5 курс / Онкология / Рукавишников А.И. Азбука рака

ние. В раковой клетке их синтез чрезмерен. Здесь могут быть два воздействия:

подавление синтеза и секреции факторов роста в раковой клетке и блокада свя-

зывания его с молекулой-рецептором на раковой клетке. Для этого создаются химические соединения. Но проще создать интерферирующую РНК к иРНК ге-

на фактора роста и/или то же к гену белка-рецептора этого фактора роста.

4. Белок гена семейства ras. Из-за мутации в этом гене белок Ras не спо-

собен терять фосфатную группу, поэтому постоянно активен, стимулируя рако-

вую клетку к делению.

Белок гена ras для выполнения своего действия должен прежде приобре-

сти необходимую для него пространственную структуру и прикрепиться к внутренней поверхности мембраны раковой клетки. Для этого ему требуется фермент – фарнезилтрансфераза. Без него белок гена ras не может присоеди-

нять к себе фосфатные группы, а значит передавать сигналы от белка-рецептора к ядру раковой клетки. Для подавления фермента создаются ингибиторы его,

что будет тормозить пролиферацию раковой клетки.

5. Раковая клетка-мишень для лекарств и других средств. На раковой клетке имеются белки-рецепторы к эпидермальному фактору роста, к эмбрио-

нальному белку альфа-фетопротеину. На этой основе можно создать гибридный белок из этого фактора роста или альфа-фетопротеина, к нему химически при-

соединить молекулу цитотоксического препарата. При этом молекула белка служит средством адресной доставки, т.е. только в раковые клетки, не затраги-

вая здоровые клетки, и так уничтожать их.

Можно создать моноклональное антитело к р-гликопротеину – он на ра-

ковой клетке любого типа. Его химически соединить с цитотоксическим препа-

ратом и также адресно доставить в раковые клетки. Побочного эффекта у паци-

ента может не быть совсем или будет минимальным, так как на раковой клетке экспрессия р-гликопротеина намного больше, чем на нормальной клетке.

6. Внедрение нормальной копии гена белка р53 в раковые клетки.

При наличии мутаций в гене этого белка, в раковые клетки можно вво-

дить с помощью вирусного вектора, в том числе вируса Т4, нормальную копию

91

гена р53. Это восстановит апоптоз в раковых клетках у пациента, что и унич-

тожит их.

Наличие мутаций в гене р53 – ценный маркер для ранней диагностики ра-

ковых клеток в организме пациента по анализу образца плазмы крови от него.

Итак, лекарства стандартной химиотерапии направлены для уничтожения всех раковых клеток в организме пациента. Но это не удается достичь, так как сами лекарства не могут отличить раковую клетку от нормальной клетки. Ми-

шенью для них является ДНК раковых клеток, она же оказывается мишенью в той же степени и для нормальных клеток.

Лекарства, действующие на факторы роста и молекулы – передатчики сигналов в раковых клетках, «больше подавляют пролиферацию раковых кле-

ток, но не убивают их». Но в отличие от химиотерапии, их действие избира-

тельное – на раковые клетки. Это новый метод, для которого необходимо выяв-

лять в раковой клетке от конкретного пациента генетические и биохимические

«отклонения» (С.А. Тюляндин, 1999).

В разделе 3.2. мы рассматривали GPCR и G-белок в передаче сигналов в нормальной клетке.

Т. Кенакин (T. Kenakin, 2006) отмечает, что GPCR-рецепторы имеют еще одно свойство – «конститутивную активность». То есть «иногда они активиру-

ют G-белки без всякой видимой причины, т.е. в отсутствие лиганда».

Учѐный подчеркивает, что на раковых клетках «необычно много консти-

тутивных рецепторов» и предполагает, что с этим может быть связана «их спо-

собность к бесконтрольному делению». Такой «сбой в поведении раковой клет-

ки от конститутивных рецепторов не удаѐтся устранить никакими известными сегодня лекарственными средствами» (Рис. 2).

92

Секвенирование генома человека дало специалистам информацию о функции нескольких сотен рецепторов, многие из которых могут стать мише-

нями лекарственного воздействия. Однако, говорит проф. Джон Дэйви, «знать,

что эти мишени или цели существуют – это одно, а способность воздействовать на них – совсем другое».

Проф. Джон Дэйви разработал новый метод, который позволяет выявить возможное воздействие лекарств на эти рецепторы.

По технологии GPCR человека помещают в живую клетку простых дрожжей и наблюдают за действием лекарства. По мнению автора, новая тех-

нология позволяет «определять мельчайшие различия между рецепторами раз-

ных людей, что дает возможность выявить лекарства, наиболее эффективные для каждого пациента».

94

Глава 5. Клеточный цикл. Молекулы-регуляторы клеточного цикла

открывают пути к диагностике и уничтожению раковых клеток

В организме взрослого человека 5∙1013 (В.Н.Сойфер, 1998) или 5∙1014 (В.

Тарантул, 2003) клеток. Каждая клетка любого типа – это часть своей ткани и организма в целом.

Раковая клетка в организме человека – это уже не часть ткани и своего организма, а самостоятельная клетка, отделившаяся от них. Это клетка-

организм.

Деление клетки – это основное свойство и признак того, что она живая. В

раковой клетке свойство деления нарушено, и она делится без конца.

Если в организме нормальная клетка того или иного типа делится для су-

ществования организма, то размножение раковой клетки – для его уничто-

жения.

То, что клетки размножаются путем деления, известно более 100 лет. Но почему клетка делится, оставалось не ясно до конца 70-х годов XX века.

Каждая клетка после деления делает выбор: либо она начинает синтез ДНК и в таком случае будет вновь делиться, либо она избирает путь к диффе-

ренцированной клетке и это означает, что она уже больше никогда не разделит-

ся. Молекулярные причины, регулирующие этот «выбор» долго оставались не выясненными, а это важно для понимания превращения ее в раковую клетку.

Период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до еѐ смерти – это клеточный цикл. Он состоит из интерфазы – вне деления, и самого деления клетки. Интерфаза – период, во время которого клетка растѐт и удваи-

вает все свои компоненты. Митоз – это процесс, в результате которого из одной клетки образуется две. Он из двух стадий: митоз – деление клеточного ядра, и

цитокинез – деление клетки на две дочерние клетки.

В интерфазе различают три этапа или фазы: G1, S, G2, а в митозе четыре:

профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Этапы интерфазы

95

1.G1 фаза (от англ. ―gap 1‖, то есть интервал 1) – рост клетки и удвоение всех еѐ компонентов.

2.S фаза (от ―synthesis‖) – синтез ДНК путем репликации, формирование копий каждой хромосомы; удвоение центросомы.

3.G2 фаза (―gap 2‖) – подготовка к митозу, продолжение роста клетки,

синтез необходимых белков.

Этапы или фазы митоза

M фаза (от. ―mitosis‖) – деление клетки на две дочерние. В митозе четыре фазы, им заканчивается клеточный цикл.

Профаза. Каждая хромосома – это пара хроматид, соединѐнных в месте центромеры. Центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки. От каждой центриоли в виде лучей расходятся микротрубочки, многие из которых становятся фибриллами митотического веретена. В каждой хроматиде в обла-

сти центромеры имеется богатый белком участок – кинетохор – важный эле-

мент веретена. Кинетохоры в роли сцепления, которое позволяет взаимодей-

ствовать фибриллам веретена с хромосомами: как только к кинетохору присое-

диняется микротрубочка, хромосома начинает двигаться. Ядерная мембрана распадается и образуется веретено деления.

Метафаза. Хроматиды прикрепляются к фибриллам веретена кинетохо-

рами. Оказавшись связанными с обеими центросомами, хроматиды движутся к экватору веретена до тех пор, пока их центромеры не выстроятся по экватору веретена перпендикулярно его оси. Это позволяет хроматидам беспрепятствен-

но двигаться к соответствующим полюсам. Характерное для метафазы разме-

щение хромосом очень важно для сегрегации хромосом, т.е. расхождения сест-

ринских хроматид. Если отдельная хромосома «замешкается» в своѐм движе-

нии к экватору веретена, задерживается обычно и начало анафазы. Метафаза завершается разделением сестринских хроматид.

Анафаза. Каждая центромера расщепляется на две, нити веретена оття-

гивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут

96

за собой отделившиеся одна от другой хроматиды, которые теперь становятся независимыми хромосомами.

Телофаза. Хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, и их уже нельзя четко различить. Нити веретена разрушаются, а центриоли репли-

цируются. Вокруг хромосом на каждом из полюсов образуется ядерная оболоч-

ка. За телофазой может сразу следовать цитокинез – разделение всей клетки на две (Рис. 1). Каждая из дочерних клеток имеет идентичный набор хромосом.

После деления клеточный цикл завершается, и клетка переходит в фазу G1.

Длительность цикла определяется типом клетки. Обычно она составляет от 10 до 30 часов. Клетки в фазе G1 не всегда делятся, они могут выйти из цик-

ла и перейти на фазу покоя – G0 фаза.

Лишь после 1970-х годов было установлено, что прохождение клетки по всем фазам клеточного цикла строго регулируется. При движении по циклу в них появляются и исчезают, активируются и ингибируются регуляторные мо-

лекулы, которые обеспечивают: 1) прохождение клетки по определенной фазе клеточного цикла и 2) переход из одной фазы в другую. Причѐм прохождение по каждой фазе, а также переход из одной фазы в другую контролируется ра-

зличными ключевыми молекулами. Они регулируют клеточный цикл в орга-

низмах всех эукариотов – дрожжей, животных и человека.

97

Рис. 1. Схемы последовательных фаз митоза в эукариотической клетке

(цит. и рис. по: Дж.Р. Макинтош, К.Л. Макдоланд (1989) с изменениями).

Теперь мы кратко изложим, что это за ключевые молекулы, и что они де-

лают в клетке. Ясно, что мы будем называть учѐных, которые открыли эти мо-

лекулы, и вклад каждого из них в эти знания. Пока мы скажем, что результаты их исследований очень важны для понимания любой болезни, а в онкологии

98

могут произвести настоящую революцию как в диагностике рака, так и в изле-

чении от него.

Л. Хартуэлл (L. Hartwell) из США в 1970-1971 гг. впервые для изучения клеточного цикла применил генетические методы. Он первым для этого ис-

пользовал клетки пекарских дрожжей. Дрожжевая клетка – удобная модель для этого, так как: умеет размножаться, отвечать на сигналы внешней среды, осу-

ществлять «ремонт» генов при мутациях от влияния среды. Кроме того, клетки дрожжей имеют гены, родственные всем основным генам человека. Идея учѐ-

ного: изучение клеточного цикла и его регуляции в клетках дрожжей может помочь понять это в нормальной клетке человека, а затем и в раковой клетке.

В серии опытов Л. Хартуэлл выделил клетки дрожжей, в которых гены,

управляющие циклом, были изменены. Так он выделил более 100 генов, участ-

вующих в управлении клеточным циклом – гены сдс (от англ. – гены цикла де-

ления клетки). Наиболее важным из них оказался ген сдс28 – «стартовый». Он управляет первым шагом в прохождении клеточного цикла через фазу G1.

Он изучал чувствительность клеток дрожжей к радиации. Оказалось, что ответом клетки на это – остановка клеточного цикла. Учѐный смог выделить гены, которые в этих опытах тормозили клеточный цикл клетки. Их оказалось много, он дал им имя – rad.

Белок таких генов «чувствует», что в ДНК клеток от облучения появи-

лись «разрывы» или неправильно спаренные основания. Другие белки этих ге-

нов проверяют состояние ДНК. Для этого они останавливают клеточный цикл,

а ферменты репарации ДНК производят еѐ «ремонт».

На основе этих результатов Хартуэлл ввел понятие «контрольной точки».

На этом этапе проверяется идентичность ДНК: если она повреждена, то цикл останавливается, чтобы дать время для исправления ДНК прежде, чем клетка перейдѐт в следующую фазу. Если исправление ДНК невозможно, клетка полу-

чает сигнал на апоптоз.

Теперь такая проверка осуществляется в нескольких точках клеточного цикла, получивших название сверочных точек – чекпоинтов (checkpoint). Эти

99

точки расположены в концах G1, G2 и М фаз. В первой точке осуществляется проверка наличия повреждений ДНК, во второй наряду с повреждениями ДНК проверяется завершенность репликации, в третьей проверяется правильность расхождения хромосом в митозе.

П. Нерс (P.M. Nurse) продолжил начатые исследования клеточного цикла Хартуэллом. Он использовал клетки дрожжей другого типа. В середине 70-х гг.

открыл в клетках этих дрожжей ген сдс2. Он обнаружил, что этот ген играет ключевую функцию в управлении делением клетки – переход от G2 к М.

В 1987 г. он выделил такой же ген у человека, назвав его Сдк1, его про-

дукт белок – циклин-зависимая протеинкиназа. Теперь уже открыто целое се-

мейство белков Сдк. П. Нерс показал, что активизация Сдк зависит от обрати-

мого фосфорилирования.

Позже учѐный выяснил, что ген сдс2 имеет и более общую функцию,

аналогичную той, что Хартуэлл открыл в «стартовом» гене клеток пекарских дрожжей, а именно – управление переходом цикла от G1 к S.

Учѐный также клонировал ген человека, отвечающей за переход клетки через фазу G1. В клетки дрожжей с дефектом гена сдс2 ввѐл человеческий ген сдс2. Результат: клетки начали размножаться и образовали колонию, т.е. чуже-

родный ген «спас» эти клетки. Этим впервые учѐный показал, что гены «не-

схожих организмов, как человек и дрожжи, взаимозаменяемы» (А.В. Баранова, 2000). Из этого следовал вывод, что законы жизни клетки, изучаемые на одно-

клеточных дрожжах, верны и для клеток человека».

Т. Хант (R.T. Hunt) из Англии в 80-х гг. обнаружил первую молекулу белка, который внезапно исчезал при каждом митозе и накапливался вновь только в интерфазе. Он назвал этот белок циклином, так как его концентрация изменяется периодически в соответствии с фазами клеточного цикла, в частно-

сти, падает перед началом деления клетки. Т. Хант обнаружил первый циклин в опытах над оплодотворенной яйцеклеткой морских ежей. Позднее циклины были найдены и в других живых существах. На этих клетках учѐный обнару-

жил, что периодическое снижение уровня этого белка является важным и об-

100