Раковый корпус

Марина Суханова,
кандидат биологических наук
«Что нового в науке и технике» №9, 2005

Представьте себе, что некие инопланетяне изучают повседневное функционирование человеческих поселений теми методами, которыми здесь, у нас, пользуются гистологи и молекулярные биологи. Читая статьи таких исследователей, мы обнаружим в них, скажем, диковинный термин «рабочие рельсового разрушения» — и не сразу поймем, что речь идет об обычных путейцах-ремонтниках. Оказывается, первое, что узнали о них инопланетяне, — это то, что их скопление и активное функционирование всегда приурочено к повреждениям колеи. Более поздние исследования позволили понять их истинную роль в жизни общества, а название так и осталось.

Нечто подобное случилось при изучении генетических механизмов канцерогенеза. Именно те гены, нормальная работа которых не позволяет здоровой клетке превратиться в опухолевую, получили обидную кличку «протоонкогенов», а их поломки, лишающие их возможности выполнять свою работу, именуются «активацией». Но — обо всем по порядку.

В настоящее время нет сомнений в том, что в основе злокачественных новообразований лежат именно повреждения генетического аппарата клетки. Активный поиск генов, ответственных за перерождение клетки, начался еще в 50-60-е годы в рамках модных тогда представлений о вирусной природе рака. И действительно, у онкогенных вирусов нашли специфические гены, не имеющие отношения к вирусным белкам, но активно работающие именно в раковых клетках. Такие гены были названы «онкогенами». Вскоре оказалось, однако, что нуклеотидные последовательности всех без исключения вирусных (и открытых к тому времени невирусных) онкогенов почти точно совпадают с некими генами, присутствующими и работающими в нормальных, здоровых клетках организма. Эти нормальные гены (на сегодня их известно уже около сотни) и назвали «протоонкогенами», а предполагаемый (и впоследствии доказанный) процесс их превращения в онкогены — активацией. И лишь много позже ученым удалось разобраться в отношениях этих структур.

Оказалось, что протоонкогены — это гены, как раз регулирующие нормальное поведение клетки: ее правильные ответы на воздействие факторов роста (см. Глоссарий в конце статьи), гормонов и других сигнальных веществ. Они образуют систему контроля роста, деления и дифференцировки клеток (см. Глоссарий) и сами находятся под контролем других генов. Например, гены BRCA1 и BRCA2, мутации которых могут привести к возникновению опухолей яичников и молочной железы, участвуют в контроле целостности генома. Участие протоонкогенов в основополагающих клеточных процессах обуславливает их высокую эволюционную консервативность: многие протоонкогены чрезвычайно сходны у эволюционно далеких видов. Так, протоонкогены, кодирующие факторы роста и их рецепторы (а также гены рецепторов инсулина), найдены не только у млекопитающих и птиц, но и у некоторых видов беспозвоночных — нематод и насекомых. Для справки: эволюционные пути позвоночных и насекомых разошлись примерно 800 млн лет назад, когда предки тех и других были примитивными морскими многоклеточными, нисколько не походившими на своих нынешних потомков.

Однако протоонкогены, как и любые гены любых организмов, подвержены мутациям — случайным ошибкам, происходящим обычно при копировании генетического текста и сохраняющимся у всех потомков мутировавшей клетки. Некоторые мутации могут не иметь особенного значения — их результатом становятся немного отличающиеся друг от друга формы белков, которые все равно выполняют свою функцию. В редчайших случаях результатом мутации может оказаться полезное изменение. Но большинство мутаций нарушает тончайшие, до мелочей отлаженные процессы жизнедеятельности клетки или ее взаимодействия с другими клетками — вплоть до полной утраты геном своей функции. Если подобное случится с таким важным геном, какими являются протоонкогены, это может стать ключевым событием, приводящим к хромосомной нестабильности и злокачественной трансформации клетки.

Точечные мутации чаще всего переводят в разряд онкогенов протоонкогены семейства ras. Эти гены играют важную роль в системе управления пролиферации клеток (см. Глоссарий) и в случае мутации начинают посылать непрерывные сигналы с мембраны клетки в ядро, независимо от факторов роста и их рецепторов (см. статью Б. Жукова «Смертельный эгоизм»), что приводит к неконтролируемому делению. Мутации одного из генов ras (H-ras, K-ras2 или N-ras) обнаруживают примерно в 15% случаев злокачественных новообразований у человека.

Мутации могут приводить к стимуляции клеточного деления на самой последней стадии сигнальной цепи — на стадии реакции на ростовой сигнал в клеточном ядре. Эта реакция заключается в активации определенных генов, которые начинают синтезировать продукты, необходимые для клеточного деления. Но мутантные формы этих генов активируются и в отсутствие факторов роста. Так происходит, например, с онкогеном myс: во многих опухолевых клетках поддерживается постоянно высокий уровень экспрессии (см. Глоссарий) этого онкогена.

Другой тип мутаций — транслокации, т. е. перемещение гена в другой участок, — особенно характерен для опухолей лимфоидной ткани, поскольку в лимфоцитах перестройка ДНК — часть нормального процесса формирования иммуноглобулинов и антигенраспознающих рецепторов. Гены, кодирующие эти белки, нередко вовлекаются в транслокации, а нарушение нормальной регуляции таких перестроек может быть причиной развития опухоли. Например, причина хронической миелогенной лейкемии — так называемая филадельфийская хромосома, транслокация между длинными плечами хромосом 9 и 22. При этом происходит объединение гена тирозинкиназы ABL1 9-й хромосомы с геном BCR 22-й хромосомы. Возникающий при этом химерный белок Bcr-Abl заставляет клетку не обращать внимания на отсутствие факторов роста, и она начинает избыточно делиться.

Впрочем, превращение клеточных протоонкогенов в онкогены может происходить не только в результате мутаций, изменяющих сам «текст» протоонкогена и как следствие — природу кодируемого им белка. Иногда толчком к злокачественному перерождению оказывается повышение уровня экспрессии протоонкогена — чрезмерный синтез совершенно нормального белка. Это может случиться из-за амплификации протоонкогена (появления в геноме множества его копий) или его перемещения под более сильный промотор (см. Глоссарий) другого гена. Последнее особенно часто случается при встраивании в геном ретровирусов — они «внедряются» в хромосому в случайном месте (которое вдруг может оказаться рядом с протоонкогеном) и обладают очень сильными промоторами, поскольку для них жизненно важно заставить клетку немедленно считывать их гены. Таков, например, механизм действия так называемых слабоонкогенных ретровирусов — сами по себе они не содержат онкогена, но имеют промоторы, увеличивающие экспрессию близлежащих генов в 10-100 раз.

Предполагают, что амплификация определенных участков (локусов) ДНК в опухолевой клетке дает ей преимущество перед нормальными клетками — ускоренный рост или повышенная устойчивость к противоопухолевым средствам. Установлено, что в опухолевых клетках человека амплификации подвергаются многие гены. Некоторые протоонкогены (например, MYCN) были идентифицированы благодаря их присутствию в амплифицированных участках ДНК опухолевых клеток, а также их гомологии (критичному сходству) с известными онкогенами. Амплификация участка ДНК на 12-й хромосоме выявлена при различных саркомах и нейробластоме у человека. Многие гены, контролирующие клеточную пролиферацию, например, MDM2, GLI, CDK4, SAS, а также некоторые другие, нередко амплифицируются одновременно. Для некоторых злокачественных новообразований прослежена связь клинических проявлений с амплификацией генов (особенно гена ERBB2 при раке молочной железы и MYCN при нейробластоме); амплификация клеточного протоонкогена, как правило, свидетельствует о неблагоприятном прогнозе. Амплификация гена может придавать опухолевым клеткам устойчивость к химиотерапии. Так, на фоне лечения метотрексатом нередко появляются клетки с амплификацией гена, кодирующего именно тот фермент (дигидрофолатредуктазу), активность которого снижает применяемый препарат.

Во многих случаях было показано, что при злокачественном перерождении сам «текст» протоонкогена не меняется, а онкогеном он становится только из-за того, что его — точнее, кодируемого им белка — слишком много. Например, онкогенный потенциал генов семейства myc (при активации которых клетка не может выйти из цикла делений) в основном определяется количественными изменениями белкового продукта.

Однако мутация или резкое усиление экспрессии протоонкогена — это еще не рак. Клетки выработали несколько путей контроля роста и прежде всего — процесса деления. Деление — не только один из самых важных, но и самый опасный момент в жизни клетки. В неделящейся, нормально работающей клетке повредить ее генетический материал трудно: вся ДНК компактно уложена в хромосомы, неработающие гены закрыты специальными белками, с работающих генов информация переписывается на мРНК — конечно, при переписывании возможны ошибки, но сам ген при этом не повреждается. А вот перед делением должно произойти удвоение всего генетического материала — со всей клеточной ДНК снимается копия. Любая допущенная в этот момент ошибка (т. е. мутация) будет сохраняться во всем потомстве дочерней клетки — а потому, с точки зрения безопасности организма, сохранения таких мутаций допускать нельзя. Один из способов их выявления и пресечения состоит в том, что в определенные моменты процесса деления (они называются «точками рестрикции») клетка как бы замирает, чтобы проверить, все ли идет правильно. И если что-то не так, на этой точке деление может прекратиться. В этой проверке участвует довольно много специальных генов — точнее, кодируемых ими белков. За временную остановку клеточного цикла в точках рестрикции отвечает ген Rb, продукт которого позволяет процессу пойти дальше только при наличии определенных «разрешающих» сигналов. А при обнаружении повреждений ДНК в дело вступает продукт гена p53 — белок р53. Он активирует ген WAF1, и начинается синтез продукта этого гена — белка р21. Этот белок соединяется с ферментами, от которых зависит продолжение деления клетки, и блокирует их. Клеточный цикл останавливается, и это дает клетке возможность устранить повреждение ДНК. Если же повреждение слишком велико, клетка переходит в режим апоптоза и погибает.

Гены р53 и Rb — важнейшие представители так называемых антионкогенов, или генов-супрессоров опухолей, главной функцией которых является именно предотвращение злокачественного перерождения клеток. Надо ли говорить, что мутации, приводящие к нарушению их функций, открывают дорогу канцерогенезу, то есть превращению нормальной клетки в раковую? Мутантные версии гена р53 вовлечены в развитие примерно 50% всех типов опухолей человека: если функция гена нарушена, отягощенная генетическими повреждениями клетка не погибает, а начинает ускоренно делиться.

Еще одним из ключевых факторов, отвечающих за появление и развитие онкологических заболеваний, может быть неправильно работающая микро-РНК (miRNA) — сравнительно недавно открытый класс регуляторных (некодирующих) молекул. Показано, что каждый тип встречаемых у человека раковых опухолей имеет свой собственный хорошо различимый набор микро-РНК. Кроме того, раковые ткани содержат в себе гораздо меньше микро-РНК, чем здоровые, что также позволяет предположить, что нормально работающие микро-РНК могут быть ключевым элементом системы «противораковой защиты». Есть данные, что микро-РНК регулируют работу гена c-Myc — хорошо известного протоонкогена, «испорченные» копии которого встречаются в каждом шестом случае развития рака человека.

Но, как уже говорилось выше, никакого единичного изменения, будь это даже самая грубая мутация в самом важном протоонкогене или супрессоре, недостаточно для развития рака — чтобы клетка вышла из-под контроля, в ней должны быть повреждены сразу несколько регуляторных механизмов. Сегодня известно более 200 разновидностей злокачественных новообразований. Каждая из них имеет свои особенности роста, клинических проявлений, способности давать метастазы и т. п., но самое главное — собственную генетическую основу, набор мутаций определенных генов. Как правило, для превращения клетки в раковую должен произойти целый ряд мутаций, который сопровождается глубокими изменениями в ее жизнедеятельности. Меняется набор продуктов, синтезируемых клеткой, происходят изменения в свойствах плазматических мембран, в результате чего клетка перестает реагировать на контакты с соседними клетками. Теряется избирательность клеток при адгезии, которая у нормальных клеток заключается в том, что подобные клетки стремятся слипнуться с подобными: клетки печени стараются собраться вместе с клетками печени, почечные — с почечными. Происходят глубокие преобразования цитоскелета. Уменьшается потребность в факторах роста (нет, ну как утомили эти «факторы роста»! Все-таки фактор — это движущая сила, причина некоего процесса. Ну как можно «получать факторы» из окружающей среды? Это ж просто какие-то сапоги всмятку для нормального человека!), получаемых нормальной клеткой из среды, в которой она растет. Наконец, сильно меняется спектр генов (в каждой клетке работает лишь небольшая часть имеющихся в ней генов, остальные молчат), которые работают в раковой клетке, по сравнению с нормальной.

Обычное явление в опухолевых клетках — синтез теломеразы (см. статью Б. Жукова «Смертельный эгоизм»), в результате чего клетки обретают «репликативное бессмертие» — способность делиться неограниченное число раз. О мутациях, приводящих к избыточному синтезу факторов роста или появлению дефектных рецепторов к ним, мы уже говорили. В опухолевых клетках часто наблюдаются изменения в цитоскелете и потеря чувствительности к контактному торможению пролиферации (то есть к внешним командам «Отменить деление!»). В них часто прекращается синтез белков, участвующих в апоптозе. Высокая частота мутаций в опухолевых клетках облегчает их адаптацию к среде, и одно из проявлений такой адаптации — развитие устойчивости к лекарственным средствам. По мере роста опухоли клетки начинают выделять ферменты-протеазы, разрушающие белки и позволяющие раковой клетке вторгаться в любую ткань. На определенном этапе клетки выделяют факторы, способствующие разрастанию сосудов и улучшению кровоснабжения опухоли. Некоторые мутации дают опухолевым клеткам возможность оставаться неуязвимыми для иммунной системы — например, в некоторых опухолях снижается уровень выработки антигенов HLA класса I, и клетки не распознаются Т-лимфоцитами (поскольку у раковых клеток весь облик и морфология не соответствуют «норме», их набор антигенов, служащих клетке «паспортом», выдал бы их с головой. Но они просто перестают «предъявлять документы», т. е. синтезировать и выносить на поверхность эти антигены — и одураченные лимфоциты проходят мимо). Способность метастазов выживать в чуждом окружении также связана с мутациями определенных генов. Итак, чтобы клетка стала опухолевой, в ней должно произойти очень много изменений: в опухолях человека подчас находят более 10 мутаций.

Впрочем, некоторые «нужные» мутации могут присутствовать в клетке изначально. Как известно, мутации могут происходить как в половых клетках, так и в соматических. В первом случае мутация может быть унаследована и будет присутствовать во всех соматических клетках потомков. Это само по себе не вызывает рак (для злокачественного перерождения клетки необходима как минимум еще одна мутация, которая должна произойти уже в соматической клетке — в той же версии второй хромосомы), но, конечно, значительно повышает вероятность развития болезни, причем именно конкретной формы. Именно этим объясняется феномен «семейного» рака. Наследственными могут быть опухоли практически всех тканей и органов (5-10% от всех случаев). Наследственная предрасположенность доказана для полипозного и неполипозного рака толстого кишечника, рака желудка, молочной железы, опухолей эндокринных желез и других опухолей.

За последние годы накоплен весьма обширный и детальный материал по канцерогенезу — весьма вероятно, что мы вплотную подошли к тому рубежу, за которым открываются возможности активного управления процессами клеточной трансформации.

Глоссарий

Дифференцировка клеток — процесс, в ходе которого клетка приобретает специфическую форму и способность выполнять определенную функцию (эритроцит — переносить кислород, клетка сердечной мышцы — сокращаться и т. д.).Дифференцировка клеток определенного типа достигается экспрессией в них комплекса генов, специфичных для данного типа клеток конкретной ткани. Высокодифференцированные клетки, как правило, не способны к пролиферации.

Пролиферация — процесс размножения клеток, в результате которого увеличивается их число. Этим термином не называют деление клеток без увеличения их общего числа (например, стволовых клеток волосяной луковицы, где одна из дочерних клеток немедленно начинает отмирать).

Промотор — регуляторная часть гена, участок ДНК, с которого начинается транскрипция гена. Активация промотора ведет к резкому увеличению активности гена и в результате — к увеличению синтеза белка, кодируемого этим геном.

Транскрипция — стадия считывания генетической информации, на которой нуклеотидная последовательность ДНК копируется в виде нуклеотидной последовательности РНК.

Факторы роста — сигнальные вещества, повышенная концентрация которых во внеклеточной среде побуждает клетки к пролиферации (см. выше). Часто обладают тканевой специфичностью (побуждают к делению клетки определенной ткани), но при этом могут выделяться как самими клетками данного типа, так и клетками других тканей. Практически не действуют на высокоспециализированные клетки, чья функция в организме не требует регулярного деления.

Экспрессия гена — воплощение закодированной в данном гене информации в РНК и белок; измеряется обычно по интенсивности синтеза кодируемого этим геном белка.