3. Протоонкогены и опухолевые супрессоры в контроле генетической стабильности

Наблюдающееся в неопластических клетках подавление индукции апоптоза повышает жизнеспособность клеток, подвергшихся ДНК-повреждающим воздействиям, и, таким образом, само по себе уже увеличивает вероятность сохранения возникших генетических нарушений. Однако в клетке существуют и другие, более специализированные системы контроля целостности генома, нарушения работы которых также характерны для опухолевых клеток.

Системы контроля целостности генома условно можно разделить на две группы: 1) репарационные системы, выявляющие и исправляющие ошибки, которые приводят к изменениям последовательности нуклеотидов в ДНК, и 2) системы контроля клеточного цикла, предотвращающие дальнейшее размножение клеток, в которых уже произошли или могут произойти нарушения структуры или числа хромосом.

Изменения систем репарации характерны, по-видимому, для относительно небольшой части новообразований. Однако при развитии некоторых форм опухолей они могут играть основополагающую роль. Так, врожденные дефекты генов, продукты которых ответственны за эксцизионную репарацию ДНК, вызывают пигментную ксеродерму - синдром, характеризующийся развитием множественных опухолей кожи в местах, подвергающихся солнечному облучению [80]. Интересно, что, несмотря на участие эксцизионной репарации в исправлении дефектов, вызванных не только УФ-облучением, но и самыми разными мутагенами/канцерогенами [81,82], частота возникновения других форм опухолей при пигментной ксеродерме почти не увеличивается. При этом у трансгенных мышей с аналогичными дефектами системы эксцизионной репарации отмечается повышение частоты индукции химическими канцерогенами опухолей внутренних органов [82]. Преимущественное возникновение у пациентов с пигментной ксеродермой опухолей кожи может указывать на незначительную роль химических факторов, загрязняющих окружающую среду, в развитии новообразований у человека [83].

Врожденные дефекты другой репарационной системы, исправляющей ошибки репликации ДНК, которые приводят к образованию неспаренных оснований ("mismatch repair"), вызывают синдром Линча. Главной чертой этого синдрома является развитие опухолей толстого кишечника (так называемый "наследственный неполипозный колоректальный рак") и/или опухолей яичника [83-86]. (Преимущественное возникновение именно опухолей кишечника при дефектах этой системы репарации, возможно, связано с высочайшим пролиферативным потенциалом клеток на дне кишечных крипт, что, естественно, ведет и к более частому появлению ошибок репликации.) Идентифицированы четыре гена - MSH2, MLH1, PMS1 и PMS2, инактивирующие мутации в которых приводят к этому состоянию [84-86]. Маркером инактивации любого из этих генов является легко выявляемая нестабильность микросателлитных последовательностей ДНК [83,87]. Нарушения в системе репарации неспаренных оснований характерны и для некоторых форм спорадических (ненаследственных) опухолей: они обнаруживаются в 13-15% опухолей толстой кишки, раков желудка и эндометрия, но значительно реже (<2%) в других новообразованиях [83].

Предполагается, что нарушения в системе репарации двунитевых разрывов ДНК, осуществляемой путем гомологичной рекомбинации, также могут приводить к развитию определенных форм опухолей. На это указывает тот факт, что супрессорные белки BRCA1 и BRCA2, герминальные мутации которых ответственны за наследственные формы рака молочной железы и яичников [85,86,88], обладают способностью образовывать комплекс с белком RAD51 - гомологом бактериального белка RecA, ответственным за гомологичную рекомбинацию, а инактивация ("нокаут") генов BRCA1 и BRCA2 приводит к резкому повышению чувствительности к g-облучению [89-91]. Однако пока окончательно неясно, действительно ли канцерогенез при нарушениях функции BRCA1 и BRCA2 обусловлен именно этими, а не какими-то другими их активностями. В частности, следует заметить, что репарация двунитевых разрывов ДНК происходит в определенные периоды клеточного цикла, остановка в которых резко увеличивает эффективность процесса. Не исключено, что способность белка BRCA1 повышать экспрессию p21WAF1/CIP1 через р53-зависимые и р53-независимые механизмы [30,31] и, наоборот, подавлять трансактивационную способность белка Myc [92] направлена именно на остановку клеточного цикла в поврежденных клетках.

Если нарушения репарационных систем и связанная с ними "нуклеотидная нестабильность" причастны к развитию относительно небольшого числа определенных форм опухолей, то "хромосомная нестабильность", вытекающая из нарушений нормальной регуляции клеточного цикла, характерна, по всей видимости, для подавляющего большинства солидных опухолей. В клеточном цикле постулировано существование так называемых "сверочных точек" (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок. Выделяют по меньшей мере четыре такие точки: в G1, S, G2 и "точку проверки сборки веретена деления" в митозе [27,93-95].

Сверочная точка в G1. Основное требование к клетке, вступающей в S-фазу - интактность ДНК, так как репликация поврежденной ДНК приведет к передаче генетических аномалий потомству. Поэтому клетки, подвергшиеся мутагенным воздействиям, вызывающим разрывы ДНК (УФ- и g-облучение, алкилирующие соединения и др.), останавливаются в G1 и не входят в S-фазу [95,96]. Остановка в G1 наблюдается не только после ДНК-повреждающих воздействий, но и при других состояниях, в том числе приводящих к нарушениям числа хромосом - при незавершенности предыдущего клеточного цикла митозом (расхождением хромосом) [97], при неправильной сегрегации хромосом во время митоза, приведшей к образованию микроядер [98], а также при разрушении микротрубочек, которое впоследствии может вызвать нарушения митоза [99]. Остановка в G1 может быть необратимой, как это наблюдается в случае g-облучения [100] или обратимой, прекращающейся с окончанием действия фактора, ее вызвавшего, например, при восстановлении нормального пула нуклеотидов [56,101] или при реставрации системы микротрубочек [98].

Сверочная точка в S-фазе контролирует правильность репликации ДНК. В частности, остановка в определенный период S-фазы наблюдается при недостатке нуклеотидов в клетках, не остановившихся в силу каких-либо причин в G1 [102].

Сверочная точка в G2. Повреждения ДНК и другие нарушения вызывают остановку клеток не только в G1- и S-, но и в G2-фазе клеточного цикла. При этом выявляются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. Кроме того, в G2-фазе детектируется полнота репликации ДНК и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз [103].

Сверочная точка сборки веретена деления (spindle-assembly checkpoint). Во избежание неправильного распределения хромосом клетки задерживаются в метафазе до тех пор, пока все кинетохоры не будут прикреплены к микротрубочкам. Разрушение неприкрепленных кинетохоров лазерным пучком инициирует начало анафазы [104], в ходе которой происходят отставание хромосом, не прикрепленных к веретену деления, и образование из них микроядер. Определяющую роль в индукции остановки в метафазе играют изменения взаимодействий ассоциированных с кинетохорами белков BUB1, BUBR1, MAD1 и MAD2 [105,106].

Оказалось, что для опухолевых клеток характерны изменения компонентов сверочных точек клеточного цикла, являющихся либо сенсорами изменений, либо эффекторами, опосредующими остановку клеточного цикла. Так, инактивация сверочной точки сборки веретена деления, связанная с нарушением функции MAD1 или MAD2, наблюдается в некоторых случаях рака молочной железы и Т-клеточных лейкозах, вызванных вирусом HTLV-1 (MAD1 является прямой мишенью онкобелка Tax этого вируса), а мутации генов BUB1 и BUBR1 выявляются в небольшой части случаев рака толстого кишечника [83,105]. Однако существенно большее значение для инактивации сверочных точек клеточного цикла имеет дисфункция некоторых опухолевых супрессоров и протоонкогенов, в частности р53, pRb, Myc и Ras ( рис. 6).

 

Рис. 6.
Рис. 6. "Сверочные точки" (checkpoints) клеточного цикла и участие в их регуляции некоторых опухолевых супрессоров и онкогенов (объяснения в тексте)

р53 является ключевым компонентом некоторых сверочных точек. Как уже указывалось выше (см. раздел 2) он активируется в ответ на самые разные неблагоприятные воздействия, в том числе и приводящие к генетическим нарушениям - разрывы ДНК [28,59], недостаток пула нуклеотидов [56], разрушение микротрубочек [98], отсутствие сегрегации хромосом в митозе [97] или ее неправильное завершение, приведшее к образованию микроядер [98]. При этом сенсорами повреждений ДНК являются, очевидно, ДНК-протеинкиназа и/или белок ATM (Ataxia-Teleangioectasia Mutated), обладающие способностью, с одной стороны, распознавать свободные концы ДНК, а с другой, - фосфорилировать р53 по Ser-15, препятствуя тем самым его связыванию с белком Mdm2, последующему транспорту из ядра и деградации [14,28]. Сенсоры других вышеупомянутых аномалий и пути передачи при них сигнала к р53 пока неясны.

Одним из следствий активации р53 является изменение экспрессии регулируемых им генов, таких как BAX, BCL2 и др., контролирующих апоптоз (см. предыдущий раздел) и p21WAF1, GADD45 (Growth Arrest and DNA Damage-induced), экспрессия которых приводит к остановке клеточного цикла [56,57,59]. В результате клетка, в которой уже произошли или только могут произойти генетические изменения, либо гибнет в результате индукции апоптоза, либо останавливается в G1- или G2-, а иногда в S-фазе клеточного цикла. Выбор между двумя возможными реакциями клетки на активацию р53 - апоптозом и остановкой клеточного цикла - зависит от множества факторов: гистогенетического типа клеток (например, в нормальных фибробластах, как правило, наблюдается остановка клеточного цикла, тогда как в лимфоцитах - апоптоз), степени активации р53 (с увеличением уровня его экспрессии повышается вероятность апоптоза), уровня функциональной активности сигнального пути p21WAF1-pRb-E2F, ответственного за остановку в G1 (в фибробластах с инактивированным p21WAF1 или pRb наблюдается апоптоз), и т.д. [56,57,59], а точка остановки клеточного цикла определяется в первую очередь тем, в какой фазе клеточного цикла находится клетка в момент повышения экспрессии р53 [107] и каким фактором вызвана его активация [56]. Нарушения функции р53, характерные для большинства различных новообразований человека, значительно ослабляют контрольные функции сверочных точек клеточного цикла и одновременно ингибируют индукцию апоптоза [106,108], что наряду с некоторыми другими последствиями дисфункции р53, в частности утратой механизма, ограничивающего образование дополнительных центросом [109], резко увеличивает вероятность появления пролиферирующих клеток со спонтанно возникшими или индуцированными генетическими аномалиями - изменениями числа хромосом [110-112], разрывами и рекомбинациями хромосом [110,112,113] или амплификацией отдельных генов [112,114-116]. Важно подчеркнуть, что восстановление нормальной функции р53 в клетках, ее утративших, наоборот, приводит к уменьшению темпа возникновения генетических нарушений [111].

Дестабилизация генома наблюдается и при нарушениях функции других опухолевых супрессоров, в частности pRb. Однако в этом случае частота появления и спектр генетических изменений в делящихся клетках значительно меньше, чем в клетках с дисфункцией р53. Вероятно, это объясняется тем, что инактивация pRb ослабляет только работу сверочной точки в G1 (рис. 6), но существенно не влияет на сверочную точку в G2, а главное - не блокирует р53-зависимый апоптоз в аномальных клетках.

Активация некоторых протоонкогенов также может ослаблять работу сверочных точек клеточного цикла (рис. 6) и, как следствие, увеличивать генетическую нестабильность. Так, гиперэкспрессия Myc позволяет преодолеть ингибирующее действие p21WAF1 на комплексы циклин D - Cdk4 и циклин E - Cdk2, отменяя таким образом остановку в G1, вызываемую активацией р53. Гиперфункция Ras тоже может вызывать ослабление работы сверочных точек в G1 и G2 и индуцировать генетическую нестабильность, но проявляться такие эффекты могут только в клетках, имеющих те или иные аномалии р53-регулируемых сигнальных путей [117].

Итак, часто встречающиеся в новообразованиях человека изменения опухолевых супрессоров (инактивация р53, pRb и, возможнo, p16INK4a-p19ARF) и/или протоонкогенов (активация Myc, Ras и, возможно, других) приводит к дисфункции сверочных точек клеточного цикла и нестабильности генома. Кроме того, в опухолевых клетках закономерно выявляются изменения и некоторых других генов, ответственных за поддержание целостности генома. Более того, врожденные инактивирующие мутации не только р53 или pRb, но и некоторых из генов репарационных систем неизменно приводят к развитию определенных новообразований. Это свидетельствует о важнейшей роли генетической нестабильности в генезе опухолей и/или их дальнейшей прогрессии. Хотя повышенная нестабильность генома, вероятно, не является строго необходимой для онкогенеза, без нее практически невозможно возникновение в одной клетке достаточного числа мутаций, определяющих злокачественный характер роста солидных опухолей. Создавая гетерогенность клеточных популяций, генетическая нестабильность постоянно предоставляет материал для отбора все более и более автономных и агрессивных клеток.

Другие записи

10.06.2016. Механизмы действия онкогенов и опухолевых супрессоров. Заключение
Итак, канцерогенез - многоступенчатый процесс накопления мутаций и других генетических изменений, приводящих к нарушениям регуляции клеточного цикла, апоптоза, дифференцировки, морфогенетических реакций…
10.06.2016. 2. Онкогены и опухолевые супрессоры в регуляции апоптоза
Другой важнейшей точкой приложения активностей онкогенов и опухолевых супрессоров является регуляция апоптоза (программированной гибели клеток). Апоптоз, как известно, вызывается различными сигналами:…