ПАТОЛОГІЯ ТКАНИННОГО РОСТУ
ПЛАН:
1. Пухлина, її патофізіологічна характеристика
1.1. Безмежність росту
1.2. Нерегульованість росту
1.3. Анаплазія пухлинних клітин
2. Етіологія пухлин
2.1. Хімічний канцерогенез
2.2. Фізичний канцерогенез
2.3. Вірусний канцерогенез
3. Концепція онкогена
3.1. Активація протоонкогенів шляхом трансдукції ретровірусами
3.2. Активація клітинних онкогенів в результаті хромосомних транслокацій
3.3. Інсерція генетичного матеріалу як механізм активації клітинних онкогенів
3.4. Ампліфікація протоонкогенів як механізм індукції раку
3.5. Активація клітинних протоонкогенів шляхом точкових мутацій
4. Стадійність канцерогенезу
4.1. Ініціація
4.2. Промоція
4.3. Прогресія
1. Пухлина, її патофізіологічна характеристика
Пухлина – це типовий патологічний пропес у вигляді розростання тканини, яке характеризується потенційною безмежністю, нерегульованістю і атиповістю клітин. Це визначення включає найбільш істотні властивості пухлинних клітин.
1.1. Безмежність росту
Універсальною і обов’язковою властивістю всіх пухлин – доброякісних і злоякісних – є їх здатність до необмеженого росту. Це – корінна ознака пухлини. Безконтрольна надмірна проліферація клітинних елементів пухлини зовсім не означає, що їх поділ здійснюється з більшою швидкістю, ніж поділ гомологічних клітин здорової тканини. Такі уявлення існували, але виявилися помилковими. Деякі здорові тканини ростуть значно швидше, ніж найзлоякісніша пухлина: ембріональні клітини, регенеруюча печінка. Якщо, наприклад, у молодої миші видалити 2/3 печінки, то через 3 тижні орган повністю відновлюється. Нема пухлини, яка б росла з такого швидкістю! Навіть гепатома, первинна пухлина печінки, росте повільніше, ніж регенерує здорова печінка. Доведено, що у пухлинах, які ростуть швидко, темпи мітотичного поділу не перевищують темпів мітозу в ембріональних клітинах, особливо на ранніх стадіях їх розвитку, а також у тих клітинах дорослого організму, які постійно оновлюються (кровотворні клітини). Отже, не швидкість поділу і росту, а характер цього росту відрізняє проліферацію пухлинних клітин від проліферації нормальних клітин. Безмежність росту пухлинних клітин полягає в тому, що вони не спроможні вичерпати ресурс поділу. Роботами Хейфліка з’ясовано, що у кожній клітині закладена генетична програма, яка обмежує кількість її поділів. Наприклад, фібробласти, взяті від здорового новонародженого і перенесені на культурне середовище, можуть дати максимум 50 подвоєнь маси, а потім перестають ділитися і гинуть. Це число називають лімітом Хейфліка. Що стосується пухлинної клітини, то вона внаслідок генної соматичної мутації втрачає цю обмежуючу програму і починає ділитися безмежно, уникаючи старіння. В рамках організму-господаря пухлинні клітини будуть ділитися аж до його смерті. Якщо такі клітини із живого організму перенести на інший того ж виду (трансплантувати), то вони приживуться і знову будуть ділитися до смерті організму-реціпієнта. Якщо ці клітини перенести на поживне середовище, то й там вони будуть ділитися нескінченне число разів, тобто стають непідвладними правилу Хейфліка. Ця здатність пухлинних клітин до безмежного поділу домінантно передається наступним клітинним поколінням.
Життя пухлинних клітин можна підтримувати штучно. Для цього існують два методи – трансплантація і експлантація. Трансплантація – це перещеплення пухлини від однієї тварини до іншої того ж виду, експлантація – культивування пухлинних клітин на поживних середовищах. Пухлина, яка довго підтримується методом трансплантації чи експлантації, називається пухлинним штамом. Перший трансплантаційний штам – карцинома Ерліха у мишей (рак молочної залози) живе уже 100 років (з 1905 р.) і ніяких ознак виродження цього штаму не помічено. Перший експлантаційний штам – клітини HeLa (рак шийки матки у негритянки Гелен Лане), живуть на середовищі без втрати властивостей понад 55 років (з 1950 р.). За сучасними поглядами, якщо зрозуміти суть явища безмежного поділу, то це означає зрозуміти суть пухлинного росту.
1.2. Нерегульованість росту
Пухлинній клітині притаманна ще одна риса – автономність або нерегульованість росту. Клітинний ріст контролюється нервовою і ендокринного системами на рівні організму як цілого, а також на місцевому рівні – мітогенами і кейлонами. Пухлинна клітина виходить з-під цього контролю, проявляє автономність, незалежність росту, перестає реагувати на гормональні впливи, які гальмують ріст нормальних клітин. Ця автономність не абсолютна, але характерна для всіх пухлин. Різні пухлини мають різний ступінь автономності по відношенню фактора, що контролює ріст. Якщо пухлина частково зберігає здатність піддаватися контролюючому впливу гормонів, то її називають гормонозалежною, а якщо вона повністю втрачає цю здатність – гормононезалежною. Автономність пухлини не означає, що вона втратила будь-які зв’язки з організмом. Ці зв’язки стали іншими. Їх можна охарактеризувати як стосунки між тканиною-паразитом і організмом-господарем. Деякі дослідники надають значення місцевим порушенням регуляції тканинного росту. Зокрема, в пухлинній тканині різко знижується вміст кейлонів, які виробляються дозрілими клітинами і пригнічують мітотичну активність проліферуючих клітин. Кейлони специфічні для кожної тканини, але не мають видової специфічності. В пухлинах їх знаходиться мізерна кількість, порівняно з нормальною гомологічною тканиною.
1.2. Анаплазія пухлинних клітин
Третя відмінна риса пухлинних клітин – анаплазія, під якою розуміють стійку дедиференціацію пухлинних клітин, втрату ними характерної для диференційованих нормальних клітин здатності утворювати специфічні тканинні структури або продукувати специфічні речовини. Це – спрощення структурно-хімічної організації. Пухлина виникає з однієї материнської мутантної клітини. Проте пухлинні клітини відрізняються від свого спільного предка за багатьма параметрами. Ця відмінність стосується структури клітини та її органоїдів, метаболізму, специфічних властивостей і функцій. Тому виділяють морфологічну, біохімічну, фізико-хімічну, функціональну і імунологічну анаплазію. Суть морфологічної анаплазії зводиться до клітинного і тканинного атипізму. Характеристика клітинного атипізму:
а) поліморфізм клітин – розміри і форма пухлинних клітин виходять за межі фізіологічного діапазону коливань; вони набувають як більших, так і менших розмірів, а також невластивої нормальним клітинам форми;
б) співвідношення між цитоплазмою і ядром зсувається на користь ядра в результаті його збільшення;
в) багатоядерність, збільшення кількості клітин у стадії поділу;
г) гіперхроматоз ядер, внаслідок нагромадження в них нуклеїнових кислот;
д) збільшення кількості ядерець, міграція їх у цитоплазму і за її межі;
е) зміни клітинної оболонки.
є) зміни органоїдів, зокрема мітохондрій (зменшення кількості і розмірів, стоншення мембран, стоншення кріст), рибосом (дифузне розташування і втрата зв’язків з ендоплазматичною сіткою.
Характеристика тканинного атипізму:
а) зміна розмірів і форми тканинних структур; наприклад, значно більше, ніж у нормальних тканинах, коливаються за цими показниками залозисті фолікули в аденокарциномах, вогнища окостеніння в остеосаркомах;
б) повна втрата пухлиною морфологічних ознак, які вказуютьна походження її з певної диференційованої тканини.
Біохімічна анаплазія – це особливості метаболізму пухлинних клітин, викликані змінами їх генетичного апарату. Канцерогени здатні не тільки порушувати процес мітозу і запускати механізми безмежного поділу, але й пригнічувати або розгальмовувати інші гени, внаслідок чого стає іншим ферментний спектр пухлинних клітин. Виникає внутрішньоклітинний дисферментоз – одні ферменти загальмовуються, інші активуються чи починають синтезуватися нові речовини, яких у нормальних клітинах не було. Всі пухлини, піддаючись прогресії, починають ставати схожими одна на одну за ферментним набором, незалежно від того, з яких клітин вони походять. Уніфікація ізоферментного спектра пухлин незалежно від їх гістогенезу – дуже характерний прояв озлоякіснення. Відомо, що кожна тканина синтезує строго специфічні для неї ферменти, причому кожен фермент представлений строго специфічним набором ізоферментів. В пухлинах ця специфічність втрачається. Розвивається так звана монотонізація, або ізоферментне спрощення: кількість ізоферментів зменшується, а їх набір стає приблизно однаковим для пухлини будь-якого походження. Ізоензимна перебудова іде в напрямку збільшення тих ферментів, які властиві ембріональним тканинам. Зворотне явище (ізоензимне ускладнення) буває рідше.
Найхарактерніші біохімічні властивості пухлинних клітин стосуються обміну білків і обміну вуглеводів. Особливості білкового обміну: а) активація синтезу нуклеїнових кислот; б) активація ДНК-полімераз, особливо тих, що синтезують ДНК не тільки на інтактних, але й на пошкоджених матрицях; в) збільшення синтезу білків, що забезпечують мітози і ріст пухлини; г) зниження катаболізму білків; навпаки,пухлина захоплює амінокислоти з інших органів для побудови власних білків („пухлина – пастка для азоту”).
Істотно відрізняються від норми обмін вуглеводів і енергетика пухлинних клітин. У нормальних клітинах головним джерелом енергії служать анаеробні і аеробні процеси розпаду вуглеводів – гліколіз і дихання. Утворена енергія акумулюється у вигляді АТФ. На одну молекулу глюкози в процесі гліколізу утворюється 2 молекули АТФ, в циклі Кребса – 38. В аеробних умовах нормальна клітина забезпечує себе енергією переважно за рахунок більш вигідного аеробного розщеплення глюкози, а в анаеробних умовах вимушено переходить на гліколіз. Якщо ж кисню достатньо, то гліколіз пригнічується диханням (ефект Пастера).
Пухлинна клітина також забезпечує свої потреби в енергії рахунок гліколізу і дихання, але співвідносне значення цих процесів інше. Особливості енергетики пухлин: а) активація анаеробного гліколізу і головних ферментів, які його забезпечують, – піруваткінази, гексокінази, фруктокінази; б) наявність аеробного гліколізу, до якого нормальні тканини не здатні (винятки – лейкоцити, сперматозоїди, клітини сітківки ока); в) пригнічення дихання гліколізом (ефект Кребтрі), точніше потужною системою гліколітичних ферментів, які перехоплюють субстрати (неорганічний фосфор, коферменти).
Серед фізико-хімічних особливостей пухлинних клітин слід виділити такі: а) ацидоз внаслідок нагромадження молочної кислоти; б) внутрішньоклітинна гідратація; в) нагромадження іонів калію; г) підвищення електропровідності; д) зменшення в’язкості колоїдів; є) збільшення негативного заряду мембран; є) зменшення поверхневого натягу мембран.
Функціональна анаплазія проявляється втратою, спотворенням або невідповідністю виконуваної пухлиною функції. Наприклад, у пухлинних клітинах щитовидної залози може знижуватися або, навпаки, підвищуватися синтез тиреоїдних гормонів аж до виникнення мікседеми чи тиреотоксикозу. В деяких випадках пухлинні клітини починають синтезувати не властиві цим клітинам продукти. Наприклад, пухлини легень і бронхів можуть продукувати гормоно-подібні речовини.
Під імунологічною анаплазією розуміють зміни антигенних властивостей пухлинної тканини. Ці зміни – результати перебудови білкового обміну. Як відомо, кожна тканина синтезує специфічний для неї набір антигенів. Серед них є спільні для багатьох тканин міжорганні антигени, а є такі, що характерні лише для даної тканини. В пухлині змінюється антигенний набір. Розрізняють антигенне спрощення і антигенне ускладнення. Останнє проявляється антигенною дивергенцією і антигенною реверсією, а також появою нових антигенів при інфікуванні клітини онкогенним вірусом. Антигенне спрощення характеризується тим, що число антигенів, які виробляє пухлинна клітина, зменшується, іноді в декілька разів. Антигенна дивергенція полягає в тому, що пухлинні клітини починають синтезувати не властиві гомологічним клітинам здорової тканини антигени, але ці антигени синтезуються іншими клітинами. Приклад: гепатома може синтезувати органоспецифічні антигени селезінки, нирок та інших органів. Антигенною реверсією називають синтез пухлиною ембріональних антигенів. Наприклад, гепатоцелюлярний рак людини синтезує фетальний білок – альфа-фетопротеїн, що служить тестом для діагностики раку печінки. По мірі прогресії (озлоякіснення) пухлини вона починає синтезувати антигени, характерні для більш ранніх етапів внутрішньоутробного розвитку.
2. Етіологія пухлин
На даний час твердо встановлено, що пухлини можуть викликатися хімічними, фізичними і біологічними агентами, які називаються канцерогенами. Комітет експертів ВОО3 дав таке визначення цьому поняттю: „Канцероген – це агент, який в силу своїх фізичних або хімічних властивостей може викликати незворотні зміни або пошкодження в тих частинах генетичного апарату, які здійснюють гомеостатичний контроль над соматичними клітинами”. За сучасними оцінками ВООЗ, понад 75 % ракових захворювань у людей спричинені факторами зовнішнього середовища, в першу чергу – хімічними сполуками з канцерогенними властивостями.
2.1. Хімічний канцерогенез
Хімічні канцерогени дуже розповсюджені у навколишньому сереовищі. Переважна більшість їх має антропогенне походження, тобто поява їх пов’язана з діяльністю людини. І лише мізерна доля хімічних канцерогенів належить до природних компонентів середовища. Беручи до уваги величезну кількість відомих і потенційних канцерогенних сполук, ми в той же час не повинні гіперболізувати їх роль у патології людини. За даними реферативної служби американського хімічного товариства, у світі нараховується 5 млн хіікатів. Із них досліджено на канцерогенну активність 8000. Міжнародне агенство ракових досліджень (ІАRС) піддало ґрунтовному критичному аналізу епідеміологічні і експериментальні дані по 585 досліджених речовинах і визнало канцерогенними для людини лише 30 сполук і виробничих процесів.За хімічною структурою хімічні канцерогени поділяються на декілька груп. Найважливіші з них такі: а) поліциклічні ароматичні вуглеводні; б) ароматичні аміни і аміди; в) нітрозаміни і нітрозаміди.
До першої групи належать речовини з трьома і більше конденсованими бензольними кільцями. Поліциклічних ароматичних вуглеводнів з канцерогенною активністю відомо понад 200, але нема прямих доказів того, що вони небезпечні для людини. Лише одну із цих сполук, а саме – 3,4-бензпірен ІАRС зарахувало до таких, що здатні викликати рак у людей. Решта викликає пухлини тільки в експериментальних тварин. До найактивніших у канцерогенному відношенні поліциклічних ароматичних вуглеводнів належать 3,4-бензпірен, 1,2,5,6-дибензантрацен, 20-метилхолантрен. Канцерогени цієї групи антропогенного походження. Найбільше їх у тютюновому димі, відпрацьованих газах автотранспорту, асфальті, у в’ялених і пересмажених продуктах. Ці речовини проявляють переважно місцеву канцерогенну дію, виділяються з організму різними органами, тому виникають пухлини цих органів – нирок, шкіри, молочних залоз.
Канцерогенні ароматичні аміни та аміди – це переважно азобарвники, для яких характерна наявність двох і більше азогруп, а також речовини із структурою дифенілу чи нафталіну. Ці речовини використовуються для забарвлення тканин, для кольорового друку в поліграфії, кольоровій фотографії, для синтезу лікарських речовин. Канцерогенна дія азо- і аміносполук проявляється при введенні їх у травний канал, під шкіру або при змащуванні шкіри. Пухлини виникають з органах, віддалених від місця введення, найчастіше – в печінці, сечовому міхурі, нирках.
Нітросполуки (нітрозаміни і нітрозаміди) характеризуються тим, що мають алкільний радикал. Вони використовуються як пестициди, як напівпродукти при синтезі барвників, ліків, як розчинники фарб. Вони викликають різноманітні пухлини печінки, сечового міхура, стравоходу, легень, нервової системи у 40 видів тварин. Канцерогенність їх для людини не доведена, але експериментальні дані викликають онкологічну настороженість.
Крім виробничого контакту з нітрозамінами, людина може піддаватися їх впливу через харчові продукти і воду. На даний час доведена можливість ендогенного синтезу деяких нітрозосполук із їх попередників і нітрозуючих агентів – нітритів, нітратів, окислів азоту. У дослідах на тваринах показано канцерогенний ефект комбінації нітриту натрію з деякими пестицидами. Виявлено можливість ендогенного синтезу нітрозосполук у шлунково-кишковому тракті за рахунок надходження з їжею вторинних і третинних амінів, нітритів і нітратів. Нітрозосполуки можуть потрапляти в організм також у готовому вигляді разом з деякими продуктами харчування і тютюновим димом. Нітрити широко використовуються як консерванти харчових продуктів. Під їх впливом може відбуватися спонтанне нітрозування вторинних амінів і утворення нітрозосполук з канцерогенною активністю.
За невеликим винятком, всі речовини самі по собі не канцерогенні. Вони набувають цих властивостей після того, як потрапили в організм і піддалися метаболічним перетворенням. Звідси сформувалося уявлення про вихідні канцерогенні сполуки як про преканцерогени. В організмі вони перетворюються в іншу молекулу, яка ближча до кінцевої реактивної форми. Цей проміжний продукт назвали „проксимальним канцерогеном”. Він піддається дальшим перетворенням аж до „кінцевого канцерогена”, який незворотно взаємодіє з клітинними компонентами. У більшості випадків ці перетворення здійснюються під впливом ферментів, у першу чергу – неспецифічних поліфункціональних моноксидаз. Головні метаболізуючі системи зосереджені в мікросомах клітин, найбільш сильні – в мікросомах печінки. Лише деякі первинні канцерогени (так звані „канцерогени прямої дії”) піддаються деградації без участі ферментативних систем. Це стосується, наприклад, деяких алкілюючих сполук. Всі первинні канцерогени (преканцерогени) метаболізуються в організмі до таких хімічних сполук (кінцевих канцерогенів), які здатні реагувати з макромолекулами клітини (ДНК, РНК, білками). Спільною властивістю їх є те, що вони обов’язково повинні містити реактивний електрофільний (тобто електрондефіцитний) атом, який може атакувати збагачені електронами (нуклеофільні) центри в полінуклеотидах (ДНК, РНК) або білках. Залежно від того, до якого класу хімічних сполук належить канцерогенний агент, шляхи його метаболізму і кінцевий канцерогенний метаболіт будуть, звичайно, різними.
2.2. Фізичний канцерогенез
До фізичних канцерогенних факторів належать, перш за все, іонізуючі промені. Перша пухлина, індукована іонізуючими променями, задокументована у 1902 році, через 7 років після їх відкриття. У 1929 р. Мартланд описав розвиток сарком у працівниць однієї з фабрик у Джерсі (США). Під час першої світової війни ці дівчата розфарбовували циферблати годинників для військових приладів фарбою, яка містила радіоактивні речовини – радій і мезоторій. Для зручності вони брали пензлик у рот, щоб стоншити кінчик, при цьому радіоактивні речовини потрапляли в організм і нагромаджувалися в кістках. Через 20-25 років 40 працівниць загинули від остеогенної саркоми. Ще одним трагічним підтвердженням канцерогенної дії іонізуючих променів стали результати атомного бомбардування Хіросіми і Нагасакі у 1945 р. Серед тих, хто вижив, частота захворювань на пухлини і лейкози перевищувала цей показник серед жителів інших міст Японії. Меншу, але безперечну канцерогенну дію мають ультрафіолетові промені.
2.3. Вірусний канцерогенез
Існує багато біологічних факторів, здатних викликати пухлинний ріст. Ми зупинимося лише на онкогенних (пухлинотворчих) вірусах, яких зараз виділено понад 100 із пухлин різних локалізацій у рептилій, земноводних, птахів і ссавців. Першу пухлину (лейкоз у курей) індукували за допомогою клітинного фільтрату Елерман і Банг у 1908 р. Пізніше були отримані інші незаперечні докази вірусного походження деяких пухлин: а) саркома Рауса у курей (1910 рік, Нобелівська премія 1965 року); б) фіброма (1932 р.) і папілома (1934 р.) Шопа у кроликів; в) фактор молока Бітнера (1936 р.); г) бородавки у людини.
Віруси, що викликають пухлини, називаються онкогенними. Вони поділяються на дві групи залежно від молекулярної структури генома – РНК-вмісні і ДНК-вмісні. РНКомні онкогенні віруси входять до групи ретровірусів (або онкорнавірусів). Їх спільною характеристикою є те, що вони мають геном у вигляді одноланцюгової РНК, а також фермент РНК-залежну ДНК-полімеразу (зворотну транскриптазу, ревертазу). Суть вірусного канцерогенезу зводиться до того, що онкогенні віруси вносять в інфіковану клітину свій геном, до складу якого входить трансформуючий ген – вірусний онкоген. Продукт його діяльності (онкобілок) розпочинає трансформацію клітини і підтримує її в трансформованому вигляді. Ретровіруси – не головна причина людських раків, але вони стали тією модельною системою, на якій були отримані найсучасніші дані про тонкі молекулярні спотворення, що відбуваються при клітинній трансформації. H. Temin (1964) перший висловив і обгрунтував думку, що для репродукції ретровірусів і трансформації інфікованих ними клітин необхідний синтез провірусної ДНК на матриці РНК. Коротко процес зворотної транскрипції і цикл репродукції ретровірусів може бути описаний у вигляді двох фаз. Перша фаза полягає в синтезі провірусної ДНК (ДНК-форми вірусного генома) шляхом зворотної транскрипції і інтеграція провірусу з ДНК клітини-господаря. Процес починається в цитоплазмі. Через 1-20 год після зараження клітини на матриці геномної РНК ретрсвірусу, звільненої від білкової оболонки, за допомогою зворотної транскриптази синтезується повна ДНК-копія вірусного генома. Далі вона подвоюється, набирає кільцеподібної форми, переноситься в ядро і вмонтовується в клітинну ДНК. Друга фаза починається через 18-20 год після зараження клітини. Перетворившись у частину хромосоми клітини, провірус стає досяжним для транскрипції, тобто для синтезу на його матриці вірусспецифічної мРНК, яка стає попередником віріонної геномної РНК після оточення її вірусними білками. Отже, друга фаза – це фаза експресії інтегрованої ДНК і дозрівання нових віріонів. Інтегрований ДНК-провірус має весь набір генів як для репродукції вірусних часточок, так і для трансформації клі-тини-реціпієнта: gag – ген, який кодує синтез внутрішніх білків віріона; pol – ген, який кодує зворотну транскриптазу; env – ген, який кодує поверхневі глікопротеїди вірусних часточок; src – ген, який відповідає за клітинну трансформацію: саме він ініціює перетворення нормальної клітини у пухлинну і називається вірусним онкогеном. Кількість відомих на сьогодні пухлин у людей, які незаперечно викликаються вірусами, невелика, причому це не ретро-, а ДНК-вмісні герпес-віруси. Ними викликаються: лімфома Беркіта; назофарингеальний рак, рак шийки матки.
Отже, пухлина починається з пошкодження ДНК. Цей механізм обов’язковий для всіх пухлин, незалежно від того, якими канцерогенами вони викликані. Хімічні агенти дають переважно точкові мутації, іонізуюче проміння – переважно хромосомні, а ретровіруси вклинюють у молекулу ДНК клітини додаткові гени, серед яких є й онкогени. Отже, пошкодження ДНК можна розглядати як молекулярну основу усіх наступних процесів, які перетворюють нормальну клітину в трансформовану. Іншими словами, пошкодження ДНК – це знаменник, до якого зводиться дія усіх канцерогенів.
3. Концепція онкогена
Отже, що причинами пухлинного росту є фактори хімічного, фізичного і біологічного походження, які дістали назву канцерогенів. Вони характеризуються спільною рисою: здатністю пошкоджувати ДНК. Зараз ми поставимо інше питання: як саме пошкодження ДНК реалізується в пухлину? Відповідь на це питання далеко не проста. На підставі тих знань, які є в нашому розпорядженні, була сформульована наукова теорія, відома під назвою концепції онкогена. Вона об’єднує всі форми канцерогенезу (хімічний, фізичний і вірусний) в єдиний уні версальний механізм. Причин раку дійсно багато, але всі вони, як вода через лійку, повинні пройти через одно критичне русло – ДНК і залишити в ній пошкодження. Це пошкодження тільки тоді приведе до перетворення нормальної клітини у пухлинну (тобто до трансформації), якщо буде локалізуватися не в будь-якій довільній ділянці ДНК, саме в тій ділянці, де розташовані гени, які контролюють ріст і диференціацію клітини. Ці гени були названі клітинними онкогенами, або протоонкогенами. Вони являють собою звичайні компоненти клітинного геному і абсолютно необхідні для життєдіяльності клітини. Без протоонкогенів була б неможливою клітинна проліферація. Клітинні онкогени простежені від Metazoa до людини. Вони присутні в геномі клітин на всіх щаблях тваринного світу в майже незміненому вигляді, зберігаючи разючий консерватизм структури і функції. Більшість цих генів експресується в ході росту і розвитку. Протоонкогени є генами росту і диференціації клітин. При незначних пошкодженнях нормальна функція їх як стимуляторів росту може зберігатися, але вона перестає підкорятися контролюючим впливам з боку клітини. Нормальний процес росту і дозрівання втрачається і замінюється нескінченним потоком клітинних поділів, при якому клітини не встигають диференціюватися, тобто дозріти до стану, коли вони здатні виконувати властиві їм спеціалізовані фізіологічні функції.
За іншою термінологією, клітинні онкогени називають раковими генами. Їх активність розв’язується або прискорюється канцерогенами, а потім ці активовані гени підтримують неорганізовану поведінку ракових клітин. У цій схемі ракові гени також розглядаються не як пришельці, а як нормальні, важливі для життєдіяльності клітини гени. Роль канцерогенних агентів зводиться до пошкодження їх самих або генів-репресорів, що контролюють активність генів диференціації. Отже, ракові гени і клітинні онкогени – це одне й те ж. Виходить, що клітина від початку свого утворення несе у собі паростки власної загибелі у формі ракових генів (клітинних онкогенів), які під впливом хімічних, фізичних чи вірусних канцерогенів перетворилися із союзників на противників. Виділяють декілька шляхів активації протоонкогенів в онкогени: а) трансдукція ретровірусами; б) хромосомні транслокації; з) інсерція генетичного матеріалу; г) ампліфікація генів; д) точкові мутації.
3.1. Активація клітинних протоонкогенів шляхом трансдукції ретровірусами
Ретровіруси викликають пошкодження клітинної ДКК шляхом внесення у неї трансформуючого вірусного гена, який називається вірусним онкогеном. Було помічено, що специфічні нуклеотидні послідовності вірусних онкогенів не мають нічого спільного з реплікативними генами віруса, зате близькородинні з деякими нуклеотид-ними послідовностями нормальних клітин. Іншими словами, була виявлена схожість між клітинними онкогенами і вірусними онкогенами. Далі було доведено, що клітинні онкогени є первинними, а ретровірусні – вторинними, тобто що вірусні онкогени походять від клітинних в результаті рідких випадкових актів присвоєння ретровірусами окремих ділянок ДКК клітин, у які віруси проникають і з геномом яких інтегруються. Явище інкорпорації клітинних генів у вірусний геном називають трансдукцією. Отже, вірусні онкогени – клітинного походження. Це – ділянки клітинної ДНК (гени), які колись були захоплені вірусами у власний геном. У нормальних клітинах вони виконували функції регуляторів (стимуляторів) клітинного поділу і підпорядковувалися генам-репресорам, які підтримували їх активність на рівні потреб клітини. Ці гени, потрапивши у вірусну РНК, зберігають свої властивості стимуляторів клітинного поділу і з цього часу стають вірусними онкогенами.
Доведено, що всі ретровірусні онкогени мають своїх двійників у геномах нормальних клітин. Вважають, що клітинні онкогени асоціювалися з вірусним геномом у недалекому минулому, і цей процес продовжується і сьогодні. Його можна відтворити експериментально. Зараз відомо понад 20 вірусних онкогенів. Усі вони мають клітинних двійників, локалізованих у різних хромосомах. Деякі приклади: src (вірус саркоми Рауса) – 20 хромосома, mos (вірус саркоми Молоні у мишей) – 8 хромосома, tms (вірус саркоми Мак-Доноxа у кішок) – 5 хромосома.
Перед дослідниками постало ще одне питання, на яке треба було дати відповідь: чому при повторному потраплянні в клітину вірусний онкоген (нащадок нормального клітинного гена) стає реальним раковим геном? Механізмів такого спотворення зараз відомо декілька:
1. Вірусні онкогени структурно відрізняються від своїх клітинних предків:
а) ретровіруси, як правило, захоплюють клітинний онкоген не повністю, без регуляторних (репресорних) генів, тобто вірусний онкоген зберігає свою здатність стимулювати ріст і диференціацію клітин, але втрачає гени-регулятори і стає не контрольованим, тому, повторно потрапивши в ДНК інфікованої або іншої клітини, викликає не обмежений клітинний поділ;
б) сам клітинний онкоген також зазнає структурних змін при захопленні його ретровірусом: якщо в клітині він складався з ек-зонів (кодуючих ділянок) і інтронів (некодуючих ділянок), то його вірусний нащадок складається лише з екзонів, що затруднює впливи на нього з боку регуляторних генів і з боку епігеномних клітинних регуляторів.
2. Трансдукований ретровірусом клітинний онкоген, позбавлений репресорних генів, піддається у вірусній часточці надмірній експресії і в такому суперекспресованому вигляді повертається в ДНК клітини, в результаті чого починається надмірна продукція кодованого ним онкобілка.
3. ДНК-копія вірусу, яка вбудовується у клітинну ДНК, часто містить відхилення від вірусної РНК, на базі якої утворюється копія. Іншими словами, виникають генні мутації. Вони пов”язані з тим, що зворотна транскриптаза не точно зчитує інформацію з вірусної РНК. Внаслідок таких своєрідних мутацій ДНК-провірус, інкорпорований у клітинну ДКК, стає недосяжним для регуляторних генних і епігеномних впливів.
Отже, трансдукція – це один із шляхів активації клітинних протоонкогенів, унікальних клітинних генів, які виконують у клітині важливі функції росту і диференціації і одночасно мають потенційні, приховані трансформуючі здатності. Трансдукція позбавляє ці гени їх первинної, позитивної функції і звільнює приховану негативну функцію. Гени росту і проліферації починають функціонувати як гени ракові. Феномен трансдукції – не єдиний шлях активації клітинних про-тоонкогенів і появи ракових генів.
3.2. Активація клітинних онкогенів в результаті хромосомних транслокацій
Вважають, що транслокації являють собою дуже важливий механізм активації клітинних протоонкогенів. Було помічено, що при деяких формах пухлин мають місце хромосомні розриви в тих ділянках, де розташовані клітинні онкогени. При пухлинах у людей спостерігається три головні класи хромосомних аберацій – транслокації, делеції і дуплікації (цілих хромосом, сегментів, генів). Прикладом пухлини, яка виникає в результаті транслокації, може бути лімфома Беркіта. Для неї характерна взаємна транслокація між хромосомами 8 і 14. При цьому активується протоонкоген, який розташований у хромосомі 8 в ключовій позиції, в точці розриву, саме там, де транслокований фрагмент цієї хромосоми з’єднується з хромосомою 14.
3.3. Інсерція генетичного матеріалу як механізм активації клітинних онкогенів
Пухлини можуть виникати не тільки тоді, коли в клітинну ДНК вноситься вірусний онкоген, характерний для гостротрансформуючих ретровірусів. Активація клітинного онкогена можлива й тоді, коли по сусідству з ним в ДНК вбудовується чужорідний (вірусний) генетичний матеріал, який не містить онкогена. Вірусна ДНК, інсерційована по сусідству з клітинним онкогеном, активує його до ракового рівня експресії. У людей за таким механізмом виникає лімфома Беркіта.
3.4. Ампліфікація протоонкогенів як механізм індукції раку
Клітинні онкогени представлені однією копією, але доведено, що кількість копій може збільщуватися результаті спонтанних аномалій реплікації ДНК. Це явище називають ампліфікацією (примноженням). Збільшення кількості копій онкогенів результується у підвищення їх сумарної експресії, оскільки виникають додаткові матриці для синтезу РНК. Ампліфікація і збільшена експресія протоонкогенів характерні для деяких пухлин людини. Вважають, шо за таким механізмом виникає нейробластома і карцинома товстої кишки.
3.5. Активація клітинних протоонкогенів шляхом точкових мутацій
Всі охарактеризовані раніше механізми активації протоонкогенів так чи інакше зачіпають ДНК, тобто в кінцевому рахунку мають мутаційну природу. Роль точкових мутацій у канцерогенезі привернула особливу увагу на початку 80-х років. Точкова мутація – це мутація, яка зачіпає лише один нуклеотид із багатьох тисяч, але вона перетворює доброякісний протоонкоген в активний онкоген. Було показано, що достатньо замінити в онкогені раку сечового міхура людини одну тільки основу – гуанін на іншу – тимін, як неактивний протоонкоген перетворюється в трансформуючий онкоген. Відтоді почалося справжнє полювання за іншими прикладами подібних змін. Хоч не всі спроби виявилися успішними, але вони переконливо довели роль мутацій в активації клітинних онкогенів. Поряд з іншими формами генетичних дефектів і перебудов – трансдукціями, транслокаціями, інсерціями, ампліфікаціями вони являють собою важливий фактор канцерогенезу.
Виникає питання, наскільки вірогідні в природі точкові мутації в таких унікальних генах, як протоонкогени. Більшість наявних даних свідчить про те, що мутація, незалежно від того, яким канцерогеном вона викликана і який її конкретний варіант, залишається головним механізмом перетворення протоонкогенів в онкогени, а значить найважливішим механізмом канцерогенезу. Сукупність наукових уявлень про вирішальну роль мутацій у виникненні пухлин складають основу мутаційної концепції канцерогенезу.
Проти вирішальної ролі мутацій структурних генів у виникненні пухлин були висунуті серйозні контраргументи. Найвагомішими були результати дослідів з перещепленням ядер. На їх основі сформувалася епігеномна концепція, суть якої зводиться до того, що в основі перетворення нормальної клітини у злоякісну лежать не зміни в структурі генетичного апарату, а порушення реалізації генетичної інформації, стійкі порушення регуляції генної активності. Під впливом фізичних, хімічних чи біологічних канцерогенів ті групи генів, які повинні бути репресованими, розгальмовуються, а ті, що повинні бути активними, блокуються. В результаті цього клітина втрачає властиву їй специфіку, стає нечутливою до регуляторних впливів цілого організму. Епігеномна концепція зуміла пояснити цілу низку особливостей пухлин: явища ізоферментного спрощення, антигенної реверсії і антигенної дивергенції, продукцію деякими пухлинами гормонів, не властивих гомологічній, здоровій тканині.
4. Стадійність канцерогенезу
Виникнення і розвиток пухлин – багатостадійний процес. Головних стадій – три: трансформація (ініціація), промоція і прогресія.
4.1. Ініціація
Активацією протоонкогена закінчується перша стадія – стадія ініціації. Головна властивість,якої набирає клітина в результаті перетворення протоонкогена вонкоген, – це імморталізація, тобто потенційна здатність її до безмежного поділу, до безсмертя. Проте наявність активного онкогена – це лише потенційна можливість до експресії. Клітина з активним онкогеном може роками перебувати у латентному (дрімотному) стані, нічим себе не проявляючи. Необхідні додаткові впливи на імморталізовану клітину, які вивели б її із латентного стану і дали поштовх до нестримного поділу. Такими провокуючими факторами можуть бути додаткові дози хімічних чи фізичних канцерогенів, ретровірусна суперінфекція, а також різноманітні агенти, які самі по собі пухлини не викликають, але спроможні вивести імморталізовану клітину з латентного стану. Звідси бере початок уява про надзвичайну багатопричинність пухлинного росту, хоч на-справді абсолютну більшість факторів, яким приписували етіологічну роль, слід віднести до сприяючих умов, що викликають експресію латентних, потенційно ракових клітин. Фактори, що активують передракові клітини, називаються промоторами. Під їх впливом трансформовані клітини переходять у нову стадію розвитку – у стадію промоції, для якої характерна експресія клітинних онкогенів.
4.2. Промоція
Покажемо роль промоторів (посилювачів, ексхангерів) на прикладі вірусного канцерогенезу. Виявилося, шо для реалізації трансформуючого впливу ретрові-русних онкогенів недостатньо самого вбудовування ДНК-копії РНК-вірусу в ДНК клітини. Необхідно, щоб поруч з онкогеном був про-мотор – ділянка ДНК, на якій могла б розташуватися РНК-полімера-за. Такі придатні для посадки ділянки (промотори) є у великих термінальних повторах ДНК-копії РНК-ретровірусу, що утворилася в процесі зворотної транскрипції. Роль великих термінальних повторів (промоторів) можуть виконувати не лише ділянки ДНК проретровірусу, але й транспозони – мобільні генетичні елементи, які здатні переміщатися по геному, вмонтовуватися в певних його ділянках і ставати аеродромами для посадки РНК-полІмерази. Вони виявлені Барбарою Мак-Клінток у 50-х роках (Нобелівська премія 1983р.).
Ділянки ДНК, які здатні активувати роботу структурних генів, були названі посилювачами (ексхангерами). 3’ясовано, що такі ділянки-посилювачі можуть активувати структурні гени, які знаходяться не тільки в безпосередній близькості від них, але й на відстані багатьох тисяч пар нуклеотидів. Рухомі гени мають у своєму складі послідовності ДНК з властивостями посилювачів. Таким чином, припускається, що формування повної онкогенної програми у клітині зумовлене об’єднанням (сусідством, рекомбінацією) онкогена (потенційного клітинного, внесеного онкогенним вірусом, мутаційного) з нуклеотидною вставкою – певною послідовністю нуклеотидів, які виконують роль промотора, або посилювача.. Якщо факт участі онкогенів у канцерогенезі не викликає сумнівів, то механізм їх дії все ще залишається загадкою. Встановлено, що онкогени кодують онкобілки, більшість із яких має тирозинспецифічну протеїнкіназну активність. Далі виявилося, то онкобілки пухлинних клітин, які викликають безконтрольний ріст, схожі з відомими ростовими факторами, які стимулюють контрольований ріст.
4.3. Прогресія
Це – остання фаза розвитку пухлини. Під цим терміном розуміють стійкі, незворотні якісні зміни пухлини в бік малігнізації. Наприклад, гормонозалежна пухлина стала гормононе-залежною, пухлина, що реагувала на медикаментозні впливи, перестала на них реагувати. Прогресія – останній і найтриваліший етап розвитку пухлини, який триває аж до смерті організму.
