Онкогены - файл n1.doc
ОнкогеныДоступные файлы (1):
n1.doc
Онкогены.
По статистике в мире ежегодно выявляют более 6 млн. случаев заболеваний раком шести основных органов (легких, желудка, молочной железы, прямой кишки, шейки матки и простаты). Около половины заболевших погибает. В конечном счете, каждый пятый житель развитых стран умирает от онкологических заболеваний. Это само по себе говорит об исключительной важности онкологических исследований даже в чисто прикладных целях. Исследования изменений в функционировании клеток, возникающих при злокачественном перерождении, имеют фундаментальное теоретическое значение.
Трансформация клеток и процесс опухолеобразования. На данный момент выяснено множество признаков, характерных для опухолевых клеток. Вот основные из них:
1) самодостаточность в отношении сигналов пролиферации, связанная с аутопродукцией факторов роста, соответствующих рецепторов или других компонентов сигнального промитотического каскада;
2) потеря чувствительности к сигналам, сдерживающим процесс пролиферации, обусловленная инактивацией супрессорных (антимитотических) белков;
3) замедление процессов программируемой клеточной гибели, опосредованное дисбалансом биохимической регуляции процессов апоптоза;
4) неограниченный репликативный потенциал клеток (преодоление «лимита Хэйфлика»), сопряжённый с реактивацией экспрессии фермента теломеразы и, как следствие, отсутствием физиологического укорачивания теломер;
5) стимуляция процессов ангиогенеза в опухоли, вызванная экспрессией трансформированными клетками ангиогенных факторов и направленная на удовлетворение повышенных потребностей быстро делящихся неопластических компонентов в оксигенации;
6) способность к инвазии и метастазированию, ассоциированная с продукцией опухолью гистолитическихферментов (протеаз), а также факторов, угнетающих локальный иммунитет;
7) геномная нестабильность, опосредованная инактивацией систем репарации ДНК и нарушениями в молекулярном контроле клеточного цикла;
Согласно современным представлениям канцерогенез является многоступенчатым процессом. Выделяют, как минимум, три стадии канцерогенеза: инициацию, промоцию и прогрессию.
Под инициацией понимают процесс непосредственного действия канцерогена на клетки, запускающий их трансформацию. Стадия инициации включает повреждение генетического материала клеток, предрасполагающее ее к неопластическому превращению. В соответствии с существующими представлениями, инициированная клетка может длительное время оставаться в состоянии покоя, не проявляя агрессин, до тех пор, пока не подействует другой фактор, побуждающий клетку к делению, клонообразованию и, тем самым, формированию опухоли.
Промоция – это стадия реализации опухолевого фенотипа, обусловленная влиянием различных факторов.
Под прогрессией понимают процесс постепенного приобретения опухолью все более автономного и агрессивного характера роста. Считается, что в растущей опухоли под воздействием изменяющихся условий (питание, кровоснабжение, химиотерапия) постоянно идет отбор наиболее жизнеспособных клеток. В результате появляются субклоны опухолевых клеток, обладающих наибольшей резистентностъю к действию защитных механизмов и наибольшей агрессивностью.
Морфогенез опухолей, или механизм их развития в морфологическом освещении, можно разделить на стадию предраковых изменений и стадию формирования и роста опухоли.
Предрак, или предраковое заболевание, — это изменение органа или ткани, которое переходит в рак с большей степенью вероятности, чем в неизменных органах или тканях. Однако наличие предракового фона еще не говорит о том, что он перейдет в рак. Малигнизация при предраке наблюдается в 0,1 —5,0 % случаев. Выявление таких изменений имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Оно позволяет выделять группы повышенного риска в отношении возможности развития опухоли того или иного органа, предупреждать возникновение опухоли и диагностировать ее как можно раньше.
Среди предраковых морфологи выделяют так называемые фоновые изменения, проявляющиеся дистрофией и атрофией, гиперплазией и метаплазией. Сюда относятся практически все хронические воспалительные специфические и неспецифические процессы. Например, в желудке — это хронический гастрит различной этиологии; в легких — хронический бронхит и т.д.
Исходя из того, что одни предраковые состояния обязательно переходят в рак, а другие — не переходят, их подразделяют на облигатный и факультативный предрак.
Облигатный предрак, т.е. предрак, обязательно завершающийся развитием рака, чаще связан с наследственной предрасположенностью. Это врожденный полипоз толстой кишки, пигментная ксеродерма, нейрофиброматоз (болезнь Реклингхаузена), нейробластома сетчатки и др. Облигатный предрак требует обязательного проведения комплекса профилактических мероприятий и даже радикального лечения, а больные облигатным предраком должны состоять на учете у онколога.
К факультативному предраку относят гиперпластически-диспластические процессы, а также некоторые дисэмбриоплазии.
Так называемый латентный период рака, т.е. период существования предрака до развития рака, для опухолей разной локализации различен и исчисляется годами (до 30 —40 лет). Понятие «латентный период рака» приложимо лишь к облигатному предраку.
Формирование опухоли, или переход предраковых изменений в рак, изучено недостаточно. На основании экспериментальных данных можно предположить следующую схему развития опухоли: а) нарушение регенераторного процесса; б) предопухолевые изменения, характеризующиеся гиперплазией и дисплазией; в) возникающая стадийно малигнизация пролиферирующих клеток; г) возникновение опухолевого зачатка; д) прогрессия опухоли.
Онкологическим изменениям в клетке могут препятствовать естественные защитные системы организма. Так, на пути клеток с предтрансформационным и трансформированным потенциалом встают системы естественной резистентности и иммунной защиты. Существуют 2 основных механизма борьбы с новообразованием, один основан на физическом уничтожении злокачественных клеток клетками организма-хозяина, другой — на блокировании жизненно важных процессов опухолевой клетки. Таким образом, перерождение нормальной клетки в опухолевую и дальнейшее противостояние организма опухоли зависят от согласованного функционирования всех гуморальных и клеточных систем организма, а также от сохранения целостности его внутренней среды.
Генетические основы канцерогенеза. В данный момент тот факт, что рак – заболевание генетическое, не вызывает сомнений. В пользу генетической природы злокачественности свидетельствуют два факта:
1. Корреляции между существованием наследуемых опухолей и наличием специфических хромосомных перестроек в клетках опухоли.
2. Стабильность злокачественных свойств в трансформированных клетках и их передача из одного клеточного поколения в другое.
Наиболее прямые доказательства генетического контроля образования злокачественных опухолей были получены при изучении температурочувствительных мутаций у вирусов. В начале 1970-х гг. были получены температурочувствительные мутанты вируса саркомы, которые трансформировали нормальные клетки в раковые только при определенной, пермиссивной температуре. Это значит, что при этой температуре экспрессируется мутант-ная форма только одного гена, и этого достаточно для того, чтобы вызвать опухолевую трансформацию и поддерживать ее. Инактивация этой мутации при другой, непермиссивной температуре возвращала клетку в нормальное состояние. Таким образом, сделали вывод, что в вирусе саркомы содержится один ген, вызывающий и поддерживающий злокачественность. Он был назван онкогеном. В 1981 г. был выделен первый онкоген из вируса саркомы курицы — src.
Вскоре было показано, что искусственное введение гена src в генетический аппарат клетки трансформирует ее и без вируса. После этого были открыты и другие вирусные онкогены: туе, ras, abl и многие другие. Стало ясно, что опухолевые вирусы вызывают опухоли не сами по себе, а потому, что вносят онкоген в генетический аппарат клетки и закрепляют его там. Если удалить онкоген из генетического аппарата вируса, то последний, не лишаясь способности размножаться и интегрироваться в геном клетки, утратит возможность вызывать формирование злокачественных опухолей.
В настоящее время установлено, что опухоли могут вызываться как ДНК-вирусами, так и РНК-вирусами, причем механизм их действия различен. И в том и другом случае опухолевая трансформация клеток есть результат включения (интеграции) вирусной ДНК (или ДНК-копий в случае РНК-вирусов) в геном клеток хозяина. Однако, в случае ДНК-содержащцх онковирусов (вирусы группы Папова, аденовирусы, герпес вирусы и т.д.) в геном клеток включаются вирусо специфичные онкогены. Онкогены РНК-содержащих вирусов не являются вирусоспецифическими генами и ведут свое происхождение от ядерной ДНК клеток-хозяев, а именно: от клеточных протоонкогенов. Считается, что онкогены РНК-вирусов происходят из протоонкогенов, которые на определенном этапе эволюции были захвачены вирусом из генома позвоночных во время инфекционного цикла.
Геномы нормальных клеток позвоночных содержат фрагменты ДНК, которые похожи на ген src, входящий в состав вируса саркомы Рауса, но не идентичны ему. Поэтому геномные и вирусные последовательности называют несколько по разному: v-src — вирусные (онкогены), c-src — клеточные (протоонкогены). Интроны, которые присутствовали в c-src, сплайсированы в v-src.
Таким образом, под онкогенами принято понимать гены, проявляющие трансформирующую активность в эксперименте, и активирующиеся в процессе канцерогенеза. Подобные генетические элементы в норме чаще всего участвуют в позитивном контроле клеточного деления. Активация онкогенов чаще всего проявляется в увеличении количества их продуктов. Это явление называется суперэкспрессией. Иными словами, трансформированная клетка может отличаться от нормальной просто повышенным содержанием совершенно нормальных белков, которые в норме также стимулируют деление клетки, а при трансформации эта способность лишь немного повышаемся, что может оказаться вполне достаточным для опухолевого роста. Это характерно для онкогенов ERBB, MYC, INT, PRAD, FOS и многих других. Вместе с тем, превращение нормального или, так называемого, протоонкогена в онкоген в процессе трансформации может быть и результатом мутации. При этом изменение аминокислотной последовательности онкобелка сопровождается увеличением его ферментативной активности. Классическим примером таких нарушений служат мутации в онкогенах семейства RAS.
Протоонкогены регулируют нормальное поведение клетки: ее ответы на ростовые факторы, на гормоны, нормальный темп и «расписание» ее делений. Чтобы клетка начала расти и размножаться, нужны специальные сигналы, вырабатываемые чаще всего другими клетками, а иногда и самой клеткой. Это обычно белковые молекулы, называемые факторами роста. Их синтез строго регулируется, но если происходит нарушение регуляции, то факторы могут накапливаться в больших количествах. Они начинают сигнализировать клетке о необходимости расти и делиться. Поэтому гены, кодирующие факторы роста, могут выступать в роли онкогенов. Чтобы фактор подействовал, необходим рецептор на поверхности клетки-мишени. Когда фактор присоединяется к рецептору, последний активируется, что может в ряде случаев выразиться в ферментативной реакции, например фосфорилировании определенных белков. В результате некоторых повреждений рецепторов они обретают способность активироваться даже при отсутствии своего фактора роста и будут непрерывно передавать сигнал о необходимости начинать рост. В случае повреждения ген рецептора становится онкогеном. Передача сигнала для роста клетки не ограничивается факторами роста и их рецепторами. В передаче такого сигнала участвует много других белков, и сам процесс часто идет путем фосфорилирования одним белком второго, вторым — третьего и т. д. Гены, кодирующие участников этих цепей, могут выступать в роли онкогенов.
Цепи передачи сигналов заканчиваются в клеточном ядре. Там происходит активация факторов транскрипции, т. е. белков, связывающихся с регуляторными участками определенных генов и активирующих их транскрипцию. Под действием факторов транскрипции на соответствующих генах происходит синтез матричных РНК, а на матрице последних — белков. Это те белки, которые нужны для роста и размножения клеток. И среди генов, кодирующих факторы транскрипции, оказываются онкогены.
Таким образом, многие гены, кодирующие белки передачи сигнала для роста и размножения клеток, являются потенциальными онкогенами, и при повреждении или нерегулируемой активации этих генов клетки превращаются в раковые.
Известны различные пути активирования протоонкогенов, в результате чего они становятся автономными. Как правило, действие различных канцерогенных факторов приводит к постоянной активности протоонкогена. Так, хромосомные транслокации могут перенести протоонкоген в новое положение — под контроль постоянно активного промотора. В результате этого переноса протоонкоген начинает работать непрерывно, не давая клетке выйти из цикла делений (myc), или посылая непрерывные сигналы с мембраны в ядро (ras), или приводя к синтезу ростовых факторов.
Некоторые опухолевые вирусы сами по себе не содержат онкогена, но, встраиваясь в хромосому рядом с протоонкогеном, активируют его, вызывая непрерывную экспрессию, — это «вставочный» канцерогенез.
Канцерогенные вещества и облучение обладают высокой мутагенной активностью, вызывая мутации в различных генах, в том числе и в протоонкогенах. Эти мутации могут вести либо к нарушению регуляции протоонкогена, и тогда он выходит из-под контроля, либо к изменению свойств белка, кодируемого этим онкогеном.
Вскоре после открытия первых онкогенов появились сообщения о существовании генов, утрата или подавление активности которых также приводит к развитию опухолей. Иными словами, белковые продукты этих генов необходимы для того, чтобы не дать клетке превратиться в раковую. Эти гены были названы антионкогенами или генами-супрессорами опухолей (ГСО). Число известных ГСО тоже быстро растет, хотя и уступает числу открытых онкогенов.
Для большинства видов новообразований человека отмечены одни и те же молекулярно-генетические аномалии: суперэкспрессия онкогенов семейства ERBB и MYC, а также локуса INT-2; точковые мутации онкогенов семейства RAS; делеции, т.е. исчезновение антионкогенов, расположенных на хромосомах 3р, 5q, 11p, 13q, 17p, 17q, 18q и др.; нуклеотидные замены в антионкогене р5З. Существует определенная органоспецифичность в характере онкоассоциированных мутаций, однако она носит достаточно умеренный характер. Наиболее изученными и часто встречающимися генетическими изменениями практически при любой опухоли у человека являются точковые мутации в антионкогене р53. Мутации гена р53 регистрируются в 50-60% всех новообразований и являются плохим прогностическим признаком. Они позволяют трансформированным клеткам сохранять жизнеспособность в митозе и активно пролиферировать.
Имеются и другие антионкогены, расположенные в разных хромосомах, мутации которых приводят к развитию различных злокачественных опухолей. Но, так как антионкогены доминантны, то их мутации у одного из родителей не приведут к возникновению опухоли. Происходит своеобразная страховка индивида, получившего мутантный антионкоген от одного из родителей, так называемая конституциональная гетерозиготность. Однако в процессе онтогенеза в соматических клетках идет мутационный процесс и может появиться клон гомозиготный по определенному антионкогену. Это явление называется потерей врожденной гомозиготности и оно ведет к развитию злокачественных новообразований. Чаще всего для малигнизации бывает недостаточно только потери конституциональной гомозиготности антионкогена. Необходимы еще мутации в протоонкогенах, приводящие к образованию и активации клеточных онкогенов.
Следствием мутаций различного характера, приводящих к появлению опухолевой клетки, является перепрограммирование генома в результате инактивации или торможения нормальных генов и антионкогенов и активации протоонкогенов и онкогенов.
Примеры некоторых онкогенов и ГСО человека представлены в следующей таблице:
Таблица 1.Онкогены и гены-супрессоры опухолей
-
Природа гена / белка | Ген / белок (примеры) | Локализация опухоли (примеры) |
Факторы роста | PDGF | Глиомы, саркомы |
TGF-? | Многие опухоли |
Рецепторы | erb-B | Глиобластомы, рак груди |
erb-B2 | Рак груди, яичников, слюнных желез |
Передача сигнала | Ki-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.) |
Современная наука полагает, что для возникновения трансформированного клеточного клона необходимо как минимум 5-9 мутаций в разных онкогенах и антионкогенах. Если взять в расчёт скорость мутационных процессов, подобное накопление мутаций в одной и той же клетке представляется почти невероятным событием. По-видимому, на каком-то из промежуточных этапов трансформации опухолевый клон приобретает способность к ускоренному мутагенезу, т. е. свойство геномной нестабильности. Факт геномной нестабильности экспериментально подтверждается тем, что наряду со «значимыми» мутациями в онкогенах и антионкогенах, в опухолях наблюдается огромное количество «побочных» относительно нейтральных повреждений генома.
Т. е. суть молекулярно-генетических изменений в опухолях сводится к трём компонентам: 1) активирующие мутации в онкогенах; 2) инактивирующие мутации в антионкогенах; 3) геномная нестабильность.
Для систематизации онкоассоциированных мутаций удобно придерживаться следующей простой классификации. Все мутации можно подразделить на две большие группы: хромосомные и генные. Хромосомные мутации представлены, как правило, делециями, потерями больших участков хромосом, которые можно выявить под микроскопом в результате специального цитогенетического анализа. Вероятно, в этих "потерянных" участках локализуются, прежде всего, антионкогены или гены, имеющие отношение к процессам запрограммированной клеточной гибели (апоптозу), угнетению пролиферации и активации дифференцировки клеток.
Группа генных мутаций, обнаруживаемых методами молекулярно-генетического анализа, в свою очередь, делится на две подгруппы: зародышевые и соматические мутации. Соматические мутации возникают в процессе взаимодействия организма с внешними канцерогенами на протяжении всей жизни по механизмам, описанным выше. Зародышевые мутации уже имеются в половых клетках и поэтому передаются по наследству. Их можно выявить при рождении ребенка, например, путем исследования клеток пуповинной крови.
На канцерогенез влияют и эпигенетические процессы. Во-первых, это активность теломераз - ферментов, восстанавливающих концевые участки хромосом (теломеры) после каждого митоза. Известно, что теломеры состоят из 15 тыс. нуклеотидных пар, представляющих собой повторы двух триплетов ТТА (четыре повтора) и ГГЦ (восемь повторов). Через 30-50 делений в теломерах остается 2-3 тыс., нуклеотидных пар и клетка вступает в апоптоз. Если мутируют гены, регулирующие теломеразную активность, то укорочения теломеров после деления не происходит и возникает иммортализация (бессмертие) клеток. В нормальных условиях теломераза активна в стволовых клетках, кератиноцитах, клетках эпителия кишечника, клетках эндометрия, клетках сперматогенного эпителия и др., в нормальных дифференцированных клетках ее активность крайне мала. В клетках доброкачественных опухолей регистрируется повышение теломеразной активности до 20-30%, а в клетках злокачественных новообразований - до 70-100%,
Во-вторых, одним из важнейших факторов, влияющих на процесс малигнизации, является механизм активации и инактивации генов путем метилирования цитозина (геномный импринтинг). Чем сильнее метилирование, тем менее активны гены, и наоборот. Показано, что экспрессия генов зависит от активности фермента метилазы. Имеются и другие генетические механизмы озлокачествления, такие как нарушение процессов репарации ДНК, генетически обусловленный биохимический полиморфизм ферментов детоксикации ксенобиотиков (эстеразы, оксигеназы, цитохром - Р450).
Всегда следует помнить, что для возникновения опухоли необходимо несколько генетических событий (мутаций) и поэтому патогенез опухолевого роста складывается из многих генетических и негенетических звеньев.
Т. о. основные положения онкогенной теории, являющейся ведущей в настоящий момент, можно упрощённо сформулировать следующим образом:
1. Онкогеном называется ген, который а) в норме оказывает активирующее влияние на процессы пролиферации и/или препятствует клеточной гибели; б) активируется в опухолях; в) проявляет трансформирующие свойства в экспериментах по трансфекции (процесс введения
нуклеиновой кислоты в клетки человека и животных невирусным методом).
2. Онкогены необходимы для нормального функционирования (обновления) тканей; их работа находится под строгим контролем сигнальных систем организма. Соматическая мутация в онкогене приводит к независимости клетки от внешних регулирующих влияний, т. е. клеточный клон, находясь в условиях аутостимуляции, приобретает способность к неконтролируемому размножению. Генетические повреждения в онкогенах могут возникать вследствие случайного мутационного процесса, однако вероятность мутаций существенно повышается при увеличении канцерогенной нагрузки.
3. При вирусном канцерогенезе у животных вирус содержит уже активированную версию онкогена и, таким образом, является лишь транспортной формой последнего. У человека, напротив, большинство опухолей возникает за счёт активации (мутации) эндогенных онкогенов.
4. Активация одного онкогена почти всегда компенсируется. Процесс злокачественной трансформации требует сочетанных нарушений в нескольких онкогенах.
Список использованной литературы:
Георгиев Г.П. Как нормальная клетка превращается в раковую // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 4. – С. 17–22.
Глушков А.Н. Общебиологические закономерности и механизмы канцерогенеза // Медицина в Кузбассе. - 2004. - № 1. - С. 3-9.
Глыбочко П. В. Онкология — М. : Издательский центр «Академия», 2008. — 400 с.
Жимулёв И. Ф. Общая и молекулярная генетика — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007.
Имянитов Е.Н., Хансон К.П. Молекулярная онкология: клинические аспекты – СПб: Издательский дом СПбМАПО, 2007
Семинский И.Ж. Генетические основы опухолевого роста // Сибирский медицинский журнал (г. Иркутск). - 2003. - Т. 38. № 3. - С. 93-96.
Сеньчукова М.А., Стадников А.А. К вопросу о бактериально-вирусных основах онкогенеза
Чиссов В.И., Дарьялова С.Л. Онкология - М. : ГЭОТАР - Медиа, 2007. - 560 с.