Механизмы развития рака при генетическом повреждении клеток - генетический канцерогенез

Обновлено: 21.09.2024

Много лет назад Джеймс Кливер и Дирк Бутсма показали, что фибробласты больных пигментной ксеродермой (ПК) имеют дефект по эксцизионной репарации (ЭР) ДНК после УФ облучения. Поскольку у большинства больных ПК образуется рак кожи, эти данные указывали, что у нормальных людей, редко болеющих раком кожи, репарация ДНК является важным фактором подавления канцерогенеза. По определению, репарация уменьшает число повреждений в ДНК, в том числе и вступающих в репликацию, тем самым, снижая вероятность образования мутаций и хромосомных перестроек, а, следовательно, инициацию рака и прогрессию опухолей. Эта простая концепция была впоследствии подтверждена на некоторых других моделях и стала весьма популярной, однако соотношения между репарацией ДНК и канцерогенезом оказались значительно более сложными, чем это представлялось ранее. Выяснилось, в частности, что до самой репарации работают сложные сигнальные каскады идентификации повреждений в геноме и выбора между репарацией и апоптозом, а также выбора адекватной системы репарации для данного типа повреждений. В последние годы значительный прогресс достигнут в понимании механизмов так называемой пострепликативной репарации или механизмов обхода повреждений ДНК во время и после репликации без их элиминации из генома, а также механизмов эпигеномных модификаций хроматина. Данный доклад будет посвящен краткому описанию известных к настоящему времени систем репарации ДНК в клетках высших эукариот и их роли в поддержании стабильности генома, обеспечивающей в нормальных клетках низкие темпы канцерогенеза.

Наиболее изученной системой репарации является эксцизионная репарация нуклеотидов (ЭРН), частично дефектная у большинства больных пигментной ксеродермой. При ЭРН модифицированные нуклеотиды (например, пиримидиновые димеры) удаляются из поврежденной нити благодаря действию нуклеаз XPG и ERCC1/XPF, а образующийся при этом однотяжевый пробел заполняется ДНК-полимеразами d или e с помощью PCNA и зашивается ДНК-лигазой. В ЭРН работают также геликазы XPD и XPB, входящие в состав комплекса TFIIH, и комплекс XPA/RPA, стабилизирующий расплетенный участок и, по-видимому, определяющий, в какой нити будут сделаны разрезы. Узнавание димеров в неактивной ДНК (так называемая глобальная репарация) обеспечивают комплексы XPC/HR23B и DDB2/DDB1, экспрессия которых контролируется хорошо известным опухолевым супрессором и транскрипционным фактором р53. Транскрипция гена DDB2 является индуцибельной, однако ген XPC экспрессируется постоянно.

При ЭРН повреждения ДНК могут распознаваться и без участия комплексов XPC/HR23B и DDB2/DDB1 при так называемой транскрипционной репарации, когда транскрипционный комплекс, содержащий РНК полимеразу II, блокируется на некодирующем повреждении, а репарация запускается белками CSA и CSB, дефектными при синдроме Кокейна. В отличие от больных с пигментной ксеродермой, у больных с синдромом Кокейна (рано стареющие кахектичные карлики) не наблюдается повышения частоты рака кожи, хотя фибробласты УФ-чувствительны. В одной из гипотез предполагается, что в клетках больных с синдромом Кокейна блок транскрипции быстро индуцирует апоптоз, поэтому раковые клоны образоваться не успевают.

Третий важный механизм репарации - это устранение неправильно спаренных нормальных нуклеотидов, гетеродуплексных пар или мизматчей, часто образующихся при репликации некоторых последовательностей в матричных нитях, например микросателлитов, а также при репликации обычных последовательностей нуклеотидов. Дефекты в генах системы репарации гетеродуплексов приводят к нестабильности микросателлитных сегментов и к мутациям по различным генам, в том числе и по генам опухолевых супрессоров. Почему-то особенно хорошо это проявляется в клетках эпителия толстого кишечника и приводит к высокой частоте наследственных неполипозных раков толстой кишки (HNPCC). Наиболее часто встречаются пациенты с мутациями генов hMLH1 (60% всех случаев HNPCC) и hMSH2 (35%), реже - hMSH6, а мутации по hPMS1 и hPMS2 обнаружены лишь в нескольких семьях. Мутации по генам hMLH3 и EXO1 (экзонуклеаза, взаимодействующая с hMSH2) тоже выявлены, но их значение пока неясно, поскольку у носителей рака нет. Мутаций по гену hMSH3 вообще пока не обнаружено.

Очень важной для клетки (и для канцерогенеза) является ее способность воссоединять случайные двойные разрывы (ДР) ДНК, что осуществляется двумя различными репарационными механизмами - негомогическим воссоединением концов (НГВК) ДНК и путем гомологической рекомбинации (ГР) при наличии по соседству второй копии неповрежденного идентичного по нуклеотидной последовательности сегмента ДНК, например сестринской хроматиды. Поскольку в диплоидных ядрах гомологичные хромосомы пространственно разделены (хромосомные территории), репарация путем ГР преимущественно происходит в S- и G2 фазах клеточного цикла, а НГВК осуществляется во время любой фазы цикла. В геномах высших эукариот имеется много повторов, по которым, в принципе, возможна репарация путем ГР, однако такая репарация ДР приводит к хромосомным транслокациям, и она практически полностью подавлена. Главным механизмом подавления потенциально кластогенной ГР между повторами и вообще неправильных (эктопических) воссоединений концов ДНК при репарации ДР является, по-видимому, локальная специфическая модификация хроматина по гистону Н2АХ - фосфорилирование лизина-139 (или образование γ-H2AX). Эта модификация, происходящая в мегабазных доменах хроматина рядом с ДР, способствует удержанию долгоживущих концов ДНК благодаря привлечению в эти домены специального белка когезинa (SMC1), а также белка hRad50, который может одномоментно связываться с двумя концами ДНК.

В клетках человека репарация путем НГВК непосредственно осуществляется продуктами генов DNA-PK, Ku70/80, XRCC4, LIG4, Artemis, hRAD50, hMRE11 и NBS1, а репарация путем ГР происходит с помощью белков RAD51 (paralogs XRCC2, XRCC3), RAD52, RAD54, BRCA1, BRCA2 (FANCD1), FANCD2, а также комплексов XPF/ERCC1 и hRAD50/hMRE11/NBS1. Узнавание случайных ДР осуществляется либо самим комплексом hRAD50/hMRE11/NBS1, который быстро связывается с концами ДНК, либо протеинкиназой АТМ (дефективной при наследственном синдроме атаксия-телеангиэктазия), которая выявляет какие-то не идентифицированные локальные изменения хроматина, вызванные ДР, и при этом активируется. АТМ-киназа быстро фосфорилирует гистон Н2АХ, белки NBS1, FANCD2 и Artemis, а также киназу Chk2 (RAD53), останавливающую клеточный цикл. Фосфорилирование белка Artemis необходимо для репарации примерно 10% случайных ДР. Образование γ-H2AX возможно и за счет активности других киназ (ATR и DNA-PK), но киназа ATR включается только при блоке репликации ДНК, когда в вилках репликации образуются достаточно протяженные однотяжевые бреши, связывающие белок RPA. Заметим, что репарация путем НГВК является неточной, и при ней всегда образуются микроделеции, тогда как ГР точно восстанавливает исходную последовательность нуклеотидов.

Важной для канцерогенеза является пострепликативная репарация (ПРР) или обход повреждений (lesion bypass or DNA damage tolerance) во время или после репликации. Этот путь был открыт у бактерий почти 40 лет назад, когда было показано, что напротив не вырезанных пиримидиновых димеров во время репликации образуются однотяжевые пробелы в дочерних нитях, которые затем устраняются гомологической рекомбинацией между сестринскими дуплексами ДНК, контролируемой белком RecA. ПРР рассматривается как главный источник индуцируемых мутаций.

Основные результаты по генному контролю ПРР в клетках эукариот были получены на дрожжах - это гены эпистатической группы RAD6 (RAD18, RAD5, MMS2, UBC13, RAD30, REV3, POL30). Гомологи большинства из этих генов идентифицированы в геномах высших эукариот. В настоящее время рассматриваются два основных (не альтернативных) механизма обхода некодирующих повреждений у эукариот: 1) прямой синтез ДНК напротив поврежденных нуклеотидов c помощью специальных ДНК-полимераз (translesion synthesis, TLS, or DNA polymerase switch); 2) использование как матрицы для синтеза напротив димера неповрежденного сестринского дуплекса без разрывов родительских нитей, смена матрицы (template switch, TMS). Небольшая часть пострепликативных пробелов может устраняться, по-видимому, и с помощью ГР между сестринскими дуплексами, при которой происходят разрывы родительских нитей ДНК и сестринские хроматидные обмены. Этот механизм ПРР аналогичен точной репарации двойных разрывов ДНК путем ГР, но касается только двойных разрывов, образующихся при репликации. При блоке репликации, однако, клетка стремится избежать рекомбинации, при которой образуются двойные разрывы ДНК в репликативных вилках. Подавление рекомбинации в заблокированных вилках происходит благодаря сумоилированию по лизину-164 белка PCNA ферментом UBC9, после чего SUMO-PCNA связывает геликазу SRS2, которая уже блокирует образование RAD51 филаментов. Дополнительными факторами подавления ГР в вилках репликации являются также известные геликазы BLM, WRN и RECQ4, дефективные при синдромах Блюма, Вернера и Ротмунда-Томсона, соответственно.

Главным событием при TLS является замена блокированной репликативной ДНК полимеразы (ДПδ или ДПε) на другую ДНК полимеразу, способную вставлять нормальные нуклеотиды напротив поврежденных звеньев. В клетках человека такой TLS-полимеразой является продукт гена, дефектного при вариантной пигментной ксеродерме, ДНК полимераза η (ДПη) (у дрожжей ген RAD30), которая связывается с репликативным белком PCNA (POL30), причем связывание усиливается при моно-убихитинилировании PCNA также по лизину-164. Эта модификация зависит от белка RAD18 и происходит при торможении репликации, однако остается неясным, каким образом при этом активируется RAD18. По нашим данным, при торможении репликации hRAD18, как и ДПη, накапливается в заблокированных вилках (фокусах репликации) и при этом перестает экстрагироваться из ядра буфером, содержащим Тритон-Х100. Эти изменения подавляются ингибиторами протеинкиназ стауроспорином и вортманнином, то есть могут быть связаны с фосфорилированием либо самого RAD18, либо какого-то взаимодействующего с ним белка. Есть основания предполагать, что это фосфорилирование осуществляется каскадом ATR/Chk1 в ответ на накопление однотяжевой ДНК в вилках репликации.

В дрожжах параллельно с моно-убихитинилированием PCNA происходит его поли-убихитинилирование по тому же лизину-164, зависисимое от продуктов генов RAD5, MMS2 и UBC13, которое направляет репарацию по второму механизму (смена матрицы, TMS). В клетках человека ПРР по механизму смены матрицы зависит от гомолога дрожжевого гена MMS2, однако поли-убихитинилирования PCNA пока не обнаружено. Необходимо отметить, что ПРР путем смены матрицы (TMS) является точной, а при смене полимеразы (TLS) специальные ДНК-полимеразы могут делать ошибки. Эти ошибки и являются, по-видимому, основным источником индуцированных точковых мутаций в геноме человека. Необходимо, однако, иметь ввиду, что только 5% генома кодирует белки и требует точного воспроизведения во время репликации, поэтому мутации в 95% генома (в некодирующей ДНК), особенно в дифференцированных соматических клетках, редко приводят к заметным фенотипическим эффектам. Что касается половых и стволовых клеток, то в них повреждения ДНК должны легче индуцировать апоптоз, а не репарацию.

Научная электронная библиотека

Представления о молекулярно-клеточных механизмах онкогенной трансформации клеток претерпели значительную эволюцию на протяжении XX века и до настоящего времени [18, 20, 25, 32, 34].

Как указывалось выше, инициирующими этиологическими факторами малигнизации клетки являются разнообразные по природе группы канцерогенов химической, физической, биологической природы, в том числе вирусы, гормоны и генотоксические продукты их метаболизма [13, 26, 63].

Естественно, что при чрезвычайной гетерогенности этиологических факторов неоплазий не могла сформироваться достаточно быстро доминирующая концепция механизмов развития онкогенной трансформации клеток, их активации или промоции опухолевого роста с последующей опухолевой прогрессией. В ранних концепциях канцерогенеза делали акцент на эпигеномных механизмах развития неоплазий, и, безусловно, ряд положений этого направления носит не только исторический характер, но может быть в определенной степени ассоциирован с современными вирусо-генетической и онкогенной теориями канцерогенеза.

Согласно данным ряда исследователей, первичное изменение свойств цитоплазматической мембраны под влиянием канцерогенных углеводородов, онкогенных вирусов является одним из пусковых механизмов последующего изменения генетического аппарата и нарушений регуляции их митотического цикла [108]. Эта концепция канцерогенеза была актуальна в период обнаружения отсутствия контактного ингибирования опухолевых клеток в монослойной культуре.

Как оказалось далее, в механизмах контактного ингибирования клеток важная роль отводится активации мембранной аденилциклазы и увеличению уровня цАМФ, тормозящего митотическую активность клеток. Понижение концентрации цАМФ в мембранах клеток под влиянием различных канцерогенов ведет к неконтролируемой митотической активности. Эта точка зрения имела определенную значимость в понимании пусковых механизмов канцерогенеза, поскольку для многих гормонов, регулирующих метаболизм клеток, их митотическую активность, характерен преимущественно мембранный тип рецепции (АКТГ, СТГ, инсулин, пролактин и др.).

Практически одновременно с мембранной концепцией канцерогенеза создавались митохондриальная и лизосомальная теории развития неоплазий, согласно которым актомиозиновый белок митохондриальных мембран оказывается аномальным у малигнизированных клеток и утрачивает чувствительность к регулирующим влияниям АТФ; при этом гликолитическая реакция опухолевой клетки стимулируется митохондриальными факторами, поступающими постоянно в гиалоплазму, а возрастание концентрации АТФ не подавляет этот процесс.

Со временем митохондриальная теория канцерогенеза утратила свою актуальность, однако факт чрезмерной интенсификации гликолитических реакций, даже в условиях достаточной оксигенации опухолевых клеток, наличие обратного эффекта Пастера остаются неоспоримыми и характерными признаками метаболического атипизма опухолевых клеток. Наименее веской оказалась теория так называемого «лизосомального» канцерогенеза, согласно которой канцерогены вызывают лабилизацию мембран лизосом, активизацию и выход в цитоплазму гидролаз, в частности, ДНК-азы, обеспечивающей разрыв двойной связи ДНК и развитие опухолевой трансформации клеток. Однако, как известно, лизосомы - очень реактогенные субклеточные образования, проницаемость мембран которых резко возрастает под влиянием различных патогенных факторов экзогенного и эндогенного происхождения, далеко не всегда являющихся канцерогенами [32].

Одним из классических признаков неоплазий является нарушение регуляции дифференцировки и митотической активности клеток, в связи с чем указанная проблема затрагивается в той или иной форме в разных концепциях [1]. Однако до настоящего времени одной из ведущих концепций канцерогенеза является мутационная теория, согласно которой все канцерогены обладают мутагенной активностью, хотя не все мутагены являются канцерогенами.

Практически все изученные канцерогены индуцируют разрывы фосфодиэстеразных связей в молекуле ДНК. Вначале канцерогены интенсивно связываются с ДНК чувствительных клеток. Обнаружена прямая корреляция между чувствительностью животных и их органов к малигнизирующему действию веществ и степенью их связывания с ДНК [42].

Показано, что многие химические канцерогены способны к интеркаляции между основаниями ДНК с последующим сдвигом «рамки считывания» генетической информации. Установлено, что канцерогены различных классов взаимодействуют активно с нуклеиновыми основаниями ДНК; при этом ослабляется связь основания с сахарами, возникают гидролиз, денатурация ДНК. Горячими точками при индукции канцерогенами мутации сдвига «рамки считывания» являются полипуриновые участки ДНК. Возникновение повреждения под влиянием химических канцерогенов (полициклических углеводородов, ароматических аминов и амидов, алкилирующих соединений) может индуцировать процесс генетической рекомбинации, конверсии генов [66].

В последующие годы важная роль в развитии онкогенной трансформации клеток и опухолевой прогрессии отведена свободным радикалам. Учитывая значимость индукции избыточных концентраций свободных радикалов в канцерогенезе, необходимо прежде всего остановиться на активации процессов липопероксидации, инициируемой активными формами кислорода (АФК) и в то же время являющейся источником образования значительного количества вторичных эндогенных свободных радикалов [7, 8].

Как известно, активные формы кислорода вступают во взаимодействие с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК): линолиевой, линоленовой, арахидоновой - важнейшими компонентами фосфолипидов биологических мембран. Отрыв водорода от молекулы ПНЖК при участии АФК приводит к перемещению двойных связей с образованием гидроперекисей диеновых коньюгатов, которые затем метаболизируются во вторичные (малоновый диальдегид) и третичные продукты липопероксидации [66]. Перекисное окисление липидов затрагивает прежде всего фосфолипиды цитоплазматических мембран клеток, нарушая при этом энергозависимый трансмембранный перенос субстратов, процессы межклеточного взаимодействия. Биологическая активность АФК связана с синтезом простагландинов, лейкотриенов окислительной модификацией белков, нуклеиновых кислот, липидов. Одним из проявлений окислительной модификации белка является инактивация около 240 ферментов, в частности, СОД, ацетил-КоА-гидролазы, каталазы, миелопероксидазы, цитохрома Р450 [22, 66].

Дезинтеграция белка в основном возникает под влиянием гидроксильного радикала, образующегося в организме в процессе реакции взаимодействия супероксида и перекиси водорода с металлами переменной валентности. Объектами окисления в молекуле ДНК под влиянием гидроксильного радикала являются углеводные компоненты, фосфатные группировки, азотистые основания. Наиболее чувствительным к окислительной деструкции азотистым основанием является гуанин, модифицированные формы которого составляют 45 % от общего количества окисленных оснований [83, 95].

Установлено, что чувствительность к фрагментации сахарно-фосфатного остатка ДНК под влиянием АФК оказалось более высокой, чем полипептидного остова белково-пептидных субстанций. Гидроксильный радикал, действуя на ДНК, может отрывать атом водорода от дезоксирибозофосфата, что ведет к его расщеплению и освобождению азотистых оснований. При этом образуются высокотоксичные производные альдегиды.

Данные, опубликованные в последние годы, убедительно свидетельствуют о том, что активные формы кислорода, оксид азота и его производные в сочетании с инфекционными патогенными факторами, бактериями и вирусами, являются ключевыми факторами канцерогенеза [2, 35, 36].

Детальный обзор литературы по этому вопросу приведен в работе Х. Маеда, Т. Акаике (1998). Кислородные радикалы, а также оксид азота могут повреждать ДНК, вызывая мутацию. Мутагенный и канцерогенный эффекты указанных соединений резко возрастают при одномоментной, избыточной продукции, сопровождающейся их взаимодействием с образованием пероксинитрита. Последний участвует в различных внутриклеточных метаболических процессах: нитровании остатков тирозина в белках, подавлении транспорта электронов в митохондриях, в окислении тиоловых соединений. Пероксинитрит является ДНК-расщепляющим агентом. Вышеуказанные химические реакции с участием пероксинитрита могут инициировать апоптоз, мутации, онкогенную трансформацию клеток.

Как указывалось выше, в механизмах индукции канцерогенеза важная роль отводится онкогенным ДНК- и РНК-содержащим вирусам, способным инкорпорировать свою ДНК или ДНК-копию в геном хозяина с последующей возможной онкогенной трансформацией клетки в случае экспрессии протоонкогенов.

Установлено, что РНК-содержащие онкогенные вирусы являются членами семейства ретровирусов, характеризуются наличием липидной оболочки и двух односпиральных РНК, фермента РНК-зависимой ДНК-полимеразы, необходимой для репродукции вируса. Наличие этого фермента обеспечивает обратную транскрипцию вирусной РНК- в ДНК-копию, интегрирующую с геномом клетки [71].

Группа РНК-содержащих вирусов включает следующие разновидности: непатогенную для человека группу вирусов (род А); медленно трансформирующийся вирус гормонзависимой карциномы молочной железы морских свинок и, возможно, человека (род В); дефектные быстро трансформирующиеся и недефектные медленно трансформирующиеся вирусы (род С); род Д - включает вирусы приматов и вирус перевиваемых раковых клеток человека.

ДНК-содержащие онкогенные вирусы подразделяются на следующие семейства:

1. Семейство Poxviridae, содержит, в частности, вирус контагиозного моллюска человека.

2. Семейство Herpes viridae, к которому относится вирус Эпштейн-Барра человеа, вызывающий лимфому Беркитта, цитомегаловирус человека - тип 5.

3. Семейство Adenoviridae - представителями которого являются аденовирусы человека.

4. Семейство Papovaviridae, представителями которого являются вирусы папилломы крыс, хомяков, обезьян, человека.

ДНК-содержащие вирусы внедряют свою ДНК в геном хозяина при участии ферментов эндонуклеаз и липаз, а за счет наличия генов - промоторов - вирусы инициируют транскрипцию генов, следующих за ДНК-вирусами. Последствия внедрения ДНК-вирусов в геном хозяина зависят от зоны инкорнации: интронов, экзонов, протоонкогенов, антионкогенов. Если ДНК-содержащие вирусы встраивают в геном хозяина клетки регуляторы экспрессии протоонкогенов, возможна малигнизация клетки [54].

Механизмы онкогенной трансформации клеток под влиянием ДНК-содержащих вирусов могут быть весьма разнообразны: за счет индукции ранних онкобелков, так называемых Т-антигенов, усиления экспрессии рецепторов экзогенных ростовых факторов. Большие и средние Т-белки ряда ДНК-содержащих вирусов выключают контактное ингибирование пролиферации клеток, препятствуют действию антионкогена р53.

Как известно, вирусо-генетическая теория Л.А. Зильбера явилась основной для формирования современной онкогенной теории канцерогенеза. На смену вирусогенетической теории канцерогенеза пришли теории онкогенов, протоонкогенов и антионкогенов [30, 31, 65, 120].

В настоящее время, очевидно, что в опухолевой трансформации клеток, возникающей под влиянием различных индукторов канцерогенеза, принципиально участвуют следующие категории генов:

1. Онкогены- стимуляторы функций.

2. Гены роста и пролиферации клеток (Myc, Ras, Los, ABL и другие).

3. Антионкогены (потеря функции).

4. Гены, отвечающие за программированную смерть клетки (апоптоз):

- отменяющие программированную смерть: Bcl-2 (стимуляция функций);

- гены смерти клеток - р53 (потеря функции).

Онкогены как специфический химический материал, кодирующий информацию об определенном химическом продукте, впервые были идентифицированы в составе ретровирусов. Геном типичного не трансформирующего ретровируса представляет собой две молекулы односпиральной РНК. Основные гены вируса относятся к трем регионам: gag кодирует структурные белки вирион частицы, env- белки оболочки вириона, ген pol - несет информацию об обратной транскрипции. Последний обеспечивает образование ДНК- копии на матрице РНК-вируса.

Согласно гипотезе онкогенов, гены ретровирусов, попавшие в геном человека в процессе эволюции, переходят по наследству в ряде поколений, проявляют себя в раннем онтогенезе, а затем подавляются внутриклеточными репрессорами. С возрастом под влиянием различных канцерогенов физической, химической, биологической природы возникают экспрессия вирусных онкогенов и усиление продукции ими онкобелков, ответственных за малигнизацию клетки. Онкогенные свойства нетрансформирующих ретровирусов обусловлены наличием в их геноме V-онкогенов, причем большинство из 50 V-онкогенов имеют клеточные прототипы - С-протоонкогены.

Высказывается мысль, что ретровирусы не только могут вносить в определенные позиции клеточного генома V-онкогены, но и способны быть промоторами для усиленной экспрессии протоонкогенов клеток. Считается, что в ходе совместной эволюции ретровирусов и клеток происходят захват клеточных протонкогенов вирусами и их перенос [24].

Развитие теории онкогенов нашло отражение в концепции Темина (1972) о протовирусах, протоонкогенах, согласно которой предсуществующий аналог вируса не является результатом инфекции, а нормальным клеточным геном, необходимым для роста и онтогенеза клеток, причем нормальные клетки не содержат вирусных онкогенов, но зависят от контролируемой экспрессии их клеточных аналогов.

В механизмах развития неоплазий онкогенные ретровирусы играют неоднозначную роль: различают быстро- и медленно-трансформирующие вирусы. Быстротрансформирующие вирусы дефектны по структуре, утратили часть своих поздних репликативных генов и приобрели взамен видоизмененные клеточные гены-V-онкогены, которые и вызывают неопластическую трансформацию при повторной интеграции в клеточный геном. Для полного цикла репликации этим вирусом требуются вирусы-помощники. Клеточные протоонкогены являются прототипами V-онкогенов, консервативными регуляторами клеточной дифференцировки.

Встраивание быстро-трансформирующего реторовируса может либо привести к экспрессии в клетке V-онкогена, либо вирусные промоторы и энхансеры встраиваются рядом с протоонкогенами клетки, вызывая их экспрессию.

Медленно-трансформирующие ретровирусы вызывают в эксперименте рак молочной железы и хронические лейкозы; они способны самостоятельно реплицироваться в клетки, не содержат V-онкогенов, способны к «вставочному» мутагенезу. При этом возникает гиперэкспрессия клеточного протоонкогена.

Таким образом, встраивание ретровирусов в геном клетки приводит к гиперэкспрессии протоонкогенов, переход их в онкогены с последующей малигнизацией клетки [20, 23, 30, 64].

Что касается механизмов индукции неоплазий химическими канцерогенами с точки зрения современных теорий канцерогенеза - протоонкогенов, онкогенов, антионкогенов, то необходимо остановиться на анализе лишь некоторых работ, посвященных данной проблеме.

Как известно, химические канцерогены, подобно биологическим, способны вызывать развитие мутаций и активацию протоонкогенов [25, 64]. Под влиянием химических канцерогенов возможна онкогенная трансформация в процессе амплификации ДНК. Установлено, что амплификация гена резистентности на фоне воздействия цитостатиков нередко возникает при раке кишечника и является причиной устойчивости неоплазий к химиотерапии. При ряде онкологических заболеваний желудочно-кишечного тракта возникает амплификация онкогенов erbB2, mys, SRS. Индукция развития опухолей нитрозмочевиной связана с амплификацией и активацией N-ras; в опухолях, индуцированных гамма-облучением, активен Ras-H. В ходе химического канцерогенеза отмечено гипометилирование протоонкогена Ras-H, приводящего к развитию генной мутации.

В опухолях, индуцированных химическими канцерогенами, отмечены транскрипции ряда других онкогенов (c-ras и c-mys), связанные с гипометилированием протоонкогена либо его амплификацией. В ходе химического канцерогенеза нарушается зависимость экспрессии c-mys (но не c-ras) от клеточного цикла. Таким образом, многие химические соединения или физические воздействия, а также вирусы могут вызывать мутации ДНК, не летальные для клеток и провоцирующие экспрессию протоонкогенов или депрессию антипротоонкогенов [108]. Последнее приводит к трансформации нормальной клетки в опухолевую.

Эпигенетический механизм канцерогенеза связан с нарушением регуляции клеточного роста, функции клетки и экспрессии генов без повреждения генома. При эпигенетическом канцерогенном эффекте эндогенных или экзогенных канцерогенных факторов возникает инактивация белков-продуктов антипротоонкогенов или активация пострецепторных передатчиков ростовых факторов. Такое воздействие, как правило, не вызывает неоплазии, но усиливает ростовые эффекты, способствует пролиферации мутантного клона и формированию распознаваемой неоплазии. Эффект канцерогенов-мутагенов называют инициирующим, а коканцерогенов - активирующим.

Таким образом, в настоящее время очевидны следующие механизмы активации протоонкогенов:

1) амплификация протоонкогенов, в результате чего резко возрастает их общая активность, что может привести к малигнизации клетки;

2) мутации протоонкогенов, приводящие к их активации, и ингибиция антипротоонкогенов;

3) транслокация протоонкогенов в локус с функционирующим промотором;

4) аддукция промотора рядом с протоонкогеном. В качестве промотора могут выступать ДНК-копии определенных участков онкорнавирусов, а также мобильные генетические структуры, способные перемещаться и встраиваться в различные участки генома.

В геноме человека предполагается наличие около 100 протоонкогенов, выполняющих следующие функции:

1) кодирование ростовых факторов, их рецепторов и пострецепторных передатчиков;

2) кодирование блокаторов запрограммированной гибели клеток, контактного ингибирования пролиферации.

Трансформация протоонкогенов в онкогены приводит к их экспрессии и синтезу онкобелков. При этом онкобелки продуцируются перманентно в увеличенном количестве или в качественно измененном состоянии.

Ниже представлены несколько групп протоонкогенов, антионкогены, и кодируемые ими белки [30, 31, 32].

Канцерогены: что это такое, где они содержатся и как влияют на организм?

«Канцероген» - согласитесь, неприятное слово. Есть в нем что-то пугающее и отталкивающее. А если вникнуть в его этимологию, так вовсе становится страшно за свою жизнь. Ведь слово «канцероген» происходит от латинского «cancer» - рак и древнегреческого «γεννάω» - рождаю. Значит, оно означает то, что вызывает рак. Так ли это? И чего стоит по-настоящему опасаться?

Что такое канцерогены?

Согласно определению ВОЗ, канцерогены - это различного рода агенты, способные вызвать необратимые изменения (или повреждения) генетического аппарата, контролирующего жизнедеятельность соматических клеток. Другими словами - это вещества или факторы, которые нарушают программу нашей ДНК, что приводит к сбоям в работе всех клеток организма (кроме гамет) и, как следствие, может спровоцировать развитие канцерогенеза - патофизиологический процесс образования и развития раковой опухоли. Таким образом, канцерогены - это потенциально опасные для организма человека агенты, воздействие которых увеличивает вероятность развития злокачественной опухоли. Но что же представляют собой эти агенты?

Какие вещества и факторы относят к канцерогенам?

Специалисты Международного агентства по изучению рака ВОЗ постоянно проводят исследования, в ходе которых анализируют причины, которые потенциально опасны для человека и могут спровоцировать развитие онкологических патологий. Список канцерогенов постоянно изменяется и имеет непростую классификацию. На сегодняшний день в него входит пять категорий веществ и факторов.

Категория 1 - это 120 однозначно канцерогенных для организма человека агентов.
Категория 2A - это 82 вероятно канцерогенных для человека агентов.
Категория 2B - это 311 возможно канцерогенных агентов.
Категория 3 - это 499 не классифицируемых как канцерогены агентов.
Категория 4 - это 1 не канцерогенный агент - капролактам, используемый для производства волокон, полиамидных пластмасс, полиуретана и получения лизина.

Под определение вероятно канцерогенных, попадают те агенты, в пользу которых доказательной базы пока недостаточно, но они являются канцерогенными для человека и животных.

Под определение возможно канцерогенных, попадают агенты, в пользу которых доказательной базы пока недостаточно, но они с большой долей вероятности канцерогенны.

Под определение не классифицируемых, попадают агенты, в пользу которых доказательной базы пока недостаточно, как в отношении организма человека, так и в отношении животных.

Однако делением на категории, классификация канцерогенов не ограничивается. Учитывая природу их происхождения, различают химические, физические и биологические факторы, воздействие которых может спровоцировать развитие канцерогенеза. Рассмотрим наиболее распространенные и опасные из них.

Группа химических канцерогенов

Аристолохиевая кислота - содержится в растениях рода Аристолохия и Дикий имбирь.

Асбест - тонковолокнистый минерал, нашедший широкое применение при производстве кровельных, фасадных и стеновых изделий. Его можно встретить в мастике, герметиках и практически в каждом строительном растворе. При несоблюдении технологии производства, асбест легко распушается в воздухе, попадает в дыхательные пути и не выводится из организма.

Афлатоксины - токсины плесневых грибов, которые поражают зерновые культуры, плоды и семена растений.

Бензол - содержится в бензине, широко применяется в производстве пластмасс, красителей, резины и даже лекарственных средств.

Бензпирены - вещества, содержащиеся в табачном дыме, образующиеся в процессе приготовления пищи на открытом огне, при жарке и при длительной тепловой обработке мяса в духовке.

Бетель - разновидность перца, которую применяют в качестве лекарственного средства и специи в процессе приготовления блюд.

Винилхлорид - вещество, применяемое для получения ПВХ, который активно используется в производстве труб, пленки для натяжных потолков, искусственной кожи, обоев, профилей и различных аксессуаров.

Диоксины - образуются при сжигании обычного бытового мусора.

Кадмий - химический элемент, применяемый для получения антикоррозионных защитных покрытий и неорганических красителей. Повышенное содержание элемента встречается в различных продуктах питания - рыба, креветки, какао-порошок, говядина, свинина, маргарин, хлеб, почки животных. Данные продукты в обязательном порядке должны проходить экспертизу на предельно допустимую концентрацию кадмия согласно действующим СанПиН.

Контрацептивы - в том случае, если в их состав входит эстроген и прогестаген.

Красное мясо - мышечное мясо млекопитающих (говядина, телятина, свинина, ягнятина, баранина, конина, козлятина), а так же продукция из него, при производстве которой использовались любые способы консервации - засолка, вяление, ферментация, копчение и т.д.

Мышьяк - химический элемент, применяемый в производстве пиротехники и полупроводниковых материалов. В редких случаях мышьяк используется в зубоврачебной практике, для удаления нерва зуба.

Никель - химический элемент, применяемый в производстве нержавеющей стали, различных сплавов, струн музыкальных инструментов, брекет-систем, зубных протезов и бижутерии.

Нитраты и нитриты - поступающие в организм человека вместе с продуктами питания (злаки, корнеплоды, овощи и мясопродукты).

Пероксиды - присутствуют в сильно разогретых растительных маслах и в прогорклых жирах.

Пестициды - гербициды, которые используются для борьбы с сорняками, относят к возможно канцерогенным агентам.

Пищевые добавки - это запрещенные законом Е121, Е123 и др. добавки.

Полициклические ароматические углеводороды - вещества, присутствующие в выхлопных газах автомобилей, образующиеся при сгорании нефтепродуктов и обычного бытового мусора.

Табачные изделия - сигареты, папиросы, сигары, табак, кальянный табак, трубочный, жевательный, нюхательный, махорка и т.д.

Тальк - в том случае, если он содержит волокна асбеста.

Формальдегид - вещество, применяемое при производстве полимеров, кожаных изделий, кинофотопленки, антисептических растворов, пищевой добавки E240, а также в качестве фумигатора в процессе транспортировки и хранения зерна.

Электронные сигареты - для изготовления картриджей нередко используется никель, а жидкость для устройства содержит табак-специфичный нитрозамин, признанный канцерогеном.

Этанол - действующий компонент всех алкогольных напитков.

Группа физических канцерогенов

Ионизирующее излучение - обладает разрушительным эффектом для всех типов тканей и органов организма.

Ультрафиолетовые лучи - поглощаются кожей, поэтому могут вызвать только злокачественную опухоль кожных покровов.

Группа биологических канцерогенов

Вирус гепатита В - может вызвать рак печени.

Вирус Эпштейна-Барр (вирус герпеса человека 4 типа) - может провоцировать лимфому Ходжкина.

ВИЧ - вызывает развитие саркомы Капоши.

Описторхоз - заболевание, вызываемое паразитическими плоскими червями, может перейти в хроническую форму и привести к развитию гепатоцеллюлярной карциномы.

Папилломавирус - провоцирует развитие рака шейки матки и полового члена.

Т-лимфотропный вирус человека - способен вызывать злокачественную опухоль лимфоидной или кровеносной ткани.

Helicobacter pylori (Хеликобактер пилори) - может стать причиной развития рака желудка.

Естественно, вышеуказанный список веществ, соединений и факторов является далеко не полным. Но и его достаточно для того, чтобы понять - канцерогены окружают человека на каждом шагу. И даже полезные продукты могут оказаться потенциально опасными для организма. Например, некачественный пчелиный мед, в который попали пестициды или радионуклиды. Не говоря уже о том, что возникновение раковой опухоли может быть обусловлено эндогенными факторами - врожденным дефектом системы восстановления ДНК.

Но не все так плохо! По мере проведения исследований и накопления знаний, список ВОЗ не только дополняется новыми агентами, но и сокращается. Так в июне 2016 года, Международное агентство по изучению рака исключило из него всеми любимый кофе. А специалистами Tongji University Hospital (Китай) был доказан обратный эффект напитка - регулярное употребление кофе снижает риск развития рака молочной железы и простаты.

Механизм действия канцерогенов

Канцерогенез - это сложный и многоэтапный процесс, однако он запускается не спонтанно. Специалисты полагают, что одним из спусковых механизмов для появления раковой опухоли, является повреждение генетического материала клетки. Таким образом, повреждаемые канцерогенами специфические участки ДНК, утрачивают контроль над пролиферацией и дифференцировкой клеток, что и приводит к возникновению опухоли. Другими словами: канцерогены «взламывают» программу ДНК наших клеток и они начинают бесконтрольно делиться, создавая новообразования - опухоли.

Однако не все так страшно! Раковая опухоль возникает не сразу после контакта с канцерогеном. Для ее образования должно пройти время, в течение которого повреждения ДНК клеток будут накапливаться и в конечном итоге приведут к сбоям в программах пролиферации и дифференцировки. Это так называемый латентный период, средняя продолжительность которого 15 - 20 лет. При этом прослеживается прямая зависимость онкогенного эффекта от дозы и длительности воздействия канцерогенов. Это значит, что чем больше и дольше канцероген будет поступать в организм, тем короче будет латентный период. И наоборот - снижение дозы канцерогенов и времени их действия, замедлит (отстрочит) процесс образования опухоли и сведет к минимуму вероятность ее появления.

Вывод: ограничение действия канцерогенов снижает риск развития раковых новообразований!

Как ограничить действие канцерогенов?

Специалисты считают, что канцерогенез протекает в организме человека перманентно и им можно управлять. В силу того, что злокачественные клетки являются для нас инородными, иммунная система быстро распознает их и успешно разрушает. Таким образом, укрепляя собственный иммунитет, можно успешно противостоять не только вредному влиянию канцерогенов, но и онкологическим заболеваниям. Доказательство этому - клинические наблюдения за пациентами с признаками ослабления иммунной системы, у которых злокачественные новообразования встречаются в десятки раз чаще, чем у людей с крепким иммунитетом. При этом уже образованная опухоль обладает ярко выраженным иммуносупрессивным действием. Подавляя естественную сопротивляемость организма, она беспрепятственно разрастается и дает метастазы.

Что касается самих канцерогенов, то избежать их влияния на 100% невозможно. Ультрафиолетовые лучи, выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей и множество других факторов повышают концентрацию канцерогенов в окружающей среде. От них не скрыться в квартире, напичканной бытовой химией, отделочными материалами, микроволновыми печами, датчиками пожара, ионизаторами и прочей техникой. Не говоря уже о том, что профессиональная деятельность человека может быть связана с горным делом, химической промышленностью, производством кожи, асбеста, деревообработкой, строительством, ремонтом и другими сферами, предполагающими непосредственный контакт с сильнейшими канцерогенами. Что же делать?

Все очень просто! Если избежать контакта с канцерогенами невозможно, то необходимо ограничить их дозу и длительность воздействия. Для этого нужно взять на вооружение несколько простых рекомендаций.

Исключить из рациона продукты питания сомнительного происхождения и качества.
Ограничить потребление продуктов с консервантами.
Не злоупотреблять копченостями и блюдами, приготовленными на гриле или на открытом огне.
Не пережаривать мясо, рыбу и другие продукты, а так же регулярно менять масло для жарки.
Избегать продуктов питания с высоким содержанием пищевых добавок.
Отказаться от курения и электронных сигарет.
Ограничить потребление спиртных напитков до минимума, а лучше вообще отказаться от них.

Ну, и, конечно же, укреплять свой иммунитет. Увеличить физическую активность и стараться придерживаться принципов здорового образа жизни. Раз в год проходить обследование на рак, скрытые инфекции и другие патологии.

Наследственные факторы онкозаболеваний, генетическая предрасположенность

Согласно статистике, около 10% онкологических заболеваний имеют наследственный характер. По наследству передается не сама болезнь, а генные мутации, которые обуславливают предрасположенность к возникновению рака.

Механизмы реализации наследственной предрасположенности к раку

Каждый носитель мутированного гена наследственного рака - это потенциальный онкологический пациент. При формировании половых клеток человек получает 50% отцовских и 50% материнских копий гена. Таким образом поврежденный ген достается человеку или от отца, или от матери. Этот ген имеет два признака (две аллели) - один здоровый, другой раковый. Поврежденный аллель содержится только в 50% гамет, следовательно, и риск передачи по наследству дефектного гена составляет 50%. Такая же вероятность наследования мутированного гена существует у родных сестер и братьев пациента. Для отдаленных родственников опасность получения ракового гена снижается прямо пропорционально степени родства.

Человек, с 50% дефектным геном здоров и является только носителем. Чтобы запустился процесс канцерогенеза, необходима еще одна мутация - уже здоровой части гена (аллели). При этом ген полностью инактивируется и не способен выполнять свои функции по контролю и сдерживанию клеточного деления, поддержанию целостности генома - на этом фоне развивается злокачественная трансформация здоровых клеток в раковые. Эта теория получила название «двойного удара».

Рак и генетика

Наследование дефектных генов происходит несколькими путями:

Наследуется конкретный ген, несущий код определенной формы рака.
Передаются гены, обуславливающие предрасположенность к развитию онкологических заболеваний под воздействием неблагоприятных факторов внешней среды.
Наследуется группа генов, склонных к мутациям, которые затем индуцируют формирование злокачественных опухолей.

Запустить процесс онкогенеза в организме способны три группы наследственных нарушений:

При массивном воздействии средовых факторов (канцерогенов) нормальные гены мутируют в онкогены.
Когда замедляется процесс ликвидации мутированных генов на клеточном уровне, например, неполная регенерация участков ДНК при их повреждении.
При наследственных заболеваниях, характеризующихся иммуносупрессией.

Понятие о наследственном и спорадическом раке

Гипотеза о возможном существовании наследственных форм рака была выдвинута еще в начале XX века на примере наблюдения за четырьмя семьями, у которых рак желудка прослеживался в пяти поколениях. Но истинная роль генетических/наследственных факторов онкологических заболеваний была доказана в 60-90 годах XX века после проведения специальных генетических исследований.

Опухоли различных анатомических локализаций бывают наследственными и ненаследственными (спорадическими).

Наследственные (семейные) формы рака составляют 5-10% от всех случаев рака. В основе наследственных опухолей лежат генные мутации в половых клетках, передаваемые из поколения в поколение, они обладают тенденцией скапливаются в семье - отсюда и название «семейный рак».

Разработаны критерии, по которым возможно идентифицировать семейный рак от спорадических случаев:

Клинические проявления злокачественных опухолей обнаруживаются в молодом возрасте.
Одновременно поражается несколько разных органов (рак молочной железы и рак яичников).
Онкологический процесс захватывает сразу оба парных органа (рак обеих почек).
Тип наследования признаков по законам Менделя.

Не все эти признаки встречаются одновременно, существует много вариаций в их проявлениях даже среди членов одной семьи. Для накопления критического количества мутаций, которые могут спровоцировать развитие онкологии, необходимо время.

У пациентов с наследственными раковыми синдромами одна мутация уже получена от родителей, поэтому «путь к раку» у них занимает меньше времени. Заболевания возникают на 20-25 лет раньше, чем спорадические раки.

Передается ли рак по наследству

Многие полагают, что, если факт наследования рака установлен, то заболевание возникнет обязательно. Наследственная предрасположенность не является 100% неизбежностью заболевания раком. Присутствие одних и тех же мутаций у одних оборачивается развитием рака в молодом возрасте, а другие остаются здоровыми до преклонных лет.

Проводимые исследования не выявили решающего влияния каких-либо внешних факторов на проявления онкологического заболевания. Ученые пришли к выводу, что в развитии рака большую роль играют особенности генетического фона человека.

Выявлены многочисленные варианты последовательности расположения нуклеотидов в цепочке ДНК, которые увеличивают или уменьшают вероятность образования злокачественных опухолей.

Виды передачи наследственных форм рака

Выявлено 8 наследственных синдромов, проявляющиеся семейной предрасположенностью к раку по женской линии.

К наиболее частым формам наследственных опухолевых синдромов относятся рак молочной железы, эндометрия и яичников. На долю рака молочных желез приходится до 5% заболеваемости, на рак яичников - 15%, на рак эндометрия - 3%.

Далее по распространенности следуют злокачественные опухоли желудочно-кишечного тракта, легких, толстого кишечника.

Прохождение генетического тестирования рекомендуется лицам, у кого имеется высокий риск носительства врожденной генетической мутации, определяющий вероятность развития злокачественных новообразований.

В настоящее время невозможно определить у кого из членов семьи с повышенным риском развития злокачественных опухолей разовьется рак, а у кого нет. Поэтому в группу риска включаются все близкие кровные родственники.

У кровных родственников рак диагностировали в возрасте до 50 лет.
Локализация опухолей совпадает у разных членов семьи.
У одного из представителей рода был выявлен рецидивирующий злокачественный процесс.
Присутствие хотя бы одного из факторов в семейном анамнезе человека является основанием для проведения молекулярно-генетического анализа.

Рак по мужской линии

У мужчин - первые места по распространенности и частоте поражения занимают злокачественные опухоли легких, толстого кишечника, простаты и яичка. Эти формы рака и предшествующие им состояния наследуются по мужской линии:

аденоматозный полипоз кишечника;
саркоидоз легких;
гиперплазия простаты.

Генетическое тестирование в онкологии

Точно узнать есть ли наследственные формы рака у отдельного индивидуума или у его родственников можно с помощью проведения тестов ДНК. Основной целью ДНК-тестов является выделение носителей мутации, которые нуждаются в диагностических и профилактических мерах. Существующий на сегодняшний день перечень ДНК-тестов выявляет признаки онкологической предрасположенности у 1-2% людей.

Генетический прогноз - это основа для выбора дальнейшей тактики клинико-лабораторного мониторинга.

Генетический скрининг у взрослых выявляет предрасположенность к раку следующих органов:

молочная железа;
яичники;
матка;
кишечник (тонкий, толстый);
желудок;
легкие;
поджелудочная железа;
щитовидная железа;
простата;
кожа.

Это не полный перечень наследственных форм рака, науке на настоящий момент известно более 50 видов.

У представителей некоторых этнических групп наследственная предрасположенность к раку встречается особенно часто, например, у евреев-ашкенази - рак молочных желез и рак яичников из-за присутствия мутаций в генах BRCA1, BRCA2.

Наиболее часто для изучения генов применяют метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая не всегда обнаруживает мутации, даже при явных признаках «семейного рака». Поэтому в современных генетических лабораториях ДНК-тестирование проводят с помощью метода yRisk или биочипов, которые быстро считывают геном человека и точно выявляют гены, мутация в которых связана с повышенным риском развития рака. Но эти методики не получили широкого распространения на практике в связи с дороговизной.

Цель молекулярно-генетического исследования - это выявление геномных нарушений, определяющих развитие опухоли, степень ее злокачественности, метастатический потенциал и скорость прогрессирования заболевания. Составление карты индивидуального генетического обследования, в которой представлены сведения о конкретных геномных повреждениях, позволит проводить прицельную диагностику и профилактику у данного пациента.

Профилактика семейного рака

Профилактика наследственных форм рака включает раннюю диагностику, своевременное устранение опасных предраковых состояний, повышение устойчивости организма, следование здоровому образу жизни: сбалансированное питание, отказ от вредных привычек, занятия спортом.

Для людей с предрасположенностью к различным видам рака разработаны стандарты первичного обследования для ранней диагностики. Для каждого пациента с высоким риском по развитию онкозаболеваний составляется индивидуальная программа динамического наблюдения.

За рубежом при некоторых разновидностях наследственного рака, как к эффективному способу избежать заболевания, прибегают к превентивным мерам - удалению здорового органа. Ярким примером стала голливудская звезда Анджелина Джоли, которой удалили обе молочные железы и яичники, так как, по прогнозам, риск заболеть раком у нее составлял 87%. Такие радикальные меры профилактики болезни выполняются лишь при высоком уровне риска, который подтверждается генетическими исследованиями. У нас в стране отсутствует правовая база, разрешающая такие операции.

Читайте также: