Канцерогенез. Теории образования опухолей, механизмы повреждения

Канцерогенез

Глава 10. Опухоли желудочно-кишечного тракта. 

• Механизмы повреждения генов
• Теории образования опухолей
• Развитие опухоли

В начале канцерогенеза происходит поражение нормальных клеточных генов. В основе этого процесса — несколько механизмов. Мутации происходят спонтанно вследствие нестабильности нуклеотидных оснований. Наиболее часто возникает нарушение обмена пуриновых оснований. Другой спонтанный процесс — дезами­нирование, при котором происходит превращение цитозина в урацил или 5-метил-цитозина в тимин, что в случае отсутствия механизмов коррекции, приводит к на­рушению образования пар при репликации. Поэтому необходимо исследование ферментов, восстанавливающих ДНК. Если участки повреждения не исправляют­ся или не вырезаются, то эти одиночные мутации могут стать причиной наруше­ния генетического кода.

Выделяют несколько видов воздействий и агентов, способных повреждать ДНК — радиация, вирусные онкогены, химические вещества. Химические канце­рогены наиболее часто являются причиной развития аденокарциномы желудочно-кишечного тракта. Это связано с тем, что поступая в большом количестве с продук­тами питания, они способны повреждать слизистую оболочку кишки. При этом нередко возникают точечные мутации. Химические канцерогены с неодинаковой интенсивностью воздействуют на слизистые оболочки различных отделов желу­дочно-кишечного тракта. Действие микробной флоры желудочно-кишечного трак­та, ферментов его слизистой оболочки способно активировать либо инактивиро­вать канцерогены. Например, нитрозамины, образующиеся из содержащих нитро­соединения продуктов, изменяются под действием микробной флоры и играют важ­ную роль в канцерогенезе пищевода и желудка.

Несмотря на то, что рак считается приобретенным заболеванием, возникаю­щим под воздействием факторов окружающей среды, большое значение в его раз­витии играет индивидуальная чувствительность больных. Лучшим клиническим примером канцерогенеза является влияние табакокурения на возникновение рака легкого. Однако необходимо отметить, что не все курящие, даже с учетом различия в количестве выкуриваемых сигарет, одинаково подвержены заболеванию раком. Цитохром Р450 IIE1 активирует многие канцерогены (включая вещества, образу­ющиеся в результате табакокурения). Его активность у разных больных не одина­кова. Таким образом, степень риска заболевания раком зависит от индивидуаль­ных способностей организма активировать проканцерогены и инактивировать кан­церогены.

Механизмы повреждения генов

Мутацию одной пары нуклеотидов можно охарактеризовать как «замену», когда одно пуриновое основание заменяется на другое (одно пиримидиновое основание — на другое), или как «переключение», когда происходит замена одного класса нуклео­тидов на другой. Потеря или вставка одного или нескольких нуклеотидов называ­ется выпадением или включением соответственно. Изменение некоторых пар нук­леотидов является «немым», т. к. не изменяет последовательность аминокислот. Мутации, нарушающие последовательность аминокислот, называются незначимы­ми (missence) и консервативными: в белок включается другая аминокислота этого же класса (замена одной нейтральной аминокислоты на другую не нарушает за­метно заряд и форму белка). Но возможны нарушения последовательности, свя­занные с изменением заряда белка, цистеиновых окончаний или аминокислот, ко­торые оказывают заметное влияние на функцию белков. Изменения, приводящие к формированию терминирующего кодона во время считывания, называются «nonsence». Включение или выпадение нуклеотидов, не кратных трем, значительно нарушают считывание ДНК ниже места повреждения.

Точечные мутации. Хроническое воспаление (хронический эзофагит, хрони­ческий атрофический гастрит, воспалительные заболевания кишечника) часто яв­ляется причиной развития рака желудочно-кишечного тракта. При хроническом воспалении и так называемом кислородном стрессе происходит образование ак­тивных кислородных радикалов, гидроксильных радикалов, супероксид-аниона, перекиси водорода. Эти реакционноспособные вещества могут усиливать повреж­дающее действие ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Активные кисло­родные радикалы способны вызывать разрыв цепочки ДНК, замену отдельных ос­нований. Любой участок ДНК в той или иной степени подвергается воздействию мутагенов. Часть мутаций — «немые», другие — нередко изменяют характеристики роста клетки.

Перестройка ДНК. Экспрессия генов может изменяться при значительной пе­рестройке структуры ДНК. Например, при хроническом миелолейкозе происходит транслокация, при которой участки 22-й хромосомы заменяются на клеточный он­коген ABL. Эта транслокация приводит к образованию аномальной иРНК и синтезу большого мутантного ABL белка. Пока еще не понятно, участвует ли этот механизм нарушения регуляции генов в возникновении рака желудочно-кишечного тракта.

Амплификация ДНК. Нормальный ген может трансформироваться в процес­се амплификации ДНК. Этот механизм широко изучали при исследовании резис­тентности к химиотерапевтическому агенту — метотрексату, которая возникала при амплификации гена, ответственного за синтез дегидрофолатредуктазы. Амплифи­кация гена резистентности к различным препаратам часто встречается при раке кишечника и является причиной устойчивости опухолей к химиотерапии. Ампли­фикация онкогенов ERBB2, MYC, SRC наблюдается при определенных видах рака желудочно-кишечного тракта.

Нарушение метилирования ДНК. Одним из механизмов контроля экспрес­сии генов является образование «немых» генов посредством метилирования цито­зина. Метилирование ДНК происходит с помощью метилтрансферазы. Паттерн этого процесса «наследуется» пролиферирующими клетками в данной ткани. В тка­ни первичных колоректальных опухолей многие гены оказываются гипометилированными по сравнению с генами клеток нормальной слизистой оболочки. Гипометилирование обнаруживается и в ткани полипов. Оно может быть одним из ме­ханизмов канцерогенеза, так как при этом процессе изменяется степень метилиро­вания некоторых онкогенов, что сопровождается их активатизацией. Гипометилирование встречается в раковых клетках опухолей желудка, пищевода, толстой киш­ки. Таким образом, нарушение метилирования является характерным для раковых клеток. Гиперметилирование встречается в других участках ДНК раковых клеток и возникает, вероятно, при снижении активности супрессорных генов.

Выпадение генов. Клеточная пролиферация регулируется группой генов, на­зываемых супрессорами опухолевых генов (TSGs). Их функция состоит в пред­отвращении излишней пролиферации клеток и регуляции числа клеток в ткани. В отличие от клеточных онкогенов, «участие» этих генов в канцерогенезе в желудоч­но-кишечном тракте обусловлено либо их инактивацией, либо удалением из ядра клетки.

Теории образования опухолей

Онкогены. Хорошо известно, что одиночная мутация или одиночный повреж­денный ген не способны в большинстве клеток вызвать развитие рака. В опухоле­вых клетках было выявлено большое количество мутаций онкогенов, делеций, а также перестроек хромосом. Но существует теория, согласно которой активация даже одного гена может привести к замене фенотипа клетки на раковый. Эти гены-инициаторы названы онкогенами и впервые были выявлены при изучении онко­генных вирусов, способных трансформировать клетки куриных эмбрионов. Обна­ружение онкогенов привело к неожиданному открытию: они произошли из нор­мальных клеточных генов — протоонкогенов. Сейчас открыто более 20 таких ге­нов. Они активируются при точечной мутации, которая изменяет их нормальную функцию либо приводит к перестройке генотипа, нарушающей экспрессию генов (табл.10.1).

Некоторые протоонкогены участвуют в передаче сигналов между клеточной мембраной и ядром. Например, часть онкогенов является факторами клеточного роста, и при нарушении их регуляции происходит постоянная стимуляция тех или иных процессов. Другие протоонкогены — это рецепторы для факторов тканевого роста. Наиболее полно изучены RAS-онкогены и связанные с ними гены, участву­ющие в передаче сигналов между клеточной мембраной и ядром. Эти гены активи­руются при точечной мутации, что приводит к постоянной активации белков-пере­датчиков сигнала вне зависимости от наличия соответствующего лиганда или ре­цептора. Часть проонкогенов является факторами транскрипции и, взаимодействуя с ДНК, регулирует транскрипцию генов.

Супрессоры опухолевых генов. При раке толстой и прямой кишки отмеча­ются большие потери генетического материала. Эти участки выпадения («горячие» локусы) являются местами сосредоточения супрессивных генов, потеря которых и приводит к развитию рака толстой кишки. Наиболее важный из них — ген р53, в норме предотвращающий начало нового периода синтеза ДНК и деления клетки.

Таблица 10.1. Функции клеточных онкогенов

Регуляторный ген (р53), предотвращающий излишнюю пролиферацию клеток, служит супрессивным геном для опухолевых клеток. Характерно, что активация супрессорных генов происходит в два этапа. В ядре клетки существует по две ко­пии любого гена. Супрессивные гены обладают так называемым «доминирующим» действием, когда для супрессии пролиферации клеток достаточно лишь одной пол­ной копии гена. Теория супрессорных генов согласуется с теорией наследственной предрасположенности к возникновению рака. Инактивация одной из двух алле­лей может быть фенотипически «немой» (т. е. не происходит развития злокачествен­ного фенотипа), если достаточно одной (второй) аллели для сохранения незлока­чественного фенотипа клеток. Но у таких людей особенно высок риск развития рака, т. к. при одной лишь мутации супрессорных генов клетки трансформируют­ся в раковые. В таблице 10.2 приведены наиболее важные гены тканевой супрес­сии (TSGs).

Образование запретных клонов. Большинство генетических исследований подтверждают, что опухоль развивается из одной клетки. Принятая в настоящее время теория многоступенчатого канцерогенеза гласит, что эпителий желудочно-кишечного тракта подвергается воздействию вредных факторов окружающей сре­ды. Вследствие этого происходит постепенное повреждение ДНК с накоплением генетических мутаций. При этом мутации обычно возникают в участках ДНК, от­ветственных за выживаемость и рост клетки. Многие из них способны ингибиро­вать процессы, необходимые для жизнедеятельности клетки, и тем самым привес­ти ее к гибели. Некоторые мутации могут усиливать рост и выживаемость мутированных клеток, позволяя им размножаться быстрее, чем окружающие их клетки. В конце концов мутированные клетки начинают составлять большую часть органа или ткани. Часть мутированных клеток теряет способность исправлять поврежде­ния ДНК, и, следовательно, из поколения в поколение происходит накопление му­таций. Этот пул клеток также подвержен дополнительным мутациям.

Периодически отдельные клетки мутантного клона подвергаются дополнитель­ной мутации, повышающей их выживаемость и способность к росту. Такие клетки постепенно вытесняют из популяции родительские клетки. Увеличение клона му­тированных клеток обычно происходит при появлении новых мутаций, которые увеличивают выживаемость клетки. При наблюдении за развитием опухоли на ран­ней стадии в клетках выявляется определенное количество мутаций, число кото­рых возрастает с течением времени. На Рис. 10.1 показана прогрессия опухоли на фоне появления клонов с новыми характеристиками.

Таблица 10.2. Примеры генов, подавляющих рост опухоли у человека

Многоступенчатый канцерогенез. Концепция генетической основы развития рака толстой кишки была разработана Vogelstein с соавторами. Согласно этой кон­цепции процесс протекает медленно, и в него вовлечено множество генов.

Количество генетических повреждений опухолей постепенно увеличивается по мере роста. Часть повреждений появляется только на ранних стадиях, часть — только на поздних. Еще до конца не ясна последовательность появления определенных повреждений в опухолевых клетках, но уже выяснено, что при различных типах рака возможны разные мутации и хромосомные делеции. Для выявления потери участков хромосом используются лабораторные методы, а процесс утраты генетической информации был назван «потерей гетерозиготности».

Рис. 10.1. Опухолевый рост. На данной схеме представлена типичная последовательность канцерогенеза. На первой стадии показано дей­ствие канцерогена. После накопления критичес­кой массы мутировапных генов (единой точки зрения на их количество и локализацию нет) клетка превращается в опухолевую. На второй стадии происходит разрастание клона мутиро­вавших клеток с формированием доброкаче­ственной опухоли. Без каких-либо дополни­тельных воздействий доброкачественная опу­холь способна сохранять свою доброкачествен­ность. Но при дополнительном воздействии она трансформируется в злокачественную и приоб­ретает способность к инвазивному росту и метастазированию (стадия 3). Не существует еди­ной точки зрения на природу этого воздействия. Злокачественная опухоль склонна к инвазивно­му росту с повреждением органов хозяина. Ге­нотип злокачественных клеток очень нестаби­лен, поэтому их клон оказывается гетерогенным (стадии 4 и 5). Клинически такая гетерогенность приводит к формированию отдаленных метаста­зов.

Рис. 10.2. Схема последовательных генетических изменений в многоступенчатом канцерогенезе при раке толстой кишки с дополнениями по Fearon, Vogelstcin. Сверху над схемой показаны мутации, ве­дущие к потере гетерозиготности (П1), лежащие в основе развития колоректального рака

В ходе своего развития опухолевая клетка кишечника человека претерпевает определенные изменения (рис. 10.2). Гипометилирование ДНК происходит на ран­них стадиях возникновения канцерогенеза в аденомах. В клетках небольших аде­ном могут происходить как мутации, так и выпадения участков хромосом, напри­мер изменения на 5q хромосоме при аденоматозном полипозе кишки. Обнаружи­ваемые в крупных аденоматозных полипах мутации генов K-RASvip53 играют за­метную роль в поддержании опухолевого роста. Делеции генов супрессоров опухо­левого роста на 18q (встречается при раке толстой кишки) и 17р (локус гена р53) происходят на поздних стадиях и означают малигнизацию процесса. Несмотря на наличие сходства канцерогенеза в толстой кишке и в других отделах желудочно-кишечного тракта, последовательность изменений, а также вовлеченные в процесс гены различны. Детали этих процессов только начинают исследоваться.

Механизмы, замедляющие опухолевую прогрессию. В происхождении опу­холей толстой кишки, помимо выпадения супрессорных генов, задействованы и дру­гие механизмы генетических изменений. Микросателлиты — участки ДНК, исполь­зуемые для картирования генов хромосом. Обычно микросателлиты полностью ко­пируются при репликации клеток, но в некоторых опухолевых клетках отмечается незначительное изменение их длины. Микросателлиты в геноме могут иметь до 10³ копий. Было замечено, что в некоторых случаях рака толстой кишки эти микро­сателлиты копируются не полностью. Наличие «нестабильных» микросателлитов в геноме опухолевых клеток говорит об утрате ими способности адекватно копиро­вать гены. Такое нарушение процессов исправления мутаций считается еще одним механизмом канцерогенеза. Примерная схема этого механизма приведена на Рис. 10.3.

Развитие опухоли

Потеря контроля над процессом пролиферации. В норме процесс регуляции пролиферации осуществляется в каждой эпителиальной клетке ЖКТ. При восста­новлении эпителия после перенесенной травмы или воспаления эта регуляция ос­лабевает, и скорость пролиферации увеличивается. После того, как количество вновь образующихся клеток сравнивается с количеством отмирающих, скорость пролиферации снижается.

Рис. 10.3. Альтернативный генетический механизм был предложен для многоэтапного канцерогенеза в толстой кишке. Все колоректальные раки накапливают мутации в АРС, K.-RAS-2, р53 локусах с нару­шением функции генных продуктов. Вверху показана ситуация, когда нестабильность генома приво­дит к множественной ПГ. При опухолях в проксимальной части толстой кишки и при врожденном неполипозном раке толстой кишки ПГ наблюдается редко. У таких больных происходят множествен­ные мутации ДНК, приводящие к нарушению продуктов данного гена.

Установлено, что потеря контроля над процессом пролиферации является ран­ней стадией канцерогенеза в толстой кишке. Это заключение было сделано на ос­новании того, что у больных с высоким риском развития рака толстой кишки пул пролиферирующих клеток занимает все пространство от основания до верхушки крипт (в норме — только в основании крипт). Но нарушение регуляции пролифе­рации само по себе не может привести к развитию рака. Для этого необходимы до­полнительные, пока неидентифицированные, генетические изменения, вызываю­щие нарушение клеточной дифференцировки, процессов старения и слущивания клеток. В состав аденомы входят гиперпролиферирующие, незрелые клетки, кото­рые, не имея инвазивной способности, располагаются на слизистой оболочке киш­ки, образуя полип. Эту стадию развития проходят все опухоли толстой кишки, но она не характерна для опухолей пищевода, желудка и поджелудочной железы.

Рост доброкачественных опухолей. Небольшие аденоматозные полипы встре­чаются очень часто и обычно не имеют тенденции к дальнейшему росту. Однако с течением времени некоторые аденомы увеличиваются и их морфология изменяет­ся. В желудочно-кишечном тракте гиперпролиферирующие клетки синтезируют новую ДНК под воздействием содержимого желудочно-кишечного тракта. В нор­ме пролиферация происходит в основании крипты, поэтому вновь образующиеся клетки защищены от содержимого просвета кишечника и продуктов метаболизма бактерий. Отсутствие регуляции клеточного роста приводит к накоплению мути­ровавших клеток, ускорению появления повреждений эпителия и, в свою очередь, усилению клеточного роста.

Образование аденом в толстой кишке носит обратимый характер. Так, у боль­ных с наследственным аденоматозным полипозом после субтотальной колонэкто­мии наблюдалось спонтанное исчезновение небольших аденом. Это — генетически детерминированное заболевание, при котором мутировавший ген находится в АРС-локусе. Это приводит к появлению большого количества полипов (аденом) либо карциномы на ранней стадии развития. У больных со множеством аденом толстой кишки возможна их регрессия на фоне приема нестероидных противовоспалитель­ных препаратов (например, сулиндака). Механизм процесса инволюции аденом неизвестен. Уже давно установлено, что небольшие аденоматозные полипы могут исчезать без лечения. Это было подтверждено при проведении колоноскопий, но в настоящее время считается, что такие аденомы являются динамической стадией развития неоплазий толстой кишки. Клональный рост клеток может быть связан с увеличением количества факторов роста, увеличением числа клеточных рецепто­ров, нарушением передачи сигналов от клеточной мембраны к ядру. До сих пор не известно, при какой стадии неопластический процесс может быть остановлен, ког­да и как происходит регресс опухоли.

Малигнизация опухоли. Субстратом для опухолевого роста является гипер­пролиферирующий пул клеток, который длительно подвергается воздействию кан­церогенов окружающей среды. В тканях, предрасположенных к малигнизации, лю­бое изменение генотипа может привести к началу роста опухоли. Как уже говори­лось выше, существуют два генетических механизма образования рака. Оба этих механизма связаны с изменением гомеостаза клетки при репликации ДНК и хро­мосом.

Злокачественные клетки обладают способностью постоянного роста, инвазии, образования метастазов. В отличие от доброкачественных опухолевых клеток, они не могут самопроизвольно регрессировать. Постоянный рост злокачественных кле­ток связан с их генетической нестабильностью. Злокачественные клетки могут в процессе жизнедеятельности терять белки, что приводит к их гибели. Этим обус­ловлено появление многочисленных очажков некроза в опухолях. В процессе даль­нейших генетических перестроек в опухоли могут возникать другие, более жизне­способные клетки, которые постепенно замещают строму опухоли. Вследствие выраженной фенотипической нестабильности злокачественных клеток среди них постоянно происходит отбор по способности роста, инвазии, распространения.

Метастазы. Метастазирование опухолевых клеток происходит не случайно. Для этого клетки должны повредить базальную мембрану и другие окружающие их соединительные структуры. Далее клетки проникают в кровеносные и лимфа­тические сосуды, по ним мигрируют по организму, преодолевая действие его за­щитных сил. В месте будущего метастаза клетки накапливаются, выходят из сосу­да и начинают разрастаться. Для осуществления этого в клетках должно произой­ти множество генетических изменений. Поэтому метастазы появляются на поздних стадиях развития заболевания.

Для роста опухолевым клеткам необходимо постоянное кровоснабжение. Кис­лород может примерно на 100-400 нм проникать из сосуда в ткани, т. е. на диаметр 4—10 клеток (в зависимости от их типа). Опухоли способствуют росту и появле­нию новых капилляров (неоваскуляризация), что позволяет им выживать при ме­тастазировании. Этот опухолевый ангиогенез стимулируется различными факто­рами роста, например действием фактора опухолевого ангиогенеза. Место мета­стазирования может быть случайным, зависящим лишь от кровоснабжения орга­на. В некоторых органах имеются специфические клеточные рецепторы, способ­ствующие развитию опухолевых клеток.

Генетические основы метастазирования еще до конца не изучены. Обнаружен ген, который присутствует в отдаленных метастазах при определенных видах рака. Ген NM23, вероятно, является супрессором метастазов и поэтому практически все­гда отсутствует в отдаленных метастазах при раке толстой кишки. Клеточный механизм действия гена NM23 не известен. Скорее всего в образовании метастатичес­кого фенотипа участвует много генов, их накопление в малигнизированных клет­ках лежит в основе процесса диссеминации, наблюдаемом при опухолях различно­го происхождения.