канцерогенез

Канцерогенез можно определить как процесс возникновения злокачественных новообразований  в результате действия канцерогенных факторов или как процесс возникновения опухолей независимо от механизмов действия канцерогенных факторов, который выражается в более частом или более раннем появлении опухолей в популяциях  человека или животных. Последняя стадия опухолевого роста, с видимыми проявлениями, манифестация получил название малигнизации (озлакочествление).

Общие признаки малигнизации:

1. Клетка приобретает способность к бесконтрольному , безудержному размножению, делению

2. Гиперплазия параллельно с бесконтрольным делением клеток, наблюдается нарушение дифференцировки, остается незрелой, молодой (это свойство называется анаплазией).

3. Автономность (независимый от организма), от контролирующей, регулирующей процессы жизнедеятельности стимулов. Чем быстрее растет опухоль, тем как правило менее дифференцированны клетки и больше выражена автономность опухоли.

4. Доброкачественная опухоль характеризуется нарушением пролиферации, нет нарушения дифференцировки, при росте доброкачественной опухоли клетки просто увеличиваются в количестве, раздвигая или сдавливая окружающие ткани. А для злокачественных опухолей характерен так называемый инфильтративный рост, опухолевые клетки прорастают ( как клетки рака) разрушая окружающие ткани.

5. Способность к метастазированию. Метастазы - это клетки которые могут гематогенным, лимфогенным путем разноситься по всему организму и образовывать очаги опухолевого процесса. Метастазы - это признак злокачественной опухоли.

6. Опухолевая ткань оказывает на организм в целом негативное влияние : интоксикация, вызванная продуктами метаболизма опухоли, распада опухоли. Кроме того опухоль лишает организм необходимых питательных веществ, энергетических субстратов, пластических компонентов. Совокупность этих факторов называется раковой кахексией ( истощение всех систем жизнеобеспечения).

Опухолевый процесс характеризуется патологической пролиферацией ( бесконтрольным делением клеток), нарушением дифференцировки клеток и атипизмом морфологическим, биохимическим и функциональным.

Атипизм опухолевых клеток характеризуется как возврат к прошлому то есть переходом на более древние, более простые пути метаболизма . существует множество признаков, отличающих нормальные клетки от опухолевых:

1. Морфологический атипизм. Главным является изменение клеточной мембраны: У опухолевых клеток уменьшается площадь поверхности соприкосновения, уменьшается количество нексусов - контактов, обеспечивающих адгезивность клеточных мембран, меняется состав мембранных гликопротеидов - укорачиваются углеводные цепи. В клетке начинают синтезироваться, несвойственные зрелым клеткам эмбриональные белки, повышается количество фосфотирозинов. Все это приводит и к нарушению свойств контактного торможения, повышается лабильность, текучесть мембраны. В норме клетки, вступая в контакт друг с другом прекращают деление (имеет место саморегуляция процесса деления). В опухолевых клетках отсутствие контактного торможения приводит к безудержной пролиферации.

2.Биохимический атипизм. Атипизм энергетического обмена проявляется в преобладании гликолиза - более древнего пути метаболизма. В опухолевых клетках усиление гликолиза обуславливает их высокую выживаемость в условиях гипоксии. Опухоль активно поглощает питательные вещества. Преобладание гликолиза приводит к повышению концентрации молочной кислоты в клетках опухоли, характерен ацидоз, приводящий к нарушению жизнедеятельности самой клетки (зона некроза расположена обычно в центре опухоли).

3.Атипизм регуляции роста и дифференцировки опухолевых клеток. Процессы роста , дифференцировки деления в норме находятся под контролем центральной эндокринной регуляции, которая осуществляется соматотропным гормоном, гормонами щитовидной железы, инсулином. Кроме этих общих факторов , в каждой ткани существуют свои факторы роста и дифференцировки ( фактор роста эпидермиса, тромбоцитарный фактор, интерлейкин). Индукция роста и дифференцировки начинается с взаимодействия фактора роста с рецептором фактора роста на клеточной мембране ( в опухолевой клетке этот этап может быть нарушен).

На следующем этапе образуются вторичные посредники - циклический аденозин и гуанозинмонофосфат, причем для нормального роста и дифференцировки характерно преобладание циклического аденозинмонофосфата ( цАМФ). Образование циклического гуанозинмонофосфата сочетается с усилением пролиферации. В опухолевых клетках это типичный признак.

На следующем этапе образуются активные протеинкиназы. В норме протеинкиназы фосфорилируют белки по серину, треонину, гистидину. В опухолевой ткани протеинкиназы тирозинзависимые. Стимуляция пролиферации связана с образованием белков, фосфорилированных по тирозину.

--------------------------------------------------------------------------

Рак – болезнь генов

Опухолевый рост является следствием нарушения тканево­го гомеостаза, поддерживаемого балансом клеточной проли­ферации и клеточной гибели (апоптоза). В самом деле увели­чение клеточной массы может быть в равной степени обуслов­лено как усилением первой, так и угнетением второго. Как бы совершенны сами по себе ни были механизмы поддержания этого гомеостаза, общее число рождающихся и гибнущих кле­ток столь велико, что вероятность «сбоев» в некоторых из них вполне реальна, особенно если учесть канцерогенное воз­действие факторов внешней среды.

Канцероген  фактор,  воздействие  которого  достоверно  увеличивает  частоту  возникновения  опухолей  (доброкачественных  или  злокачественных)  в  популяциях  человека  или животных, или фактор, который сокращает  период  развития опухолей.

Канцерогенные вещества, которые находятся во внешней среде называются экзогенными канцерогенами: бензпирены, фенантрены, полициклические углеводороды, аминоазосоединения, анилиновые красители, ароматические соединения, асбест, боевые отравляющие вещества и многие др. Существует группа эндогенных канцерогенов - это вещества которые в организме выполняют определенную полезную функцию, но при определенных условиях способны вызывать рак. Это стероидные гормоны ( особенно эстрагены ), холестерин, витамин Д, продукты превращения триптофана. Рак был даже получен при введении таких веществ как глюкоза, дистиллированная вода при определенных условиях. Опухолевые процессы относятся к группе полиэтилогических заболеваний, то есть нет одного основного фактора, который бы способствовал развитию опухоли. Оно происходит при сочетании множественных условия и факторов, имеет значение наследственная предрасположенность или естественная резистентность. Выведены линии животных - нуллеров, никогда не заболевающих раком.

Эксперты ВОЗ полагают, что прекращение контакта с опухолеродными  факторами,  недопущение  канцерогенов  в  среду  обитания  человека или удаление подобных веществ из окружающей среды могут привезти к резкому  (до  70  %)  снижению  заболеваемости  людей  злокачественными опухолями основных локализаций.

В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что ведущая роль в возникновении и развитии канцерогенеза принадлежит генетическим нарушениям. Многие неблагоприятные факторы окружающей среды могут оказывать воздействие на этот процесс, однако подобное влияние чаще всего опосредуется через накопление мутаций в генах. Около 1% генов человека связаны с канцерогенезом. Мутации в этих генах служат предпосылкой для развития неопластического процесса, и они часто обнаруживаются в опухолевых тканях больных и в многочисленных культивируемых раковых линиях клеток. Эти гены делятся на три класса, как по характеру своего действия, так и по типам кодируемых белков.

1. Первый класс - это протоонкогены или доминантные онкогены. Их продукты, как правило, участвуют в позитивном контроле клеточного роста. 

Это факторы роста, их рецепторы, промежуточные молекулы, передающие сигнал от мембраны к ядру и ядерные транскрипционные факторы – регуляторные белки, способные координировано запускать или подавлять работу целых каскадов генов, составляющих, так называемые, «генные сети». Активация подобных сигнальных цепей лежит в основе перехода клетки от состояния покоя к делению. Поскольку передача сигнала от белка к белку может осуществляться за счет фосфорилирования, трансмембранные 8рецепторы факторов роста и промежуточные молекулы, участвующие в сигнальной трансдукции, часто обладают протеинкиназной активностью. Это могут быть рецепторные или цитоплазматические тирозинкиназы и серин/треонинкиназы

2. Второй класс составляют супрессоры опухолей или рецессивные онкогены, называемые также антионкогенами. Кодируемые этими генами белки часто являются негативными регуляторами клеточного роста и в норме обладают противоопухолевым эффектом. Наиболее изученным из антионхогенов в настоящее время является ген, кодирующий белок р53 (р — «protein»; 53 — молекулярная масса 53 КДа). Установлено, что р53 - это ядерный фосфопротеин, присутствующий в небольших количествах во всех клетках. Уровень р53 в нормальных клетках резко возрастает после воздействия агентов, повреждающих ДНК, например после действия ионизирующей радиации, УФ-лучей, различных химических мутагенов, гипоксии.

Антионкогенную функцию выполняют и синтезируемые клетками разных тканей полиамины — спермин и спермидин. Эти вещества участвуют в регуляции клеточной пролиферации и диффе-ренцировки, их уровень увеличивается при росте и регенерации тканей. В то же время полиамины стабилизируют хроматин и ядерные белки за счет образования комплексов с отрицательно заряженными группами белков и ДНК. Снижение уровня полиаминов приводите индукции апоптоза.

3. И третий класс – это гены отвечающие за апоптоз. Мутации в генах, контролирующих апоптоз –  программированную клеточную гибель –  также могут сопровождаться индукцией канцерогенеза. Апоптоз  относится к наиболее действенным инструментам регуляции тканевого гомеостаза, а также участвует в поддержании генетической стабильности, избирательно уничтожая клетки с поврежденной ДНК.

Существует универсальная теория канцерогенеза – теория онкогенов. Ее основные положения были сформулированы в начале 70-х гг. XX в. К. НиеЬпег и С. Тобаго, которые высказали предположение, что в генетическом аппарате каждой нормальной клетки содержатся гены, при несвоевременной активации или нарушении функции которых нормальная клетка может превратиться в раковую. Эти гены получили название «протоонкогены». Протоонкогены — это обычные (нормальные) клеточные гены, контролирующие рост, размножение и дифференцировку клеток. Некоторые протоонкогены работают лишь на ранних этапах онтогенеза, другие функционируют и в дифференцированных клетках, однако работа этих генов находится под жестким контролем. Протоонкргены тканеспецифичны. На сегодняшний день уже выявлено более 50 протоонкргенов, объединенных в семь основных типов.

В результате мутации самих протоонкогенов или стойкого изменения их активности после мутации регуляторных генов происходит превращение протоонкогена в клеточный онкоген. Следовательно, появление онкогена связано с неадекватной (количественной, качественной или временной) экспрессией (или активацией) протоонкогена.

Онкогены это гены, которые способствуют развитию опухолевого процесса. Онкогены были открыты в вирусах - вирусные онкогены, и аналогичные им открытые в клетках - клеточные онкогены (src, myc, sis, ha-ras). Онкогены - это структурные гены, кодирующие белки. Превращение протоонкогена в онкоген приводит к синтезу онкобелка — в количественном или качественном отношении измененного продукта протоонкогена. Онкобелок появляется в клетке либо в увеличенном количестве, либо приобретает измененную структуру и свойства, что обеспечивает данному белку повышенную активность и нарушает его реакцию на регуляторные воздействия.

По локализации в клетке различают ядерные, цитоплазматические и мембранные онкобелки. Ядерные онкобелки (например, mуc, fоs, myb), работая в ядре, выполняют роль индукторов и репрессоров генома. С их влиянием связан синтез раковой клеткой необычных для данной ста- . дни онтогенеза или для данной ткани белков (эмбриональных и гетероорганных антигенов, эктопических гормонов и т. п.). Цитоплазматические онкобелки (fрs, mos, fms) являются протеинкиназами, осуществляющими модификацию различных клеточных белков путем фосфорилирования остатков тирозина, серина или треонина. Эти онкобелки ответственны за изменения клеточного метаболизма и приобретение фенотипа, типичного для опухолевой клетки. Онкобелки, локализованные на наружной клеточной мембране (srе, abl, ras), могут выступать в качестве рецепторов для естественных факторов роста или сами выполнять роль факторов роста, побуждающих клетку к делению даже в отсутствие внешнего стимула. Под влиянием онкобелков нарушается регуляция клеточного роста, пролиферации и дифференцировки, создаются условия для ускоренной репликации ДНК и непрерывного деления клетки.

Возможны, следующие причины трансформации протоонкргена в онкоген: точечная мутация, транслокация или внутрихромосомная перестройка, амплификация, активация генов-энхансеров и (или) угнетение сайденсеров, транедукция протронкогенов вирусами, активация промотора клеточного онкогена встроившимся геномом вируса.

Механизм экспрессии протоонкогенов

Вирусный канцерогенез. Выделяют 2 типа влияния вирусов:

1. В структуре вируса протоонкоген «молчащий», как правило, не выполняет никакой функции. Онковирусы при попадании в клетки вносят в её геном гены, экспрессирующие протоонкогены или инактивирующие антионкогены, и т.о. стимулирующие малигнизацию клеток. Эти гены были названы вирусными онкогенами, а сам процесс инсерцией. Цитогенетические исследования показали, что аналоги вирусных онкогенов присутствуют и в клетках человека, где они выполняют различные функции регуляции синтетических процессов и деления

2. Трансдукция. Вирус может нести в клетку не онкоген, а ген-промотор. Промотором называют фактор, который не обладает канцерогенным действием, но при определенных условиях он может этот процесс усиливать. При этом промотор должен встраивать вблизи клеточного протоонкогена.

Химические и физические канцерогенные факторы стимулируют мутационный механизм экспрессии онкогенов. В основе мутационного механизма лежат соматические мутации, то есть мутации, возникающие в тканях, органах, не передающиеся по наследству. По своему характеру они могут быть как хромосомными, так и генными. К хромосомным мутациям относятся хромосомные аберрации, делеции, транслокации, инверсии - все варианты, когда возникает разрыв хромосомы, что приводит к экспрессии онкогенов в месте разрыва, так как происходит освобождение онкогена от компенсирующего влияния генома. В процессе хромосомных аберраций может выявиться влияние гена-промотора, который может быть перенесен с одной хромосомы на другую, в другой участок хромосомы. При хроническом миелолейкозе с очень большим постоянством в лейкоцитах находят измененную 22 филадельфийскую хромосому. Она характеризуется утратой части плеча. Установлено, что эта мутация является следствием взаимной транслокации 9 и 22 хромосом, причем 9-я хромосома получает избыток материала, а 22-я теряет часть плеча. В процессе взаимной транслокации с 9 на 22 хромосому переносится промотор, который встраивается рядом с онкогеном. Следствием является стимуляция онкогена мус, образуется ДНК-связывающий онкобелок - митоген.

Точечные мутации также могут приводить к экспрессии онкогенов, причем для некоторых онкогенов типичны именно точечные мутации (онкогены семейства ras). Возможна мутация в самом онкогена или в гене регулятора с изменением в репрессоре, который регулирует активность онкогена, и происходит активация онкогена.

Следующий механизм экспрессии онкогенов связан с действием транспозонов. Транспозоны это двигающиеся, блуждающие или прыгающие гены. Они передвигаются вдоль ДНК и могут встраиваться в любой участок. Их физиологическая функция - усиление активности того или иного гена. Транспозоны могут выполнять функцию и экспрессии онкогенов, выполняя функцию промоторов. Замечено, что в процессе канцерогенеза активность мутационного процесса, активность транспозонов резко возрастает, а механизмы репарации резко снижаются.

Амплификация - это тоже физиологический механизм регуляции активности генома. Это увеличение копий генов, полученных для усиления активности гена, до 5 , максимум до 10 копий. В условиях канцерогена число копий онкогенов достигает сотен (500-700 и более, это эпигеномный механизм экспрессии онкогенов).

Еще один эпигеномный механизм - деметилирование ДНК. Под действием химических канцерогенов, активных радикалов идет процесс деметилирования ДНК. деметилированный участок становится активным.

Гены метастазирования. Очевидно, что эти разнообразные фенотипические признаки определяются экспрессией различных молекул, кодируемых генами, которые, условно говоря, можно отнести к двум группам: активаторам и супрессорам инвазии и/или метастазирования [ Mareel, M.M. (1994) ].

Примерами активаторов могут служить гены, кодирующие некоторые молекулы межклеточной гетеротипической адгезии или адгезии опухолевой клетки с внеклеточным матриксом (например,интегрин альфа 6 бета 1 или CD-44 ), протеолитические энзимы, а также мотогены и их рецепторы на клеточной поверхности. Сюда же следует отнести гены, которые кодируют белки, участвующие в цепи последовательной передачи внешних сигналов (воздействия на клетку факторов роста или контактов клетки с внеклеточным матриксом или с другой клеткой) от поверхности клетки в ее ядро. Стойкая активация этих генов, т.е. превращение их в онкогены, может способствовать приобретению опухолевой клеткой инвазивных и метастатических свойств. Примером могут служить гены, кодирующие G-белки rасили rho , которые участвуют в регуляции актинового цитоскелета, адгезии и локомоции клеток, а такжеген Tiam-1 , стимулирующий активацию белка rac1 и рассматриваемый как ген-активатор инвазии [Michiels, F. et al. (1995) ]. Есть данные, что опухолевые клетки, трансфицированные онкогенами, кодирующими G-белки семейства ras , приобретают инвазивные и (или) метастатические свойства [Hebert, E., and Monsigny, M. (1993) ].

В приобретении опухолевыми клетками метастатического фенотипа важную роль может играть антионкоген р53 : было показано, что инактивация р53 и связанная с ней отмена апоптоза способствуют выживанию опухолевых клеток во взвешенном состоянии (например, в системе микроциркуляции) и приобретении ими высокой метастатической активности [ Nikiforov, M.A. et al. (1996)].

В качестве генов-супрессоров инвазии и/или метастазирования могут рассматриваться гены, кодирующие молекулы межклеточной гомотипической адгезии (например, Е-кадхерин-катениновый комплекс ) или определенные молекулы адгезии опухолевой клетки с внеклеточным матриксом (интегрин альфа 5 бета 1 ) [ Mareel, M.M. (1994) ], а также белки (например, альфа-актинин или винкулин), участвующие в формировании контактных структур [ Rodriguez-Fernandez, J.L. et al. (1992) , Gluck, U., Kwiatkowski, D.J., and Ben-Ze'ev, A. (1993) ]. К генам-супрессорам метастазирования относят ген nm23 , участвующий в регуляции пролиферации и локомоции клеток [ Kantor, J.D. et al. (1993) , Cipollini, G. et al. (1997) ]: трансфекция этого гена в опухолевые клетки тормозит их движение. Повышение экспрессии nm23 сопровождается снижением метастатического потенциала клеток некоторых опухолей человека [De la Rosa, A., Williams, R.L., and Steeg, P.S. (1995) , MacDonald, N.J., De la Rosa, A., and Steeg, P.S. (1995), Han, S. et al. (1997) ].