CC BY
210
ТОМ 2
НОМЕР 3
ИЮЛЬ - СЕНТЯБРЬ 2009
КЛИНИЧЕСКАЯ
О. її/ ч СЕМИНАР ПО ОНКОЛОГИИ
НКОгематология
«Постгеномный взгляд» на проблемы онкогенеза
Д.Ю. Блохин
«Postgenomic view» on problems of oncogenesis
D. Yu. Blokhin SUMMARY
Processes of malignant transformation of cells and the subsequent tumoral progression, possibly, are a consequence of common reason — the genetic instability arising at damaging one of the genes of the system of genomic self-checking («stability genes»). Mutations in these genes provide considerable decrease in efficiency of revealing and a reparation of the subsequent genetic damages and errors of DNA replication. Descendants of such mutant cell reproduce a tolerance phenotype to new genetic damages owing to what rate of accumulation of the mutations changing a phenotype and breaking gene programs sharply increases in them. Against mass accumulation of every cell of a casual set of mutations malignant transformation one or several of them is possible. As a result of the same process of the further accumulation of mutations initially monoclonal tumour is subject to clonal splitting and a progression.
Keywords:
«stability genes», mutator phenotype, oncogenesis, malignant transformation, tumoral progression.
РЕФЕРАТ
Процессы злокачественной трансформации клеток и последующей опухолевой прогрессии, вероятно, являются следствием общей причины — генетической нестабильности, возникающей при повреждении одного из генов системы самоконтроля генома («генов стабильности»). Инактивирующие мутации в этих генах ведут к значительному снижению эффективности выявления и репарации последующих генетических повреждений и ошибок репликации ДНК. Потомки такой мутантной клетки воспроизводят фенотип толерантности к новым генетическим повреждениям (мутаторный фенотип), вследствие чего в них резко возрастает скорость накопления мутаций, изменяющих фенотип и дискоординирующих генные программы. На фоне массового накопления каждой гипермутабельной клеткой случайного набора мутаций возможна опухолевая трансформация одной или нескольких из них. В результате того же процесса дальнейшего накопления мутаций первично возникшая моноклональная опухоль подвержена клональному расщеплению и прогрессии.
N. N. Blokhin Cancer Research Center RAMS, Moscow Контакты: blokhin@yandex.ru Принято в печать: 16 сентября 2009 г.
Ключевые слова
«гены стабильности», мутаторный фенотип, онкогенез, опухолевая трансформация, опухолевая прогрессия.
В третье тысячелетие человечество вступило, громко заявив об окончании первого этапа исследований по расшифровке собственного генома.1 Ценой масштабных кооперированных международных исследований с высокой точностью (1 ошибка на 100 тыс. нуклеотидов) прочитана нуклеотидная последовательность ДНК человеческого организма.
Суммарная длина ДНК гаплоидной половой клетки человека (именно гаплоидный набор хромосом содержит полный геном) составляет около 1 м, молекула состоит из 3,2 млрд пар нуклеотидов; диплоидные соматические клетки содержат удвоенное количество ДНК, т. е. несут в себе по два генома, один из которых унаследован от матери, второй — от отца. Как зримо
представить 3,2 млрд нуклеотидных пар? Запись всей последовательности нуклеотидов однобуквенным обозначением на стандартных листах формата А4 составит библиотеку из 3,5 тыс. 1000-страничных томов! Эта величина характеризует геном человека, так сказать, «брутто», т. е. не только всю совокупность генов с их промоторами, энхансерами и другими регуляторными последовательностями (геном «нетто»), но и участки молекулы, не несущие генетической информации. Поиск собственно генов, т. е. участков ДНК, кодирующих белки, а также рибосомные и транспортные РНК, стал следующим этапом исследований генома человека.
Однако по мере получения и анализа этих результатов заметно нарастало
РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН, Москва
277
Д. Ю. Блохин
разочарование исследователей. «Венец Природы», как сам себя гордо величает Homo sapiens, с генетической точки зрения представляется существом вовсе не выдающимся.
Расшифрованный геном оказался значительно короче ожиданий: по последним оценкам, в него входит менее 25 тыс. генов (первоначально предполагали обнаружить более 100 тыс. генов, но с каждой последующей оценкой число расшифрованных генов уменьшалось, что связано с совершенствованием методов анализа и исключением предыдущих ошибок), функция более 50 % из которых до сих пор не установлена.2 Таким образом, число генов человека не только немногим отличается от генома миниатюрной нематоды Caenorhabditis elegans, организм которой состоит всего из тысячи клеток,3 но и сопоставимо с геномом одноклеточной инфузории Tetrahymena thermophila.4 Многие гены человека прошли все ступени эволюции, претерпев минимальные изменения, — велика степень их гомологии с генами беспозвоночных животных и даже растений, а различия с геномом шимпанзе составляют менее 1 %.
Реальное содержание ДНК в каждой клетке человека является абсолютно избыточным: вся совокупность генов вместе с их промоторами и регуляторными областями занимает не более 3 % всей суммарной нуклеотидной последовательности. А на собственно экзоны, кодирующие белковые молекулы (в большинстве генов кодирующие участки экзонов перемежаются с некодирующими интрона-ми, копии которых впоследствии вырезаются из мРНК при ее созревании), приходится всего около 1,5 % совокупной длины молекулы.1 Биологическая функция основной части (97 %) молекулы ДНК неизвестна; установлено лишь, что ее составляют по меньшей мере три группы участков: повторы (в т. ч. микросателлитные последовательности), транспозоны (мобильные диспергированные элементы) и псевдогены. Неопределенность биологической роли этой части молекулы даже породило ее название как «мусорной ДНК», что, впрочем, не совсем верно. Уже сегодня известно, что, например, транспозоны, занимающие у человека около 30 % всей нуклеотидной последовательности, играют важную роль в миграции генов, приводя к реаранжировкам генома, делециям и транслокациям отдельных его участков. Таким образом, «мусорной» эта значительная часть молекулы является только в том смысле, что в ней нет никакой информации для белкового синтеза. Клетка же не считает ее излишней, и в каждом цикле деления происходит скрупулезное копирование всей гигантской цепи, за исключением небольших участков повторяющихся концевых последовательностей — теломер. Недорепликация последних ведет к их укорочению в каждом цикле, что ограничивает потенциально возможное число клеточных делений, — феномен, открытый в 1961 г. Леонардом Хейфликом5 и с тех пор известный как «лимит Хейфлика» (Hayflik’s limit). Укорочение теломер нормальной соматической клетки достигает критического уровня в течение 50—60 ее удвоений, после чего способность к самовоспроизведению необратимо утрачивается. Известно лишь два исключения из этого общего правила: только эмбриональные стволовые клетки и клетки злокачественных опухолей способны делиться неограниченно, что связано с активностью в этих клетках теломеразы, которая достраивает утраченные в процессе очередного деления теломеры, «обнуляя» таким образом биологический счетчик произошедших удвоений.6
Результаты расшифровки генома человека позволяют взглянуть на проблему онкогенеза под несколько непривычным углом зрения, что, учитывая модные тенденции современной биологии, уместно назвать «постгеномным взглядом».
Теоретически опухоль возникнуть не может, но практически - возникает!
Принятая в настоящее время молекулярно-генетическая теория канцерогенеза консолидировала существовавшие ранее теории химического, радиационного, вирусного и наследственного происхождения опухолей. Сегодня причиной опухолевой трансформации считают накопление в одной клетке некоторого критического количества соматических мутаций. Не установлен ни только набор таких необходимых и достаточных для малигнизации клетки мутаций, но даже их минимальное число. Наиболее пессимистичные оценки выражаются числами в 4—5 мутаций, другие авторы называют 6—7, а откровенные оптимисты говорят о 8—10 мутациях, предшествующих опухолевой трансформации. Эти оценки основаны на совокупности характерных фенотипических признаков, которые приобретаются клеткой в процессе опухолевого перерождения:
• самообеспечение митогенными стимулами;
• постоянное деление и нечувствительность к антимитогенным сигналам;
• неограниченный репликативный потенциал (утрата «лимита Хейфлика»);
• снижение способности к апоптозу;
• способность к тканевой инвазии и метастазирова-нию.
Считается, что за каждым из приведенных признаков стоит по меньшей мере одно генетическое событие, связанное с активацией протоонкогенов и/или репрессией генов-онкосупрессоров.
Мутация — это устойчивое наследуемое изменение нуклеотидной последовательности ДНК. Возникновению мутации предшествует появление ошибки в первичной последовательности нуклеотидов. Такие ошибки возможны в результате действия внешних или эндогенных факторов, приводящих к химической модификации оснований, составляющих молекулу ДНК. Делеции и транслокации, как уже сказано выше, могут возникать в результате продольной миграции транспозонов, захватывающих с собой и перетаскивающих в другой локус участки соседних генов. Однако основной источник ошибок — неполная точность копирования молекулы ДНК-полимеразой в процессе ее репликации. Результатом этого является встраивание в отдельные сайты дочерней цепочки ДНК оснований, не комплементарных соответствующим основаниям материнской цепи, — появляется участок неспаренных оснований, несущий ошибку генетической информации в дочерней цепи, именуемую точечной заменой (mismatch). Точечные замены подлежат оперативному исправлению как в самом процессе синтеза ДНК, так и после его завершения — пострепликативная репарация с участием специализированных ферментных систем.
Ошибка в единичном нуклеотиде для исправления требует расщепления и последующей повторной сборки довольно длинного участка дочерней цепи. Весь процесс такой репарации насколько сложен, настолько и изящен. Он подробно изучен у бактерий, а в клетках животных и человека отличается от него лишь некоторыми деталями. Так, в цепи ДНК на расстоянии от одной до нескольких тысяч пар оснований друг от друга разбросаны последовательности нуклеотидов ГАТЦ (гуанозил-аденозил-тимидил-цитидин), которые являются маркерными сайтами для ферментов репарации. Замечательно, что эта последовательность точно воспроизводится в комплементарной цепи при ее чтении в противоположном направлении. В составе этой последовательности аденин (у бактерий) может метилироваться специальными ферментами семейства ДНК-метилаз; у эукариот метилированию
278
Клиническая онкогематология
Проблемы онкогенеза
подлежит гуанин. Процесс необратимого метилирования оснований в ГАТЦ-сайтах дочерней цепи происходит только после завершения репликации всей молекулы ДНК и исправления обнаруженных ошибок, что позволяет до завершения этого процесса отличить материнскую цепь молекулы от дочерней. Если после завершения репликации обнаруживается участок неспаренных оснований, репаративный ферментный комплекс начинает движение вдоль дуплекса ДНК в поисках ближайшего ГАТЦ-сайта, найдя который, идентифицирует материнскую цепь по наличию в нем метилированного основания. Затем дочерняя цепь разрывается, и репаративный комплекс начинает движение в обратном направлении, последовательно отщепляя основания дочерней цепи, пока не достигает места обнаруженной ошибки. После выщепления ошибочно вставленного основания репаративный комплекс (или его полимеразная часть) поворачивает назад, застраивая образованную в дочерней цепи брешь длиной в сотни, а иногда и тысячи нуклеотидов.7 Если ошибка (неспаренные основания) не обнаружена или не исправлена до метилирования ГАТЦ-сайтов дочерней цепи, позднее распознать материнскую (истинную) последовательность становится невозможным — в следующем делении точечная замена закрепляется в виде гетерозиготной мутации. Единственным способом избавления от такой ошибки становится полная самоликвидация клетки — апоптоз. В результате нормальных репаративных процессов вероятность закрепления ошибки в виде мутации крайне мала — генетики оценивают ее как 1 мутация на 1 млн клеток в одном цикле деления.
Учитывая такую низкую вероятность спонтанного мутагенеза, простой арифметический расчет показывает вероятность появления двух независимых мутаций в одной клетке, равную 1 на 1 трлн клеток, а для возникновения трех мутаций в организме просто не хватает клеточного субстрата: взрослый человек состоит из приблизительно 100 трлн клеток, 25 % из которых представлены безъядерными эритроцитами, в то время как возникновение трех независимых мутаций возможно в 1 клетке из 1000 квадриллионов.
Согласно другому расчету, исходно возникшая в одной из 1 млн клеток мутация через 20 делений даст потомство в 1 млн мутантных клеток (220 = 1048576, или « 1 мл), в одной из которых появляется вторая мутация; еще через 20 делений поколение клеток, несущих по две мутации, также составит 1 млн клеток, в одной из которых вероятно появление третьей мутации (рис. 1). Вот только лимит клеточных делений к этому моменту исчерпывается, что не оставляет никакого шанса для дальнейшего продолжения процесса! Таким образом, теоретический расчет частоты
1 млн О 1 млн О і млн •
Рис. 1. Теоретический расчет вероятности накопления в одной соматической клетке трех независимых мутаций. В результате первых 20 делений потомство одной клетки достигает миллиона, в одной из которых возможна единичная мутация. Через 20 делений мутантной клетки образуется 1 млн мутантов, в одном из которых возможна дополнительная независимая мутация. Еще через 20 делений потомки двойного мутанта образуют миллионный клон, в одной клетке которого можно ожидать появление третьей независимой мутации. Но к этому моменту лимит клеточных делений исчерпывается (цит. по [6], с изменениями)
возникновения злокачественно трансформированных клеток делает этот процесс настолько маловероятным, что этот результат никак не соотносится с действительностью, выдвигающей онкологические заболевания на 2-е место в мире в качестве причины смертности. Если теоретический расчет входит в столь вопиющее противоречие с реальностью, то господствующая теория подлежит серьезной ревизии.
Сколько все же мутаций необходимо и достаточно для малигнизации?
Взглянем критически на перечень фенотипических признаков опухолевой клетки. Видим, что в приведенных формулировках универсальность каждого из этих признаков относительна — возражения по каждому пункту выделены противительным союзом Но.
• Самообеспечение митогенными стимулами.
Но вопреки этому утверждению о самодостаточности митогенных стимулов подавляющее большинство опухолевых клеточных линий требует наличия в питательной среде ростовых факторов из эмбриональной сыворотки, а гормонозависимые опухоли молочной железы и простаты прекращают рост в отсутствие соответствующих гормонов, что используется в лечебной практике.
• Постоянное деление и нечувствительность к антимитогенным сигналам.
Но пролиферативный пул (фракция роста) опухоли никогда не достигает 100 %, т. е. часть опухолевых клеток (зачастую — весьма значительная) находится вне цикла деления, не переставая при этом оставаться опухолевыми.
• Неограниченный репликативный потенциал (утрата «лимита Хейфлика»).
Экспериментально это абсолютно доказано для перевиваемых опухолей животных и клеточных культур, которые удалось перевести в линии.
Но такой результат достигается далеко не с каждой спонтанно или индуцированно возникшей опухолью. Правда, с позиции клинической онкологии этот признак опухоли не имеет большого практического значения, поскольку заложенный «лимитом Хейфлика» средний потенциал в 50—60 делений легко позволяет потомству одной малигнизированной клетки преодолеть барьер в 1 тонну клеточной биомассы!
• Снижение способности к апоптозу.
Но клетки большинства опухолевых моделей (клеточных линий и перевиваемых опухолевых штаммов животных) способны активно вступать в апоптоз после их облучения или применения противоопухолевых химиотерапевтических средств, а в организме больного противоопухолевые лекарства преимущественно поражают клетки опухоли, которые погибают по механизму апоптоза.
• Способность к тканевой инвазии и метастазиро-
ванию.
Но рак in situ не обнаруживает эндофитного роста и не метастазирует, однако при этом остается раком. К слову, данное свойство является по сути единственным из всего списка отличием злокачественных опухолей от доброкачественных, что представляется нам ошибочным. К этому вопросу мы вернемся ниже.
Приведенные возражения вовсе не направлены на по-трясание устоявшихся догматов. Но отказ от безусловной абсолютизации канонических признаков опухолевого роста приводит к смещению оценки количества необходимых и достаточных для опухолевой трансформации мутаций в пессимистическом направлении. При этом важно отметить, что каждый из перечисленных фенотипических признаков по сути является вторичным, не обязательным абсолютно в каждом случае или появляющимся по мере роста и прогрессии уже
www.medprint.ru
279
Д. Ю. Блохин
возникшей опухоли. В таком контексте онкогенез проявляет свойства не революционного, но эволюционного процесса, при котором отдельные специфические опухолевые признаки постепенно приобретаются клетками независимо друг от друга и в любой их очередности.
А какое из генетических событий должно обязательно предварять опухолевую трансформацию клетки?
Даже в сокращенном виде перечень фенотипических признаков опухолевой клетки не может быть следствием только одной мутации. Следовательно, для трансформации необходимо несколько генетических событий — мутаций, транслокаций или генных потерь. Такие потенциально трансформирующие мутации должны затрагивать исключительно «онкогенно значимые» гены — протоонкогены и/или гены-онкосупрессоры, которых сегодня известно не более 150 из 25 000 генов, составляющих геном человека, т. е. чуть более 0,5 % от их общего числа.
Учитывая случайный характер мутагенеза, неизбежно приходим к заключению, что каждая мутация генов, вовлеченных в онкогенез, сопровождается параллельным появлением около 200 мутаций в прочих генах, а также возникновением ошибок в некодирующих областях «мусорной ДНК» — микросателлитная нестабильность. Следовательно, опухолевой трансформации клетки предшествует накопление не 4—5 соматических мутаций, а в сотни раз больше!
Если же принять во внимание факт абсолютной избыточности, содержащейся в каждой клетке ДНК, в которой собственно кодирующая белковые продукты информация не превышает 1,5 %, то счет возникающих в трансформирующейся клетке нуклеотидных дефектов пойдет уже на десятки и сотни тысяч! Здесь, правда, уместно заметить, что как-либо фенотипически обнаруживать себя могут лишь мутации, возникающие в кодирующих участках экзонов (возможно появление дефектного белка с измененными свойствами и функциями) или регуляторных участках генов (возможно изменение экспрессии гена и ее неадекватное регулирование). Мутации в некодирующих областях генома никак не обнаруживают себя фенотипически, в связи с чем носят безразличный характер, не отражаясь на жизнедеятельности клетки. Однако они все же являются мутациями, которые происходят из невыявленной или не устраненной в надлежащем порядке ошибки нуклеотидной последовательности.8 Как такое возможно? Ведь вероятность появления спонтанных мутаций чрезвычайно мала, обнаружение клеткой генетического изменения активирует механизм исправления ошибки, а при невозможности такого исправления запускается программа клеточной гибели.
В нормальной клетке, проходящей цикл деления, весь процесс удвоения жестко контролируется в контрольных (сверочных) точках цикла (check-points): до начала синтеза ДНК (Gj/S-переход), в процессе синтеза (S), перед началом митоза (G2) и в метафазе последнего. Механизмы контроля сводятся к обнаружению нитевых разрывов молекулы и участков неспаренных оснований материнской и дочерней цепей. Если в ходе такого контроля обнаруживается дефект ДНК, цикл временно приостанавливается и активируются процессы репарации. После их завершения цикл деления возобновляется. Если же попытка репарации не привела к устранению повреждения, клетка вступает в апоптоз, активируя генетическую программу собственной гибели. Академик В. П. Скулачев образно описал такое поведение клетки самурайским законом: лучше умереть, чем ошибиться! Этот механизм позволяет сохранять генотип всех клеток организма в первозданном виде, пусть даже ценой множе-
ственных клеточных потерь. Он минимизирует количество и темп накопления мутаций; никакой трагедии для организма не произойдет: если генетически дефектная клетка будет уничтожена, на ее место тут же встанет новая с исправной генетической программой.
Механизм контроля и репарации состоит из трех взаимодействующих компонентов, по аналогии с промышленным производством назовем их «Контролер», «Мастер» и «Слесарь». Контролер обнаруживает ошибку и сообщает о ней Мастеру; Мастер останавливает конвейер, анализирует ситуацию и выписывает заказ-наряд на выполнение ремонта; Слесарь производит ремонт и предъявляет результат Мастеру, который либо возвращает исправленное изделие на конвейер и запускает его, либо отправляет неисправное изделие в утиль как неремонтопригодное. Выпадение любого из трех компонентов нарушает весь процесс: либо ошибка не выявлена вовсе, либо не обеспечены условия для ее исправления, либо некому выполнить работу. Результат во всех случаях один — ошибка сохраняется. Последующее деление клетки приводит к генотипическому закреплению этой ошибки в виде гетерозиготной мутации и тиражированию ее во всех следующих поколениях.
В S-фазе клеточного цикла роль всех трех участников процесса выполняет ДНК-полимеразный ферментный ансамбль. В двух других контрольных точках цикла (Gt/S и G2) роль Контролера выполняют ДНК-зависимые протеинкиназы (АТМ, ATR, СНК1/2 и др.). В случае обнаружения повреждения ДНК они фосфорилируют неактивный белок р53 (Мастер), который при этом становится активным транскрипционным фактором множества респонсивных генов и, в свою очередь, трансактивирует, например, ген WAF1, белковый продукт которого р21ти останавливает прогрессию клеточного цикла (фаза Gt). В фазе G2 вместо гена WAF1 активируется ген lNK4a, кодирующий два белковых продукта: р 16INK4a и р 14ARF, которые останавливают прогрессию цикла деления. В работу вступают ферменты репарации (Слесарь). Если к определенному времени повреждение не ликвидировано, р53 дополнительно фос-форилируется, что приводит его в «стрессовую» форму с измененным сродством к респонсивным генам, в результате чего активируются проапоптозные гены AIP1, Bax и PUMA. В клетке запускается программа гибели. Так в общих чертах выглядит изящный молекулярный механизм генетического самоконтроля, сохраняющий в неприкосновенности геном делящейся клетки.9
Но все участвующие в этих процессах белки сами являются продуктами соответствующих генов, именуемых «генами стабильности», которые, как и прочие гены, потенциально подвержены мутагенезу. И если в результате мутации, транслокации или делеции поврежден участок ДНК, содержащий «гены стабильности», из стройного триумвирата Контролер — Мастер — Слесарь может выпасть необходимое звено. Результатом станут вовремя не выявленные и неисправленные генетические ошибки — путь к накоплению мутаций открыт! В клетке возникает состояние толерантности к последующим генетическим изменениям — мутаторный фенотип, что приводит к дестабилизации генома.
Генетические ошибки, вновь приобретаемые толерантной к мутациям клеткой, в первую очередь появляются в генах, прямо не вовлеченных в онкогенез; их доля в геноме более 99 %, в то время как «онкогенно значимые» гены составляют лишь менее 1 %. Но рано или поздно необходимое критическое количество мутаций в «онкогенно значимых» генах будет накоплено (если, конечно, раньше организм не погибнет от иного заболевания, травмы или старости). Дли-
280
Клиническая онкогематология
Проблемы онкогенеза
тельность процесса объясняет возрастание риска развития онкологических заболеваний с возрастом. Предсуществование в организме полученных по наследству герминальных мутаций, затрагивающих «гены стабильности», повышает вероятность и увеличивает скорость накопления этого критического количества, в связи с чем возрастает риск развития злокачественной опухоли в раннем и молодом возрасте, а также первично-множественных форм рака. Наиболее часто такие герминальные мутации наблюдаются в генах, кодирующих ДНК-зависимые протеинкиназы, например АТМ (Ataxia telangiectasia mutated), ATR (ATM related), CHK1/2 (Checkpoint kinase 1/2), в генах-онкосупрессорах, например ТР53 (кодирует белок р53), а также в генах ферментов репарации, например BRCA1/2 (Breast cancer 1/2), и других кодирующих белки суперсемейства Контролер — Мастер — Слесарь. Результат таких мутаций — множественные опухоли различного генеза в молодом возрасте.9
Продолжая рассуждать в этом направлении, мы неумолимо приходим к наиболее пессимистичному варианту ответа на вопрос, вынесенный в заглавие предыдущего раздела: для опухолевой трансформации клетки на ее первом этапе минимально необходима всего одна мутация, но не любая, а возникшая в гене, повреждение которого сопровождается становлением мутаторного фенотипа. Примерно в 50 % всех исследованных опухолей человека обнаружены мутации упоминавшегося гена ТР53, который часто именуют «стражем генома». Это обстоятельство позволило рассматривать данный ген как исключительно важный для онкогенеза. Оказалось, что даже в отсутствие мутации этого гена путем прямого ингибирования кодируемого им белкового продукта можно открыть ворота для волны генетических повреждений в клетке. Так, пифитрин-а — синтетический ингибитор белка р53 — защищает клетки мышей от гибели вследствие побочных эффектов противоопухолевой химиотерапии и облучения,10,11 но значительно усиливает генетическую нестабильность лимфоидных клеток человека в культуре.12 Белковый продукт гена Е6 вируса папилломы человека также инактивирует белок р53, результатом чего является развитие рака шейки матки, вирусная этиология которого абсолютно доказана.13
Напрашивается вопрос: если ген ТР53 столь критичен для онкогенеза, почему же его мутации обнаружены только в 50 % исследованных опухолей? Ведь вторая половина опухолей не имеет мутаций в этом гене, что не мешает им оставаться злокачественными новообразованиями. Ответ содержится в середине данного раздела: белок р53 является
важным, но не единственным действующим лицом в системе генетического самоконтроля, и утрата любого из них (Контролер — Мастер — Слесарь) разрушает всю цепочку в целом. Другими словами, для становления мутаторного фенотипа достаточно инактивирующей мутации в одном из «генов стабильности», остальные при этом могут сохранять свой «дикий тип».
Роль опухолевой прогрессии в онкогенезе
Теория опухолевой прогрессии разработана в 1960-е годы L. Foulds. Согласно этой теории, происходит постоянный стадийный рост опухоли с прохождением ею ряда качественно различных стадий,14 под которыми понимается новый набор фенотипических признаков. Стадийность изменений связана со сменой популяций опухолевых клеток, происходящей в результате конкурентной борьбы более агрессивных клонов с менее приспособленными. Однако само появление таких клонов является следствием определенных генетических событий — мутаций в соответствующих генах. Следовательно, молекулярно-генетическая природа опухолевой прогрессии состоит в накоплении отдельными опухолевыми клетками дополнительных к уже существующим соматических мутаций. В этом контексте термин «прогрессия» следует рассматривать не только применительно к опухоли как тканевому новообразованию, но и в отношении отдельных клеток, фенотип с повышением степени злокачественности которых изменяется соответственно мутационному изменению их генотипа.
Но тот же процесс лежит в основе онкогенеза: по мере накопления мутаций в генах, прямо не вовлеченных в онкогенез, изменяется фенотип клетки (возникает клеточная атипия, приводящая по мере деления мутантной клетки к атипии тканевой), появляется и нарастает метаплазия клеток, переходящая в их дисплазию, клетки прогрессивно утрачивают морфофункциональные черты гомологичной ткани. В результате формируются «раковые поля» уже мутантных и атипичных, но еще не опухолевых клеток. Вновь приобретенные мутации тиражируются потомками, давая начало новым клонам (рис. 2). По мере независимого накопления генетических изменений отдельными потомками первично гипермутабельной клетки, в некоторых из них весьма вероятны мутации, вызывающие опухолеспецифические признаки, которые в конечном итоге приводят к опухолевой трансформации. Строго говоря, в пределах одного «ракового поля» возможно появление более одной первично трансформированной клетки с разными фенотипическими и
Рис. 2. Схема клонального расщепления потомства мутантной клетки. Случайно возникшая гетерозиготная мутация А в процессе первого (I) деления передается одной из дочерних клеток, вторая останется с прежним неизмененным генотипом. В мутантной клетке произошла новая мутация В, которая после второго (II) деления изменит генотип одной из дочерних клеток — возникнет генотип АВ, вторая клетка сохранит генотип А. Вновь приобретенные дочерними клетками мутации С и D после очередного (III) деления также закрепятся в их генотипах, создавая генетическое разнообразие клонов
www.medprint.ru
281
Д. Ю. Блохин
генотипическими признаками, следовательно, более одного первичного опухолевого клона.
Другими словами, молекулярно-генетические механизмы клеточной трансформации и опухолевой прогрессии являются общими. Более того, прогрессия в ряду нормальная ткань ^ метаплазия ^ дисплазия ^ анаплазия предшествует малигнизации. Прогрессия предполагает расщепление исходно моноклональной опухоли на многочисленные конкурирующие клональные субпопуляции, в которых с каждым поколением клеток увеличиваются признаки злокачественности и исчезают тканеспецифические черты — последствия вновь приобретаемых мутаций. Так, отметившая свой 100-летний юбилей перевиваемая мышиная опухоль Эрлиха к сегодняшнему дню утратила все специфические морфологические черты аденокарциномы молочной железы, из которой она возникла.
Таким образом, наиболее общим фенотипическим признаком злокачественной опухоли следует считать ее генетическую нестабильность (мутаторный фенотип, ги-пермутабельность, толерантность к вновь возникающим мутациям) и склонность к прогрессии. Этот концептуальный признак является главным отличием не только опухолевых клеток от нормальных, но и злокачественных опухолей от доброкачественных. Несмотря на сходство многих признаков этих типов опухолей, генетически, морфологически и клинически они относятся к совершенно разным заболеваниям. Клетки последних, как известно, в ряде случаев могут малигнизироваться (как и клетки нормальных тканей), однако для возникновения злокачественной опухоли вовсе не обязательно предсуществование доброкачественной. Малигнизации предшествует «предраковое состояние» в виде клона первичной гипермутабельной клетки, который является субстратом для опухолевой трансформации. А генетическая нестабильность опухолей является не следствием трансформации, а ее причиной.
Суммируя изложенное, следует отметить, что к моменту собственной злокачественной трансформации будущая опухолевая клетка подходит с поломанным механизмом распознавания и устранения генетических ошибок, а главное — с уже заметно изуродованным геномом. При этом набор случайных генетических поломок индивидуален не только для каждой опухоли, но и для различных клеточных клонов в пределах одного опухолевого узла. В этой связи модное в последние годы и дорогостоящее направление по составлению «генетического портрета» индивидуальных опухолей вряд ли
ЛИТЕРАТУРА
1. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001; 409(6822): 860-921.
2. International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature 2004; 431(7011): 931-45.
3. C. elegans Sequencing Consortium. Genome Sequence of the Nematode C. elegans: A Platform for Investigating Biology. Science 1998; 282(5396): 2012-8.
4. Eisen J. A., Coyne R.S., Wu M. et al. Macronuclear genome sequence of the ciliate Tetrahymena thermophila, a model eukaryote. PLoS Biol. 2006; 4(9): e286, 1620-42.
5. Hayflick L, Moorhead R.S. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 1961; 25(3): 585-621.
имеет смысл для клинической онкологии: воспроизводя генотипические признаки своих предшественников, дочерние клоны добавляют к ним все вновь приобретенные, быстро изменяя уже нарисованный портрет.
Что из этого следует?
Известно, что гены функционируют не как обособленные единицы генома, а в составе так называемых генных сетей. Массовые мутации в самых различных генах приводят к дискоординации «генных сетей» и поломке генетических программ. В первую очередь в опухолевой клетке страдает программа дифференцировки, состоящая из направленной последовательной активации одних генов и репрессии других. Вряд ли такая ситуация оставляет шанс направить ее «на путь истинный» путем принудительной «нормализации» или индукции дифференцировки.
Следующая генетическая программа, подверженная дискоординации, — программа деления. Результатом этого может явиться асимметричный митоз, после которого дочерние клетки становятся генетически неравноценными: в одной — происходят генные потери, в другой — напротив, приобретение избыточных генов, т. е. возникает анеуплои-дия, что считается неблагоприятным прогностическим признаком большинства опухолей.15
Наконец, поломки генетической программы клеточной гибели приводят к появлению фенотипа множественной лекарственной устойчивости опухолей. Так, в нашем институте получена линия Т-лимфобластных клеток человека с полностью утраченной программой апоптоза, в результате чего эти клетки в сравнении с гомологичными родительскими клетками (также лимфобластными) приобрели резистентность к действию всех испытанных нами химиотерапевтических препаратов в диапазоне от 10- до 300-кратной, т. е. на 1—2,5 порядка концентраций.16
Резюмируя сказанное, следует отметить, что известная клиницистам-онкологам зависимость эффективности лечения онкологических больных от «эволюционной истории» конкретной опухоли имеет не только анатомическое обоснование (опухоль крупного размера, прорастающая в соседние органы, давшая отдаленные метастазы и др., труднее поддается лечению в сравнении с маленькой, локализованной и не имеющей метастазов опухолью), но и молекулярногенетическую природу: до тех пор, пока опухолевая клетка жива, вектор ее прогрессии неуклонно направлен «от плохого к худшему».
induced by etoposide (VP16) in human lympho-blastoid cells treated in vitro. Mut. Res. Fund. Mol. Mech. Mutagen. 2002; 499(2): 163-76.
13. Киселев Ф.Л. Вирусы папиллом и их роль в канцерогенезе шейки матки. В кн.: Канцерогенез / Под ред. Д. Г. Заридзе. М.: Медицина, 2004; 287-97.
14. Коган Е.А. Автономный рост и прогрессия опухоли. Рос. журн. гастроэнтерол., гепатол., колопроктол. 2002; 12(4): 45-9.
15. Добрынин Я.В., Николаева Т.Г. Метод проточной ДНК-цитометрии в прогнозировании течения опухолевого процесса при опухолях человека. В кн.: Экспериментальная онкология на рубеже веков / Под ред. М. И. Давыдова, А. Ю. Барышникова. М.: Изд-во РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН, 2003; 483-510.
16. Блохин Д.Ю, Соколовская А.А, Власенкова Н. К. и др. Множественная лекарственная устойчивость опухолевых клеток, резистентных к апоптозу. Вестн. РАМН 2007; 10: 41-6.
6. Егоров Е.Е. Теломераза и канцерогенез. В кн.: Клиническая онкогематология / Под ред. М. А. Волковой. М.: Медицина, 2007; 126-40.
7. Сойфер В. Н. Репарация генетических повреждений. Соросовский образов. журн. 1997; 8: 4-13.
8. Глазер В.М. Конверсия гена. Соросовский образов. журн. 2000; 1: 23-31.
9. Копнин Б.П. Опухолевые супрессоры и мутаторные гены. В кн.: Канцерогенез / Под ред. Д. Г. Заридзе. М.: Медицина, 2004; 125-57.
10. Komarov P.G, Komarova E.A, Kondra-tov R. V. et al. A chemical inhibitor of p53 that protects mice from the side effects of cancer therapy. Science 1999; 285: 1733-7.
11. Комарова Е.А, Гудков А.В. Супрессия р53: новый подход к преодолению побочных эффектов противоопухолевой терапии. Биохимия 2000; 65(1): 48-56.
12. Bassi L, Carloni M, Fonti E. et al. Pifithrin-a, an inhibitor of p53, enhances the genetic instability
282
Клиническая онкогематология
