Самообеспечение митогенными сигналами и особенности механизмов их переноса в раковых клетках в процессе канцерогенеза

Данная статья посвящена изучению одного из ключевых признаков и его особенностей клетки злокачественной опухоли – самообеспечения митогенными сигналами. В статье рассматриваются современные сведения и информация, полученные учеными и врачами в процессе изучения крайне распространенного и очень опасного заболевания человека и животных – рака.

Рак известен человеку уже как несколько тысячелетий, и в наше время число страдающих этим недугом стремительно растет. Как в случае и с любой другой болезнью, человек стремится научиться лечить его. В прошедший век человечество сделало огромный шаг в борьбе со злокачественными опухолями – были введены новые, более эффективные и безопасные, методы хирургического вмешательства, разработаны методы генной, лучевой, химической терапий, биотерапии и многое другое. Этот прогресс имеет место благодаря исследованиям, направленных на выявления и понимание самой природы рака, его механизмов.

Канцерогенез – сложный многоступенчатый процесс. Для его реализации необходимо сразу несколько последовательных генетических изменений. Злокачественное образование развивается в результате многократного деления клеток, которые получили ряд преимуществ для процесса пролиферации вследствие изменений в их геноме.

Основными факторами риска злокачественных опухолей являются курение, чрезмерное потребление алкоголя, излишнее ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение и другие [2, c. 44]. Эти факторы способны нанести вред клеткам организма человека, способствуя повреждению целостности их ДНК. Нестабильность генома и мутирование – основные факторы возникновения рака. В норме поврежденные клетки подвергаются апоптозу, клеточной гибели, раковые клетки могут избегать его.

Основными преимуществами раковых клеток по сравнению с нормальными клетками являются их способность к самообеспечению митогенными сигналами, то есть сигналами, стимулирующими клеточное деление, невосприимчивость к ингибиторам роста, избежание апоптоза и уничтожения со стороны иммунной системы. Также раковые клетки способны избегать клеточного старения благодаря, например, наличию огромного количества фермента ДНК-теломеразы, способного копировать концевые участки хромосом, – при каждом делении клетки теломерные участки хромосом укорачиваются, так как фермент ДНК-полимераза не способен копировать концевые участи хромосомы, теломеры. В здоровых клетках ДНК-теломераз сравнительно немного. Укорачивание теломер – одно из ключевых признаков нормального старения, и раковые клетки, избегая его, вкупе с первыми четырьмя признаками получают способность к потенциально бесконечной пролиферации.

Известно, что всем клеткам для выполнения жизненно важных функций необходим кислород, именно поэтому клетки организма находятся в пределах 100 мкм от кровеносных сосудов. Раковые клетки имеют склонность к ангиогенезу, то есть к образованию кровеносных сосудов, и поэтому не страдают нехваткой кислорода, необходимого для их функционирования. Также эти клетки способны изменять свой энергетический метаболизм и склонны к инвазии и метастазированию и к образованию вторичных очагов воспаления [3; 5].

Все эти преимущества обусловлены сложными механизмами, происходящими в поврежденной клетке. Одной из самых важных и значимых ступеней канцерогенеза является самообеспечение митогенными сигналами.

В здоровом организме пролиферация клеток осуществляется эндокринной и паракринной регуляциями. Сущность эндокринной регуляции заключается в секреторной функции желез внутренней секреции (гипофиза, надпочечников, щитовидной железы и других). Вырабатываемые ими гормоны влияют на организм в целом, в том числе и на деление клеток, что может как спровоцировать их на вступление в процесс митоза, так и заблокировать его. Значение паракринной регуляции заключается в том, что в клетку-мишень поступают посылаемые соседними клетками митогенные сигналы, которые также выступают в роли стимулирующих митоз веществ [1, c. 545–549].

Процесс паракринной регуляции устроен довольно сложно, в нем принимают участие множество белков, ферментов, различных стимуляторов и других веществ, благодаря которым происходят реакции, необходимые для попадания митогенных сигналов из одной клетки в другую. Конечные вещества, полученные в результате последовательных реакций, поступают в ядро клетки и провоцируют ее на вступление в S период интерфазы, в процессе которого происходит репликация ДНК.

Ростовые факторы, имеют, как правило, белковую природу, их полипептидная цепь довольна коротка. В этих молекулах содержатся остатки фосфорной кислоты, благодаря которым они могут вступать в реакцию фосфорилирования с другими веществами [5].

Ростовые факторы, проделав путь по внеклеточному матриксу из одной клетки к другой, вступают в реакцию с рецепторами клеточной мембраны, задача которых – перенос сигнала из внеклеточного матрикса в цитоплазму клетки. Одним из таких рецепторов является, например, тирозинкиназа, состоящая из цепочки остатков молекул тирозина, которые в свою очередь составляют три домена: надмемранный, трансмембранный и подмембранный. Тирозинкиназный рецептор (ТКР) пронизывает всю мембрану, поэтому, благодаря реакции с ним, митогенный сигнал может внедриться в саму клетку, что происходит следующим образом: остаток фосфорной кислоты молекулы ростового фактора реагирует с первым остатком тирозина в цепочке в надмембранном домене, затем начинается последовательное автофосфорилирование по всей длине цепочки, и сигнал поступает из внеклеточного матрикса в мембрану клетки, из мембраны – в цитоплазму. Таким образом процесс автофосфорилирования заканчивается на последнем остатке тирозина в подмембранном домене [2, c. 118–120].

Далее митогенный сигнал должен преодолеть путь по цитоплазме к ядру клетки, что может осуществляться с помощью протоонкобелков Ras из семейства малых ГТФаз – ферментов-гидролаз, связывающих и гидролизующих гуанозинтрифосфат (ГТФ) в гуанозиндифосфат (ГДФ). Ras-белки в здоровых неделящихся клетках находятся в неактивном состоянии, прикрепленные липидными связями к плазматической мембране клетки, до тех пор, пока не появится сигнал для связывания в мультибелковый комплекс – фосфорилирование последнего остатка тирозина в молекуле ТКР. Мультибелковый комплекс в свою очередь является сигналом для следующего этапа переноса сигнала – активации митоген-активируемой протеинкиназы (mitogen-activated protein kinase, MAPK), в результате которой образовывается «каскад», состоящий из белковых структур [8]. Остаток фосфорный кислоты – все, что осталось от первоначального ростового фактора, и главная задача MAPK заключается в том, чтобы доставить этот остаток, все еще играющего роль митогенного сигнала, в ядро клетки посредством последовательного фосфорилирования молекул серина и треонина, содержащихся в цитоплазме.

Последним этапом переноса пролиферативного сигнала в здоровой клетке является активация белкового транскрипционного фактора activator-protein-1 (ТФ AP-1), осуществляющаяся передачей остатка фосфорной кислоты MAPK, в результате которой в этом факторе происходит фосфорилирование остатков молекул серина и треонина. Активированный ТФ AP-1 реагирует с генами, ответственными за вхождение клетки в период S интерфазы, благодаря чему продуцируются белки, которые участвуют в процессе репликации ДНК [2, c. 121–122].

Регуляция пролиферации в клетках злокачественной опухоли нехарактерна для нормальной, здоровой клетки. Клетка, подвергнувшаяся необратимому повреждению генома, выступает и в качестве источника сигналов роста, и в качестве того, кому эти сигналы адресованы – такая разновидность регуляции называется аутокринной. Клетка сама, практически независимо от соседок и секретов желез внутренней секреции, обеспечивает себя митогенными сигналами, благодаря которым она может делиться.

В злокачественных клетках значительно нарушаются все их основные функции, в том числе и экспрессия генов, поэтому количество их функциональных продуктов может как увеличиваться, так и уменьшаться – в зависимости от того, что для пораженной клетки будет выгоднее.

Также нормальный геном человека содержит в себе протоонкогены, кодирующие протоонкобелки. Такие гены кодируют здоровые белки, которые контролируют в клетке процесс деления. При повреждении протоонкогены могут стать онкогенами, и кодироваться ими будут не протоонкобелки, а онкобелки, которые, как правило, синтезируются в значительно большем количестве по сравнению с нормальными белками. Такими протоонкогенами являются ростовые факторы, мембранные рецепторы, Ras-белки, MAPK, ТФ AP-1 и другие белки, которые, при повреждении кодирующих их генов, становятся веществами, способствующими развитию нарушений в клетке и распространению по организму.

Также известно, что некоторые онкобелки могут создавать комплексы с мембранными рецепторами, улавливающими ростовые факторы, и повышать их чувствительность к митогенным сигналам, передавая их в клетку непрерывно. Иногда онкобелки сами выступают в роли фактора роста [4].

Одним из главных изменений в механизме пролиферативного цикла в клетках раковой опухоли является гиперэкспрессия рецепторов, реагирующих на сигнал роста, то есть излишний, нехарактерный для здоровой клетки синтез веществ. В данном случае примером может служить названный выше протоонкобелок ТКР, претерпевающий некоторые изменения в своей структуре после повреждения кодирующего его гена. Повышенная концентрация этого рецептора на границе клетки, а также ряд изменений в структуре и, возможно, соединенные с ним другие онкобелки служат для принятия ростовых факторов, которые находятся во внеклеточном матриксе в недостаточном количестве для начала подачи пролиферативного сигнала здоровой клетке. Повышенная чувствительность к ростовым факторам также проявляется и в том, что онкобелок ТКР способен воспринимать митогенные сигналы, посылаемые клеткой, в которой он находится [6].

Ras-белки, при повреждении кодируемых их генов, становятся более активными в отношении принятия и обработки митогенного сигнала в связи со структурными и количественными изменениями по сравнению с вариантом белка в здоровой клетке. Они сами также часто сами могут становиться сигналами для роста, что избавляет клетку от зависимости от сигналов, поступающих извне. Активность Ras-белков по отношению к передаче митогенного сигнала определяется также GAP-белком, который, связываясь с Ras, многократно (на несколько порядков) ускоряет реакции гидролиза ГТФ до ГДФ. Связанные с ГДФ Ras-белки (D-Ras) неактивны, с ГТФ (T-Ras) – активны. В поврежденной раком клетке снижается синтез GAP-белков, что уменьшает реакционную способность онкобелка Ras, из-за чего Ras связывается с ничем не гидролизуемым ГТФ, то есть находится в активном состоянии. Изменения в кодирующем гене также снижает активность Ras в процессе гидролиза им ГТФ. [1, c. 730–731]

Как и в здоровой клетке, сигналом для MAPK, который, как онкоген, претерпел некоторые изменения в структуре и количестве, является создание мультибелкового комплекс Ras c некоторыми веществами-эффекторами. Такими веществами являются, например, SOS – фактор, ответственный за замещение ГДФ на ГТФ, Raf-белки – сериновые и треониновые протеинкиназы. «Каскад» SOS-Ras-Raf-MAPK играет большую роль в передаче митогенного сигнала по цитоплазме как здоровой, так и патологической клетки [7]. Измененная структура и возросшее количество компонентов этого «каскада» в клетках злокачественной опухоли значительно увеличивает его производительность.

ТФ AP-1, состоящий из белков Fos и Jun семейств, которые выполняют важные функции в процессе дифференцировки и пролиферации, также несет изменения в своей структуре, в результате чего, после получения митогенного сигнала от «каскада», белки образуют димеры, присоединяющиеся к ДНК, и далее функционируют как транскрипционной фактор [1, c. 731].

Как в здоровой, так и в пораженной клетке есть множество путей переноса сигналов, которые могут отличаться друг от друга веществами, вовлеченными в процесс, количеством этапов, происходящими реакциями и другими факторами.

Механизм передачи митогенного сигнала в клетке злокачественной опухоли очень сложен, но его понимание крайне необходимо для дальнейшего изучения заболевания. С пониманием этих фундаментальных основ функционирования пораженной злокачественным процессом клетки человек сможет значительно продвинуться в борьбе с ним: разрабатывать новые, более эффективные лекарственные препараты, правильно подбирать курс лечения и избавляться от тяжелого заболевания на различных стадиях.