Раздел медицины:

Онкология

Специфический фенотип злокачественной клетки и механизмы его развития

12 Сентября в 14:50 4651 0
Злокачественные новообразования возникают в результате неограниченной пролиферации клеточного клона, которая представляет собой многоэтапный процесс формирования опухоли.

При этом в силу высокой генетической изменчивости и селекции, происходящей под давлением со стороны организма, в популяции клеток такого клона постоянно возникают и отбираются все более и более автономные и агрессивные субклоны.

В результате довольно длительной эволюции неопластического клона формируется опухоль, способная убить организм.

В настоящее время известно более 100 различных типов и подтипов опухолей человека. Это многообразие порождают ряд вопросов в отношении механизмов возникновения и развития конкретной опухоли. Комплексность злокачественной болезни станет более понятной, если рассматривать ее с позиции основополагающих принципов трансформации нормальных клеток в злокачественные.

Основываясь на том, что все клетки организма обладают сходными молекулярными механизмами пролиферации, дифференцировки и смерти, D. Наnаhаn и R. Weinоerg (2000) постулировали существование общих для всех типов опухолей человека молекулярных, биохимических и клеточных особенностей.

Согласно этому постулату, огромное разнообразие опухолевых генотипов является проявлением ряда принципиальных изменений клеточной физиологии (рис 3.6), которые в совокупности принуждают клетку к злокачественному росту:

• генетическая нестабильность опухолевых клеток;
• самодостаточность в пролиферативных (ростовых) сигналах;
• нечувствительность к ростсупрессирующим (ингибирующим) сигналам;
• нарушение клеточной дифференцировки;
• отсутствие репликативного старения (иммортализация);
• ослабление индукции апоптоза;
• стимуляция неоангиогенеза;
• способность к инвазии и метастазированию;
• изменения морфологии/движения клеток.

obchon_r3.6.jpg
Рис. 3.6. Важнейшие свойства неопластической клетки [Заридзе Д.Г., 2004].

Каждое из этих изменений, приобретенных во время развития опухоли, представляет собой успешный прорыв одного из многих механизмов антираковой защиты, объясняющих, почему рак развивается относительно редко.

Эти свойства являются общими для всех или почти всех типов опухолей человека, приобретение их предопределяет способность клетки образовывать злокачественную опухоль.

В самые последние годы стало понятно, что подавляющее большинство известных протоонкогенов и генов-супрессоров являются компонентами нескольких общих сигнальных путей, контролирующих в норме клеточный цикл, рост и размножение клеток, апоптоз, морфогенетические реакции, дифференцировку клеток и другие базовые процессы жизнедеятельности клеток.

Очевидно, изменения именно в этих сигнальных путях, обусловленные нарушениями функционирования онкогенов и генов-супрессоров, в конце концов, и приводят к развитию рака. Ниже приводится более подробная характеристика специфических признаков и механизмы их приобретения раковыми клетками.

Генетическая нестабильность опухолевых клеток

Главное условие существования нормальной клетки — это относительная стабильность ее генома. В нормальной клетке существуют специализированные системы контроля целостности генома. Опухолевые клетки отличаются от своих нормальных аналогов не только морфологическими, иммунофенотипическими и цитохимическими особенностями, но и наличием генетических аномалий.

В геноме каждой опухолевой клетки выявляется тысячи мутаций. Такое количество не может быть объяснено их спонтанным возникновением, а представляет собой проявление генетической нестабильности — важнейшего признака раковых клеток.

Открытие роли генетической-нестабильности в развитии новообразования — одно из важнейших событий в исследовании природы рака. Впервые существование нестабильности в опухоли постулировал PC. Nowell (1976): к возникновению агрессивных злокачественных субклонов приводит селективный пресс, в основе которого лежит повышенная нестабильность генома.

Генетическая нестабильность — это увеличение вероятности возникновения и закрепления в ряду клеточных поколений разнообразных изменений генома. В нормальных условиях поддержание целостности генома обеспечивается большим числом генов.

Однако при этом необходимо отметить, что и в норме ДНК — не статичная, а динамичная и в какой-то степени нестабильная структура, и это составляет основу эволюции и нормального индивидуального развития При этом, у каждого организма свой собственный, допустимый, уровень генетической нестабильности и соответственно предрасположенности к раку, которая, в свою очередь, изменяется с возрастом и под влиянием среды.

Оказалось, что нестабильность генома является одновременно и основой злокачественной трансформации клетки. Без этого практически невозможно возникновение в одной клетке такого большого числа мутаций определяющих злокачественный характер роста опухолей.

Более того состояние нестабильности ДНК является универсальным признаком всех видов злокачественных новообразований и причиной развития опухолевого фенотипа. Для генетической нестабильности характерен высокий уровень мутабильности. Возникающие при этом множественные мутации в генах, поддерживающих целостность генома, приводят к возникновению мутаторного фенотипа злокачественной клетки.

Кроме того, генетическая нестабильность создает гетерогенность клеточных популяций в опухоли и тем самым постоянно предоставляет материал для отбора все более и более автономных и агрессивных клонов.

Таким образом, генетическая нестабильность является двигателем неуклонной опухолевой профессии, обеспечивает накопление нескольких мутаций в онкогенах и антионкогенах, придающих клетке совокупность необходимых для образования опухоли свойств.

Развитию генетической нестабильности опухолевых клеток и формированию их мутаторного фенотипа способствуют следующие нарушения:

1. Уменьшение точности репликации ДНК (воспроизведения генетической информации). Последовательность всего генома должна быть точно и безошибочно передана от одной соматической клетки к следующей.

В опухолевых клетках точность репликации ДНК снижена вследствие повышения синтеза и активности ДНК-полимеразы, вызванных активацией ряда онкогенов, например BCR/ABL, RAS. Возникающие при этом мутации гена ДНК-полимеразы могут увеличивать мутабильность до 106 раз, что значительно превышает допустимый для клетки предел.

2. Нарушения в системах репарации повреждений ДНК. Ошибки репликации подлежат исправлению системой репарации. Известны ряд генов пострепликативной репарации (гены стабильности): MSH2, MSH3, MSH4, MLHI, PMS1 и др. Клетки с дефектом системы репарации характеризуются повышением частоты спонтанных мутаций (от 2 до 60 раз). Мутации в генах стабильности — раннее событие канцерогенеза, генерирующее серию вторичных мутаций в различных генах

3. Ослабления функции чекпойнтов клеточного цикла. Главную роль в контроле генетической стабильности играет система сверочных точек (чекпойнтов) клеточного цикла, активируемых в ответ на повреждения ДНК или веретена деления в клетке.

Функции чекпойнтов в опухолевой клетке существенно ослаблена, в результате, несмотря на мутации, она продолжает делиться и умножать число аномальных потомков.

4. Ослабления индукции апоптоза. Вследствие ослабления апоптотических механизмов делящиеся клетки с генетическими нарушениями не погибают, а выживают.

В последние годы выяснилось, что повышенная изменчивость популяций опухолевых клеток связана не только с учащением появления истинных генетических нарушений, но и с резким увеличением возникновения в неоппастических клетках эпигенетических изменений.

В конечном итоге, совокупность перечисленных нарушений обеспечивает повышенную частоту возникновения различных генетических изменений и их закрепление в ряду клеточных поколений.

Очевидно также, что генетическая нестабильность, изначально присущая клетке, претерпевающей злокачественную трансформацию, будет являться причиной развития ряда специфических признаков опухолевого фенотипа.

Самодостаточность в пролиферативных (ростовых) сигналах

Важным свойством опухолевых клеток является самодостаточность в пролиферативных сигналах, которая заключается в их пониженной потребности во внешних ростовых сигналах для инициации и поддержания клеточной пролиферации.

Для того чтобы активно делиться клетка должна получить соответствующий сигнал. В норме вступление клетки в митотический цикл происходит под воздействием специальных сигналов, вырабатываемых обычно другими клетками. В роли внешних сигналов, запускающих эстафетный пролиферативный каскад в клетке, выступают факторы роста. Ростовые факторы представляют собой цитокины различных классов.

Вначале они связываются с соответствующими рецепторами на мембране клетки и посредством белков-передатчиков сигнала транспортируются через цитозоль в ядро, где индуцируют синтез именно тех белков, которые приводят к транскрипции ДНК и, в конечном счете, делению клетки (рис. 3.7).

obchon_r3.7.jpg
Рис. 3.7. Основные этапы передачи сигнала для роста клетки [Георгиев Г.П., 1999].

После воздействия сигналопередающая система ростовых факторов в физиологических условиях инактивируется. Ни один тип нормальных клеток не может пролиферировать в отсутствие подобных молекулярных сигналов.

Злокачественные клетки не зависят от внешней ростовой стимуляции и могут размножаться даже при значительном снижении уровня экзогенных ростовых факторов, что достигается различными путями.

Опухолевые клетки либо приобретают способность синтезировать ростовые факторы, на которые они сами и отвечают, создавая петлю позитивной обратной связи (называется еще аутокринной регуляцией); либо резко увеличивают на своей поверхности количество рецепторов для факторов роста; либо возникает гиперфункция нормального числа рецепторов, что делает раковую клетку чувствительной к таким уровням ростового фактора, которые в норме не могут запустить пролиферацию.

Пониженная потребность неопластических клеток во внешних пролиферативных сигналах проявляется также в независимости от субстрата. Так, большинство нормальных клеток способны размножаться лишь при условии их прикрепления к внеклеточному матриксу.


В ином случае пролиферативный стимул ростовых факторов не вызывает передачи внутриклеточных сигналов для стимуляции размножения клеток. Многие типы опухолевых клеток в отличие от их нормальных предшественников способны пролиферировать, не прикрепляясь к субстрату.

Чрезмерная стимуляция нормальных компонентов сигнальных путей (факторы роста, их рецепторы, плазматические и ядерные передатчики ростового сигнала) процесса пролиферации возникает в основном в результате активирующих мутаций протоонкогенов, регулирующих клеточный цикл.

Так, экспрессия генов, контролирующих продукцию факторов роста, вынуждают клетки вырабатывать большие количества этих факторов и стимулировать чрезмерную пролиферацию. Известны несколько протоонкогенов, кодирующих рецепторы факторов роста, в которых также возможны мутации.

В этом случае мутантные рецепторы передают в клетку непрерывные сигналы о необходимости начинать рост (хотя фактор роста и отсутствует), и тем самым ведущие к интенсификации пролиферации. Многие протоонкогены, кодирующие белки-передатчики сигнала в цитоплазме и ядре клетки, также могут выступать в роли онкогенов (МУС, RAS, RAF и др.).

Нечувствительность к ростингибирующим сигналам

Нечувствительность к подавляющим рост сигналам — важнейшее приобретенное свойство опухолевых клеток, обусловленное нарушениями в регуляции клеточного цикла.

В норме существует множество антипролиферативных механизмов, поддерживающих определенное число и функцию клеток в тканях.

Блокировка пролиферации осуществляется ингибиторами роста путем принудительного выведения клетки из клеточного цикла в покоящееся состояние (G0) и приобретения при этом специфических признаков дифференцировки.

Классическим примером работы антипролиферативного механизма можно назвать контактное торможение размножения. Большинство механизмов ответа нормальных клеток на антипролиферативные сигналы связано с клеточным циклом и структурами, управляющими прохождение клеткой через его фазы.

Митотический цикл клетки — процесс далеко не автоматический. Важное препятствие превращения нормальной клетки в опухолевую — это механизм ««проверки в ходе клеточного цикла» (рис. 3.8).

obchon_r3.8.jpg
Рис. 3.8. Основные стадии клеточного цикла и точки его проверки [Георгиев Г.П., 1999].

Оказалось, что переход из одной фазы клеточного цикла в другую — это строго регулируемый процесс. В норме в клеточном цикле постулировано существование «сверочных точек» (checkpoints), прохождение клеткой которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок в геноме.

Например, если в клетке повреждена ДНК или синтезируются не те белки, которые должны синтезироваться на данном этапе, об этом идет сигнал и переход в следующую фазу блокируется. Выделяют, по меньшей мере, три такие точки: в G1-, S-, G2-фазах.

Наиболее важной является точка проверки между G1 и S, поскольку именно в фазе S происходит удвоение ДНК и становится возможным последующее деление клетки. При этом клетка мониторирует окружающую среду и на основании улавливаемых сигналов решает, продолжать ли ей пролиферацию, перейти ли в фазу G0 или в апоптоз.

Ключевая роль в разрешении на продвижение по циклу, принадлежит белкам семейства циклинэависимых киназ, которые являются как бы «мотором» клеточного цикла.

При повреждениях ДНК или других нарушениях клетка или исправляет их, или входит в апоптоз и погибает.

Вход клетки в цикл и контроль за нормальным его функционированием (продвижением по нему клетки) в норме осуществляется последовательным повышением активности в каскаде циклинзависимых киназ, инициируемой сигналами от рецепторов факторов роста.

Действие большинства антипролиферативных механизмов основано на активации ингибиторов этих киназ, что приводит к остановке клеточного цикла в чекпойнтах. Ингибиторы продуцируются генами-супрессорами (р53, RB, BRCA-1, WT1 и др.).

Их белки блокируют прохождение поврежденной клетки через точки проверки. При снижении функции данных генов чекпойнты инактивируются, поврежденные клетки становится нечувствительными к ростингибирующим сигналам и продолжают размножаться.

Следовательно, для развития рака недостаточно только запустить сигнализацию о необходимости стимуляции роста и размножения клеток, надо еще сломать системы проверки в клетке.

Для опухолевых клеток характерны генетические изменения, вызывающие, с одной стороны, постоянную стимуляцию сигнальных путей, а с другой — нарушения в путях передачи сигналов через инактивацию чекпойнтов в ответ на ростингибирующие сигналы.

Нарушения клеточной дифференцировки

Любую ткань принято характеризовать как систему клеток и неклеточных структур, объединенных общей функцией, строением и/или происхождением, а клетки являются главным элементом тканей и определяют их основные свойства. Источником развития различных тканей является сравнительно небольшое число недифференцированных клеток, которые называются стволовыми (камбиальными, герминативными).

Например, стволовыми в кишечнике являются клетки дна кишечных крипт, в желудке — шеек желез и дна ямок, в многослойном плоском эпителии — клетки базальмого ряда, в костном мозге — полипотентная стволовая клетка и т.д. Только они могут находиться в клеточном цикле, служить источником обновления тканей и образования специализированных клеток в них.

Сами стволовые клетки не в состоянии выполнять функции, свойственные зрелым клеткам. Замена поврежденных или погибших зрелых клеток происходит за счет пролиферации стволовых, которые после нескольких делений превращаются в более зрелые, частично детерминированные, полустволовые клетки.

Последние трансформируются и превращаются в дифференцированные, зрелые клетки. Такой процесс приобретения специализированных свойств называется дифференцировкой клетки.

Стимулом к пролиферации стволовых клеток в норме является необходимость замещения погибших дифференцированных клеток. Только после того, как зрелая клетка становится стареющей и погибает, она замещается другой, происходящей из стволовой. Говорят, что стволовая клетка делится «асимметрично», имея в виду, что судьба возникающих при этом двух дочерних клеток различна.

Одна является копией материнской стволовой клетки и повторяет ее жизненный путь. Другая идет по пути созревания до тех пор, пока не станет функционально полноценной дифференцированной клеткой и заместит утраченную.

Таким образом, стволовая клетка выполняет две основные функции: самообновления, благодаря чему в любом возрасте и при любых условиях в организме число их всегда постоянно, и продукции дифференцированных потомков, обеспечивающих специализированную функцию ткани.

Способность к обновлению и дифференцировке стволовых клеток является основой в поддержании постоянства характеристик ткани (гомеостаза). В соответствии с пролиферативными способностями нормальные ткани могут быть разделены на три вида: постоянно обновляющиеся (например, эпителий кишечника, кожи, костный мозг), условно обновляющиеся, пополняющие свою популяцию в ответ на повреждение (печень, легкое), и необновляющиеся (нервная ткань). Большинство опухолей человека происходит из постоянно обновляющихся тканей.

Доказано, что реализация способности стать дифференцированной требует выхода стволовой клетки из клеточного цикла в стадию покоя (G0) и затем, выполнив свою функцию, она погибает. Такая высокоспециализированная клетка уже не способна к делению, а, значит, и не может озлокачествиться.

Поэтому логично рассматривать опухоль как результат трансформации нормальных стволовых клеток конкретной ткани в их злокачественные аналоги. При этом, в отличие от нормальных тканей, где стволовая клетка делится, чтобы заместить стареющую дифференцированную, в опухолевой ткани клеток продуцируется больше, чем дифференцируется.

Действительно, для многих опухолевых клеток характерны выраженные в той или иной степени нарушения дифференцировки. Особенно ярко это проявляется при гемобластозах, когда клетки оказываются как бы замороженными на той или иной стадии созревания.

Cчитается при этом, что меньшая зрелость таких клеток является не следствием дедифференцировки малигнизированных зрелых, а отражает их происхождение из незрелых клеток, в которых блокированы процессы дальнейшей дифференцировки.

Общепринято считать, что к блокированию или извращению процессов дифференцировки в опухоли, приводят постаянная стимупяция размножения клеток и нечувствительность иx к действию ростингибирующих цитокинов, которые в норме, являются-индукторами дифференцировки.

Однако механизмы нарушения регуляции клеточной дифференцировки являются наименее изученным аспектом действия онкогенов и опухолевых супрессоров, хотя, как характерная черта опухолевых клеток, широко используется для диагностики новообразований.

Следует также заметить, что блокирование или извращение дифференцировки не является универсальным: во многих типах опухолей наблюдается сохранение способности к дифференцировке, причем, в отличие от лейкозов, созревание клеток не препятствует приобретению злокачественного фенотипа. Примерами этого могут служить плоскоклеточный ороговевающий рак кожи и высокодифференцированные аденокарциномы толстой кишки.

В тоже время, происхождение из незрелых клеток не противоречит представлению о том, что опухолевые клетки в ходе прогрессии могут претерпевать определенную дедифференцировку, утрачивая в первую очередь те дифференцировочные белки, отсутствие которых дает клеткам селективные преимущества в выживании (например, рецепторы эстрогенов в раках молочной железы и т.д.).

В настоящее время известны ряд протоонкогенов, активация которых способна блокировать процессы дифференцировки, а инактивация опухолевых супрессоров, наоборот, может индуцировать созревание клеток. В роли онкогенов могут выступать PML, МУС, MYB, ЕRВА, а опухолевых супрессоров — р53, р21 и др.

Угляница К.Н., Луд Н.Г., Угляница Н.К.
Похожие статьи
показать еще
 
Категории