Развитие онкогенетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

По теме: Развитие онкогенетики

Для сдачи кандидатского экзамена

аспирантки 1-го года обучения

Института Общей Генетики РАН

Белопольской О.Б.

Москва 2011

Введение

По статистике в мире ежегодно выявляют более 6 млн. случаев заболеваний раком пяти основных органов (легких, желудка, груди, прямой кишки, шейки матки). Около половины заболевших погибает (по данным на 1998 г.). В конечном счете, каждый пятый житель развитых стран умирает от онкологических заболеваний (от “онкос” - греч. - опухоль). Это само по себе говорит об исключительной важности онкологических исследований даже в чисто прикладных целях.

Исследования изменений в функционировании клеток, возникающих при злокачественном перерождении, имеют фундаментальное теоретическое значение.

Характеристика опухолеобразования

Число клеток в каждой ткани, также как и объем ткани, занимаемый ею в теле, более или менее постоянны. Естественная убыль клеток пополняется из молодых отделов ткани, содержащих низкоспециализированные делящиеся клетки. Темп восполнения утраченных клеток контролируется ростовыми факторами. Если баланс убыль-пополнение по каким-либо причинам нарушается в пользу пополнения, возникает избыточная масса клеток и в месте нарушения баланса образуется опухоль. Она может возникнуть, может длительное время увеличиваться, а может и постепенно исчезнуть. Опухоль может быть доброкачественной и злокачественной. Доброкачественной опухоль называется, если она не выходит за пределы своей ткани и не внедряется в подлежащие или соседние ткани.

Хирургическое удаление доброкачественной опухоли вместе с молодыми клетками, пополняющими ее, прекращает существование этой опухоли. Как правило, она более не возобновляется.

Главным признаком злокачественной опухоли является ее выход за пределы территории, предназначенной для данной ткани. Если опухоль врастает в подлежащую ткань, происходит инвазия (внедрение) опухолевых клеток. Инвазия - первый признак злокачественной опухоли. Если опухолевые клетки отрываются от основного очага, разносятся лимфой или кровью по организму, оседают в других, отдаленных органах (чаще всего в лимфатических узлах, печени, легких), и образуют там вторичные очаги опухолевого роста, происходит метастазирование, т.е. распространение опухолевого процесса по организму.

Особенно опасны микрометастазы - мельчайшие очажки опухолевого роста, которые зачастую нельзя ни увидеть, ни удалить хирургически. Когда опухоль становится обнаружимой, она уже достаточно велика и содержит около миллиарда клеток: при числе клеток в опухоли 10⁸ она становится видимой в результате рентгеновского обследования, при числе 10⁹ - она пальпируется. Смерть пациента наступает, когда опухоль состоит примерно из 10¹² клеток.

Если растущая опухоль уже не помещается в животном, ее можно пересадить другому животному и получить перевиваемую опухоль, которая будет неограниченно расти столько, сколько ее будут перевивать. Само существование перевиваемых опухолей, говорит о том, что опухоль развивается автономно, что причина ее роста в ней самой, так как перенос в нормальный организм здорового животного не останавливает ее роста.

Автономность опухоли проявляется также в независимости от окружающих тканей. Обычно соседствующие ткани влияют друг на друга и взаимно не выходят за границы своих территорий. Злокачественные опухоли не чувствуют этих влияний. Они внедряются на чужие территории (инвазия) и способны расти в чуждом окружении. Способность к метастазированию - это не столько способность к отрыву и распространению, сколько именно к росту на чужих территориях и в чуждом микроокружении.

Следующим неотъемлемым свойством злокачественной опухоли является бессмертие ее клеток. Клетки опухоли не знают предела для размножения ни в организме, ни вне его.

Очень важным и обязательным признаком злокачественной опухоли является ее моноклональность. Злокачественная опухоль развивается из одной генетически измененной клетки. В этом смысле она представляет собой клон, т.е. потомство генетически однородных клеток, возникших из одной клетки. Одно из доказательств моноклональности получено в результате анализа ДНК. Почти у всех пациентов, страдающих от хронической миелогенной лейкемии, лейкемические белые кровяные клетки отличаются от нормальных клеток специфической хромосомной перестройкой, так называемой Филадельфийской хромосомой - транслокацией между длинными плечами хромосом 9 и 22. Когда была клонирована и секвенирована ДНК в участке транслокации, обнаружили, что участок разрыва и объединения транслоцированных фрагментов идентичен во всех лейкемических клетках каждого больного индивидуума, но больные между собой несколько отличаются в том смысле, что точки разрыва-воссоединения ДНК хромосом могут различаться на несколько сот или тысяч пар нуклеотидов.

В дальнейшем, в череде генераций в опухоли возникают мутации, которые порождают новые, вторичные клоны, создающие генетическую разнородность внутри опухоли, но это уже вторичная разнородность.

В процессе развития опухоли постепенно стираются признаки исходной ткани, т.к. они зачастую являются мишенью для контроля опухоли со стороны организма или соседних тканей. Однако признаки ткани, из которой развилась опухоль, до конца все же никогда не исчезают полностью. Это важная особенность опухоли, позволяющая точно определить, где и из чего она возникла и к какому лечению будет чувствительна.

Причины возникновения опухолей

Хорошо известны несколько типов воздействий, с помощью которых можно индуцировать опухоли. Это канцерогенные вещества, опухолеродные вирусы, облучение. Однако, значительная, если не основная часть опухолей возникает спонтанно, т.е. без видимой связи с индуцирующими агентами.

1. Канцерогенные вещества весьма разнообразны - от таких простых, как четыреххлористый углерод (CCl₄), до весьма сложных полициклических гетероциклических соединений как метихолантрен или бензантрацен. Чаще всего они вызывают сходные биологические эффекты - стимулируют размножение клеток-предшественниц опухоли.

Канцерогенные вещества (включая промоторы) являются причиной многих опухолей человека, например, каменноугольный деготь вызывает так называемый “рак трубочистов”, анилин вызывает у работников анилиновой промышленности рак мочевого пузыря, курение-рак легких.

2. Опухолеродные вирусы. Это могут быть крупные ДНК-содержащие вирусы или РНК-содержащие ретровирусы. Все они обладают уникальной способностью к интеграции с геномом клетки-хозяина. Эта удивительная особенность опухолевых вирусов была предсказана замечательным российским вирусологом Львом Александровичем Зильбером (1894-1966).

Первый опухолеродный вирус был открыт в 1910 году Ф.П. Раусом у кур. Инфекции им вызывали саркому, поэтому его назвали вирусом саркомы Рауса. Это РНК-содержащий ретровирус, т.е. на наследственной молекуле РНК синтезируется ДНК с помощью обратной транскриптазы, которая встраивается в геном клетки-хозяина.

На сегодняшний день открыто уже много опухолеродных вирусов:

- вирус папилломы человека (ВПЧ), вызывающий рак шейки матки у женщин и предающийся половым путем. Носителями такого вируса могут стать мужчины.

- вирус гепатита В, ассоциирован с опухолями печени.

- два герпес-вируса - Эпстайна-Барр, ассоциированы с раком носоглотки и лимфомой Беркитта, а на фоне иммунодефицита обусловливают развитие лимфом.

- вирус герпеса типа 8, связан с саркомой Капоши.

- Т-лимфотропный вирус человека (HTLV) индуцирует Т-клеточный лейкоз у взрослых.

Лучевой канцерогенез. Это одна из форм канцерогенеза, сопровождавшего первых радиологов, работавших с радием и лучами Рентгена без какой-либо защиты от облучения. Обычно это были раки кожи. Наиболее частыми при общем облучении организма являются лейкозы, т.е. различные формы опухолей кроветворной системы.

Канцерогенез без видимой связи с индуцирующими агентами, как сейчас предполагается, связан с генетической предрасположенностью конкретного индивида к развитию опухоли. Эти данные косвенно подтверждаются семейными формами рака. Такой канцерогенез может быть вызван генетическими изменениями в генах детоксикации ксенобиотиков (тогда он также будет провоцироваться воздействием канцерогенных химических агентов), генах репарации, клеточного цикла и других группах генов.

Длительное время описания этой группы болезней ограничивались преимущественно детскими системными патологиями, в основе которых лежат дефекты ферментов или структурных белков. Представления о спектре генных наследственных заболеваний у человека в конце XX века претерпели кардинальные изменения. На рубеже 80-х и 90-х годов был сделан ряд впечатляющих открытий, убедительно показавших, что самой распространённой категорией генетических заболеваний являются наследственные опухолевые синдромы.

У мышей путем отбора получены чистые линии со 100% вероятностью возникновения определенных форм опухолей - лейкозов, рака молочных желез и рака легких. В первых двух случаях имеет место сочетание генотипа животных и вируса, а в случае наследственного рака легких речь идет о сочетании канцерогенного воздействия и генома животного. У человека чисто генетически обусловлено формирование детской опухоли сетчатки глаза (ретинобластомы), возникающей у ребенка, если соответствующие мутации имеются у отца и матери или даже только у одного из родителей.

Онкогены

В пользу генетической природы злокачественности свидетельствовали два факта:

1. Корреляции между существованием наследуемых опухолей и наличием специфических хромосомных транслокаций в клетках опухоли.

2. Стабильность злокачественных свойств в трансформированных клетках и их передача из одного клеточного поколения в другое также свидетельствует в пользу генетической природы опухоли. Наиболее прямые доказательства генетического контроля образования злокачественных опухолей были получены при изучении температурочувствительных мутаций у вирусов. В начале 1970-х годов были получены температурочувствительные мутанты вируса саркомы, которые трансформировали нормальные клетки в раковые только при определенной температуре. Это значит, что при этой температуре экспрессируется мутация только одного гена, и этого достаточно для того, чтобы вызвать опухолевую трансформацию и поддерживать ее. Инактивация этой мутации при другой температуре возвращала клетку в нормальное состояние. Таким образом, в вирусе саркомы содержится один ген, вызывающий и поддерживающий злокачественность. Он был назван онкогеном. В конце 1970-х годов был выделен первый онкоген из вируса саркомы курицы и был назван src.

LTR вирусов содержат многие из регуляторных сигналов транскрипции: сайты инициации транскрипции, полиаденилирования.

Вскоре было показано, что искусственное введение гена src в генетический аппарат клетки трансформирует ее и без вируса.

После этого были открыты и другие вирусные онкогены: myc, ras, abl и многие другие. Стало ясно, что опухолевые вирусы вызывают опухоли не сами по себе, а потому, что вносят онкоген в генетический аппарат клетки и закрепляют его там. Если удалить онкоген из генетического аппарата вируса, то он, не лишаясь способности размножаться и интегрироваться в геном клетки, утратит возможность вызывать формирование злокачественных опухолей.

Геномы нормальных клеток позвоночных содержат последовательности, которые похожи, но не полностью идентичны гену src, входящему в состав вируса саркомы Рауса. Поэтому их называют несколько по-разному: v-src вирусный (онкоген), c-src -клеточный (протоонкоген).

Позднее было установлено, что во всех нормальных клетках есть гены, очень близкие по структуре к известным вирусным онкогенам. Их известно уже около 100.

Эти гены регулируют нормальное поведение клетки - ее ответы на ростовые факторы, на гормоны, нормальный темп и “расписание” ее делений. Протоонкогены находятся под контролем других генов. Мутации протоонкогенов выводят их из-под воздействия контролирующих генов и в результате чего они становятся автономными. Как правило, опухолеродное действие различных канцерогенных факторов приводит к постоянной активности протоонкогена. Так, хромосомные транслокации могут перенести протоонкоген в новое положение - под контроль постоянно активного промотора.

В результате этого переноса протоонкоген начинает работать непрерывно, не давая клетке выйти из цикла делений (myc), или посылая непрерывные сигналы с мембраны в ядро (ras), или приводя к синтезу ростовых факторов. Некоторые опухолевые вирусы сами по себе не содержат онкогена, но, встраиваясь в хромосому рядом с протоонкогеном, активируют его, вызывая непрерывную активность (“вставочный” канцерогенез).

Канцерогенные вещества и облучение обладают высокой мутагенной активностью, вызывая мутации в различных генах, в том числе и в протоонкогенах. Эти мутации могут вести либо к нарушению регуляции протоонкогена, и тогда он выходит из-под контроля, либо к изменению свойств белка, кодируемого этим онкогеном.

Антионкогены или супрессоры опухолей

Примерно один из каждых 20 тыс. детей имеет предрасположение к ретинобластоме - опухоли, возникающей в детстве из предшественников клеток сетчатки глаза. Известны две формы заболевания - наследственное и ненаследственное. В случае наследственной формы множественные опухоли обычно возникают независимо в обоих глазах. При ненаследственной форме, только одна опухоль возникает только в одном глазу. Предположили, что у особей с наследственной формой утрачена активность гена-супрессора опухолеобразования. Поэтому гетерозиготы по мутации данного гена являются генетически предрасположенными к опухолеобразованию. Первая же соматическая мутация этого локуса, делает данную клетку гомозиготой по мутации, из которой и начинает развиваться опухоль. Таким образом, ретинобластома возникает по двухударному механизму: одна мутация наследственная, другая - соматическая. Этот ген у человека, отсутствие активности которого является критическим обстоятельством в развитии ретинобластомы, называется Rb. У детей-гомозигот по нормальному аллелю гена Rb, опухоль возникает очень редко, вследствие случайного возникновения мутаций гена Rb в обеих хромосомах одной клетки (что является очень редким событием).

В более поздних исследованиях было установлено, что потеря активности гена Rb вызывает разнообразные формы опухолей, не только ретинобластому.

Некоторые онкогенные вирусы (например, аденовирусы, вирус SV40) осуществляют онкогенное действие из-за того, что их онкогены кодируют белки, образующие комплексы с Rb-белком, что также предотвращает его связывание с фактором транскрипции E2F.

Другой ген-супрессор опухолеобразования называется p53 (p-protein, 53-53 кДа). Действие мутантных аллелей этого гена вовлечено в развитие примерно 50% всех типов опухолей у человека.

Так же как и в случае гена Rb, для онкогенного действия клетка должна быть гомозиготной по мутантным аллелям гена p53. К настоящему времени выделено свыше 3400 мутаций гена p53.

На сегодняшний день активно изучается какие мутации в гене p53 ассоциированы с отдельными видами рака.

Белок, синтезируемый геном p53, способен связываться с ДНК и действует как фактор транскрипции.

Белок P21 связывается с белками cyclin (cyc) и cyclin/cyclin dependent kinase (Cdk), что блокирует киназную активность, необходимую для перехода из G1 в S - фазу. Как уже показано, промоторы нескольких генов связывают белок p53, один из которых - WAF1 - специфически активируется нормальным белком p53. В свою очередь, продукт гена WAF1 это белок с молекулярной массой 21 кДа, называемый p21. Когда белок P21 синтезируется в избытке, это блокирует переход клетки из фазы G1 в S. Задержка возникает из-за того, что p21 связывается с комплексом Cdk/cyc, который блокирует киназную активность, необходимую для активирования генов, необходимых для перевода клетки из фазы G1 в фазу S.

В нормальной клетке самым простым способом вызвать каскад генной активности, ведущий к остановке в G1, является индукция повреждений в молекуле ДНК, например облучением клетки. В результате этого по непонятным причинам повреждения ДНК приводят к стабилизации белка p53 и начинается каскад событий.

Задержка клетки в G1 дает клетке время индуцировать систему репарации ДНК. Если размеры повреждений ДНК слишком велики и не могут быть восстановлены, клеточный цикл не восстанавливается, а клетка переходит на режим апоптоза (запрограммированной гибели клетки - см. раздел 14). Индукция апоптоза является важнейшей функцией генаp53.

У клеток-гомозигот по мутации гена p53, не активируется ген WAF1 и нет белка p21, чтобы блокировать активность Cdk, в результате клетка не задерживается в фазе G1, и апоптоз у них не происходит. Клетка ускоренно вступает в S-фазу, да к тому же и отягощенная генетическими повреждениями. Все это усиливает возможность возникновения рака.

Многоступенчатость формирования опухоли

Для большинства типов раков шанс заболеть резко увеличивается с возрастом: например, если в возрасте 40 лет выявляемость первого заболевания раком составляет 8 случаев на 100000 человек (данные для женщин Англии и Уэльса), в 60 лет - уже около 60, а в 70 - 120.

Формирование многих опухолей является многоступенчатым процессом, включающим аккумуляцию мутаций по ряду генов. Статистика возникновения опухолей у человека показывает, что необходимо накопление в клетке 6-7 мутаций в течение последних десятилетий жизни для того, чтобы рак развился. Например, чтобы развился рак толстой кишки происходят следующие события: утрата гена-супрессора APC (adenomatous polyposis coli) и возникновение небольшой опухоли. В сочетании с гипометилированием ДНК может развитья аденома I класса (небольшой полип из эпителия толстого кишечника или прямой кишки). Далее, если вследствие мутации протоонкоген ras превращается в онкоген, размер опухоли увеличивается (аденома класса II). Если затем происходит гомозиготизация мутации опухолевого супрессора DCC, опухоль снова увеличивается в размерах (аденома III класса).

Утрата обеих копий гена p53 превращает доброкачественную аденому в злокачественную карциному. Потеря каких-то других генов вызывает метастазы этой опухоли.

Модифицирующее влияние полиморфных аллелей на риск

развития онкологических заболеваний

Ключевым моментом в понятии «наследственная предрасположенность» является представление о полиморфизме генов. В биологии под полиморфизмом генов понимается любое разнообразие версий (аллелей) одного и того же гена; в процессе эволюции оно возникает за счёт мутаций (изменений нуклеотидной последовательности ДНК), причём последние могут иметь негативный, позитивный или нейтральный эффекты на приспособленность индивидуума. Несколько иной смысл принято вкладывать в те же самые термины в медицинской генетике. Мутантными здесь называют только те редкие версии генов, которые отрицательно влияют на жизнеспособность. Именно мутации ответственны за тяжелые моногенные болезни. В то же время к полиморфизму относят не любые популяционные вариации в структуре какого-либо гена, а лишь относительно нейтральные разновидности его нуклеотидной последовательности. Полиморфные аллели, как правило, отличаются друг от друга очень незначительно, зачастую всего на одно азотистое основание. При определённом стечении обстоятельств нейтральность полиморфизма становится условной. Удачным является пример полиморфизма цвета кожи. Как известно, её оттенок детерминируется несколькими генами, и существенно различается у представителей разных рас и этнических групп. Представители белой расы, оказавшиеся в условиях повышенной солнечной инсоляции, подвергаются многократному увеличению риска новообразований наружных покровов - данное заболевание носит характер эпидемии среди белых иммигрантов в Австралии и ЮАР. Таким образом, низкое содержание в коже защитного пигмента меланина можно считать адаптивным признаком для территорий с малой инсоляцией (увеличивается поглощение солнечного излучения), но вредным - для стран с жарким климатом.

Из этого примера следует другая важная характеристика полиморфных аллелей. Если мутантные версии генов проявляют свои патологические свойства в соответствии с законами Менделя, следуя принципам доминантного или рецессивного наследования, то полиморфные варианты влияют на фенотип только при сочетании с другими генетическими и негенетическими факторами, то есть обладают очень низкой пенетрантностью.

При отсутствии наследственных синдромов, связанных с развитием злокачественных новообразований нервной системы, роль генетических факторов риска отводится генам с низкой пенетрантностью. Чем выше наследственно обусловленная предрасположенность к раку, тем скорее средовое воздействие даже незначительной выраженности приведет к его развитию.

Рассмотрим ещё один характерный пример. Известно, что один из рецепторов дофамина, DRD2, представлен в человеческой популяции как минимум двумя генетически детерминированными изоформами, причём продукт одного из аллелей обладает пониженной активностью. Для лиц, унаследовавших малоактивные аллели, предполагается слегка уменьшенная возбудимость дофаминэргической системы. В результате может несколько обедняться функционирование «центра вознаграждения», находящегося в головном мозге. У таких людей, по-видимому, повышен риск зависимости от стимуляторов дофаминэргической системы: алкоголя, никотина, наркотиков. При нормальном поведении этот риск реализуется редко; однако, сочетание генетического и негенетического факторов, т.е. неблагоприятного DRD2 генотипа и злоупотребления, например, алкоголем, может привести к трагическим последствиям. Таким образом, полиморфные аллели, в отличие от мутантных, не детерминируют фатальной предрасположенности к патологии; тем не менее, они обладают способностью потенцировать действие других вредных влияний. С другой стороны, неблагоприятные воздействия внешней среды могут привести к развитию заболевания и без модифицирующего влияния генотипа, то есть при отсутствии каких-либо особенностей генетической конституции.

К настоящему моменту выявлены десятки полиморфных генов, влияющих на возникновение и клиническое течение различных патологий.

Аутоиммунные болезни ассоциируются с вариантами генотипа HLA - некоторые наборы «лейкоцитарных» антигенов могут провоцировать развитие аномальных иммунных реакций. Предрасположенность к раку часто связана с генетически детерминируемыми индивидуальными способностями организма активировать и инактивировать канцерогены. Склонность к тромбозам наблюдается чаще у людей с «неблагоприятными» аллелями белков-участников гемо-статического каскада. Риск атеросклероза и его осложнений может модифицироваться полиморфизмом генов, участвующих в регуляции липидного метаболизма или ренин-ангиотензин-альдестероновой системы. Разнообразием генов метаболизма объясняется также феномен индивидуальной непереносимости некоторых лекарственных препаратов. Очень важно подчеркнуть, что сведения о медицинских аспектах генного полиморфизма только начинают приобретать форму, пригодную для практического применения диагностических тестов. Новые знания о генах предрасположенности появляются с ошеломляющей быстротой, поэтому приведённая нами табл. 6 носит лишь ориентировочный характер и, очевидно, будет существенно дополнена в самые ближайшие годы. Следует подчеркнуть, что присутствие «неблагоприятного» полиморфного аллеля является вероятностным показателем, значение которого нельзя переоценивать - знания о генотипе в данном случае не имеют самостоятельной роли, а являются компонентом комплексного исследования пациента.

Мутации, ассоциированные с наследственными онкосиндромами, безусловно, относятся к патологическим состояниям генома. Помимо них, онкологическую предрасположенность могут модифицировать не только генетические повреждения, но и аллельные полиморфизмы. По-видимому, особенности индивидуального генетического фона играют очень существенную, если не решающую, роль в детерминации онкологического риска. Однако генетическая конституция человека складывается из тысяч взаимодействующих полиморфных аллелей, причём каждый полиморфизм в отдельности обладает лишь весьма умеренным эффектом. Поэтому, роль нормальных вариаций генома в патологии с трудом поддаётся изучению, а результаты работ, выполненных на представителях разных популяций и этнических групп, отличаются плохой воспроизводимостью. На сегодняшний день идентифицированы десятки генов-кандидатов, полиморфные аллели которые могут принимать участие в формировании онкологического риска. Некоторые из них представлены в таблице 7. К ним относятся гены семейств цитохромов, глютатион-трансфераз, ацетил-трансфераз, участников гормонального метаболизма, репарации ДНК, апоптоза, ангиогенеза, некоторые онкогены и Антионкогены и т.д. К наиболее достоверным наблюдениям можно отнести ассоциацию «нулевого» генотипа GSTM1 с риском рака лёгких, взаимосвязь между длиной тринуклеотидного повтора рецептора андрогенов (AR) и риском рака простаты, увеличенную представленность аллельного варианта гена СНЕК-2 у больных раком молочной железы и т.д.

Большинство случаев рака обусловлено взаимодействием наследственных и внешнесредовых факторов. Генетика рака - это прежде всего генетика соматических клеток.

Изучение онкогенных вирусов позволило установить, что в клетках человека содержится достаточно большое число так называемых протоонкогенов, которые играют важную роль в контроле клеточного цикла. Мутации этих генов превращают их в онкогены, так как кодируемые ими белки не обеспечивают контроль за клеточными делениями.

Изучение некоторых редких доминантно наследуемых форм опухолей, таких как ретинобластома, опухоль Вильмса и др., позволило, во-первых, выявить гены-супрессоры роста опухоли, а во-вторых, показать, что для реализации их эффектов и начала процесса канцерогенеза требуется по крайней мере два события. Одно из этих событий - возникновение мутации в генах-супрессорах в зародышевых клетках, которая затем может наследоваться в чреде поколений, а второе событие - мутация или элиминация другим способом нормального аллеля соответствующего гена.

К канцерогенезу ведут также мутации в генах, ответственных за репарацию ДНК. Известен ряд наследственных заболеваний, причиной которых являются мутации в генах, продукты которых осуществляют репарацию ДНК в случае ее повреждения. При всех этих заболеваниях резко возрастает вероятность злокачественных опухолей в различных органах и тканях больного.

В клетках опухолей обычно находят фермент теломеразу, которая обеспечивает восстановление длины теломеры в каждом клеточном делении. В результате такие клетки приобретают способность к неограниченному числу делений.

Поиск генетических предпосылок онкозаболеваний

опухоль аллель онкологический генетика

Для оценки роли наследственных факторов в развитии многофакторного заболевания большую практическую ценность представляет исследование полиморфных маркеров в генах-кандидатах, продукты которых вовлечены в патогенез многофакторного заболевания. Подход «ген-кандидат» (GAS - Gene Association Study) позволяет сфокусироваться на одном или нескольких вариантах в области гена, продукт которого вероятно вовлечен в развитие патологии. Наличие корреляции маркера с болезнью либо свидетельствует о прямой связи между исследованным локусом и наследственной патологией, либо в основе ассоциации может лежать сцепление между маркерным локусом и локусом, обусловливающим развитие болезни, если эти локусы расположены достаточно близко друг от друга. Ассоциация может оказаться мнимой за счет негомогенности популяции, малочисленности выборок, некорректности критериев отбора при формировании выборок больных и здоровых индивидов или неправильных представлений об этиопатогенезе заболевания. Группы сравнения должны быть правильно подобраны и хорошо охарактеризованы.

Быстрый прогресс в области молекулярной генетики, стремительное развитие и удешевление методов генотипирования привели к прорыву в области ассоциативных исследований. Основной научный ресурс с данными по изменчивости генома человека dbSNP129 к 2008 году насчитывал примерно 11 млн. однонуклеотидных вариантов и 3 млн. коротких инсерций и делеций. Кроме того, примерно к этому же времени были открыты масштабы структурной вариабельности ДНК - инсерции, делеции, дупликации, инверсии участков ДНК размером более 1 кб (1000 п.н.).

Распространенные ранее работы «ген-кандидат», посвященные изучению корреляции между известными полиморфными вариантами генов, образующих генные сети мультифакториальных заболеваний, в настоящее время дополнены масштабными полногеномными ассоциативными исследованиям на микрочипах. Результаты этих исследований объединены в каталоге Genome-Wide Association Studies(GWAS) в рамках международного проекта HapMap Project (генетическая карта гаплотипов), являющегося фактически преемником программы “Геном человека”. Целью проекта HapMap, который стартовал в 2002 году, было картирование однонуклеотидных полиморфных вариантов и гаплотипов, входящих в состав геномов 270 индивидуумов из Нигерии, Китая, Японии и США. База данных гаплотипов включает 3800000 SNP для 4-х популяций. В среднем полиморфным является каждый десятый ген с частотой встречаемости альтернативных аллелей до 50%, и отличия затрагивают каждый тысячный нуклеотид (по некоторым оценкам, каждый 300-ый). Описано 7 млн. однонуклеотидных вариантов с частотой встречаемости минорных аллелей более 5% и 4 млн. SNP с частотой от 1% до 5%, что составляет 0,3% всего генома. Подавляющее большинство из них являются нейтральными. Так как смежные вариации ДНК наследуются совместно в составе сегментов или гаплотипов, то генотипировать все известные SNP нет необходимости. По результатам проекта HapMap Project было установлено неравновесие по сцеплению для 3,5 млн. SNP, что дало возможность изучать ассоциации не для всех 11 млн. замен, а для примерно 300 000 tag SNP. К настоящему времени идентифицировано более 1000 участков генома человека, сопряженных с различными комплексными признаками и предрасположенностью ко многим заболеваниям.

Успехи в изучении распределения блоков неравновесия по сцеплению в геноме человека позволили поднять исследования ассоциаций на новый уровень - стало возможно выбирать максимально информативные наборы полиморфных маркеров tag-SNP, характеризующих большинство наиболее распространенных полиморфных вариантов в интересующем регионе генома. В результате, задача поиска полиморфных вариантов, коррелирующих с мультифакториальными заболеваниями, стала более реальной. Развитие методов высокопроизводительного генотипирования привело к появлению биологических микрочипов высокой плотности, содержащих от 300 тыс. до 1200 тыс. полиморфных маркеров, равномерно распределенных по всему геному. Благодаря большим размерам выборок (тысячи и десятки тысяч человек) данный подход (GWA) обладает высокой статистической мощностью, воспроизводимостью и надежностью результатов.

Большое число SNP, анализируемое в полногеномных ассоциативных исследованиях, затрудняет статистический анализ, так как уровень достоверности P<0,001 означает, что при анализе 100000 SNP примерно 100 дадут ложнопозитивный результат. С этим связаны требования к высокому уровню достоверности (P<10-5). При отсутствии воспроизводимости эффектов, имевших значимость порядка 10-3-10-5, они не включаются в каталог GWAS. Это, в свою очередь, ведет к увеличению числа ложноотрицательных результатов. Другие факторы ложного ассоциирования - это ошибки стратификации и артефакты генотипирования. К публикациям GWAS предъявляются следующие требования: работы не могут быть ограничены изучением только генов-кандидатов, число SNP должно быть больше 100000. Желательно подтверждение полученных данных о наличии корреляции в независимых исследованиях на других выборках и больных, и контроля. С одной стороны, требования к высокому уровню достоверности диктуют необходимость работать с очень большими когортами и больных, и здоровых (контроля), что затрудняет подбор гомогенной группы пациентов, особенно при меньшей распространенности заболеваний. С другой стороны, чем меньше пенетрантность варианта (меньше, соответственно, значение OR), тем вероятнее значимость не генетических, а, например, средовых факторов, что еще больше усложняет подбор однородной выборки. В настоящее время каталог GWAS включает 599 публикаций и 2905 SNP и охватывает 363 заболевания, показателя или состояния организма. Воспроизводимость любых ассоциативных работ может зависеть не только от стандартных факторов, типа недостаточно жесткой стратификации выборки, или ошибок генотипирования, но и от различий в структуре неравновесия по сцеплению между разными выборками, так как рекомбинация в ряду поколений уменьшает размер блоков сцепления.

В настоящее время для поиска генетических предпосылок развития многофакторного заболевания используются 2 основных подхода: полногеномное сканирование на чипах (GWAS - genome wide association studies) и подход «ген-кандидат» (GAS - gene association studies). GWAS исследования включают от 300 тысяч до 1,2 млн. снипов и, в связи со множественностью сравнений, требуют выборок в тысячи и десятки тысяч человек. При меньшей распространенности заболеваний, тем более ограниченных детской популяцией, такие исследования практически невозможны. В этом случае оптимальным представляется изучение полиморфных маркеров в генах-кандидатах, продукты которых, предположительно, могут быть вовлечены в патогенез многофакторного заболевания. Выбор генов-кандидатов также может осуществляться разными способами: прослеживание метаболических путей и генных сетей различных заболеваний, анализ локусов, которые продемонстрировали эффекты в других ассоциативных исследованиях.

Известно, что возрастание генетической нестабильности приводит к накоплению соматических мутаций и увеличивает вероятность развития онкологических заболеваний. Наиболее высокий уровень нестабильности генома наблюдается у лиц с наследственными заболеваниями и синдромами (атаксия-телеангиэктазия, пигментная ксеродерма, анемия Фанкони, синдромы Блума, Ли-Фраумени, Вернера и т.д.), сопровождающимися очень высоким риском возникновения злокачественных новообразований. Частота клеток крови, несущих генные и/или структурные соматические мутации, у таких пациентов в несколько раз (иногда десятков и сотен раз) выше по сравнению с контрольным уровнем у здоровых лиц. У онкологических больных со спорадическими опухолями различных локализаций также обнаружено статистически значимое увеличение числа лимфоцитов с микроядрами, хромосомными аберрациями и генными мутациями. Факт наличия генетической нестабильности может рассматриваться как фактор риска первичных, вторичных опухолей, а также рецидивов.

Сложность взаимодействий генотип-среда, огромное количество факторов, влияющих на это взаимодействие, осложняет поиск генетических маркеров мультифакториальных заболеваний. GAS и GWAS исследования не заменяют, а дополняют друг друга, и метод «ген-кандидат», безусловно, не утратил своей актуальности. Строгая стратификация выборок и использование всех современных достижений мировой науки при подборе аллельных вариантов генов предрасположенности для исследования могут существенно увеличить прогностическую эффективность выявляемых генетических маркеров.

На сегодняшний день при диагностике онкозаболеваний используют множество методов: рентгеноскопия, томография и многие другие. В последние годы получил широкое распространение метод анализа белковых онкомаркеров (иммунологический тест).

Совершенствование методов лечения опухолевых заболеваний при

внедрении методов медицинской генетики

Одной из новых областей исследования, возникшей в связи с расшифровкой генетического кода человека, стала фармакогенетика. Данный термин можно объяснить как подбор лекарственных препаратов с учётом индивидуальных генетических особенностей пациента или опухоли.

Несмотря на то, что до внедрения этой технологии в широкую практику пройдёт ещё немало времени до ее широкого внедрения в медицину. Её эффективность очень многообещающая. Один из наглядных примеров применения фармакогенетики связан с проведением химиотерапии при раке молочной железы.

Известно, что важное место в схеме лечения пациенток, прошедших хирургическое удаление опухоли молочной железы, занимает химиотерапия. Согласно традиционному подходу к этому вопросу, практиковавшемуся до недавнего времени, пациентки со схожими на первый взгляд типами опухолей проходили химиотерапию по одной и той же схеме.

Работа над расшифровкой человеческого генома повлекла за собой появление новых методов и диагностических возможностей в области генетики, при помощи которых было установлено, что рак молочной железы не является однородным заболеванием, и каждая опухоль обладает собственными, присущими только ей характеристиками. Таким образом, опухоль молочной железы у одной пациентки отличается от опухоли другой пациентки. Даже при схожих клинических данных разные опухоли могут проявлять себя различным образом, в том числе и по-разному, реагировать на проводимую терапию.

На сегодняшний день, при помощи различных современных технологий, существует возможность с большей точностью определить шансы каждой отдельно взятой пациентки на излечение. Это осуществляется путём определения генетического профиля опухоли, заключающегося в определении степени экспрессии определённых генов в опухолевых клетках.

Также, на основании полученной информации можно определить целесообразность проведения химиотерапии в каждом конкретном случае. В частности, на этом принципе основан современный вид лабораторного исследования, называющийся Oncotype DX, по праву считающийся одним из передовых достижений в данной области.

Для проведения данного исследования используется образец ткани опухоли, забранный при биопсии. По результатам данного исследования, основанным на степени выраженности различных генов в клетках опухоли, возможно с большой долей вероятности определить, у каких пациенток существует низкий риск развития рецидива или метастазирования, и таким образом избавить их от прохождения излишнего курса химиотерапии.

Таргетные препараты (target - «мишень» (англ.)).

В ходе развития раковой опухоли, на клеточном уровне происходят различные молекулярные и генетические процессы. Многолетнее изучение этих изменений позволяет на сегодняшний день определить характеристики, присущие исключительно опухолевым клеткам и отличающие их от клеток здоровых тканей. На основании этих отличий стала возможной разработка лекарственных препаратов, губительных для клеток опухоли, и в то же время причиняющих минимальный ущерб здоровым тканям.

Для подобных препаратов не существует такого понятия, как максимальная дозировка, поскольку предполагается, что они не обладают токсическим воздействием на организм. Применение таких препаратов носит название «таргетная терапия» (targeted therapy) или «биологическая терапия». Её отличие заключается в том, что каждый конкретный препарат эффективен лишь в отношении того типа опухолей, который обладает характеристиками «под которые» данный препарат был разработан.

До настоящего времени, на основании этого принципа были разработаны несколько препаратов, например, Herceptin и Lapatinib, действующие на рецепторы эпидермального фактора роста человека-2 (her-2), выраженная экспрессия которого определяется в некоторых видах опухолей молочной железы. Эти два препарата являются представителями группы биологических препаратов, избирательно действующих на злокачественные клетки, и в то же время нейтральные для здоровых систем организма.

Задачей данного вида терапии является достижение максимального лечебного эффекта при минимальном воздействии на организм. Знание генетических особенностей каждого отдельного человека сделает возможным подбор наиболее оптимальной схемы лечения для каждого пациента. Например, замены лучевой терапии на другой, не менее эффективный вид лечения, в случае если генетические особенности пациента предрасполагают его к сильному повреждению здоровых тканей при воздействии радиации.

Заключение

Будущее онкогенетики.

Целью данного направления научных исследований является то, чтобы в будущем понятие «генетический профиль» вошло в нашу повседневную жизнь. Возможно даже, что однажды информация о генетическом профиле каждого из нас будет записана на магнитной карте, чтобы облегчить лечащему врачу подбор наиболее подходящего вида лечения для каждого конкретного пациента.

Более того, предполагается, что совершенно новым станет метод генной паспортизации. Он может позволить обнаруживать не уже развивающуюся болезнь, а определять возможность развития раковой опухоли у человека. Т.е. позволит предотвратить развитие такой опухоли, а не бороться с уже проявившимся заболеванием.

Литература

1. Абелев Г.И. Что такое опухоль. // Сорос. образов. журн. - №10 - 1997. - с. 85-90.

2. Гинтер Е.К. Медицинская генетика: Учебник. - Москва: Медицина, 2003. - 448 с.

3. Горбунова В.Н., Имятников Е.Н. Генетика и канцерогенез. Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию: Методическое пособие. - С.-Петербург, 2007. - 24 с.

4. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 1998. - 430 с.

5. Зильбер Л.А. Вирусо-генетическая теория возникновения опухолей. - Москва: Наука, 1968. - 273 с.

6. Сальникова Л.Е. Генетическая детерминация эффектов ионизирующих излучений: цитогенетические и эпидемиологические показатели. // Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук. - Москва, 2011. - 320 с.

7. http://gwas.nih.gov/02dr2.html

8. http://medbiol.ru/medbiol/har/0041fe62.htm

9. http://www.rambam-health.org.il/index.aspx

10. wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru