Основные теории возникновения и развития опухолей

Размещено на http://www.allbest.ru/

49

Контрольная работа

Основные теории возникновения и развития опухолей



Содержание

1. Общие сведения о природе опухолей и канцерогенезе

2. Теории онкогенеза

2.1 Мутационная теория рака

2.2 Эпигенетическая теория рака

2.3 Теория химического канцерогенеза

2.4 Хромосомная теория рака

2.5 Вирусная теория рака

2.6 Иммунная теория рака

2.7 Теория раковых стволовых клеток

2.8 Эволюционная теория рака

3. Метастазирование опухолей

Литература



1. Общие сведения о природе опухолей и канцерогенезе

Опухоль возникает только в тканях, способных к пролиферации.

Выделяют два вида опухолей - доброкачественные и злокачественные. Если первые (к числу которых относятся, например, бородавки и жировики), развиваясь, стремятся отделиться от остального организма, то вторые, очень быстро размножаясь, проникают в окружающие ткани, нарушая их естественное развитие, а также образуют новые колонии клеток в отдаленных от исходной опухоли меастах - метастазы.

К доброкачественным опухолям относятся аденомы (лат. adenoma от др.-греч. бдЮн -- железа и -пмб) - продукт доброкачественной неоплазии железистого эпителия. Аденомы встречаются во всех органах, содержащих железистый эпителий и, как правило, гормон-зависимы. В ряде случаев происходит онкогенная трансформация клеток аденомы, что приводит к развитию злокачественной аденокарциномы, как, например в случае колоректального рака, рака простаты и др. (рис. 1).

Рисунок 1. Прогрессирование колоректального рака (КРР). Развитие КРР начинается от предраковых поражений, называемых очагами аберрантных крипт, берущих начало из нормальных клеток слизистой оболочки толстой кишки, далее прогрессирующих до предраковых поражений (аденомы), а затем до инвазивных аденокарцином, которые, наконец, развиваются в метастатические аденокарциномы.



Злокачественные опухоли могут развиваться из эпителиальных и неэпителиальных клеток (клетки кости, крови, мышц). Первые называют раком или карциномой (др.-греч. кбскЯнпт --"краб", -щмб от ?гкщмб -- "опухоль"), вторые -- саркомой. Некоторые клетки (в частности, кардиомиоциты, клетки волокон хрусталика, рецепторные клетки сетчатки) не способны к пролиферации (делению). Они не замещаются на протяжении всей жизни. Такие клетки исключительно редко подвергаются опухолевой трансформации.

Развитие опухолевого фенотипа представляет собой многостадийный процесс, обусловленный накоплением генетических нарушений. Следствием таких нарушений является постепенное приобретение опухолью все более злокачественного фенотипа. Этот процесс, получивший название опухолевой прогрессии, является важным свойством злокачественных новообразований различного происхождения. Он всегда определяется свойствами исходной ткани, давшей начало опухоли.

Онкотрансформация или злокачественное перерождение тканей основана на дедифференцировке клеток, вызванной нарушением регуляции деления клеток.

Осознание многостадийной природы опухолевого превращения клетки пришло сравнительно недавно, и только в последнее десятилетие стало возможным понять молекулярную природу происходящих при этом событий.

Нормальной клетке необходимо приобрести значительный ряд свойств, для того, чтобы начать формировать выявляемую клинически опухоль. Некоторые из этих свойств, требуют изменений в биохимических процессах на клеточном уровне, другие же требуют нарушения гомеостаза (относительного постоянства внутренней среды организма). Большинство типов опухолей имеет моноклональное происхождение, они развиваются из одиночной клетки. Только индивидуальная клетка сумевшая приобрести все необходимые функции может сформировать центр злокачественного роста. Неспособные к этому клетки погибают либо поглощаются в ходе роста злокачественного клона.

Выделяют четыре стадии канцерогенеза:

1 стадия - стадия инициации.

Первичное воздействие канцерогенных факторов на клетку приводит к возникновению трансформирующего изменения протоонкогенов, т.е. генов, кодирующих белки способные стимулировать образование опухоли, а также выключению генов-супрессоров опухоли (антионкогенов). При этом внутриклеточные сигнальные каскады устроены таким образом, что нарушение лишь одного из звеньев вызывает апоптотическую смерть клетки, прерывая процесс бесконтрольного деления. Для успешного канцерогенеза необходимо изменение многих звеньев, нескольких белков, нескольких генов, максимально имитирующих влияние цитокинов (гормоноподобных соединений, выполняющих регуляторные функции) и способных устранить возможную гибель клетки.

2 стадия - стадия промоции.

В стадии промоции происходит изменения экспрессии ряда сигнальных белков на фоне повторного воздействия на клетку или канцерогенного фактора (того же, что вызвал инициацию, или другого), или фактора, не являющегося канцерогеном, но способного активировать изменённые онкогены, так называемого промотора. Как правило, промоторы вызывают пролиферацию клеток посредством активации пролиферативных сигнальных каскадов, с участием, например, протеинкиназы С. Инициированная клетка приобретает определенные фенотипические свойства только при условии относительно длительного повторного активирующего действия промоторов, что и приводит к необратимой злокачественной трансформации клетки. При этом трансформированные клетки должны приобрести способность обходить иммунный контроль организма "хозяина".

3 стадия - стадия дедифференцировки.

Накопление "несанкционированных" сигнальных белков является хотя и необходимым, но не достаточным условием образования опухоли. Опухолевый рост становится возможным лишь после приобретения способности уклонения трансформированных клеток от дальнейшей дифференцировки. Прекращение дифференцировки возможно при активации генов, некоторых клеточных микроРНК и последующем повреждении участков генома, отвечающих за специализацию клеток. Отсутствие цитокинов, необходимых для перехода созревающих клеток к следующему этапу специализации, также может способствовать прекращению дифференцировки трансформированных клеток (в этом случае присутствие цитокина может вызвать нормализацию и продолжение дифференцировки раковых клеток - процесс, обратный канцерогенезу). Созревание трансформированных клеток приостанавливается, и они, в результате непрерывной пролиферации и подавления апоптоза, накапливаются, формируя опухоль, т.е. клон клеток, обладающих рядом особенностей, не свойственных нормальным клеткам организма. Клетки опухоли с наиболее распространённым набором хромосом образуют стволовую линию.

Геномная неустойчивость, которая вызывает увеличение частоты изменений, необходима для дальней прогрессии опухоли.

4 стадия - стадия прогрессии опухоли.

Биологический смысл этой стадии заключается в окончательном преодолении препятствий на пути роста и распространения опухоли. Сформировавшийся опухолевый клон (стволовая линия) синтезирует собственные цитокины и идёт по пути наращивания темпов деления, уклонения от иммунного надзора организма и обеспечения интенсивного кровоснабжения. Опухолевая прогрессия носит скачкообразный характер и зависит от появления новой стволовой линии опухолевых клеток. В ходе развития опухоли благодаря её генетической нестабильности, происходит частое изменение ее клеточного состава и смена стволовой линии. Подобная стратегия роста носит адаптивный характер, так как выживают только наиболее приспособленные клетки.

Таким образом, в ходе опухолевой прогрессии неопластические клетки приобретают ряд важнейших свойств, которые обеспечивают злокачественный рост опухоли (рис. 2).

К этим свойствам относятся:

­ иммортализация клеток,

­ самодостаточность в пролиферативных сигналах,

­ потеря контактного ингибирования,

­ дедифференцировка,

­ ослабление индукции апоптоза,

­ способность к инвазивному росту,

­ приобретение локомоторного фенотипа,

­ повышение протеолитической активности,

­ способность стимулировать ангиогенез,

­ генетическая нестабильность.

Что это такое, - описано ниже.

Рисунок 2. Важнейшие свойства, приобретение которых предопределяет способность клетки образовывать злокачественную опухоль (пояснения в тексте).

Иммортализация (от лат. immortalitas -- бессмертие) - способность клеток к многократному и даже бесконечному делению, при котором отсутствует репликативное старение. Как известно, существует механизм, ограничивающий число делений большинства типов зрелых клеток человека. Так, в культивируемых in vitro человеческих фибробластах после 60-80 делений (так называемое число Хейфлика) наблюдается необратимая остановка размножения клеток и их постепенная гибель. Между тем, чтобы образовать из одной клетки-родоначальницы сначала опухоль, а затем и метастазы, в условиях жесткого давления со стороны организма, когда многие опухолевые клетки погибают, может потребоваться большее число делений. И, действительно, в опухолевых клетках нарушается работа такого ограничительного механизма контроля репликации. Основными причинами иммортализации раковых клеток являются:

- Искажение клеточного цикла.

- Увеличение продолжительности S-периода клеточного цикла

- Снижение стадии G2 клеточного цикла.

- Клетка вступает в митоз не готовой.

Последствия:

Нарушения при расхождении хромосом.

Высокая потребность в энергии. При этом в злокачественных клетках гликолиз (идущий без кислорода) превалирует над окислительным фосфорилированием.

Самодостаточность в пролиферативных сигналах, т.е. пониженная потребность во внешних сигналах для инициации и поддержания клеточной пролиферации, в первую очередь, белковых факторов роста. При культивировании in vitro большинство типов нормальных клеток размножается лишь при условии, если питательная среда содержит 10-20% сыворотки, т.е. при довольно значительном содержании в ней различных факторов роста. Связывание факторов роста со своими рецепторами инициирует каскады внутриклеточных ферментативных реакций, стимулирующих репликацию ДНК и деление клетки. Оказалось, что многие типы опухолевых клеток способны размножаться в среде с 1% и даже 0,1% сыворотки, т.е. при содержании ростовых факторов в десятки и сотни раз меньшем, чем необходимо для стимуляции размножения нормальных клеток. Такая пониженная потребность в растворимых ростовых факторах достигается изменениями в системах внутриклеточной сигнализации, которые вызывают:

1) секрецию необходимых факторов роста самими трансформированными клетками;

2) резкое увеличение количества рецепторов для необходимых факторов роста;

3) запуск в отсутствие фактора роста каскада событий, аналогичных тому, который в норме инициируется связыванием фактора роста со своим рецептором.

Пониженная потребность неопластических клеток во внешних пролиферативных сигналах также проявляется в так называемой независимости от субстрата, на котором эти клетки растут (anchorage-independence). Большинство типов нормальных клеток способны размножаться лишь при условии их прикрепления к определенному внеклеточному матриксу. Например, фибробласты начинают делиться при взаимодействии с фибронектином. В ином случае пролиферативный стимул, исходящий от растворимых факторов роста, не вызывает полноценного каскада передачи внутриклеточных сигналов, необходимого для стимуляции размножения клеток. Многие типы опухолевых клеток, в отличие от их нормальных предшественников, способны пролиферировать, не прикрепляясь к субстрату, например, в полужидкой среде. Таким образом, неопластические клетки приобретают способность генерировать внутри себя пролиферативные сигналы, в норме исходящие от внешних стимулов.

Потеря контактного ингибирования, т.е. способности к прекращению деления при отсутствии свободного места. Проще говоря, клетки перестают узнавать друг друга. Как известно, в организме определенное число клеток в каждой из тканей поддерживается с помощью разнообразных антипролиферативных сигналов. Такими сигнальными молекулами являются, как цитокины - растворимые белки, секретируемые клетками иммунной системы, так и некоторые белки внеклеточного матрикса и белки на поверхности других клеток. Нормальные клетки, например фибробласты, размножаются до тех пор, пока не возникнет плотный монослой и не установятся межклеточные контакты. В отличие от них, опухолевые клетки обладают пониженной чувствительностью к таким рост-ингибирующим сигналам. При возникновении межклеточных контактов они не останавливают свою пролиферацию, а продолжают делиться, наползать друг на друга и образовывать очаги многослойного роста.

Нарушения дифференцировки, т.е. потери фенотипа, характерного для клеток того или иного типа. Большинство клеток, составляющих разные ткани взрослого организма, дифференцированы. Они приобрели определенный фенотип, свойственный данному органу, например, нейроны в нервной системе, лимфоциты в крови, кардиомиоциты в сердечной мышце. Для многих опухолевых клеток характерны нарушения клеточной дифференцировки. Особенно ярко это проявляется при гемобластозах - новообразованиях из кроветворных тканей, при которых клетки оказываются как бы замороженными на той или иной стадии созревания. Оказалось, что меньшая зрелость лейкозных клеток является не следствием дедифференцировки зрелых клеток, претерпевших неопластическую трансформацию, а обусловлена их происхождением из незрелых клеток, в которых блокированы процессы дальнейшей дифференцировки. Но это свойство не универсально: во многих типах опухолей наблюдается сохранение способности к дифференцировке, причем в отличие от лейкозов, созревание клеток не препятствует приобретению злокачественного фенотипа. Примерами этого могут служить плоскоклеточный рак кожи и высокодифференцированные аденокарциномы толстой кишки, происходящие из незрелых клеток, которые сначала несколько раз делятся, а затем дифференцируются.

В опухолевых клетках могут быть нарушены самые разные компоненты сигнальных путей, ответственных за выполнение дифференцировочных программ.

Ослабление индукции апоптоза. Апоптоз, или запрограммированная смерть клеток, представляет собой активный механизм клеточного самоубийства, поддерживающий в организме определенное число клеток и, кроме того, защищающий его от накопления аномальных клеточных вариантов. Он вызывается как физиологическими сигналами (специфическими "киллерными" цитокинами), так и различными внутриклеточными повреждениями или неблагоприятными условиями, в частности, нарушениями структуры ДНК, нехваткой факторов роста, гипоксией, действием радиации, ультрафиолетового излучения и т.д. Опухолевые клетки способны "ускользать" от апоптоза. Это резко повышает их жизнеспособность, делает их менее чувствительными к факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям.

Способность к инвазивному росту, т.е. к прогрессирующему проникновению в окружающие здоровые ткани (метастазированию). Способность к метастазированию складывается из комплекса приобретаемых клеткой в ходе канцерогенеза ряда признаков, главные из которых: повышение клеточной подвижности и протеолитической активности.

Приобретение способности к миграции связано с изменениями адгезионных взаимодействий клеток друг с другом и с внеклеточным матриксом, и последующими перестройками цитоскелета. Как правило, подвижный или "локомоторный" фенотип неопластических клеток возникает в результате генетических изменений сигнальных процессов, которые у нормальных клеток обеспечивают временное приобретение повышенной миграционной способности. Такие программы, в частности "эпителиально-мезенхимальный переход" клеток эпителия, характерны для эмбрионального развития. Часто в основе возникновения локомоторного фенотипа лежат те же самые изменения, которые вызывают постоянную стимуляцию пролиферации. Дело в том, что верхние и средние этажи сигнальных путей, которые активируются цитокинами, регулируют не только деление, но и движение клеток (являющегося одним из факторов клеточного деления). Например, активация белков семейства Ras и PI3K, находящихся на пересечении сигнальных путей от многих рецепторов, ведет к повышению активности как МАР-киназ и циклин-зависимых киназ - ключевых регуляторов клеточного цикла, так и малых ГТФ-аз семейств Ras и Rho, играющих центральную роль в контроле полимеризации актина, реорганизации цитоскелета и регуляции движения клеток.

Другим важным фактором инвазии опухолевых клеток является их способность продуцировать протеолитические ферменты, которые разрушают окружающий внеклеточный матрикс (например, базальную мембрану эпителиальных органов), создавая тем самым "дороги" для миграции клеток, а также активируют цитокины, стимулирующие миграцию клеток. Протеолитическая активация сигнальных белков, стимулирующих разнообразные факторы транскрипции, приводит к повышению синтеза различных протеаз (например, матричных металлопротеиназ), котрые могут расщеплять Е-кадгерины - белки, осуществляющие межклеточную адгезию, что обусловливает разрушение межклеточных контактов. Однако во многих первичных опухолях во время приобретения инвазивных свойств межклеточная адгезия часто снижена из-за снижения экспрессии E-кадгерина, а затем может снова повышаться в метастазах.

Способность стимулировать ангиогенез - процесс образования новых кровеносных сосудов в органе или ткани. В норме активация ангиогенеза происходит только при росте и развитии организма или при регенерации поврежденных тканей. Интенсивный ангиогенез является важнейшим условием роста опухоли. Это необходимое условие для дальнейшего роста опухолевого узелка, достигшего в диаметре 2-4 мм, т.к. иначе клетки в центре опухоли будут погибать, не получая кислород и питательные вещества. Стимуляция ангиогенеза, т.е. ветвления уже имеющихся в окружающих тканях мелких сосудов и прорастания их в опухоль, вызывается увеличением содержания в микроокружении специфических ангиогенных цитокинов (табл. 1), которые секретируются неопластическими клетками и стимулируют размножение и миграцию эндотелиальных клеток.

Ключевая роль в этом процессе принадлежит эндотелиальному фактору роста сосудов (VEGF), ангиопоэтину-2а, который стимулирует формирование кровеносных сосудов из существовавших ранее, а также таким факторам роста, как основной фактор роста фибробластов (bFGF), плацентарный фактор роста (PLGF), эпидермальный фактор роста тромбоцитов (PD-EGF) и некоторым другим цитокинам. Кроме того, росту новых сосудов способствует уменьшение содержания в микроокружении белков-ингибиторов ангиогенеза, таких как тромбоспондин-1, ангиостатин и эндостатин, а также секреция опухолевыми клетками протеаз, разрушающих внеклеточный матрикс, что необходимо для прорастания новых сосудов.

Для некоторых опухолей, в частности для меланом, характерно образование сети кровоснабжающих трубчатых структур, полностью состоящих из опухолевых клеток - так называемая васкулогенная мимикрия неопластических клеток.

Приобретение способности формировать такие структуры связано с активацией экспрессии в опухолевых клетках ряда белков эндотелиальной дифференцировки, таких как VE-кадгерин (белок клеточной адгезии эндотелия сосудов из семейства кадгеринов, который контролирует и организует межклеточные соединения), VEGFR2 (рецептор 2 сосудистого эндотелиального фактора роста), CD34 (мембранный белок межклеточной адгезии) и др.

Таблица 1. Активаторы и ингибиторы ангиогенеза

Активаторы ангиогенеза	Ингибиторы ангиогенеза
Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF)	Эндостатин
Плацентарный фактор роста (PlGF)	Ангиостатин
Факторы роста фибробластов (FGF)	16 кДа фрагмент пролактина
Трансформирующие факторы роста и	Ламинин
Эпидермальный фактор роста (EGF)	Фибронектин
Инсулиноподобные факторы роста (IGF)	Тромбоспондин
Тромбоцитарный фактор роста эндотелиоцитов (PDECGF)	Тромбоцитарный фактор-4 (PF-4)
Фактор некроза опухолей (TNF, низкие дозы)	Фактор некроза опухолей (TNF, высокие дозы)
Интерлейкины (IL-1, IL-3, IL-6, IL-8)	Интерлейкины (IL-12)
Колониестимулирующие факторы	Интерфероны
Ангиогенин (Ang)	Ингибиторы тканевых металлопротеиназ
Активатор плазминогена урокиназного типа (uPA)	Ингибиторы активаторов плазминогена (PAI-1, PAI-2)

Одной из характерных модификаций микроокружения, повышающих инвазивный потенциал клеток, является привлечение в опухоль макрофагов и других клеток, участвующих в воспалительной реакции. При этом в неопластических клетках активируется ряд сигнальных путей, в частности, регулируемых белками Ras (мембраносвязанные белки, участвующие в передаче сигнала от поверхностных рецепторов внутрь клетки), которые обычно регулируют размножение клеток, и NF-кB (ядерный фактор транскрипции, контролирующий экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла), а также путей, стимулирующих продукцию провоспалительных цитокинов (интерлейкинов 1, 6 и 8). Предполагается, что присутствие клеток воспаления ускоряет развитие опухоли за счет секреции ими цитокинов, стимулирующих размножение неопластических клеток, ангиогенез, продукции металлопротеаз, а также повышения содержания активных форм кислорода и азота, индуцирующих мутагенез.

Вероятность возникновения в одной клетке нескольких генетических изменений, придающих совокупность вышеуказанных свойств, резко повышается при нарушениях работы систем, поддерживающих целостность генома. Поэтому мутации, ведущие к генетической нестабильности, являются неотъемлемым этапом опухолевой прогрессии.

Генетическая нестабильность. Генетическая нестабильность неопластических клеток базируется на:

- уменьшении точности воспроизведения генетического аппарата,

- нарушениях механизмов репарации ДНК,

- изменениях регуляции клеточного цикла в поврежденных клетках.

Это, вместе с уходом от апоптоза, позволяющим генетически измененным клеткам выживать, делает популяции опухолевых клеток высоко изменчивой, создает основу для постоянного возникновения и отбора все более и более злокачественных вариантов. Поэтому генетическая нестабильность является двигателем неуклонной опухолевой прогрессии.



2. Теории онкогенеза

Одним из основных вопросов канцерогенеза является вопрос о том, подвергаются ли онкотрансформации одиночные клетки или первоначальный канцерогенный фактор(ы) воздействует(ют) на большое количество сходных клеток?

Моноклональное происхождение новообразований из клона (потомства) одной перерожденной клетки было показано на примере опухолей, происходящих из B-лимфоцитов (B-клеточные лимфомы и плазмоклеточные миеломы), клетки которых синтезируют определенные иммуноглобулины, а также на некоторых других типах опухолей. При этом по мере прогрессирования опухоли из начального клона опухолевых клеток могут развиваться субклоны в результате дополнительных продолжающихся генетических изменений, так называемые "многократные толчки".

Согласно теории "опухолевого поля", сначала поле образуется потенциально неопластических клеток, а затем, в результате размножения одной или большего количества таких клеток может развиться опухоль. При этом от отдельных клональных предшественников может возникнуть несколько обособленных новообразований. Эта теория объясняет происхождение некоторых новообразований в коже, эпителии мочевыводящих путей, печени, молочной железе и кишечнике. Признание факта существования опухолевого поля имеет практическое значение, так как наличие одного новообразования в любом из этих органов должно насторожить клинициста в отношении возможности наличия других подобных новообразований. Например, развитие рака в одной из молочных желез повышает риск возникновения рака в другой приблизительно в 10 раз.

Для объяснения механизмов возникновения как опухолевого моноклона, так и "опухолевого поля" в настоящее время предложен ряд взаимосвязанных концепций:

- мутационная теория рака;

- эпигенетическая теория рака;

- хромосомная теория рака;

- теория раковых стволовых клеток;

- вирусная теория рака;

- иммунная теория рака;

- теория химического канцерогенеза;

- эволюционная теория рака.

2.1 Мутационная теория рака

Согласно мутационной теории, возникновение злокачественных опухолей связано с изменением (мутацией) генома клетки, и в большинстве случаев злокачественное новообразование имеет моноклональное происхождение, т.е. развивается из одной мутировавшей половой или чаще соматической клетки. Доказательством мутационной природы рака является обнаружение мутаций в протоонкогенах и генах-супрессоров опухолей, вызывающих злокачественную трансформацию клеток. Основные классы генов и их белковых продуктов, которые могут выступить в роли онкогенов или генов-супрессоров опухолей представлены в таблице 2.

Что это такое? Молекулярно-биологическими методами было установлено, что ДНК нормальных эукариотических клеток содержит последовательности, гомологичные вирусным онкогенам, которые получили название протоонкогенов. Протоонкогены являются нормальными клеточными генами. Более того, они участвуют в регуляции важнейших клеточных процессов - клеточного деления, клеточной смерти, репарации ДНК, и их повреждение в результате мутации приводит к неконтролируемому делению клеток и их повышенной устойчивости к апоптозу. Они обладают высокой эволюционной консервативностью, что также подтверждает их важную роль в жизнедеятельности клеток.



Таблица 2. Основные классы онкогенов и генов-супрессоров опухолей

Природа гена / белка	Ген / белок (примеры)	Локализация опухоли (примеры)
Факторы роста	PDGF	Глиомы, саркомы
	TGF-б	Многие опухоли
Рецепторы	erb-B	Глиобластомы, рак груди
	erb-B2	Рак груди, яичников, слюнных желез
Передача сигнала	K-ras	Рак легких, яичников, кишечника и другие лейкемии
	N-ras
Факторы активации	c-myc	Лейкемии, рак груди, желудка, легких
Факторы транскрипции	N-myc	Нейробластомы, глиобластомы
	L-myc
Факторы блока	TGF-P	Рак кишечника
Передатчики и блокаторы передачи	DPC-4	Рак поджелудочной железы
	NF-1	Лейкемии, рак периферической нервной системы
Контроль клеточного цикла	cyclins D, E	Рак груди
	pl5	Разные опухоли
	pl6	Меланома
	pRB	Ретинобластома, остеосаркома (наследств.)
	p53	Многие опухоли (1/2 всех) (наследств.)
Апоптоз	p53	Многие опухоли (1/2 всех) (наследств.)
	Bcl-2	Разные опухоли
Бессмертие	Теломераза	Разные опухоли
Другие гены-супрессоры опухолей	APC	Рак кишечника (наследств.)
	BRCA1, BRCA2	Рак груди (наследств.)
Репарация ДНК	Гены репарации	Рак кишечника, ксеродерма (наследств.)
	ATM	Рак груди (наследств.)

Можно выделить несколько основных типов мутаций, приводящих к превращению протоонкогена в онкоген.

· Мутация протоонкогена с изменением структуры специфического продукта экспрессии гена приводит к образованию изменённого белка.

Рассмотрим, например, мутации в гене-супрессоре опухолей TP53, кодирующем белок р53. Молекулы белка р53 могут находиться в различных конформационных состояниях (рис.3), выполняя разные физиологические функции.



Рисунок 3. Схематическое изображение различных конформационных состояний р53 (эпитопов), распознаваемых специфическими антителами. Онкогенные мутации вызывают необратимый переход молекулы в денатурированное состояние, при котором открывается ранее недоступный эпитоп и, наоборот, исчезают некоторые ранее доступные эпитопы (по: Б.П. Копнин Опухолевые супрессоры и мутаторные гены (avpivnik.ru/works/new/newinf05_doc).

В обычных условиях белок р53 находится в латентной форме со слабой транскрипционной активностью. При этом он связывает белки, участвующие в репарации ДНК, обладает активностью 3'-5'-экзонуклеазы и стимулирует рекомбинацию и репарацию ДНК. При различных стрессах и внутриклеточных повреждениях могут происходить пост-трансляционные модификации р53, в частности, фосфорилирование и ацетилирование определенных аминокислот, что определяет его переход в так называемую стрессовую конформацию. Такой белок значительно более стабилен, резко увеличивается его количество в клетке, и как фактор транскрипции, он эффективно активирует и/или подавляет экспрессию специфических генов-мишеней, следствием чего являются остановка клеточного цикла и апоптоз. Кроме того, активация белка р53 ведет к изменению экспрессии генов некоторых секретируемых факторов, в результате чего может изменяться размножение и миграция не только поврежденной, но и окружающих клеток. При этом, в стрессовой конформации, способность р53 стимулировать рекомбинацию и/или репарацию ДНК в значительной степени снижается. Основные функции активного белка р53 представлены на рисунке 4.

В белке р53 центральный домен (аминокислоты 120-290) непосредственно узнает и связывает специфические последовательности ДНК регулируемых генов, так называемые р53-реактивные элементы, состоящие из расположенных друг за другом последовательностей с общей структурой типа PuPuC(A/T)(A/T)GPyPyPy (Pu - пурин, Py - пиримидин). Именно в этом ДНК-связывающем домене локализуется большинство точечных мутаций, обнаруживаемых в различных опухолях человека.

Характерные для опухолевых клеток бессмысленные мутации приводят к резкому изменению конформации молекулы белка р53, в результате чего происходит потеря или ослабление способности связывать и активировать гены с р53-реактивными элементами, репрессировать другие специфические гены-мишени, ингибировать репликацию ДНК и стимулировать репарацию ДНК. Причем, так как р53 образует тетрамерные комплексы, мутации в одном аллеле гена ТР53 вызывают инактивацию и продукта второго, неповрежденного аллеля.

Мутации в гене TР53, приводящие к инактивации белка р53, являются наиболее универсальными молекулярными изменениями в различных новообразованиях человека.

Более чем в половине всех опухолей человека (50-60% новообразований более чем 50 различных типов) обнаруживаются мутации гена TР53. В отличие от других опухолевых супрессоров, для которых характерны мутации, прекращающие синтез белка (делеции, образование стоп-кодонов, сдвиг рамки считывания, нарушения сплайсинга мРНК), подавляющее большинство (более 90%) мутаций TР53 представляет собой бессмысленные мутации, ведущие к замене одной из аминокислот в белковой молекуле на другую.



Рисунок 4. Охранные функции р53. Факторы, вызывающие транскрипционную активацию р53 и биологические эффекты, вызываемые изменениями их экспрессии.

· Другим типом мутаций, приводящих к онкотрансформации клеток, являются точечные мутации регуляторной последовательности протоонкогенов, вызывающие повышение уровня их экспрессии.

Ярким примером таких мутаций является активация протоокогенов семейств ras и raf. Эти гены участвуют в управлении клеточным циклом и являются центральными регуляторами пролиферации и выживания клеток. Точечные мутации этих генов в онкотрансформированных клетках приводят к постоянной стимуляции пролиферации клеток, что способствует росту и инвазии опухоли и развитию метастазов. Мутации одного из генов семейства ras: H-ras, K-ras или N-ras обнаруживаются примерно в 15% случаев злокачественных новообразований у человека. У 30% клеток аденокарцином лёгкого и у 80% клеток опухолей поджелудочной железы обнаруживается мутация в онкогене ras, что ассоциируется с плохим прогнозом протекания заболевания. Мутации генов ras и raf , например, наблюдаются в более 90% клинических случаев меланомы человека. Существуют 3 основные формы мутаций в гене raf: A-raf, B-raf, C-raf. Формирование B-raf мутации играет ключевую роль в патогенезе меланомы. Мутантный белок BRAF постоянно активирует митоген-активируемые протеинкиназы ERK, которые регулируют клеточный цикл. Это стимулирует пролиферацию клеток. Подобные мутации наблюдаются приблизительно в 60-70% первичных меланом и в 40-70% случаев метастатических меланом. При этом B-raf мутации вовлечены в инициирование, но не в прогрессию меланом. Мутация V600E, при которой глутамат в положении 600 заменяет валин, найдена в 80-90% всех B-raf мутаций в меланоме; тогда как мутации в A-raf и C-raf при меланоме наблюдаются редко. Мутации в генах N-ras и B-raf также регулируют экспрессию субъединиц интегринов, что приводит к повышению инвазии клеток меланомы и васкуляризации опухоли, т.е. развитие в ней капиллярной сети.

· Перенос гена в активно транскрибируемую область хромосомы (хромосомные аберрации).

Потеря участка хромосомы, содержащего гены-супрессоры, ведет к развитию таких заболеваний, как ретинобластома, опухоль Вильмса и др.

Функции генов-супрессоров противоположны функциям протоонкогенов. Гены-супрессоры тормозят процессы клеточного деления и выхода из дифференцировки, а также регулируют апоптоз. В отличие от онкогенов, мутантные аллели генов-супрессоров рецессивны. Отсутствие одного из них, при условии, что второй нормален, не приводит к снятию ингибирования образования опухоли, и в ряде случаев инактивация генов-супрессоров ведет к развитию онкологических заболеваний.

Таким образом, система протоонкогенов и генов-супрессоров формирует сложный механизм контроля темпов клеточного деления, роста, дифференцировки и программируемой гибели.

В настоящее время получены многочисленные подтверждения мутационной (генетической) теории рака. Однако, известно, что частота спонтанных мутаций отдельных генов человека в расчете на один ген крайне низка и составляет около 10-5, т.е. одна мутация на 100 тысяч генов. Суммарно частота доминантных мутаций в популяциях человека равна 1%, рецессивных - 0,25% и мутаций хромосом - 0,34%. Доля людей с врожденными дефектами, которые могут проявляться в разных возрастах, составляет около 11%. При этом для возникновения и дальнейшего развития опухоли недостаточно одной мутации, необходимо несколько разных мутаций.

В большинстве случаев для полного превращения нормальной клетки в опухолевую в ней должно накопиться порядка 5-10 мутаций. Последние исследования показывают, что прогрессия опухоли определяется не только генетическими, но и эпигенетическими изменениями, которые возникают значительно чаще, чем истинные мутации.

Оказалось, что именно ряд эпигенетических изменений во многом способствует дестабилизации генома и большей вероятности возникновения мутаций в генах.

2.2 Эпигенетическая теория рака

Изучение эпигенетических механизмов онкогенеза - активно развивающаяся в последние годы область научных исследований.

Эпигенетика (от греч. ерЯ-над, выше, внешний и генетика) изучает закономерности изменения экспрессии генов и фенотипа клетки, вызванные механизмами, не затрагивающими генетическую информацию, заключающуюся в последовательности нуклеотидов в ДНК.

Основными эпигенетическими процессами являются:

· Метилирование ДНК.

Процесс метилирования ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину. Обычно это происходит в динуклеотидных группах цитозин-гуанозин: CpG, где p - фосфатная группа, связывающая эти нуклеотиды (рис. 5).



Рисунок 5. Выключение" генов осуществляется при помощи метилирования цитозиновых оснований ДНК, прикрепления к ним метильной группы - СН3.

Метилирование цитозина в парах CpG, находящихся в промоторах генов (регуляторных участках), препятствует транскрипции гена, т.е. реализации генетической информации, а деметилирование, наоборот, способствует экспрессии генов. Установлено, что даже незначительные изменения в уровне метилирования ДНК могут существенно влиять на уровень генетической экспрессии. При этом метильная группа выполняет роль "предохранителя". Чем меньше метильных групп в промоторах генов, тем более клетка дифференцирована. Чем выше степень метилирования ДНК, тем ниже степень дифференцировки. Гиперметилирование промоторных областей может подавлять экспрессию генов-супрессоров опухолевого роста, а деметилирование - активировать экспрессию онкогенов. Повышение уровня метилирования генов-супрессоров опухолевого роста в раковых тканях в сопоставлении с нормальными клетками иногда достигает 100%. Доказано, что развитие онкопатологии может быть остановлено при изменении метилирования определенных генетических сайтов в раковых клетках. Определение специфических профилей метилирования в ряде случаев позволяет прогнозировать развитие рака. Глобальное деметилирование ДНК обычно связывают с хромосомной нестабильностью раковых клеток. Однако в них одновременно может наблюдаться гиперметилирование определенных промоторов генов-супрессоров рака.

· Модификации гистонов.

Гистоны - белки, упаковывающие ДНК в нуклеосомы, из которых формируется ядерный хроматин. Из них гистоны H2A, H2B, H3 и H4 образуют сердцевину нуклеосомы, на которую наматывается ДНК, а гистон H1 связывает нуклеосомы между собой. N-концевые хвостики гистонов могут подвергаться посттрансляционной модификации: ацетилированию, метилированию, фосфорилированию и др. (рис. 6). Ацетилирование гистонов приводит к разрыхлению хроматина, и, соответственно, облегчению транскрипции, повышению экспрессии генов и активации синтеза соответствующих белков. Напротив, их деацетилирование связано со снижением транскрипционной активности. Известно, что у раковых клеток снижен уровень ацетилирования гистона Н4 по лизину в положении 16 (K16-H4). Уровень ацетилирования лизина 9 в гистоне Н3 (K9-H3) изменяется при развитии карцином легких, лимфом и сарком мягких тканей мышей, а также при раке легких, простаты и лейкемии у людей. Уровень триметилирования лизина 20 в гистоне H4 (K20-H4) в раковых клетках обычно снижен.

Рисунок 6. Структура нуклеосомы. Гистоны H2A, H2B, H3 и H4, на которые наматывается ДНК, имеют свободные С- и N-терминальные хвосты. Их посттрансляционная ковалентная модификация может осуществляться в результате ацетилирования лизиновых остатков, метилирование лизиновых и аргининовых остатков, убиквитинирование лизиновых аминокислотных остатков, фосфорилирования сериновых и треониновых остатков, а также ADP-рибозилирования остатков глутаминовой кислоты. Это позволяет регулировать транскрипционную активность соответствующих участков ДНК.

· Регуляция генов на уровне РНК (siРНК, микроРНК).

В последнее время большое внимание специалистов привлечено к изучению роли малых интерферирующих РНК (siRNA) в регуляции генетической активности. Интерферирующие РНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путем моделирования функций полирибосом (несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу РНК) и структуры хроматина.

Относительный вклад генетических и эпигенетических факторов в конкретные формы опухолей варьирует в широких пределах. Недавние исследования привели, однако, к конвергенции этих, казалось бы, непримиримых теорий онкотрансформации клеток. Оказалось, что важную роль в канцерогенезе играют обе составляющие: генетическая и эпигенетическая. Гены-супрессоры и гены репарации ДНК в опухолях могут инактивироваться в результате либо повреждения, либо метилирования промоторов (в последнем случае говорят об "эпимутациях", как об эпигенетическом эквиваленте мутаций, вызывающих такие же функциональные последствия). Становится очевидным, что канцерогенами могут быть не только мутагены, но и другие факторы, воздействующие на клеточный метаболизм.

Давно признано, что одной из основных проблем в терапии рака является неоднородность (гетерогенностью) опухоли, и в частности, наличие нескольких субпопуляций раковых клеток, которые могут обладать свойствами стволовых клеток. Причиной неоднородности клеток опухоли отчасти могут являться вариации эпигеномной структуры хроматина (эпигенома) в клетках-предшественниках опухолей.

Многие вещества имеют свойства эпигенетических канцерогенов: они приводят к увеличению частоты возникновения опухолей, не проявляя при этом мутагенного эффекта (например: арсенит диэтилстилбестрола, гексахлорбензол, соединения никеля). Однако до сих пор не выяснено, как влияют факторы среды на "гистоновый код" и на метилирование ДНК.

В 2008 году Национальный Институт Здоровья США объявил, что в течение следующих 5 лет будет потрачено 190 миллионов долларов на изучение эпигенетики. По мнению некоторых исследователей, эпигенетика может играть большую роль в лечении заболеваний человека, чем генетика.

2.3 Теория химического канцерогенеза

Эта теория рассматривает химические факторы внешней среды как основную причину клеточных мутаций, приводящих к развитию опухоли. Канцерогеном называют фактор, воздействие которого достоверно увеличивает частоту возникновения опухолей (доброкачественных и/или злокачественных) в популяциях человека и животных и/или сокращают период развития этих опухолей.

Канцерогены разделяются на две главных группы: генотоксические канцерогены, которые реагируют непосредственно с ДНК, и эпигенетические, вызывающие изменения ДНК и хроматина без изменения самой последовательности ДНК. Все канцерогены имеют общие свойства:

Их эффекты стойкие, кумулятивные (накапливающиеся) и запаздывающие.

Для возникновения опухолей раздельные дозы канцерогена более эффективны, чем одна большая доза.

Внешние канцерогенные факторы можно разделить на три основные группы: физические, химические и биологические. Механизмы действия внешних канцерогенных факторов на клетку пока окончательно не выяснены. А потому отсутствует возможность получения убедительных доказательств их канцерогенного влияния на организм человека, за исключением разве что аналитических эпидемиологических исследований.

В экспериментах на животных выявлено большое количество потенциально канцерогенных химических веществ: ароматические углеводороды (бензпирен, бензантрацен), ароматические амины (анилиновые красители - нафтиламин), некоторые азотистые соединения, ядохимикаты (гербициды, инсектициды), минеральные удобрения, флавоноиды, асбест и т.п. Источником большинства канцерогенов в окружающей среде являются промышленные выбросы. Через загрязненные грунт, воду, воздух, биологические организмы канцерогены попадают на кожу, в легкие, а с пищевыми продуктами - в внутреннюю среду организма. Канцерогенные вещества также образуются при сгорании табака и вдыхаются при курении.

Из физических факторов особого внимания заслуживают различные виды излучений. В результате ядерных испытаний, аварий на атомных электростанциях, атомных кораблях и подводных лодках, расширение сферы деятельности человека, связанной с использованием источников излучения, больших масштабов приобрело распространение радионуклидов. Они могут попадать в организм с питьевой водой, продуктами питания. А поскольку период полураспада основных радиоактивных элементов (кобальт, цезий, стронций) исчисляется десятками лет, то патогенное действие их в организме хроническое, долго действующее. К этому следует добавить, что вследствие уменьшения озонового слоя атмосферы Земли и повышения солнечной активности увеличивается поток и активность ультрафиолетовых лучей.

Все лучевые и ионизирующие воздействия влияют преимущественно на стадию инициации опухоли. При этом их канцерогенное действие может проявиться через несколько лет и даже десятилетий. Другие канцерогенные факторы, например, иммуносупрессоры влияют главным образом на развитие опухоли, и их канцерогенное воздействие может проявиться уже через несколько месяцев. Однако различия между этими видами канцерогенного воздействия трудно уловить вследствие многофакторности таких влияний.

Все известные к настоящему времени канцерогены являются генотоксическими. В результате взаимодействия канцерогенов с ДНК происходит активация протоонкогенов, что является основным механизмом инициации канцерогенеза. На этой стадии канцероген или его активный метаболит взаимодействуют с нуклеиновыми кислотами (РНК, ДНК) и белками клетки. Повреждения клеточных структур, возникающие вследствие такого взаимодействия, обычно носят генетический характер (изменения в последовательности ДНК или числа хромосом, генные/эпигенетические мутации, хромосомные аберрации и т.д.). После того, как произошли изменения в генетическом аппарате клетки, наличие канцерогенного воздействия для дальнейшего развития неопластического процесса уже не является обязательным.

Однако следует подчеркнуть, что клетки обладают сложной системой репарации повреждений ДНК, вызываемых разнообразными агентами химической и физической природы. Эффективное функционирование этой системы может обеспечить сохранение нормального генотипа клетки даже в условиях, когда клетка подвергается воздействию канцерогенных факторов, поэтому влияние канцерогена наиболее значимо в случае повреждения клеточных систем репарации ДНК.

2.4 Хромосомная теория рака

В 1999 г. Питер Дюсберг из Калифорнийского университета в Беркли создал теорию, согласно которой рак является следствием исключительно анеуплоидии, а мутации в специфических генах не играют значимой роли в канцерогенезе.

Термин "анеуплоидия" использовался для описания изменений, вследствие которых клетки содержат число хромосом, не кратное основному набору, но в последнее время его стали применять в более широком смысле. Теперь под анеуплоидией понимают также укорочение и удлинение хромосом, перемещение их крупных участков (транслокации). Большинство анеуплоидных клеток сразу же погибают, но у немногих выживших тысячи генов оказываются не такими, как у нормальных клеток. Слаженная совокупность ферментов, обеспечивающих синтез ДНК и её целостность, распадается, в двойной спирали появляются разрывы, ещё больше дестабилизирующие геном. Чем выше степень анеуплоидии, тем менее стабильна клетка и тем больше вероятность того, что, в конце концов, появится клетка, способная расти где угодно. В отличие от трех предыдущих теорий, гипотеза изначальной анеуплоидии полагает, что зарождение и рост опухоли в большей степени связаны с ошибками в распределении хромосом, чем с возникновением в них мутаций.

Впервые характерные для опухолей изменения кариотипа (набора хромосом определенной структуры, специфической для данного организма) были обнаружены в клетках хронического миелоидного лейкоза (ХМЛ) - рака крови, обусловленного неконтролируемым делением клеток в костном мозге. В этих клетках в результате переноса длинного плеча хромосомы 22 на длинное плечо хромосомы 9 появляется так называемая филадельфийская (Ph') хромосома. Рh'-хромосома, как и многие другие хромосомные маркеры, не связанные с мутацией в половых клетках, является приобретенным, а не наследуемым признаком.

В последние полтора десятилетия благодаря новым методам приготовления и дифференциальной окраски хромосомных препаратов, позволяющих идентифицировать каждую хромосому в отдельности, специфические изменения кариотипа выявлены в клетках некоторых опухолей человека, главным образом, гемобластозов. При остром миелобластном лейкозе (ОМЛ) происходит транслокация (перемещение) части хромосомы 8 на хромосому 21, или транслокация с 6-й на 9-ю хромосому. Специфические хромосомные изменения обнаружены при острых промиелоцитарном, монобластном и лимфобластном лейкозах, лимфоме Беркитта и т.д. Некоторые специфические нарушения хромосом в костномозговых клетках, отсутствующие в период установления диагноза, появляются в поздние стадии заболевания, т е в ходе прогрессии опухоли, например транслокации между 6-й н 9-й хромосомами при ХМЛ. Однако, для ряда опухолей анеуплоидия не характерна.

2.5 Вирусная теория рака

Обнаружение вирусов в целом ряде злокачественных опухолей, таких как, саркома Капоши, рак шейки матки, рак печени и др. позволило Л.А. Зильберу в 1945 году сформулировать теорию вирусной природы рака. Основным постулатом этой теории является утверждение о том, что геном клетки может нарушаться вследствие активации ингегрированной в него ДНК вируса.

Как известно, вирус представляет собой генетический материал (ДНК или РНК), запакованный в белковую оболочку. Встраиваясь в геном нормальной клетки, он заменяет ДНК (или РНК) клетки, что вызывает генерацию самой клеткой новых копий вируса.

Согласно вирусной теории рака, геном опухолеродного вируса интегрируется в геном нормальной клетки, что вызывает её бесконтрольное деление. Геном вируса, встроенного в ДНК клеток хозяина был назван провирусом. В 70-е годы 20-го столетия в некоторых РНК-содержащих вирусах были обнаружены гены, необходимые для превращения нормальной клетки в опухолевую. Эти гены были названы онкогенами или трансформирующими генами вирусов - v-onc. В дальнейшем копии или аналоги вирусных онкогенов были найдены в геномах нормальных клеток человека и животных, а также была экспериментально доказана способность онкогенов клеток теплокровных встраиваться в геном вируса. В настоящее время большинство онкогенов идентифицировано, установлена их химическая структура, локализация в хромосомах, а также выявлены белки - продукты активности этих генов (табл. 3).

Обнаружено несколько типов вирусов вызывающих возникновение злокачественных опухолей у человека. Среди них вирус папиломы человека (провоцирует развитие рака шейки матки), вирус гепатита В (приводит к гепатоцеллюлярному раку печени), вирус иммунодефицита человека (причина развития саркомы Капоши), вирус Т-клеточного лейкоза человека - ATLV (adult T-cell leukemia virus), вирус Эпштейна-Барра из группы вирусов герпеса, являющийся весьма вероятным этиологическим фактором лимфомы Беркитта и некоторые другие.

Таблица 3. Наиболее значимые онкогены и продукты их активности

Протоонкогены	Онкогены	Функция онкобелка
Ген PDGF - фактора роста тромбоцитов	sis - онкоген вируса саркомы обезьян	Ростовой фактор, аналог фактора роста тромбоцитов
Ген EGF-R - рецептора эпидермального фактора роста	erbB - онкоген вируса эритробластоза птиц	"Обезглавленный" рецептор фактора роста, непрерывно посылающий сигналы к пролиферации
C-ras - ген белка, входящего в систему передачи сигнала в клетку	ras - онкоген вируса саркомы и многих опухолей животных и человека	Цитоплазматический активированный передатчик сигналов в клетку, ведущий к ее пролиферации
c-src - ген тирозинкиназы, критического звена в системе передачи сигнала в клетку	src - онкоген вируса саркомы птиц и млекопитающих	Активированный передатчик сигналов в клетку, ведущий к ее пролиферации
c-myc - ген ядерного транскрипционного фактора	myc - онкоген вируса лейкоза птиц и многих опухолей человека и животных	Ядерный фактор, активность которого ведет к непрерывному делению клеток

Первый онкоген был открыт в 1978 г., его назвали src от слова "саркома". Этот проонкоген кодирует фермент протеинкиназу Src, повышение активности которой превращает нормальные клетки в раковые. Однако при изучении гена src было обнаружено, что этот ген не играет никакой роли в жизни тех вирусов, которые его содержат, но тогда откуда в вирусах взялся ненужный им ген? Оказалось, что ген src не заносится в геном клеток вирусами, а всегда присутствует в клетках человека. Однако в норме этот ген находиться в "молчащем" состоянии, т.е. на нем не синтезируется мРНК и не производится белок. Но если этот ген внесен вирусом, то он начинает работать. Было показано, что включение гена src в геном вируса меняет регуляцию работы этого гена. В геноме вируса перед геном src оказывается очень активный вирусный промотор (последовательность нуклеотидов в ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой, начало транскрипции), наличие которого и делает ген src онкогеном. После встраивания его в таком виде в геном нормальной клетки онкоген начинает активно работать, что приводит к синтезу фермента (рис. 7). Необходимые промоторные участки содержатся в больших терминальных повторах ДНК-копий РНК-содержащих вирусов. В роли активатора структурных генов могут выступать мобильные генетические элементы, способные перемещаться по геному и встраиваться в различные его участки. Они называются транспозирующими элементами генома или энхансерами (enchancer - усилитель). Энхансеры активируют транскрипцию структурного гена, зачастую находясь на расстоянии многих тысяч пар нуклеотидов от него, а иногда они могут быть встроены в хромосому после гена. Подобный образом, например, активируется и затем транскрибируется ген тус.