Гены-супрессоры опухолевого роста: роль в происхождении карцином

Первым четким примером гена, контролирующего канцерогенез, была ретинобластома человека. Ген Rb – наиболее четкий, генетически определенный ген супрессорного действия. В чем выражается его супрессорный эффект? Изучение молекулярного механизма его действия показало, что он подавляет, а его мутация (в гомозиготном состоянии) позволяет клетке выйти в G1/S-фазу, т.е. стимулирует ее пролиферацию. Преодоление барьера G1/S становится неконтролируемым, не требующим специфического сигнала, и клетка выходит на автономный режим [21]. Кроме того, нормальная клетка «тормозит» прохождение цикла через барьер G1/S и тем самым выполняет супрессорную функцию. Мутация Rb создает автономную пролиферацию эпителия – главную составляющую опухолевого роста. Все остальные особенности опухоли, лежащие в основе прогрессии, могут возникнуть (или не возникнуть) как вторичные, не определяемые непосредственно геном Rb. В этом отношении функции Rb ограничены достаточно четко. Его подавление в гомозиготе является типичным для опухолей человека.

Другой, параллельно работающий и наиболее универсальный ген-супрессор – ген р53 [26, 52]. Основная функция гена р53 – выбраковывание клеток с поврежденной системой репликации ДНК. Клетки с поврежденной ДНК образуют комплекс белка р53 с ДНК, ставящий клетки на путь апоптоза. Вторая функция р53 – торможение пролиферации при прохождении блока G0/G₁S. На этой стадии р53 выступает собственно как антионкоген. Инактивация р53 ведет к выживанию опухолевых и предопухолевых клеток и тем самым к выживанию опухолевого клона.

Особенностью системы р53 является ее специфическая чувствительность к стрессовым воздействиям: стрессы ведут к синтезу семейства белков, взаимодействующих с модифицированными стрессом пептидами, и их протеолизу в протеосомах (убиквитинированию).

Торможение и подавление апоптоза приводит к массированному вступлению клеточной популяции в кризис и увеличению аномальных митозов, что резко увеличивает клеточную гетерогенность с последующим отбором автономных вариантов. Таким образом, инактивация нормальной функции р53 ведет к усилению прогрессии и тем самым к стимуляции канцерогенеза.

Именно в этой функции р53 выступает как антагонист ядерного трансфактора – онкогена МYC [26]. К семейству р53 примыкают белки, контролирующие вступление клетки в цикл, сходные по функции и генетическому контролю. Инактивация этого семейства – обычный рецессивный компонент эпителиальных опухолей человека, приблизительно в 5 раз превышающий частоту участия протоонкогенов.

Обычная инактивация генов-супресоров опухолей – утрата генетической гетерозигот-ности, или LOH, т.е. утрата участка хромосомы, несущей соответствующий ген, контролирующий генетические аномалии при патологических митозах [46]. Таким образом, и эта система, как и Rb, при своей инактивации ведет к автономной пролиферации как основному компоненту и к увеличению генетической гетерогенности как необходимому условию последующей прогрессии.

Мы хотели бы еще раз подчеркнуть особенности генов-супрессоров опухолей и их роль в канцерогенезе:

во-первых, для проявления этих генов, в отличие от проявления онкогенов, необходима го-мозиготность для осуществления их функции. Утрата гена, наступающая при LOH, дает такой же эффект, что и гомозиготность;

во-вторых, гены-супрессоры подавляют в некоторых случаях действие онкогенов и отправляют клетку, несущую онкоген, в апоптоз или подавляют пролиферацию, вызванную онкогеном;

в-третьих, мутантные гены-супрессоры канцерогенеза участвуют в канцерогенезе (эпителиальном) в большем числе случаев, чем онкогены;

в-четвертых, канцерогенез у человека, как правило, включает подавление генов-супрессоров;

в-пятых, роль генов-супрессоров в возникновении гемобластозов существенно меньше таковой в карциномах. Можно думать, что некоторые гемобластозы возникают только при активации онкогенов.

Прогрессия опухолей

Предрак и трансформация ведут к возникновению основного элемента злокачественного роста – автономной пролиферации и бессмертию клеток. Но это еще не злокачественная опухоль, пока ткань не выходит за пределы собственной территории или не подавляет развития своих нормальных генов. Собственно злокачественность – инвазия и метастазирование, равно как и утрата дифференцировки, – возникает в процессе эволюции опухоли или ее прогрессии. Прогрессия, по-видимому, протекает по-разному для гемобластозов и карцином.

Гемобластозы. Прогрессия в системе гемобластозов ведет к бластному кризу и к подавлению нормального кроветворения, механизмы которого рассмотрены выше.

Бластный криз равнозначен или почти равнозначен мутационному переходу из хронической фазы заболевания в фазу острого лейкоза с утратой дифференцировки, накоплением незрелых форм в костном мозге и в жидкой части крови, форм, бурно пролиферирующих и близких к стволовым кроветворным клеткам, имеющим мембранный антиген СD34. Переход к бластному кризу особенно демонстративен в эволюции ХМЛ и ХЛЛ.

Карциномы. Поскольку гены-супрессоры опухолей, относящиеся к семейству р53, наиболее типичны для канцерогенеза эпителиальных опухолей, а основная функция р53 – отправка в апоптоз клеток, экспрессирующих мутантные гены, то накопление генетической гетерогенности – наиболее естественная особенность карцином. Генетическая гетерогенность – основа естественного отбора на автономность и усиление автономности, которые происходят в популяции опухолевых клеток и создают динамичность опухолей. Инактивация р53 и родственных ему супресоров апоптоза, а также прохождение опухолевой популяции через кризис являются мощным источником цитогенетической гетерогенности – нарушения баланса хромосом и разнообразных хромосомных аберраций [15]. Эти факторы достаточно ярко выражены в опухолях.

Ранее мы рассматривали опухоли, вызванные одним онкогеном онкорнавирусов, или гемобластозы невирусного происхождения, также индуцированные одним онкогеном, активированным или возникшим в результате хромосомной транслокации.

Отличительным признаком карцином является многокомпонентный канцерогенез, в который вовлекается несколько разных онкогенов. Они включаются, по-видимому, в разные периоды развития опухоли и определяют либо разные стадии опухолевой прогрессии (начиная с предрака), либо разные стадии злокачественности – полипы, карциномы in situ, инвазивный рак и рак метастатический. Множественность онкогенных эффектов, равно как и участие нескольких онкогенов, определяет разные пути и разный результат прогрессии опухолей. Множественные формы колоректальной карциномы [24] и карциномы молочной железы [49] являются характерными признаками такого разнообразия путей прогрессии.

Очень важным, если не ведущим, фактором прогрессии является строма опухолей, состоящая из фибробластов, ассоциированных с опухолью, эндотелия сосудов, клеточных элементов воспаления и основного бесструктурного вещества соединительной ткани. Фибробласты продуцируют основное вещество, в которое заключена опухоль, – коллаген IV типа и ламинин ба-зальной мембраны, на которую «опираются» клетки опухолевого эпителия и которая отделяет эпителий от других тканей. Базальная мембрана входит в состав ВКМ и в основном определяет поляризацию клеток эпителия – важнейший признак его дифференцировки. Клетка нормального эпителия «чувствует» базальную мембрану с помощью специальных трансмембранных рецепторов, интегринов. Интегрины с помощью своего внеклеточного домена взаимодействуют с базальной мембраной и фибронек-тином, входящим в состав ВКМ, и передают специфический сигнал внутрь клетки [53]. Пока «работают» интегрины, клетки опухоли сохраняют свое эпителиальное поведение и морфологию. Утрата интегринов в процессе отбора на автономность и происходящее на ранних стадиях прогрессии разрушение кадхерина, генетический блок его синтеза [54] или эпигенетический блок промотора, ведущий к остановке синтеза кадхерина, или разрушение металлопротеиназа-ми, ассоциированными с опухолью и продуцируемыми ее стромой, ведут к распаду межклеточных контактов. Эти контакты создают ткань. Их разрушение ведет к дезорганизации ткани. Организованная ткань сдерживает автономную пролиферацию опухоли, поэтому отбор на автономность работает против эпителиальной организации ткани. Эпителиальная организация ткани поддерживается контактами клетки с матриксом – разрушение такого взаимодействия или по причине инактивации интегринов, или из-за разрушения бесструктурного вещества ВКМ металлопротеиназами ведет к утрате поляризации опухолевой клетки. При этом ингибируется HNF4 – мастер-ген, контролирующий трансфакторы дифференцировки печени [54–57].

Таким образом, события при прогрессии опухолей ведут к разрушению структуры эпителиальной ткани и к утрате полярной морфологии клеток эпителиальной опухоли [55, 58].

Ведущим событием в утрате опухолью дифференцировочного фенотипа является, по нашему мнению, нарушение взаимодействия эпителиальной опухолевой клетки с внеклеточным матриксом – базальной мембраной и бесструктурным межклеточным веществом, собственно ВКМ.

Эволюция опухолевой стромы в значительной мере ответственна за описанные события. Продукция стромой металлопротеиназ ведет к разрушению базальной мембраны и коллагеновых компонентов ВКМ. Разрушение базальной мембраны при сохранении бесструктурного вещества ВКМ является основным условием инвазии, при котором опухолевые клетки, сохраняющие связь с основной популяцией, распространяются за пределы базальной мембраны и внедряются на территории других тканей.

Метастазирование, с одной стороны, продолжающее инвазию далеко за пределы исходной ткани, с другой – опирающееся на систему микроциркуляции, также во многом зависит от стромы, и не только благодаря нарушению базальной мембраны. Опухоль не может расти без снабжения кислородом и питательными веществами. Гипоксия, возникающая в районе (микрорайоне!) развития опухоли и метастаза, нарушает в самой опухолевой ткани, равно как и в строме (!), продукцию VEGF – фактора роста сосудов, стимулирующего образование системы микроциркуляции. Индукция размножения клеток эндотелия сосудов – необходимый элемент образования кровеносных капилляров, а капиллярная сеть – результат активности опухолевой стромы в большей мере, чем самих опухолевых клеток.

Таким образом, опухолевая строма обеспечивает существование самой опухоли и определяет пределы ее распространения в организме, равно как и развитие ее отдаленных микроочагов. Есть данные, или пока гипотезы, что динамика длительного сохранения и возобновления роста микрометастазов определяется динамикой микроциркуляционной сети, снабжающей кислородом и питательными веществами эти микроочаги опухоли. И этим еще не ограничивается роль стромы в развитии опухоли. Образование некроза и развитие локального воспаления ведет к накоплению лимфоцитов, нейтрофилов и макрофагов, активно синтезирующих медиаторы воспаления. Эти медиаторы включают в себя целое семейство веществ, усиливающих само воспаление (система комплемента), активирующих функцию макрофагов (фактор некроза опухоли), и ростстимулирующие факторы (цитокины), которые оказывают стимулирующее влияние и на рост самой опухоли.

Накопление в опухоли факторов естественной резистентности – макрофагов, нормальных киллеров и Т-лимфоцитов, осуществляющих специфический контроль роста опухолей, создает противоположный эффект и усиливает естественный отбор клеток, не чувствительных или противостоящих иммунологическому контролю опухолевого роста, и обеспечивает тем самым дальнейшую эволюцию (прогрессию) системы.

И наконец, происходит эволюция карциномы в сторону отхода от контроля эпителиальной структуры, зависящего от таких свойств эпителия, как наличие базальной мембраны. Утрата характерных черт эпителия (структуры ткани, клеточных взаимодействий, контроля специфическими факторами роста, приобретение подвижности и морфологии фибробластов) – это так называемое EMT, эпителиально-мезенхимальное превращение [59].

ЕМТ свойственно нормальному эпителию в процессе развития, особенно раннего, например при гаструляции, когда эпителий приобретает подвижность и активно внедряется в подлежащие слои. ЕМТ имеет место при временных повреждениях ткани, при этом эпителиальные клетки теряют полярность, прекращают синтез кадхеринов, образуют виментин и фибронектин и одновременно с этим приобретают подвижность. Они прекращают синтез клеточных ядерных трансфакторов и образование антигенов, характерных для эпителиальных тканей. Эпителиальные клетки становятся типичными фиб-робластами. ЕМТ, по-видимому, лежит в основе инвазии и метастазирования: клетки эпителиальной опухоли становятся подвижными и приобретают способность расселяться по разным территориям организма. При этом очень существенно, что клетки претерпевают физиологическое, а не генетическое превращение, так как ЕМТ обратимо. Метастазы, возникшие на основе ЕМТ, могут приобретать морфологию исходной опухоли, а эпителий в краевых районах раны может приобретать фибробластные свойства. Индукция ЕМТ имеет место при взаимодействии опухолей, экспрессирующих онкоген Ras и TGFр. Но так или иначе ЕМТ выглядит как заключительный этап прогрессии эпителиальной опухоли, когда опухоль теряет эпителиальные признаки (полярность клеток, специфические клеточные контакты, характерную морфологию и тканеспецифическую антигенную структуру) и одновременно приобретает черты фибробластов (экспрессию виментина, подвижность, независимость от территории роста).

Можно думать, что понимание этого процесса и факторов, в нем участвующих, создадут основу для рациональной терапии инвазии и метастазирования – главных свойств злокачественности. При этом непонятно, что будет дальше. Ведь прогрессия должна быть бесконечна, а EMT как бы завершает ее.

 

Рассмотренные в настоящей статье особенности опухолей позволяют представить общие контуры событий через различные формы предрака, образование онкорнавирусов, несущих онкогены, и опухолеродную активность онкогенов.

Далее следует активация онкогенов посредством транслокации протоонкогенов под активно работающий ген – общий механизм образования гемобластозов, объединяющий их с опухолями, вызванными онкорнавирусами. Гемобластозы – переходная форма от опухоли мышей и птиц к опухолям человека. В возникновении карцином обязательно участвуют гены-су-прессоры опухолевого роста и, как правило, имеет место многокомпонентный канцерогенез на основе нескольких активированных онкогенов, последовательно включающихся в этот процесс.

И наконец, возможен новый, более широкий взгляд на прогрессию опухолей, включающую в себя в качестве начала стадию предрака, а в заключение – эпителиально-мезенхимальный переход, основу инвазии и метастазирования. Это ставит ряд новых исследовательских проблем, таких как определение механизмов трансформации мезенхимальных опухолей (сарком) и их места в ряду опухолей, вызванных вирусными онкогенами, гемобластозов и карцином человека. Какова роль генов-супрессоров в этих опухолях?

В возникновении карцином человека обязательно участвуют гены-супрессоры опухолей, а также гены, принимающие участие в появлении предрака. Возникновение карцином неотделимо от прогрессии, начинающейся с активации факторов предрака, например с пролиферации клеток-предшественников опухолей или генетических изменений, характерных для опухоли, которые обязательно включают инактивацию генов-супрессоров, в частности, путем LOH и активацию не менее двух протоонкогенов. Инактивация генов-супрессоров, во-первых, снимает блок с контроля пролиферации и, во-вторых, подавляя апоптоз, способствует накоплению мутантов, т.е. увеличивает генетическую гетерогенность опухоли – обязательный материал для прогрессии в сторону злокачественности.

Естественно, что в фундаментальной картине канцерогенеза имеются обширные белые пятна. К ним относятся: механизм нормализации опухолевых клеток нормальным микроокружением [60]; наличие временóго промежутка между введением онкогена в клетки и его эффектом.

Это лишь немногие вопросы для будущего изучения канцерогенеза.

 

Мы искренне благодарим О.А. Сальникову за тщательную работу над рукописью.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантом «Ведущие научные школы» (НШ-5177.2008.4) и РФФИ (гранты 05-04-49714а и 08-04-00400а).

 

Список литературы

1. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Garland Science, pp. 1–796.

2. Шабад Л.М. (1967) Предрак в экспериментально-морфологическом аспекте, Медицина, Москва, с. 1–384.

3. IARC Monographs on the Evaluations of Carcinogenic Risks for Humans (1995), vol. 53, IARC Lion, France.

4. The EUROGAST Study Group (1993) Lancet, 341, 1359–1362.

5. Абелев Г.И. (1979) В кн. Опухолевый рост как проблема биологии развития (под ред. В.И. Гельштейн), Наука, Москва, с. 148–173.

6. Tenen, D.G. (2003) Nat. Rev. Cancer, 3, 89–101.

7. Huntly, B.J.P., and Gilliland, G. (2005) Nat. Rev., 5, 311–321.

8. Moore, K.A., and Lemischka, I.R. (2006) Science, 311, 1880–1885.

9. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 16. The Rational Treatment of Cancer, Garland Science, pp. 725–795.

10. Dean, M., Fojo T., and Bates, S. (2005) Nat. Rev. Cancer, 5, 275–284.

11. Абелев Г.И. (2007) В кн. Клиническая онкогематология (под ред. Волковой М.А.), 2-е изд., с. 167–176.

12. Daser, A., and Rabbitts, T. (2004) Genes Dev., 18, 965–974.

13. Tenen, D.G., Hromas, R., Licht, J.D., and Zany, D.-E. (1997) Blood, 90, 489–519.

14. Оловников А.М. (1971) ДАН СССР, 201, 1496–1499.

15. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 10. Eternal life: Cell Immortalization, Garland Science, pp. 357–398.

16. Duesberg, P., Fabarius, A., and Hehlmann, R. (2004) Life, 56, 65–81.

17. Laconi, S., Pillai, S., Porcu, P.P., Shafritz, D.A., Pani, P., and Laconi, E. (2001) Am. J. Pathol., 158, 771–777.

18. Laconi, S., Pani, P., Pillai, S., Pasciu, D., Sarma, D.S.R., and Laconi, E. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 7807–7811.

19. Sell, S., Hunt, J.M., Knoll, B.J., and Dunsford, H.A. (1987) Adv. Cancer Res., 48, pp. 37–111.

20. Greenberg, A.K., Yee, H., and Rom, W.N. (2002) Respir. Res., 3, 20–30.

21. Cozzio, A., Passegue, E., Ayton, P.M., Karsunky, H., Cleary, M.L., and Weissman, I.L. (2003) Genes Dev., 17, 3029–3035.

22. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 8. Rb and Control of Cell Cycle Clock, Garland Science, pp. 255–306.

23. Knudson, A.G. (1971) Proc. Natl. Acad. Sci., 68, 820–823.

24. Calderon-Margalit, R., and Paltiel, O. (2004) Int. J. Cancer, 112, 357–364.

25. Vogelstein, B., Fearon, E.R., Hamilton, S.R., Kern, S.E., Preisinger, A.C., Leppert, M., Nakamura, Y., White, R., Smits, A.M., and Bos, J.L.N. (1988) Engl. J. Med., 319, 525 – 532.

26. Daley, G.Q., van Etten, R.A., and Baltimore, D. (1990) Science, 247, 824–830.

27. Weinberg, R. (2006) The Biology of Cancer, Ch. 9. P53 and Аpoptosis: Master Guard and Executor, Garland Science, 307–356.

28. Kern, S.E. (1993) J. Natl. Cancer Inst., 85, 1020–1021.

29. Bhowmick, N.A., and Moses, H.L. (2005) Current Opinion in Genetic & Development, 15, 97–101.

30. Hussain, S.P., and Harris, C.C. (2007) Int. J. Cancer, 121, 2373–2380.

31. Mueller, M.M., and Fusenig, N.E. (2004) Nat. Rev. Cancer, 4, 839–849.

32. Federico, A., Morgillo, F., Tuccillo, C. Ciardiello, F., and Loguercio, C. (2007) Int. J. Cancer, 121, 2381–2386.

33. Недоспасов С.А., Купраш Д.В. (2004) В кн. Канцерогенез (под ред. Заридзе Д.Г.), Медицина, Москва, с. 158–168.

34. Li, Q., Withoff, S., and Verma, I.M. (2005) Trends Immunol., 26, 318–325.

35. Заридзе Д.Г. (2004) В кн.: Канцерогенез (под ред. Заридзе Д.Г.), Медицина, Москва, с. 29–85.

36. Карамышева А.Ф. (2004) В кн. Канцерогенез (под ред. Заридзе Д.Г.), Медицина, Москва, с. 429–447.

37. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 13. Dialogue Replaces Monologue: Heterotypic Interactions and the Biology of Angiogenesis, Garland Science, pp. 527–587.

38. Stetler-Stevenson, W., and Yu, A.E. (2001) Semin. Cancer Biol., 11, 143–152.

39. Зильбер Л.А., Ирлин И.С., Киселев Ф.Л. (1975) Эволюция вирусогенетической теории возникновения опухолей. Гл. 8 Эндогенные вирусы и «нормальная» терапия, Наука, Москва, с. 242–310

40. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 3. Tumor Viruses, Garland Science, pp. 57–90.

41. Альтштейн А.Д. (1973) Журн. Всесоюз. хим. об-ва им. Менделеева, 18, 631–636.

42. Weiss, R., Teich, N., Varmus, H., and Coffin, J. (eds) (1982) RNA tumor viruses, Cold Spring Harbor, N.Y., pp. 1–396.

43. Bentvelzen, P. (1968) in Genetical Controls of the Vertical Transmission of the Muhlbock Mammary Tumor Virus in the GR Mouse Strain., Hollandia Publ. Co., Amsterdam, p. 1.

44. Татосян А.Г. (2004) В кн. Канцерогенез (под ред. Заридзе Д.Г.), Медицина, Москва, с.103–124.

45. Weinberg, R. (2006) The Biology of Cancer, Ch. 4. Cellular Oncogenesis, Garland Science, pp. 91–118.

46. Weinberg, R. (2006) The Biologу of Cancer, Ch. 7. Tumor Suppressor Genes, Garland Science, pp. 209–254.

47. Альтштейн А.Д. (2004) В кн.: Канцерогенез (под ред. Заридзе Д.Г.), Медицина, Москва, с. 251–274.

48. Флейшман Е.В. (2007) В кн. Клиническая онкогематология (под ред. Волковой М.А.), 2-е изд., Москва, Медицина, с. 370–408.

49. Hanahan, D., and Weinberg, R.A. (2000) Cell., 100, 57–70.

50. Hallek, M., Bergsagel, P.L., and Anderson, K.C. (1998) Blood, 91, 3–21.

51. Kuppers, R. (2005) Nat. Rev. Cancer, 5, 251–262.

52. Копнин Б.П. (2004) В кн. Энциклопедия клинической онкологии (под ред. Давыдова М.И.), РЛС-Пресс, Москва, с. 34–53.

53. Schwartz, M.A. (1997) J. Cell Biol., 139, 575–578.

54. Ruoslahti, E. (1999) Adv. Cancer Res., 76, 1–20.

55. Schmeichel, K.L., and Bissell, M.J. (2003). J. Cell Sci., 116, 2377–2388.

56. Bissell, M.J., Radisky, D.C., Rizki, A., Weaver, V.M., and Petersen, O.W. (2002) Differentiation, 70, 537–546.

57. Radisky, D., and Bissel, M.J. (2004) Science, 303, 775–777.

58. Abelev, G. I., and Lazarevich, N. L. (2006) Adv. Cancer Res., 95, 61–113.

59. Thiery, J.P. (2002) Nat. Rev. Cancer, 2, 442–454.

60. Javaherian, A., Vaccariello, M., Fusenig, N.F., and Garlick, J.A. (1998) Cancer Res., 58, 2200–2208.