Гены, участвующие в канцерогенезе

В основе опухолевого роста всегда лежит повреждение генома клетки, вызываемое вирусами, физическими, химическими факторами или спонтанно. В настоящее время не подвергается сомнению генетическая теория канцерогенеза, согласно которой в основе малигнизации клетки лежит повреждение генома (клеточная мутация). Существуют и эпигеномные изменения клетки, способствующие развитию опухоли, что послужило основанием создания эпигеномной теории канцерогенеза, о которой пойдет речь ниже.

Повреждение генома клетки происходит по 3-м классам регулирующих генов:

а) стимулирующих рост - протоонкогенов,

б) ингибирующих рост - антионкогенов,

в) отвечающих за апоптоз.

а. Клеточные протоонкогены. При изучении вирусного канцерогенеза было обнаружено, что онковирусы при попадании в клетки вносят в ее геном гены, стимулирующие клеточную пролиферацию, а следовательно, способствующие малигнизации клеток. Эти гены были названы вирусными онкогенами. Цитогенетические исследования показали, что аналоги вирусных онкогенов имеются и в клетках человека и животных, где они выполняют различные функции регуляции синтетических процессов и деления. Более того, предполагается, что вирусы, несущие эти онкогены когда-то “украли” их из клеток хозяина. Поэтому, для более точного разделения, клеточные регулирующие гены - аналоги вирусных онкогенов были названы протоонкогенами, а в случае их чрезмерной экспрессии - клеточными онкогенами. Клеточные онкогены появляются при таких повреждениях генома клетки, когда происходит нарушение регуляции функции протоонкогенов, их нерегулируемая экспрессия и, соответственно синтез различных факторов (онкобелков), стимулирующих клеточную пролиферацию и деление. Клеточные онкогены влияют на различные процессы в клетках (рис. 2).

Рис. 2. Различные механизмы стимуляции клеточной пролиферации онкогенами.

1- образование факторов роста.

2- образование рецепторов к факторам роста, не требующих стимуляции этими факторами.

3- стимуляция цитоплазматической передачи сигнала

4- образование ядерных белков.

Свои обозначения клеточные онкогены (c-onc) преимущественно получили от названия вируса, в составе которого были в свое время впервые обнаружены вирусные онкогены (v-onc), идентичные клеточным, либо от вида опухоли, при которой были выявлены эти онкогены. Примеры часто встречающихся клеточных онкогенов у человека:

1. Онкогены, кодирующие факторы роста

· sis в 22 паре хромосом (simian sarcoma virus). Кодирует фактор роста тромбоцитов. Активация этого онкогена происходит при таких опухолях как астроцитома, остеосаркома и некоторые другие.

· hst-1 (human stomach cancers), int-2 (mammary tumors virus integration) - кодируют факторы роста фибробластов. Часто выявляются в геноме опухолевой клетки при раке желудка, молочной железы, меланомах.

2. Онкогены, кодирующие рецепторы к факторам роста - мембранным белкам с протеинкиназной активностью. Теория онкогенов предполагает выработку рецепторов с постоянной высокой активностью, т.е. не зависящих от стимуляции самим фактором роста.

· erb-B в 7 паре хромосом (avian er ythro b lastosis virus) - несколько онкогенов (В1, В2, В3). Кодируют синтез рецепторов к эпидермальному фактору роста. На здоровой клетке количество таких рецепторов 1, 5× 10⁵, а при появлении этих онкогенов достигает до 70-90× 10⁵. Они обнаруживаются в клетках при плоскоклеточном раке легкого (erb-B1), раке молочной железы, желудка, легких, яичников (erb-B2, erb-B3).

· fms в 5 паре хромосом (f eline M cDonough s arcoma virus), кодирующий рецепторы к КСФ-М. Появляется при острых миелобластных лейкозах.

3. Онкогены, кодирующие передачу сигнала в клеточной цитоплазме.

а. Связанные с мембранными рецепторами и системой ГТФ и G-протеинов.

· ras (murine sar coma virus) - группа онкогенов в различных хромосомах (6, 11, 12 парах хромосом). В норме уровень ГТФ, а следовательно и G-протеина ограничены активностью фермента ГТФ-азы, который в свою очередь регулируется ГТФ-азным активирующим протеином (GAP). Продукты ras - онкогенов являются белками, прочно связывающимися с GAP и таким образом угнетающими активность ГТФ-азы. Это приводит к тому, что в клетке повышается уровень ГТФ, а следовательно и G-протеина, что приводит к усиленной стимуляции пролиферации клеток. С этими онкогенами связано почти 30% всех опухолей легких, кишечника, поджелудочной железы, некоторые лейкозы. Очень часто химический канцерогенез связан с появлением именно ras- онкогенов.

б. Связанные с протеинкиназами, не зависящими от рецепторов на мембране клеток.

· abl (Ab elson murine l eukemia) в 9 паре хромосом, часто транслоцируется на 22 хромосому с одновременным нарушением регуляции. Наиболее часто активация этого онкогена выявляется при хроническом миелолейкозе.

4. Ядерные протеины, участвующие в транскрипции и репликации ДНК.

· myc в 8 паре хромосом (avian my elo c ytomatosis virus) осуществляет активацию транскрипции ДНК, особенно усиление активности генов, стимулирующих рост (sis - онкогена). Выявляется при мелкоклеточном раке легких, лимфоме Беркитта и др.

б. Антионкогены или гены супрессии опухолей. Их функция хорошо прослеживается при изучении наследственных опухолей. Было найдено, что многие наследственные опухоли связаны с мутациями некоторых генов, что приводило к потере их функции и возникновению опухолей. Такие гены были названы антионкогены. Свои названия антионкогены получили от заболевания, при котором они были впервые выявлены, либо по названию кодируемого ими белка. В настоящее время выявлен ряд различных антионкогенов; примеры некоторых из них:

· DCC - ген (d eleted in c olon c arcinoma) в 18 паре хромосом, кодирующий белки, похожие на молекулы адгезии (кадгерины). При потере функции этого гена нарушаются межклеточные контакты и механизмы контактного торможения пролиферации. Кроме того, клетка становится более лабильной, приобретает возможность отрыва от соседних клеток (рис. 3). Данное нарушение наблюдается в 70% случаев рака толстой кишки.

Рис. 3. 1 - нормальные межклеточные контакты (К); 2- уменьшенное количество межклеточных контактов, например при потере функции гена DCC.

· NF-1 (n euro f ibromatosis) в 17 паре хромосом, кодирует GAP. Потеря функции этого гена аналогична появлению ras-онкогена, поскольку приводит к чрезмерному увеличению содержания в клетке ГТФ и G протеина. Такой дефект встречается при некоторых опухолях нервной системы (невриномах).

· р53 в 17 паре хромосом, кодирует ядерный фосфопротеин - белок р53, регулирующий репликацию ДНК, пролиферацию клеток и программированную клеточную смерть (апоптоз). Сам белок р-53 очень быстро разрушается (за минуты). При повреждении клетки синтез белка р53 резко возрастает, он связывается с ДНК и предотвращает G1 фазу митотического цикла, что позволяет клетке успеть восстановить ДНК. При потере функции данного гена снижается способность к репарации ДНК в клетке (рис. 4). Это повреждение отмечается при многих опухолях: рак молочной железы, саркомы, рак кишечника и др. Кроме мутации функция гена р53 может быть подавлена и некоторыми вирусными белками (вирусом папилломы, аденовирусом). Потеря функции р53 встречается приблизительно в 50% опухолевых заболеваний у человека.

Рис. 4. Роль гена р53 в патогенезе нарушений клеточного роста.

· APC (a denomatous p olyposis c oli) в 5 паре хромосом. Продукт этого гена относится к цитоплазматическим белкам с плохо изученной функцией, однако известно, что его потеря или мутация нередко приводят к повышению внутриклеточного бета-катенина, белка, участвующего в регуляции синтеза кадгеринов, белков, отвечающих за межклеточные контакты, что наблюдаются при опухолевом перерождении эпителия толстой кишки, желудка, щитовидной железы.

в. Гены регулирующие апоптоз (программируемую смерть клеток).

Основным в этом семействе является BCL- 2 - ген (B-c ell l eukemia). Белок-продукт этого гена входит в состав внутренней мембраны митохондрий и одновременно угнетает оксидативное повреждение клетки. Так, при чрезмерной экспрессии этого гена в опухолевой клетке замедляется естественное ее повреждение радикалами кислорода, что приводит к заметному удлинению срока жизни опухолевой клетки.

Необходимо отметить, что в опухолевой клетке имеется не единичное, а множественное нарушение генома и, как правило, происходит активация нескольких онкогенов и выключение функции нескольких антионкогенов (рис. 5). Поэтапное повреждение генома клетки приводит к ее постепенному озлокачествлению, что называется опухолевой прогрессией. Опухолевая прогрессия происходит при нарушении функции многих генов с различной локализацией в геноме. Последовательное повреждение генома может быть связано с длительным воздействием химических или других канцерогенных воздействий. При достижении опухолью определенных размеров и степени злокачественности она становится способной к метастазированию.

Рис. 5. Молекулярная модель патогенеза рака толстой кишки. Канцерогенез — многоступенчатый процесс, в ходе которого происходит включение функции генов-супрессоров и активация онкогенов.