Период после Второй мировой войны
В 1947 г. Беремблюм и Шубик, используя ароматические углеводороды и кротоновое масло, показали, что развитие рака кожи у мышей носит сложный характер. При раздельном применении в низких дозах ни одно из этих веществ не обладало карциногенным эффектом. Однако при совместной их аппликации наблюдалось развитие неоплазм, причем углеводороды должны были применяться первыми. Полученные данные свидетельствовали, что развитие рака представляет собой многостадийный процесс. Начальная стадия карциногенеза была обозначена авторами как инициация, тогда как вторая – как промоция, причем каждая из стадий ассоциировалась с одним или несколькими генетическими событиями. Позднее Фулдс (1954), изучая аденокарциному у мыши, ввел понятие «опухолевая прогрессия». С тех пор процесс формирования опухолей принято подразделять на стадии инициации, промоции и прогрессии.
Согласно современным представлениям стадия инициации связана с повреждениями ДНК клетки, которые не были исправлены системами репарации. На этой стадии клетки, которые еще нельзя считать опухолевыми, могут сохраняться длительное время и в любой момент начать пролиферацию, формируя клеточный клон с необратимыми генетическими или эпигенетическими событиями. Такой клеточный клон может появиться в организме спонтанно или под воздействием физических или химических факторов, а также вирусов и других патогенов.
|
|
|
На стадию промоции клон инициированных клеток переходит под воздействием веществ, которые усиливают пролиферацию, способствуя тем самым фиксации как мутаций в ДНК, так и нарушений экспрессии генов. Эффективность промотеров зависит от их концентрации и времени воздействия на клетки. Некоторые из них, в частности, бензол и мышьяк, могут вызывать развитие опухолей без стадии инициации. У клеточного клона, перешедшего на стадию промоции, нарушается баланс между делением и апоптозом, что приводит к его усиленному росту.
Стадия прогрессии характеризуется дальнейшей малигнизацией клеток, которая детерминирована генетическими и эпигенетическими механизмами. Эта стадия отличается быстрым автономным ростом опухоли, высоким фенотипическим разнообразием составляющих ее клеток, приобретением способности к инвазии и метастазированию. Важным условием роста злокачественной опухоли является прорастание в нее сосудов.
Вторая половина XX века в онкологии отмечена появлением теории конвергенции (Гринштейн, 1951). Согласно этой теории в ходе канцерогенеза наблюдается процесс, обратный дифференциации клеток, который приводит к прогрессирующей потере опухолями тканеспецифических свойств. В результате все опухоли становятся похожими друг на друга как по морфологическим, так и по биохимическим признакам вне зависимости от их тканевого происхождения. Более детальное изучение этого аспекта канцерогенеза показало, однако, что наряду с конвергенцией признаков развитие опухоли сопровождается также и противоположной тенденцией, или дивергенцией, которая заключается в приобретении ими некоторых новых и уникальных свойств.
|
|
|
Дальнейшим развитием теории конвергенции стало учение о прогрессии опухолей, выдвинутое Фулдом (1969), согласно которому ее развитие сопровождается возрастанием автономности опухоли и усилению ее отличий от исходной ткани. Морфологически прогрессия опухоли проявляется в утрате ею тканевых и органных признаков, что приводит постепенному снижению уровня ее дифференцировки. В ходе опухолевой прогрессии наблюдается упрощение спектра ферментов, а также утрата специфических клеточных рецепторов к гормонам и другим молекулярным сигналам. В результате опухоли становятся независимыми от регулирующих воздействий со стороны интегрирующих систем организма и приобретают способность к неограниченному росту.
|
|
|
Следующей концепцией, которая внесла существенный вклад в понимание механизмов опухолевой прогрессии, явилась теория аномальной экспрессии генов Вайнхауза (1972). В его лаборатории было обнаружено, что скорость роста и степень дифференцировки гепатом обратно пропорциональна активности ряда ферментов, экспрессия которых характерна для нормальной печени. У злокачественных опухолей вместо нормальных часто активируются эмбриональные формы этих ферментов. Например, в медленно растущих высоко дифференцированных гепатомах активна нормальная форма пируваткиназы, тогда как в быстрорастущих низко дифференцированных опухолях активность этой формы минимальна. В то же время активность эмбриональной формы пируваткитназы практически отсутствует в нормальной ткани, резко повышаясь у быстро растущих низкодифференцированных гепатом. Аналогичным образом ведут себя и некоторые эмбриональные антигены, в частности альфа-фетопротеин (Абелев, 1971). Таким образом, эти исследования подтвердили ту точку зрения, что злокачественные опухоли обладают высокой фенотипической гетерогенностью, которая обусловлена аномальной экспрессией генов.
|
|
|
В последней четверти XX века дальнейшее развитие получила химическая теория карциногенеза. В частности, американский биохимик Брюс Эймс разработал простой, но весьма чувствительный метод тестирования химических веществ на мутагенность. В этом методе используется мутантный штамм бактерии Salmonella tymphimurium, не способный синтезировать одну из ключевых аминокислот – гистидин. Если этим штаммом засеять среду без гистидина, но с добавлением тестируемого вещества, на ней будут появляться только колонии, состоящие из бактерий с мутацией, которая восстановила способность синтезировать гистидин. Число колоний равно числу ревертантов, что позволяет проводить количественную оценку мутагенного эффекта.
В серии работ, опубликованных в период 1973-1979 гг. Эймс идентифицировал множество мутагенов, включая пестициды и косметические средства. Он также установил, что большинство канцерогенов являются одновременно и мутагенами. Эти исследования позволили разрушить барьер между химической и мутационной теориями, поскольку стало ясно, что канцерогены вызывают образование опухолей благодаря своим мутагенным свойствам.
Одновременно с химической и мутационной теориями, развивалась также и вирусная теория канцерогенеза. В 1961 г. Ренато Дульбекко показал, что ДНК-содержащие вирусы семейства Papovaviridae вызывают неопластическую трансформацию клеток путем интеграции с их геномом. В 1970 г. независимо друг от друга Дэвид Балтимор и Говард Темин обнаружили онкогенные вирусы, которые имеют фермент, способный синтезировать ДНК на матрице РНК. Образованная с помощью этого фермента, ревертазы, ДНК встраивается в ДНК зараженной клетки и реплицируется вместе с ней. Она либо может вызывать опухолевую трансформацию клеток, либо служить матрицей для синтеза РНК нового поколения вирусных частиц. В настоящее время РНК-содержащие онкогенные вирусы образуют семейство Retroviridae, к которому, в частности, относится и вирус иммунодефицита человека – ВИЧ. За исследования онкогенных вирусов и открытие ревертазы Дульбекко, Балтимор и Темин получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1975 г.
В 1976 г. Майкл Бишоп и Гарольд Вармус, исследуя вирус саркомы Рауса, обнаружили, что вирусный ген src имеет клеточное происхождение, его исходный вариант в клетке контролирует ее рост и деление. В дальнейшем было установлено, что нормальные клетки содержат в своем геноме протоонкогены, которые могут превращаться в онкогены, способные обеспечивать опухолевую трансформацию клеток. Это открытие ознаменовало появление новой концепции канцерогенеза – теории онкогена.
Протоонкогены кодируют четыре типа полипептидов: факторы роста, рецепторы факторов роста, сигнальные молекулы и факторы транскрипции.
Факторы роста секретируются для стимуляции деления тех клеток, которые имеют соответствующие рецепторы на плазмалемме. Примером может служить тромбоцитарный фактор роста (platelet-derived growth factor, PDGF), состоящий из двух субъединиц (AA, ВВ или AB). Он выделяется тромбоцитами в процессе свертывания крови и стимулирует пролиферацию фибробластов, что необходимо для заживления ран. Геном вируса саркомы обезьян может распространять онкоген sis, который является точной копией гена, который кодирует субъединицу B этого фактора роста. Было показано, что конститутивная экспрессия этого гена в фибробластах вызывает опухолевую трансформацию этих клеток. Другими примерами служат фактор роста нервов (NGF), фактор роста эпидермиса (EGF), фактор роста фибробластов (FGF) и т.д.
Рецепторы факторов роста представляют собой молекулярные комплексы, которые встроены в плазмалемму и состоят из трех частей: наружного рецепторного домена, трансмембранного домена и внутреннего домена, обладающего каталитической активностью тирозин-киназы. Функционирование комплекса включает в себя связывание молекулы фактора роста рецепторным доменом, что вызывает активацию тирозин-киназы, которая начинает фосфорилировать цитоплазматические белки-мишени. Это, в свою очередь, вызывает цепь биохимических событий, приводящих к запуску пролиферации. К этому типу протоонкогенов относятся erb B , erb B -2 , fms , kit , met , ret , ros и trk . Мутации в этих генах также приводит к постоянной стимуляции деления клеток.
Сигнальные молекулы (трансдьюсеры) передают сигнал в клеточное ядро. Обнаруженный первым окоген src как раз контролирует один из каскадов сигнального пути. Протоонкогены этого типа подразделяются на две группы: нерецепторные протеинкиназы и ГТФ-связывающие G-белки. В первую группу входят тирозин-киназы (протоонкогены abl , lck и src) и серин/треонин-киназы (протоонкогены raf -1 , mos и pim -1). Вторая группа состоит из генов мономерных G-белков (протоонкогены H - ras, K - rasи N - ras) и генов гетеротримерных G-белков (протоонкогены gsp и gip). Мутации в этих генах могут приводить к неконтролируемой пролиферации клеток.
Факторы транскрипции представляют собой белки клеточного ядра, которые регулируют экспрессию генов. Они связываются с последовательностями нуклеотидов или вторичными структурами ДНК, что активирует или подавляет транскрипцию определенного гена. К ним относятся такие протоонкогены как erb A , ets , fos , jun , myb и c - myc. Факторы транскрипции являются конечным звеном в системе регуляции экспрессии генов внеклеточными сигнальными молекулами наподобие факторов роста или гормонов. Например, протоонкоген erb A кодирует связанный с ДНК рецептор трийодтиронина (Т3) – гормона, который синтезируется клетками щитовидной железы и, поступая в клеточное ядро, повышает уровень экспрессии активных генов.
Активация онкогена обеспечивается такими событиями как точечная мутация, амплификация или перестройка хромосомы, следствием которых могут быть нарушения структуры протоонкогена или усиление его экспрессии. В ряде случаев для превращения нормальной клетки в опухолевую достаточно экспрессии одного онкогена, как это наблюдается при заражении клеток вирусом саркомы Рауса, несущим онкоген src. Обычно, однако, для опухолевой трансформации необходимо взаимодействие нескольких онкогенов. В частности, в 1981 г. в лаборатории Роберта Вайнберга было установлено, что нормальные фибробласты могут быть трансформированы в опухолевые клетки путем одновременной экспрессии онкогена H-ras и генов, контролирующих каталитическую субъединицу теломеразы и большой T-антиген онкогенного ДНК-вируса SV40. Чаще всего трансформация клеток обеспечивается сочетанием двух и более онкогенов, контролирующих белки, как цитоплазмы, так и клеточного ядра. Исследования последних лет свидетельствуют, что онкогены не только стимулируют неконтролируемую пролиферацию клеток, но также изменяют картину экспрессии генов с помощью таких эпигенетических механизмов как химические модификации структуры ДНК и белков хроматина.
Кроме онкогенов, которые стимулируют опухолевую трансформацию клеток, имеются также гены, подавляющие рост опухолей. Первый такой ген был обнаружен при изучении редкого заболевания – ретинобластомы детей. Большинство случаев заболевания представляет собой спорадическую форму опухолей сетчатки одного глаза у детей в возрасте 1-4 лет. Остальные 30-40% пациентов относятся к наследственной форме, которая проявляется раньше и поражает чаще оба глаза. В 1971 г. на основе статистического анализа большого числа случаев ретинобластомы американский генетик Альфред Кнудсон (1922-2016) предположил, что спорадическая форма заболевания возникает в результате дефекта обеих аллелей гена, обозначенного им как RB1. Согласно его концепции сначала из-за мутации отключается одна аллель гена RB1 в одном эмбриональном зачатке глаза. Позднее другая мутация вызывает дефект второй аллели в том же клеточном клоне. Наследственная форма заболевания отличается тем, что дефектная аллель уже получена от одного из родителей, и поэтому для возникновения заболевания достаточно всего одной мутации гена RB1. Дефектная аллель содержится во всех клетках, что объясняет характерное для наследственной формы поражение обоих глаз.
В 1983 г. Кейвни и Уайт идентифицировали ген RB 1 на хромосоме 13 и подтвердили гипотезу Кнудсона. В дальнейшем было показано, что у обеих форм заболевания отключение аллели может быть следствием целого ряда генетических и эпигенетических событий, но наиболее часто встречаются крупные делеции и утрата всей хромосомы. Продукт гена RB 1 играет ключевую роль в регуляции клеточного цикла, задерживая пролиферацию на границе G1 и S-периодов. Соответственно, его отключение или утрата приводят к неконтролируемой пролиферации клеток. Позднее было показано, что введение гена RB 1 подавляет рост опухолей, поскольку кодируемый им белок блокирует пролиферацию опухолевых клеток.
Другим геном-супрессором опухолей является ген TP 53, который называют «хранителем генома». Как и в случае с RB 1 , наследование мутантной аллели этого гена повышает вероятность развития злокачественной опухоли, поскольку для этого достаточно одной мутации во второй аллели. Такие люди имеют синдром Ли-Фраумени, при котором после 50 лет вероятность развития рака возрастает в 25 раз по сравнению с остальными. Спектр опухолей у пациентов с этим синдромом Ли-Фраумени довольно широк и включает саркомы, карциномы груди, прямой кишки и легкого, лейкозы, опухоли головного мозга и т.п. Белок р53 предотвращает развитие опухоли, останавливая пролиферацию в контрольной точке G1/S или запуская апоптоз. Более 50% опухолей человека имеют мутацию в гене TP 53.
В сохранении целостности генома принимают участие также гены BRCA 1 и BRCA 2. Продуктами этих генов являются белки клеточного ядра, которые входят в состав комплекса RAD-51 системы репарации двойных разрывов ДНК путем гомологичной рекомбинации. Они взаимодействуют также с p53 в контрольной точке клеточного цикла G1/S. Большая часть мутаций BRCA 1 и BRCA 2 приводит к сдвигу рамки считывания, что нарушает синтез кодируемых ими белков. Как и в случае других генов-супрессоров опухолей, передаваемая по наследству мутация одной аллели генов BRCA 1 и BRCA 2 значительно повышает риск дефекта или утраты другой аллели в процессе развития опухоли. Около 10% случаев рака молочной железы и яичников объясняются передаваемой по наследству мутацией одного из этих генов.
Таким образом, согласно современному варианту теории соматических мутации, опухоли формируются как результат бесконтрольного размножения клеток, обусловленного мутациями и нарушениями экспрессии онкогенов, генов-супрессоров опухолей и генов репарации ДНК.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 88; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!