокринной, пара- или аутокринной регуляции, чье действие на клетки обуславливает промоцию, называют промотором. Про­мотор не может вызвать рак без предшествующего многоэтапного и ком­плексного изменения генетического материала клетки.

Воздействуя на малигнизированные клетки, промоторы ускоряют их клональную экспансию как причину возникновения злокачественных опу­холей. Многие из промоторов вызывают промоцию через увеличение ак­тивности фермента протеинкиназы С и снижение в клетке активности энзи­мов, относящихся к классу белковых фосфатаз. Во многом действие промоторов сводится к нарушению межклеточных соединений в области зазоров между клетками и функциональных связей между ними. Действие

Таблица 14.2

Классификация химических соединений со свойствами канцерогенов

Вид канцерогена

Пример

Механизм действия

А. Генотоксические

1. Не требующие акти­вации

2. Становящиеся кан­церогенами после акти­вации (проканцерогены)

3. Неорганические кан­церогены, не требую­щие активации

Б. Эпигенетические

4. Твердые канцеро­гены

5. Гормоны

6. Иммунодепрессанты

7. Вещества, усиливаю­щие образование сво­бодных кислородных радикалов (СКР)

8. Цитотоксические вещества

9. Вещества, предрас­полагающие к геноток­сическому действию ДНК-реактивных канце­рогенов

Прямая реакция электрофильных органических соединений с ДНК Вступает в реакцию с ДНК после трансформации на путях метабо­лизма

Избирательные нарушения репли­кации ДНК и систем восстановле­ния ее нормальной структуры после мутации

Обычно оказывают действие на мезенхимальные клетки и ткани; механизм канцерогенного дей­ствия неизвестен Системная эндокринопатия как причина неконтролируемой кле­точной пролиферации Ускоряют выход малигнизирован­ных клеток из-под контроля сис­темы иммунитета Рост содержания в клетке свобод­ных кислородных радикалов, пре­обладающий над способностью клетки инактивировать и элимини­ровать СКР

Цитолиз как причина воспаления, усиления пролиферации и роста содержания СКР в клетке и интер- стиции

Усиление клеточной пролифера­ции, которое уменьшает время, необходимое для эффективной работы систем восстановления структуры ДНК

Бис(хлорметил) эф ир

Винилхлорид,

бензопирен

Никель,

хром

Полимеры, использу­емые для изготовления современных упаковоч­ных материалов, фольга Эстрадиол, диэтил стильбэстрол

Циклоспорин А, анти- лимфоцитарная сыво­ротка

Клофибрат,

диэтилгексилфгалат

Нитрилотриацетат,

четыреххлористый

углерод

Фенолы,

желчные кислоты

промотора как причина промоции должно быть достаточно интенсивным, непрерывным и длительным. В противном и крайне желательном случае злокачественная опухоль подвергается обратному развитию.

У мышей, инфицированных вирусом, вызывающим рак молочной желе­зы, действие эстрогенов ведет к возникновению раковых опухолей. При этом образование опухоли находится в прямой связи с дозой эстрогенов, а также частотой и длительностью их парентерального введения. Если мышей не инфицировать вирусом, то эстрогены, вводимые в той же дозе, таким же образом и столь же длительно, рака не вызывают. В данном случае эстроге­ны выступают в роли промоторов.

Промоторы могут обладать тканевой специфичностью. Так желчные кислоты - это промоторы рака толстой кишки, а сахарин натрия может обус­лавливать промоцию при раке мочевого пузыря.

Канцерогены - это химические вещества или воздействия на клетки как экзогенного, так и эндогенного происхождения, обуславливающие из­менения генетического материала клетки при канцерогенезе или промо­цию (табл. 14.2).

Генотоксические или ДНК-реактивные канцерогены - это мутагены, которые обладают свойством менять нуклеотидную последовательность ДНК, активируя прото-онкогены или инактивируя гены-супрессоры опухо­лей. Канцерогены, чье действие не затрагивает генетический материал клет­ки, и которые выступают исключительно в роли промоторов, называют эпи­генетическими канцерогенами. Эпигенетические канцерогены вызывают злокачественные новообразования и клоны малигнизированных клеток че­рез свои цитотоксические эффекты, хроническое травмирование тканей, при эндокринопатиях, приводя к иммунодефициту и другим системным сдви­гам во взаимосодействии функциональных систем, направленном на под­держание гомеостазиса.

КАНЦЕРОГЕНЕЗ И ФАКТОРЫ КЛЕТОЧНОГО РОСТА

Необходимым условием нормального клеточного роста является не толь­ко достаточное поступление в клетку нутриентов, витаминов и микроэлемен­тов. Для нормального роста клеток необходима достаточная концентрация в среде их обитания факторов клеточного роста и его ингибиторов. Наиболее изученными из общих для многих видов млекопитающих пептидных факто­ров роста являются инсулин, трансферрин и эпидермальный фактор роста. Злокачественные клетки способны к неограниченному делению при крайне малом содержании в среде их обитания факторов роста (ФР), которые содер­жат сыворотка крови и вся внеклеточная жидкость человека. Независимость роста злокачественных клеток от ФР сыворотки человека связана с измене­ниями обмена веществ, которые представляют собой результат изменения фенотипа клетки на пути малигнизации. Клетка как бы постоянно находится в состоянии вследствие воздействия на нее факторов роста. Это состояние персистирует и без взаимодействия факторов роста со своими рецепторами. В результате клеточный рост злокачественной клетки уже не зависит от вли­яния на нее факторов клеточного роста.

Геном злокачественной клетки и синтез белков в ней часто меняется таким образом, что на пострецепторном уровне постоянно через эксп­рессию онкогенов в виде онкопротеинов воспроизводится сигнал к усиле­нию клеточной пролиферации от факторов роста во внеклеточном про­странстве без взаимодействия ФР со своими рецепторами на наружной поверхности клеток.

Мутация некоторых прото-онкогенов из семейства ras, которая служит одной из причин возникновения рака легких, прямой кишки и поджелудоч­ной железы, ведет к озлокачествлению клетки именно таким путем. Ras- прото-онкогены кодируют внутриклеточные белки, связанные с цитоплаз­матическими мембранами. Эти белки могут связывать гуанозинтрифосфат и обладают свойствами энзимов, вызывающих гидролиз гуанозинтрифос- фата (ГТФ) в молекулярном комплексе ras-прото-онкопротеин- гуанозинтрифосфат. Связывание продуктами экспрессии прото-онкогенов из семейства ras гуанозинтрифосфата представляет собой один из этапов передачи сигнала к усилению пролиферации клетки, который на уровне плазматической мембраны передает взаимодействие лиганды в виде факто­ра роста с рецептором наружной клеточной поверхности. Взаимодействие фактора роста, находящегося во внеклеточном пространстве, с трансмемб­ранным рецепторным белком на поверхности клетки ведет к обратимому связыванию гау-прото-онкопротеином гуанозинтрифосфата, что служит следующим этапом передачи сигнала к усилению пролиферации клетки, пришедшего из внеклеточного пространства. В дальнейшем через гидроли­тическую активность ras-прото-онкопротеина ГТФ в составе молекулярно­го комплекса ras-прото-онкопротеин-ГТФ превращается в гуанозиндифос- фат, и передача сигнала прекращается. Онкогенная мутация гау-прото-он- когена меняет его экспрессию таким образом, что ras-прото-онкопротеин претерпевает конформационные изменения, становясь онкопротеином. Этот онкопротеин почти не обладает гидролитической активностью, что обус­лавливает необратимый характер его связывания с ГТФ. В результате нару­шений передачи информации на пострецепторном уровне геном клетки по­лучает постоянный интенсивный сигнал к пролиферации без какого-либо взаимодействия внеклеточного фактора роста с рецептором наружной кле­точной поверхности.

Независимость деления клеток злокачественных опухолей от влияния факторов роста, находящихся во внеклеточном пространстве, лишает ма- лигнизированную клетку свойств элемента целостных ткани или органа. Дело в том, что межклеточные взаимодействия, интегрирующие клетки для реализации нормальной работы тканей и органов как эффекторов функций, во многом осуществляются через регуляторные влияния факторов клеточ­ного роста. Злокачественный клеточный рост представляет собой типо­вой патологический процесс дезинтеграции ткани на автономные клеточ­ные элементы, утратившие качества структурно-функциональных единиц ткани, органа и всего организма.

Экспрессия онкогенов может приводить к такой автономии злокачествен­ных клеток посредством действия четырех основных механизмов.

Первый из них состоит в секреции малигнизированной клеткой митоге- нов, которые в качестве агентов аутокринной регуляции стимулируют про­лиферацию самой высвобождающей их злокачественной клетки.

Продукты онкогенов могут усиливать аутокринную стимуляцию проли­ферации злокачественных клеток, резко повышая уровень экспрессии нор­мальных генов, кодирующих факторы клеточного роста. Транскрипция и трансляция активированных прото-онкогенов ведет к неконтролируемой экспрессии нормальных генов, приобретающих таким образом качество онкогенов. Среди факторов клеточного роста (ФР), осуществляющих ауток- ринную стимуляцию клеток злокачественных опухолей, наиболее изучены альфа-фактор роста опухолей, тромбоцитарный ФР и бета-фактор роста опухолей.

Второй механизм независимости роста злокачественной клетки от ФР сыворотки крови - это изменение содержания рецепторов к ФР (ФР-ре­цепторов) на единице площади поверхности злокачественных клеток или изменение структуры ФР-рецепторов. Это обуславливает или повышен­ную чувствительность клетки к действию на нее митогенов, находящихся вне клетки, или постоянное возбуждение рецепторов без взаимодействия с лигандами в виде ФР.

Поверхность клеток агрессивно растущей и метастазирующей опухоли молочной железы почти полностью покрыта ФР-рецепторами, белковый элемент которых представляет собой продукт прото-онкогена HER-2/яеи. Наружная мембрана клеток эпидермоидной карциномы (клеточная линия А-431) содержит аномально много рецепторов к эпидермальному фактору роста, белковый элемент которых лишен своей определенной части. Эта аберрация рецептора приводит к тому, что для последующих элементов, передающих сигнал к клеточному росту до генома, он предстает как бы в постоянно активированном состоянии.

В культуре доброкачественных клеток некоторых видов эксперименталь­ных животных (грызуны и др.) размножение большинства клеток ограниче­но во времени, то есть в определенном поколении одной клеточной линии митоз прекращается. В части же клеток продолжают чередоваться фазы митоза. Эта часть клеток как бы становится бессмертной. В клеточной куль­туре нормальных тканей человека через некоторое время прекращается де­ление всех клеток. У культуры злокачественных опухолевых клеток челове­ка потенциал клеточного роста практически неисчерпаем, то есть клетки всех линий являются бессмертными.

Приобретение клеткой в культуре клеток тканей человека бессмертия еще не эквивалентно ее малигнизации. Так экспрессия генов из состава ге­нома некоторых онкогенных вирусов, инфициирующих клетки, ведет к их бессмертию без других изменений фенотипа, характеризующих завершен­ный канцерогенез.

Третий механизм автономии клетки относительно содержания фак­торов роста в среде ее обитания связан с элементами системы передачи сигнала к клеточному росту на цитоплазматическом пострецепторном уровне. Кроме экспрессии онкогенов из семейства ras (см. выше в данном разделе), постоянную генерацию сигнала к клеточному росту на постре­цепторном уровне без взаимодействия ФР с ФР-рецепторами обуславлива­ют продукты онкогенов типа scr.

Четвертый механизм приобретения пролиферации злокачественной клет­ки независимости от влияний факторов клеточного роста состоит в эксп­рессии онкогенами в качестве онкопротеинов транскрипционных факторов.

Транскрипционные факторы (ТФ) - это функционирующие в пределах ядра клетки протеины (ядерные белки), которые обладают способностью связываться с ДНК в регуляторных элементах генов. Один транскрипцион­ный фактор может регулировать транскрипцию или экспрессию многих ге­нов, взаимодействуя с энзимом РНК-полимеразой. Поэтому мутация одно­го гена ТФ через изменение или усиление образования его продукта может менять весь клеточный фенотип, придавая ему черты малигнизации. Если на нормальную клетку не действует тот или иной фактор клеточного роста, то ее ядро почти не содержит соответствующих транскрипционных факто­ров. Воздействие фактора роста резко усиливает образование ТФ. В ряде злокачественных клеток концентрация ТФ в ядре постоянно и аномально высока, что ведет к их интенсивному делению, не зависящему от влияний на клетку ФР.

В развитии нейробластомы детского возраста имеет значение амплифи­кация прото-онкогена М-/ид>с, представляющего собой ген транскрипцион­ного фактора. Повышенная экспрессия данного прото-онкогена - может быть одной из причин малигнизации.

МЕТАСТАЗИРОВАНИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННОЙ КЛЕТКИ

КАК ТИПОВОЙ ПАТОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Способность злокачественных клеток прорастать в близлежащие ткани и метастазировать в отдаленные органы часто определяет невозможность успешного хирургического лечения злокачественной опухоли. Метастази- рование клеток опухоли - это многоэтапный процесс. Выделяют пять ос­новных этапов метастазирования:

• выход злокачественной клетки из локуса первичной малигнизации и ее миграция через прилежащие к ней тканевые барьеры (базальные мембраны и др.);

• проникновение злокачественной клетки в просвет кровеносных и (или) лимфатических сосудов (интравазация) и начало циркуляции злока­чественных клеток с кровью;

• приобретение малигнизированными клетками, циркулирующими с кровью, жизнеспособности, что связано с их выходом из-под контро­ля иммунной системы;

• выход малигнизированных клеток через базальную мембрану капил­ляров в ткани (экстравазация);

• внедрение злокачественной клетки в ткань отдаленного от места пер­вичного озлокачествления органа и возникновение нового очага зло­качественного клеточного роста.

В некоторых случаях злокачественные клетки смешиваются с нормаль­ными клетками или замещают их, но при этом сохраняется порядок струк­турной организации ткани. Например, при возникновении некоторых опу­

холей молочной железы злокачественные клетки в протоках железы заме­щают нормальные клетки на протяжении нескольких миллиметров, но не пенетрируют базальную мембрану с выходом в прилежащие к ней меж­клеточные пространства. При таком распространении злокачественных клеток в пределах здоровой ткани метастазирование происходит редко (рак in situ). Вероятность метастазирования при раке молочной железы осо­бенно высока, когда злокачественные клетки приобретают способность выходить из протока железы через базальную мембрану в прилежащие к ней ткани.

Большинство злокачественных новообразований возникает из эпители­альных клеток, образующих клеточный слой на базальной мембране, со­стоящей из плотных протеогликанов. Базальная мембрана обычно являет­ся первым барьером для метастазирования злокачественных клеток. Малигнизированные клетки часто секретируют энзимы коллагеназу, гепа- риназу и стромогеназу, разрушающие физический барьер на пути метаста­зирования в виде базальной мембраны. Экспрессия генов этих ферментов может обуславливать приобретение злокачественной клеткой способности мигрировать через прилежащие к ней тканевые структуры и клеточные слои в циркулирующую кровь.

После выхода в циркулирующую кровь экранирование поверхности малигнизированной клетки фиксированными на ней нитями фибрина и аг­регатами тромбоцитов, защищает её от взаимодействия с элементами сис­темы иммунитета организма. Попадание злокачественных клеток в цирку­лирующую кровь еще не означает неизбежности возникновения метастатического очага злокачественного клеточного роста. Дело в том, что выживаемость злокачественной клетки в циркулирующей крови исключи­тельно мала. После интравазации выживает лишь 0,1 % злокачественных клеток, попавших в циркулирующую кровь

Клетки опухолей разных видов метастазируют преимущественно в оп­ределенные органы. Иногда это связано с особенностями венозного оттока из органа, где происходит первичная малигнизация. Например, опухоли тол­стой кишки в основном метастазируют в печень, в которую злокачествен­ные клетки поступают с кровью по воротной вене. Во многих случаях пре­имущественное метастазирование опухоли определенного вида в определенный орган не представляется возможным связать с анатомичес­кими особенностями венозного оттока из органа, где происходит первичная малигнизация. Это, в частности, относится к нередкому метастазированию рака желудка в надпочечниковые железы.

Злокачественная клетка, которую покрывают нити фибрина и агрегаты тромбоцитов, может эмболизировать прекапиллярные артериолы в первом из органов, в который она поступает с артериальной кровью. В дальнейшем озлокачествленные клетки часто высвобождаются из состава эмбола и по­падают в просвет посткапиллярных венул, минуя капилляры. Для адгезии малигнизированной клетки к стенке посткапиллярной венулы необходимо, чтобы поверхность злокачественной клетки содержала рецепторы к адге­зивным молекулам эндотелия определенного органа, которым предположи­тельно присуща органоспецифичность. Межклеточное взаимодействие ма- лигнизированной клетки с эндотелиоцитами посткапиллярных венул ведет к сокращению эндотелиальных клеток. Между эндотелиальными клетками в результате их сокращения образуются зазоры, что делает возможным пря­мое взаимодействие малигнизированных клеток с адгезивными молекула­ми субэндотелиальной базальной мембраны.

Фиксация малигнизированной клетки на субэндотелиальной базальной мембране представляет собой первый этап экстравазации с последующим внедрением в строму органа, отдаленного от очага первичной малигниза- ции. После фиксации к субэндотелиальной мембране злокачественная клетка высвобождает ряд ферментов, разрушающих ее. Малигнизированные клет­ки, которые не обладают способностью, высвобождая энзимы, разрушать базальную мембрану посткапиллярной венулы, после обратимой адгезии с мембраной возобновляют циркуляцию с кровью. Некоторые продукты выз­ванной гидролазами злокачественной клетки деструкции протеогликанов базальной мембраны, представляют собой хемоаттрактанты для малигни­зированной клетки. В результате после расщепления базальной мембраны посткапиллярной венулы гидролазами злокачественной клетки ее инвазия в строму отдаленного органа происходит хемотаксически.

Инвазия злокачественной клетки в строму органа, отдаленного от очага первичной малигнизации, зависит от ее способности разрушать через выс­вобождение ферментов-гидролаз субэндотелиальную мембрану с расщеп­лением протеогликанов мембраны до органо-специфичных биоактивных веществ, обладающих относительно данной малигнизированной клетки свойствами хемоаттрактантов.

После инвазии злокачественной клетки в строму органа, отдаленного от локуса первичной малигнизации, возникновение метастаза опухоли может быть связано с содержанием в органе факторов и ингибиторов клеточного роста. Установлено, что фактор роста, который содержит паренхима лег­ких, стимулирует рост клеток аденокарциномы молочной железы, попада­ющих в легкие.

КЛИНИЧЕСКАЯ