ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 74, № 2, с. 83-98
УДК 575.1:591.3:616-002:595.773.4
НЕОЖИДАННЫЕ ЭФФЕКТЫ ГЕНОВ-СУПРЕССОРОВ ОПУХОЛИ
В ОНТОГЕНЕЗЕ ДРОЗОФИЛЫ
© 2013 г. Н.Я. Вайсман
Институт цитологии и генетики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 10 e-mail: weisman@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 15.05.2012 г.
Многие из известных генов-супрессоров наряду с защитой тканей от неограниченного деления клеток и формирования неопластических опухолей производят разнообразные эффекты на развитие, жизнедеятельность и приспособленность животных. Плейотропное действие этих генов связано с их первичными функциями, контролирующими ключевые клеточные процессы. В сложных комплексах с другими белками продукты генов-супрессоров формируют клеточные контакты и полярность; участвуют в трансдукции молекулярных сигналов, регулирующих жизненно важные процессы в развивающемся организме; регулируют клеточные цикл, рост и пролиферацию; модулируют сигнальные пути клеточной выживаемости и программированной смерти, защищающие организм от дефектных структур в критических ситуациях. Несмотря на жизненную важность, летальные мутации супрессоров опухоли широко распространены в популяциях животных, в гетерозиготном состоянии сообщая им лучшую по сравнению с нормальными животными приспособленность в природных условиях.
В начале прошлого века дрозофила стала объектом классических генетических экспериментов. После открытия у нее первого гена, вызывающего неоплазию, она служит моделью в интенсивных онкологических исследованиях (Baek, 1999а; Potter et al., 2000; Vidal, Cagan, 2006). Несмотря на впечатляющие достижения молекулярной биологии в области онкологии до сих пор не сложилось единого мнения о причинах и механизмах возникновения, развития и метастазирования неопластических новообразований. Сменяющие друг друга модные теории со временем обнаруживали свою несостоятельность (Harris, 2004, 2005).
Первоначально господствовала онкогенная концепция опухолевой трансформации клеток. Основной ее постулат состоял в том, что онкогены производят свой эффект по доминантному типу и при попадании в клетку вызывают ее перерождение (Huebner, Todaro, 1969). Довольно скоро эксперименты с животными показали, что онкогены не формируют опухоль напрямую, но могут устанавливать предпосылки для этого. Онкогенная модель оказалась ошибочной, но в переходный период от одной теории к другой термин "онкоген" еще долго применяли к генам, вызывающим рак, включая супрессоры опухоли (Baek, 1999b; Harris, 2005).
Первым открытым супрессором опухоли у дрозофилы (tumor suppressor gene, TSG) оказался lethal (2) giant larvae (lgl). Его летальная мутация была обнаружена в опытах по мутагенезу Брид-жесом еще в 1920-х годах (Stern, Bridges, 1926; Hadorn, 1937), позднее была установлена связь между мутациями lgl и образованием опухоли (Gateff, Schneiderman, 1967). Этот ген привлек внимание многих исследователей, изучающих механизмы неоплазии (Gateff et al., 1977; Mechler et al., 1985; Jacob et al., 1987; Baek, 1999b). В результате последующих многочисленных экспериментов у животных был обнаружен целый ряд других супрессоров опухоли (Gateff, 1994; Watson et al., 1994; Gateff et al., 1996; Hariharan, Bilder, 2006; Menut et al., 2007). Сформировались новые представления о путях возникновения новообразований, хотя приверженцы Хебнера и Тодоро (Huebner, Todaro, 1969) по-прежнему предлагают схемы возможных взаимодействий между онкогенами и супрессорами (Kopnin, 2000; Brumby, Richardson, 2005; Vidal, Cagan, 2006; Lelievre, 2010).
Новая парадигма канцерогенеза состояла в том, что опухоль возникает вследствие утраты, а не усиления активности гена, и его генетические функции выявляются на основе фенотипов
мутантных по супрессорам опухоли гомозиготных животных. Такие мутации одноступенчато вызывают неопластическое перерождение специфических клеточных типов, действуя на ранних стадиях развития. Нормальные аллели TSG запрещают формирование новообразований (Gateff, Schneiderman, 1967; Baek, 1999а; Ajioka, Dyer, 2008).
Установлена высокая степень гомологии между TSG человека и генами дрозофилы, мыши, крысы, нематоды и дрожжей. Филогенетический анализ некоторых TSG позволил предположить, что семейства белков-супрессоров опухоли возникли в начале формирования многоклеточных животных (Golovina et al., 2005; Омельянчук, Перцева, 2010). Мутации многих ортологов человеческих TSG у других животных не вызывают безграничной пролиферации. У дрозофилы супрессорами опухоли называют только те гены, мутации которых приводят к неконтролируемой пролиферации и разрастанию тканей (Bilder, 2004).
В новейшей истории в качестве первопричины возникновения неоплазии рассматриваются нарушения клеточной полярности и адгезии у животных с мутациями по генам супрессорам опухоли. Вследствие этих нарушений сообщения между соседними клетками и матриксом разрушаются, изменяются морфология клеток и тканей и регуляторные сигнальные пути запрограммированной клеточной смерти и выживаемости, что, как правило, обнаруживается в раковых клетках (Compagni, Christofori, 2000; Braga, Harwood, 2001; Bilder, 2004; Nagasaka et al., 2006; Beierle et al., 2010; Golubovskaya, 2011).
ПОЛЯРНОСТЬ - УНИВЕРСАЛЬНОЕ
СВОЙСТВО КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ
Для выполнения своих функций клетки животных специализируются и приобретают специфическую форму и внутреннюю организацию, которая у большинства клеток предусматривает определенную степень поляризации. Клеточной полярностью определяется решение вопроса о выборе между пролиферацией и дифференциров-кой в популяциях стволовых и раковых клеток, разделение клеточных типов и тканей во время развития, поддержание гомеостаза и нормальной физиологии взрослых сложных организмов. В настоящее время выявлены основные черты формирования полярности и ее поддержания. Несмотря на огромное разнообразие клеточных типов у животных, схемы поляризации в них сходны на генетическом и клеточном уровнях с некоторыми вариациями локализации, функций и взаимодействий между белковыми комплексами, которые
зависят от клеточного контекста. Полярность в разных клеточных типах регулируется небольшим числом эволюционно консервативных белковых комплексов. Функции и взаимоотношения между этими комплексами установлены для небольшого числа клеточных типов (Bilder, 2004; Suzuki, Ohno, 2006; Fichelson et al., 2010).
Начинается поляризация клеток с формирования одной или нескольких осей полярности в ответ на внутренние или внешние сигналы. Сначала в мембране образуются функциональные неперекрывающиеся субдомены вдоль этих осей. Формирование доменов мембраны с разным белковым составом - основная примета клеточной полярности. Затем поляризация от мембраны переходит на внутреннюю организацию клетки через активность клеточных сигнальных путей и актинового цитоскелета. Полярность клеток выражается в ассиметричном распределении белков между апикальным и базальным полюсами мембраны (Cox et al., 2001; Hutterer et al., 2004; Lee et al., 2006; Atwood et al., 2007).
На основании огромного числа данных установлено, что ключевым регулятором поляризации клеток от нематоды до млекопитающих является эволюционно консервативный белок атипическая киназа (atypical protein kinase C, serine/threonine kinase, aPKC) в комплексе с другими белками. Формированию дополняющих друг друга уникальных мембранных доменов вдоль передне-задней оси клетки способствует активность локализованной на апикальном полюсе клетки молекулярной системы PAR-3 - PAR-6 - aPKC при взаимном антагонистическом взаимодействии с детерминантами, локализованными в базальном отделе клетки. Иерархическая регуляция активности приводит к неравномерному распределению комплексов в пределах плазматической мембраны и установлению границ между ее доменами. В отсутствие апикальных белков, их гиперэкспрессии или эктопической локализации нарушается расположение базальных детерминантов, и они локализуются по всей внутренней мембране или обнаруживаются в цитоплазме. У зиготических нуль-aPKC мутантов дрозофилы дефекты апикально-базальной полярности нейробластов и морфологии клеток эпителия имагинальных дисков появляются на средних личиночных стадиях, и они становятся нежизнеспособными (Ohno, 2001; Suzuki et al., 2001; Rolls et al., 2003; Suzuki, Ohno, 2006; Tian, Deng, 2008).
Регулируя формирование клеточной полярности в разных тканях дрозофилы, aPKC действует антогонистически по отношению к супрессору
неопластической опухоли lgl. Активность супрес-сора опухоли lgl в качестве регулятора клеточной полярности хорошо изучена в разных типах тканей дрозофилы и мыши. Нормальный аллель lgl кодирует полипептид с разными типами мотивов для взаимодействия с другими белками и формирования мультимерных комплексов (Torok et al., 1993). Белок Lgl инактивируется и высвобождается из апикального домена мембраны после фос-фориллирования киназой aPKC, оставаясь активным в базо-латеральном домене. В свою очередь белок Lgl способствует поляризации активности aPKC, ингибируя перемещение aPKC из апикального в базальный домен клеточной мембраны. В lgl-мутантных нейробластах обнаруживается эктопическая экспрессия aPKC в базальном домене (Hutterer et al., 2004; Betschinger et al., 2005; Vasioukhin, 2006; Yamanaka et al., 2003, 2006; Prehoda, 2009; Atwood, Prehoda, 2009; Grzeschik et al., 2010).
БЕЛОК Lgl - РЕГУЛЯТОР ПОЛЯРНОСТИ И КЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ
Гомологи генов par-3 (bazooka, baz), par-6 (DmPar-6), pkc-3 (DaPKC) и ген lgl у дрозофилы генерируют клеточную полярность в предшественниках разных типов клеток в развивающихся эмбрионах, когда наблюдается наибольшая экспрессия Lgl (Mechler et al., 1985). Клеточная поляризация вдоль апикально-базальной оси является фундаментальным свойством нейробла-стов зародыша и личинки. Со времени открытия участников поляризации нейробласты животных служат модельной системой и интенсивно исследуются. Нейробласты первоначально возникают из поляризованных клеток эмбрионального эпителия, нейроэктодермы, затем мигрируют во внутреннюю среду и подвергаются асимметричным делениям, формируя нервну
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.