О молекулярных механизмах возникновения опухолей
Ф.Л.Киселев
Первое десятилетие ХХ! в. принесло ошеломляющие данные о механизмах возникновения опухолей и изменили наши представления об этих болезнях. Какие подходы к диагностике и терапии открыли новые знания? Попытаюсь рассказать обо всем этом.
Немного истории
Возникновение молекулярной онкологии во второй половине прошлого века было связано с обнаружением двух типов генов: стимулирующих клеточный рост (онкогенов), и, наоборот, ограничивающих его (генов-су-прессоров) [1]. Как тогда предполагали, именно взаимодействие этих генов служит основной причиной неконтролируемого роста клеток, т.е. появление опухоли. Такие революционные для онкологии факты имеют свою историю.
Огромную роль в развитии молекулярной онкологии, на мой взгляд, сыграла вирусная теория происхождения опухолей, высказанная Л.А.Зильбе-ром* в середине 40-х годов и спустя 20 лет получившая всеобщее признание как вирусогене-
* О том, как в тюремных застенках эта идея пришла в голову Л.А.Зильберу, можно прочитать в книге: Киселев Л.Л., Левина Е.С. Лев Александрович Зильбер. М., 2004.
© Киселев Ф.Л., 2014
Федор Львович Киселев, член-корреспондент РАМН, профессор, доктор биологических наук, руководитель отдела трансформирующих генов опухолей НИИ канцерогенеза Онкологического научного центра им.Н.Н.Блохина. Занимается изучением молекулярных механизмов канцерогенеза.
тическая теория происхождения опухолей [2, 3]. Ее основные положения гласили:
— все опухоли человека вызываются вирусами;
— вирус лишь инициирует перерождение нормальной клетки в опухолевую;
— вирусная нуклеиновая кислота встраивается в геном клетки, модифицируя ее генетическую программу так, что клетка становится бессмертной.
Первый и единственный вирус у человека выделили в конце 60-х годов у детей, страдающих одной из форм онкологической болезни в Африке, — это был вирус лимфомы Беркитта. В 70—80-х годах вирусная теория продолжала свое триумфальное шествие — было обнаружено большое количество РНК- и ДНК-вирусов, вызывающих опухоли у самых различных видов млекопитающих и птиц.
Изучение РНК-содержащих онкогенных вирусов позволило сделать новый, принципиальный шаг в понимании механизмов злокачественного роста. У птиц эти вирусы делятся на две основные группы: вызывающие либо лейкозы, либо саркомы.
Оказалось, что РНК вируса куриной саркомы Рауса, приводящего к развитию опухоли у птиц и к злокачественному перерождению (трансформации) культивируемых клеток, содержит фрагмент, который отсутствует в РНК лейкозных вирусов. Выяснилось, что именно он отвечает за трансформацию клеток, способных к неограниченному размножению в культуре клеток, а при введении чувствительным животным вызывает у них опухоли. Фрагменты генома со сходными свойствами обнаружили во всех РНК-содержа-
щих вирусах, инициирующих опухоли, и назвали их онкогенами. За эти работы, выполненные в конце 70-х годов, М.Бишоп и Х.Вармус в1989 г. были удостоены Нобелевской премии*.
Изучение генома опухолевых клеток, зараженных саркомными вирусами, принесло новую сенсацию — гомологи вирусных онкогенов есть во всех нормальных клетках. Естественно возник вопрос: почему же в них не проявляется онкогенный потенциал? И проявляется ли он вообще? И если да, то как?
Гены-активаторы и гены-супрессоры
Изучение структуры клеточных онкогенов (про-тоонкогенов), их локализации на хромосомах, роли в жизни клетки и возможных механизмов активации показало, что протоонкогены действительно могут осуществлять контроль за делением клеток [1 — 3]. В качестве индукторов клеточного размножения молчащие протонкогены способны активироваться в результате следующих генетических процессов:
— точечных мутаций в кодирующих последовательностях онкогена, что изменяет структуру его белкового продукта, соответственно и взаимодействие белка с мишенью;
— перемещения отдельных фрагментов между хромосомами (транслокации);
— амплификации гена (увеличение его копий-ности);
— усиления работы некоторых онкогенов во многих опухолях, т.е. повышенный синтез белкового продукта.
Важным шагом стало также выяснение роли онкобелков при прохождении сигнала к делению (активной пролиферации) от клеточной поверхности в ядро. В результате были выделены четыре группы таких белков. В первую входили внеклеточные ростовые факторы; во вторую — продукты онкогенов, служащие рецепторами для этих факторов (рецепторные тирозинкиназы); в третью — онкобелки (кодируемые онкогенами семейства RAS и большая группа серин-треониновых киназ), осуществляющие передачу ростового сигнала в ядро; в четвертую — продукты ядерных онкогенов (MYC, JUN, MYB), способные контролировать синтез ДНК. Особенно интересны киназы, которые фосфорилируют белки-мишени по тирозину, также по двум другим аминокислотам — серину и треонину.
Итак, к концу прошлого века стало ясно, что в геноме нормальных клеток имеется достаточно большое количество генов — потенциальных индукторов опухолевого роста. Они функциониру-
* Лауреаты Нобелевской премии 1989 года. По физиологии или медицине — М.Бишоп и Х.Вармус. Киселев Л.Л. // Природа. 1990. №1. С.96—98.
ют на разных этапах передачи сигнала к размножению клеток, а их активация может приводить к бесконтрольному клеточному делению, т.е. к образованию опухоли.
Другая группа генов — это супрессоры опухолевого роста [4]. Первый из них — ген ретинобла-стомы (ЯЬ). Его существование постулировал в 1971 г. А.Кнудсон, изучая спорадические и наследственные формы опухолей сетчатки глаза (ретинобластомы) [5]. Цитогенетическими исследованиями на хромосоме 13 была обнаружена небольшая делеция, в которой затем идентифицировали ген ЯЬ (он был либо утерян, либо инакти-вирован в ретинобластомах). Позднее ген ЯЬ клонировали. Он обладает супрессорным эффектом на трансформированные клетки и работает во всех нормальных клетках, в которых его продукт (pRb105) обратимо фосфорилирован. В неделя-щихся клетках он теряет остаток фосфорной кислоты и образует комплексы с белками (гистоно-выми деацетилазами — HDAC), вызывающими изменения хроматина, и с транскрипционными факторами семейства Е2Е
Эти факторы — основные регуляторы синтеза белков, контролирующих нормальный клеточный цикл. Транскрипция их генов подавлена, когда фактор Е2Б находится в комплексе с Rb/HDAC. При митогенном сигнале в начальной фазе ^1) клеточного цикла белок Rb фосфорилируется одной из циклин-зависимых киназ (ферментов, регулирующих клеточный цикл), а фактор E2F, кото-
Функции гена-супрессора Rb в клетках. CDK4/6 — одна из циклин-зависимых киназ, регулирующих активность этого гена; p16 — ингибитор киназы; E2F — транскрипционный фактор, играющий ключевую роль в транскрипции. Внизу приведены основные фазы клеточного цикла: G0 — клеточного покоя, G1 — подготовки к синтезу ДНК, S — репликации ДНК, G2 — активного роста клеток, М — фаза деления клетки (митоз).
рый активирует многие гены, в том числе и необходимые для синтеза ДНК, освобождается. После перехода клетки в S фазу белок Rb теряет остатки фосфорной кислоты (дефосфорилируется). Кроме клеточного цикла ген Rb через свой продукт участвует в дифференцировке клеток, репарации ДНК и ее репликации, а также в регуляции апоптоза. Таким образом, ген Rb, модулируя через свой белок активность транскрипционного фактора Е2Б и регулируемых им генов, играет ключевую роль в контроле последовательных событий, обеспечивающих жизненный цикл клетки. Значительная часть мутаций гена Rb (кроме ретинобластомы они обнаружены и в других опухолях) приводит либо к потере его функций, либо к прекращению синтеза РНК, либо к образованию белка с измененной структурой. Транскрипционный фактор Е2Б при этом находится в перманентно активированном состоянии. В итоге негативная регуляция клеточной пролиферации прекращается.
Еще один широко распространенный ген-су-прессор опухолевого роста кодирует белок с молекулярной массой 53 кДа, отсюда и его название — р53 [4 ]. В опухолях человека этот ген наиболее подвержен мутациям — они обнаруживаются более чем в 50% случаев и распределены по всему гену. В нормальных, неделящихся клетках p53 обладает очень слабой транскрипционной активностью. Модификации, происходящие при стрессах или внутриклеточных повреждениях, которые изменяют структуру белка, существенно увеличивают транскрипционный потенциал p53. Основными мишенями при этом служат белки, контролирующие апоптоз и клеточный цикл. Следовательно, р53 в случае каких-либо серьезных воздействий на ДНК отвечает за «охрану» клеток: либо индуцирует репарацию повреждений, либо ос-
танавливает клеточный цикл, либо стимулирует клетки с измененным геномом к апоптозу.
В настоящее время имеется более 100 генов-мишеней для транскрипционной активности р53. Среди них можно выделить несколько функционально различных групп: контролирующие через свои продукты апоптоз; ангиогенез (формирование новых сосудов в опухоли); регулирующие клеточный цикл (это циклины, циклин-зависи-мые киназы и их ингибиторы); морфологию и/или миграцию клеток. Одна из важных функций р53 — репрессия гена каталитической субъединицы теломеразы, фермента, важного в репликатив-ном старении клеток. Следовательно, изменение активности гена р53 обеспечивает появление характерных для неопластических клеток свойств, которые за короткий срок меняют их генетическую программу. Это объясняет тот факт, что в опухолях различных типов мутации в р53 встречаются чаще, чем в других генах. Упомянутые гены-су-прессоры не единственные, к настоящему времени их обнаружено больше 10 и с каждым годом их количество возрастает, причем их функциональная активность специфична для разных опухолей.
Исследования генов, которые через кодируемые ими белки контролируют пролиферацию клеток и играют главную роль в их бесконтрольном делении, проведенные в основном в конце прошлого столетия, убедительно показали, что рак — заболевание генетического аппарата клеток. Следовательно, точные знания обо всех генетических составляющих канцерогенеза и сравнения нуклеотидных последовательностей ДНК в опухолевых и нормальных клетках совершенно необходимы. Т
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.