Химическая теория канцерогенеза

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Первые наблюдения рака легкого у рудокопов Саксонии под названием «Шнеебергская легочная болезнь» принадлежат швейцарскому врачу и алхимику Теофрасту Парацельсу (1493-1541). Он также разработал собственную теорию канцерогенеза, полагая, что опухоли возникают при избытке минеральных солей в крови.

Профессор медицины из университета в Падуе Бернардино Рамадзини (1633-1714) в работе «О болезнях рабочих» (1713) отметил высокую частоту встречаемости рака груди у монахинь и отсутствие у них рака матки, предположив, что причиной этого является половое воздержание. В 1761 г. английский врач Джон Хилл (1714-1775) обнаружил связь между употреблением нюхательного табака и раком дыхательных путей. В 1775 г. лондонский хирург Персиваль Потт (1714-1788) описал рак мошонки как профессиональное заболевание трубочистов. Эти исследования заложили основы химической теории канцерогенеза.

Начало XX в. было ознаменовано появлением экспериментальной онкологии. В частности, дальнейшее развитие получила теория химического канцерогенеза, которая первоначально была основана только на клинических данных. В 1905 г. японский патолог Кацусабуро Ямагива (1863-1930) опубликовал статью «К гисто- и патогенезу опухолей желудка», содержащую гипотезу, что продолжительное раздражение эпителия вызывает патологические изменения, переходящие в карциному. В серии экспериментов, проведенных в 1914-1917 гг., он со своим ассистентм К. Ичикавой исследовал влияние хронического раздражения эпителия путем аппликации каменноугольной смолы на уши кролика. Полученные результаты были представлены в статье «Экспериментальное исследование патогенеза карциномы», которая вышла в 1917 г. Было установлено, что продолжительное воздействие смолы на внутреннюю поверхность ушей кролика вызывает у большинства животных образование опухолей размером 5-20 мм. Через 15 лет английские химики выделили из каменноугольной смолы вызщывающие опухоли канцерогены бензпирен и 2-нафтиламин (J.W.Cook et al., 1933). В дальнейшем было обнаружено много других органических и неорганических веществ, которые обладают способностью вызывать опухолевую трансформацию клеток. В большинстве случаев они прями или косвенно, через цепочку химических превращений воздействуют на молекулу ДНК.

Химические канцерогены

Вещество	Мишени	Поражаемые органы
Бенз(а)пирен	ДНК	Кожа, легкие, желудок
2-ацетиламинофлуорол	генотоксичность	Печень, мочевой пузырь
4-аминобифенол	генотоксичность	Мочевой пузырь
2-нафтиламин	генотоксичность	Мочевой пузырь
N-нитрозодиметиламин	ДНК	Печень, почки, легкие
Эфиры N-метилкарбамида	хромосомы	Печень, почки, семенники
Трихлорэтилен	пролиферация	Почки, печень, легкие
Ртуть	репарация ДНК	Кожа, легкие, печень и др.
Кадмий	репарация ДНК	Кожа, легкие, простата
Никель	ДНК и гистоны	Легкие, носоглотка
Афлатоксин B1	РНК и белки	Печень
Асбест	РНК и белки	Легкие

В начале 70-х гг. американский биохимик Б. 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 установил, что большинство канцерогенов, но не все, являются одновременно и мутагенами. Эти исследования позволили преодолеть барьер между химической и мутационной теориями, поскольку стало ясно, что канцерогены вызывают образование опухолей благодаря своим мутагенным свойствам.

3.4 Вирусная теория канцерогенеза

Вскоре после открытия вирусов Дмитрием Ивановским (1892) итальянский врач Джузеппе Чиуффо в 1907 г. обнаружил, что очищенный от клеток фильтрат из бородавок способен вызывать заболевание повторно. В 1908 г. ученые из Дании Вильгельм Эллерман и Олаф Банг установили, что фильтрат из лейкозных клеток цыпленка вызывает заболевание у здоровых живоьтных. В 1911 г. Пейтон Раус из Рокфеллеровского Института в США, сообщил, что фильтрат из клеток саркомы кур породы Плимут Рок способен вызывать злокачественные опухоли у здоровых птиц. Это открытие положило начало вирусной теории канцерогенеза, а его автору в 1966 г. была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

В 1936 г. Джон Биттнер сообщил о существовании отдельных линий мышей с высокой частотой возникновения рака молочной железы. Более того, если самкам этих линий подсадить на выкармливание новорожденных мышей из устойчивых к раку линий, последние также становятся склонными к раку молочной железы. Биттнер показал, что в молоке самок раковой линии содержится фактор вирусной природы, который и передает заболевание. В отличие от других этот вирус обладал выраженной специфичностью, поражая только определенные линии мышей.

Эти исследования на мышах стимулировали дальнейшие поиски онкогенных вирусов, а также сделали этих животных удобным модельным объектом для изучения канцерогенеза в целом. В этот период рак у животных вызывали имплантацией им живых опухолевых клеток, обработкой канцерогенными веществами и известными онкогенными вирусами. Одним из первых, кто применил сочетанное воздействие этих факторов, был уже упоминавшийся советский ученый Лев Зильбер. Результаты проведенных экспериментов привели его к заключению, что роль онкогенных вирусов состоит в том, что они, изменяя наследственный аппарат клетки, служат лишь инициирующим фактором и не участвуют непосредственно в процессе опухолей трансформации нормальных клеток. Эта концепция, сформулированная Зильбером к 1946 г., получила в дальнейшем название вирусогенетической теории канцерогенеза.

Дальнейшее развитие вирусной теории связано с расшифровкой механизмов трансформации клеток под действием ДНК- и РНК-содержащих вирусов. В 1961 г. Р. Дульбекко показал, что ДНК-содержащие вирусы семейства Papovaviridae вызывают неопластическую трансформацию клеток путем интеграции с их геномом. В 1970 г. Д. Балтимор и Г. Темин обнаружили, что онкогенные РНК-содержащие вирусы имеют фермент, способный синтезировать ДНК на матрице РНК. Образованная с помощью этого фермента ДНК встраивается затем в ДНК зараженной клетки и реплицируется вместе с ней. Она либо может вызвать опухолевую трансформацию клеток, либо служить матрицей для синтеза РНК нового поколения вирусных частиц.

В 1976 г. М. Бишоп и Г. Вармус, исследуя вирус саркомы Рауса, обнаружили, что вирусный ген src имеет клеточное происхождение, а его исходный вариант контролирует в клетке рост и деление. В дальнейшем было установлено, что нормальные клетки содержат в своем геноме протоонкогены, которые могут превращаться в результате мутаций и нарушения экспрессии в онкогены, способные обеспечивать патологию клеток.

Мутационные теории рака

В 1914 г. вышла книга Теодора Бовери (1862-1915) «К вопросу о развитии злокачественных опухолей» с изложением теории соматических мутаций. В этой работе Бовери опирался на обширный материал, полученный немецким патологом Давидом Ганземаном (1858-1920), который обнаружил высокий уровень патологических митозов в опухолях. Центральная идея Бовери заключалась в том, что опухоль может возникнуть из любой соматической клетки, унаследовавшей в результате ассиметричного митоза случайный набор хромосом. Он предположил, что некоторые из возникающих комбинаций хромосом могут обеспечить в дальнейшем опухолевую трансформацию клеточного клона вместо его нормального развития.

С тех пор теория соматических мутаций прошла долгий путь накопления и осмысления научных фактов, однако стоящий перед ней вопрос, являются ли хромосомные аберрации причиной рака, или они только следствие патологического процесса, так и остается открытым. Необходимо, тем не менее, отметить, что появление мутационной теории явилось переломным моментом в развитии представлений о канцерогенезе, поскольку с этого момента стало все более утверждаться положение, что рак – это генетически обусловленная патология.

В 1923 г. немецкий биохимик Отто Варбург, изучая дыхание крысиной карциномы Флекснера-Джоблинга, обнаружил, что раковые клетки отличаются от нормальных клеток повышенным образованием молочной кислоты, хотя скорость поглощения кислорода оставалась у них на одном уровне. Три года спустя Варбург установил, что в отличие от нормальных клеток раковые клетки способны активировать гликолиз не только в анаэробных, но и в аэробных условиях. Он показал, что в большинстве нормальных тканей наблюдается «эффект Пастера», который заключается в блокировании гликолиза дыханием. Варбург обнаружил также, что нижение раковыми клетками гликолитической активности приводит к утрате ими способности перевиваться. За эти исследования Варбург был номинирован в 1926 г. на Нобелевскую премию (совместно с Фибигером), но получил ее позднее, в 1931 г., за изучение железопорфирина. Через 20 лет Варбург сформулировал биохимическую теорию канцерогенеза, согласно которой первопричиной рака является замещение дыхания гликолизом, что кардинально меняет энергетику клеток, приводя ее к низшим формам. Несмотря на то, что теория Варбурга в настоящее время рассматривается как устаревшая, обнаруженное им явление «анаэробного дыхания» раковых клеток является важной характеристикой их энергетики, тем более, что молекулярно-генетические механизмы этого явления остаются до сих пор не раскрытыми. Весомым можно считать также и мнение Варбруга, что злокачественное перерождение клеток существенным образом связано с их энергетическим обменом.

Учение о прогрессии опухолей

В 1947 г. И. Беренблюм и П. 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.

Вторая половина XX века в онкологии отмечена появлением теории конвергенции (Дж. 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, т.е. дивергенцией, которая заключается в приобретении ими некоторых новых и уникальных свойств.

Дальнейшим развитием теории конвергенции стало учение о прогрессии опухолей, выдвинутое Л. Фулдсом (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. Фулдс также ввел понятие «опухолевая прогрессия» (1954). С тех пор процесс формирования опухолей принято подразделять на стадии инициации, промоции и прогрессии.

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 клеток, способствуя тем самым фиксации как мутаций в ДНК, так и нарушений экспрессии генов. Эффективность веществ, способствующих промоции, 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.

Следующей концепцией, которая внесла существенный вклад в понимание механизмов опухолевой прогрессии, явилась теория аномальной экспрессии генов С. 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 и высоко дифференцированных гепатомах активна нормальная форма пируваткиназы, тогда как в быстрорастущих низко дифференцированных 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 белки, в частности альфа-фетопротеин (Г. Абелев, 1971). Таким образом, эти исследования подтвердили точку зрения, что злокачественные опухоли обладают высокой фенотипической гетерогенностью, обусловленной аномальной экспрессией генов.

Теория онкогена

Согласно современным представлениям опухоли формируются в результате бесконтрольного размножения клеток, обусловленного мутациями и нарушениями экспрессии онкогенов, генов-супрессоров опухолей и генов репарации ДНК. Нормальные варианты этих генов, протоонкогены, кодируют 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. Р. Вайнберг показал, что нормальные фибробласты могут быть трансформированы путем одновременной экспрессии онкогена H-ras, гена каталитической субъединицы теломеразы и гена большого T-антигена 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 у 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 А. Кнудсон 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 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 и запуская апоптоз. Более 50% опухолей человека имеют мутацию в гене TP 53.

В сохранении целостности генома принимают также участие 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, передаваемая по наследству мутация одной аллели генов BRCA 1 и BRCA 2 значительно повышает риск дефекта или утраты другой аллели. Около 10% случаев рака молочной железы и яичников объясняются передаваемой по наследству мутацией одного из этих генов.

Другим геном, мутации и нарушение экспрессии которого играют важную роль в патогенезе рака молочной железы, является HER2/Neu. Он кодирует тирозинкиназу и относится к семейству протоонкогенов Erb-B, продукты которых представляют собой рецепторы фактора роста эпидермиса. Причиной повышенной экспрессии гена HER2/Ne является его амплификация. Опухоли с высоким уровнем кодируемого им рецептора характеризуются усилением сигнального пути Ras-MAPK, что приводит к увеличению пролиферативной их активности и ускоренному росту. Высокий уровень экспрессии HER2/Ne отмечается примерно у 25% случаев рака молочной железы.

Рис. 1. Этапы развития карцином толстого кишечника: мутация гена-супрессора APC, активация онкогена K-ras, мутация гена SMAD4 (участвует в передаче сигналов от плазмалеммы к ядру), мутация гена-супрессора p53.

В целом классические теории предусматривают, что развитие злокачественной опухоли представляет собой линейный процесс, который детерминирован последовательным накоплением мутаций или нарушений экспрессии определенных генов, контролирующих пролиферацию и дифференцировку клеток.

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!