№ 8, 2000 г.
№ 8, 2000 г.
© Н.К. Янковский, А.В. БарановаМАШИНА ОБ ОДНОМ КОЛЕСЕ Н.К. Янковский, А.В. Баранова
Николай Казимирович Янковский, доктор биологических наук, профессор,
заведующий лабораторией анализа генома Института общей генетики им.Н.И.Вавилова РАН.
Анна Вячеславовна Баранова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 99-04-99305).Как возникает рак? Спросите любого студента-медика - и он расскажет вам, что иногда в организме появляются клетки, по каким-то причинам “выходящие из-под общего контроля”, они разрастаются, образуется опухоль, которая распространяется все шире и шире, давит на соседние ткани, а потому причиняет боль, отбирает питательные вещества и в конце концов дает метастазы, рассеивающиеся по удаленным органам. Картина безрадостная. Однако не следует предаваться преждевременной грусти - клеткам не так-то просто вырваться на свободу.
Существуют специальные механизмы, ограничивающие клеточный рост. Целый ряд генов кодирует белки, препятствующие развитию рака. Такие гены называются супрессорами (подавителями) опухолевого роста, или по старой терминологии - антионкогенами. Для того чтобы клетка взрослого организма “получила мандат на деление”, необходимы очень веские причины - к примеру, восстановление поврежденной ткани. Но защитные механизмы подвержены износу. Под воздействием естественной радиации и реагирующих с ДНК химических веществ или просто с течением времени в генах-супрессорах возникают мутации, нарушающие их нормальную работу.
У каждого человека (как, впрочем, и у каждой мыши, кузнечика и червяка) имеется двойной набор генов, полученный от матери и отца. Для того чтобы клетка вышла из-под контроля и начала безостановочно делиться, необходимы два независимых мутационных события в обеих копиях гена-супрессора. Вероятность такого несчастливого совпадения достаточно мала. Однако случается, что ребенок получает в наследство один из аллелей уже испорченным. Тогда для развития опухоли достаточно одного удара - и защитные механизмы будут сокрушены. Приблизительно в одном проценте случаев (а это не так уж мало, как кажется на первый взгляд) злокачественная опухоль, а точнее предрасположенность к ее возникновению, наследуется. Изучение ДНК пациентов с такими синдромами предрасположенности к определенным видам злокачественных опухолей помогает разобраться, почему возникает рак, как функционируют супрессоры опухолевого роста и какие методы борьбы с раком наиболее перспективны [1].
Рассмотрим действие гена-супрессора опухолевого роста на примере хорошо изученного онкологического заболевания ретинобластомы - детской опухоли, развивающейся на глазной сетчатке и достаточно легко поддающейся лечению. Ретинобластома возникает в результате мутации обеих копий гена-супрессора Rb1 (от англ. retinoblastoma). Даже при наличии двух мутаций вероятность развития опухоли составляет 90%, а 10% носителей поврежденных генов остаются совершенно здоровыми - считается, что их защищают какие-то невыясненные факторы среды. Кроме семейных случаев, когда один мутантный аллель получен от кого-то из родителей, а второй испортился “по ходу дела”, описаны и редкие ненаследственные, при которых обе мутации появились независимо одна от другой в течение жизни пациента. Однако для потомков человека, перенесшего ретинобластому, вероятность развития этого заболевания гораздо выше, чем средняя величина риска в человеческой популяции. Более того, у наследников из “ретинобластомных” семей нередко поражаются оба глаза, и каждая опухоль развивается независимо в течение жизни.
Как же неповрежденный ретинобластомный ген сдерживает возникновение опухоли? Он кодирует белок RB1, присутствующий в каждой клетке на протяжении всего клеточного цикла - и во время деления, и во время подготовки к нему. Клеточный цикл - это нормальный образ жизни клетки, от деления к делению. Однажды разогнавшись, колесо клеточного деления катится, умножая количество клеток в геометрической прогрессии. Однако лишь малая часть клеток нашего организма - так называемые стволовые клетки крови, да клетки нижнего слоя постоянно отшелушивающегося эпидермиса - делится непрерывно. Большинство клеток спокойно сидит на своих местах и исправно функционирует. Происходит это потому, что небольшие белки, отвечающие за переход клетки к делению, надежно скреплены со сторожевым белком RB1. Если организму понадобится, чтобы данная клетка перешла от покоя к делению, RB1 получит сигнал (присоединение к белку RB1 нескольких остатков фосфорной кислоты) к высвобождению связанных с ним белков, а они в свою очередь запустят деление клетки. Похоже на пружину механических часов, прижатую стопором. Стопор отпущен - пружина начинает раскручиваться. RB1 всегда наготове: как только процесс деления закончится, этот белок опять возьмет ситуацию под контроль, и клетка перейдет в состояние покоя.
Что же произойдет, если RB1 по тем или иным причинам выйдет из строя? Ответ понятен. Ничем не сдерживаемые белки, ответственные за деление, разгонят клетку на постоянное и быстрое удваивание, масса “сумасшедших” клеток будет расти, образуется злокачественная опухоль.
К настоящему времени известно около 20 генов, ответственных за торможение деления клетки на различных его этапах и в разных тканях. Эти гены называют “хранителями клеточного цикла”. Повреждение каждого из таких генов-супрессоров приводит к развитию конкретных разновидностей рака, а также к соответствующему наследственному синдрому предрасположенности к этим типам опухолей.
Однако не все так просто. В соответствии с принятой в настоящее время теорией, формирование злокачественной опухоли является кульминацией достаточно длительного, многошагового процесса. Опухоль не сразу становится агрессивной, заболевание развивается постепенно. Сначала безобидный полип на стенке кишечника; затем небольшая опухоль, окруженная капсулой и ничем не беспокоящая своего хозяина; потом - легкое недомогание и последующая диагностика заболевания; несколько курсов лечения, в результате которых опухоль то отступает, то разрастается снова; наконец, метастазы, устойчивые к действию лекарственных препаратов.
Нередко для полного развития опухоли требуется шесть и более независимых мутационных событий, нарушающих функцию различных клеточных генов-супрессоров. Исходя из достаточно низкой частоты мутаций в соматических клетках, трудно представить, что так много мутантных генов может возникнуть у представителей одной и той же клеточной линии за время человеческой жизни. Образование опухоли значительно облегчается, если ДНК предзлокачественных клеток по тем или иным причинам становятся в большей степени подверженными мутациям, чем ДНК нормальных клеток. Однажды закрепившийся ускоренный мутагенез подстегивает пошаговое развитие опухоли.
Существуют также гены, снижающие скорость появления мутаций (их называют генами “общего контроля”). Делают они это по-разному: одни исправляют уже возникшие ошибки, ремонтируя поврежденные участки ДНК, другие участвуют в организации контрольной проверки ДНК перед новым делением. Если ДНК клетки повреждена, эти гены выполняют функцию “санитаров леса”, выбраковывая клетку, несущую мутантные гены. Когда ДНК клетки повреждена столь сильно, что надежды на качественную починку уже не осталось, белок, кодируемый геном р53, запускает внутриклеточный каскад реакций, приводящий к добровольной клеточной смерти - апоптозу. Дефектная клетка совершает самоубийство, переваривая саму себя. Тысячи клеток нашего организма подвержены апоптозу каждый день - но мы не чувствуем этого, потому что поврежденные клетки исчезают незаметно, безо всяких признаков воспаления. Тем самым организм защищается от возможного развития опухоли, состоящей из потомков дефектной клетки.
Нетрудно догадаться, что гены “общего контроля” также служат супрессорами опухолевого роста. Повреждение обеих копий гена “общего контроля” ускоряет закрепление мутаций, а значит, увеличивается их доля, приходящаяся на гены-“хранители клеточного цикла”, и в конце концов возникает опухоль.
Из сказанного ясно, что при семейной предрасположенности к некоторым видам рака унаследованная от родителей мутация находится в одной из копий гена “общего контроля”. Для инициации опухолевого процесса требуется дополнительная мутация второго аллеля того же гена, а также выключение обоих аллелей какого-либо гена “хранителя клеточного цикла”. Следовательно, для развития опухоли в случае семейной предрасположенности такого типа необходимы три независимых мутационных события. Именно поэтому риск появления опухоли для носителей наследственной мутации гена “общего контроля” повышен всего в 5-50 раз, что по крайней мере в 10 раз меньше, чем риск для носителя поврежденного аллеля гена “хранителя клеточного цикла”. Ненаследственные опухоли, обусловленные мутациями генов “общего контроля”, встречаются крайне редко, поскольку для их образования и развития необходимы четыре независимых мутационных события.
Рассмотрим, к чему приводит нарушение генов “общего контроля” на примере четырех генов, повреждения которых вызывают наследуемый неполипозный рак кишечника. Такой диагноз ставится в 10-15% всех случаев опухолей толстой и прямой кишки. Чаще всего наследуемый неполипозный рак возникает у относительно молодых пациентов. При лабораторном исследовании опухоли одновременно наблюдается множество генетических изменений, затрагивающих и сами кодирующие участки - гены, и некодирующие повторяющиеся области ДНК. Такое явление называют RER-фенотипом. Налицо все признаки ускоренного закрепления мутаций, поскольку система “вылавливания” ошибок дает сбой. Каждый из четырех генов, ответственных за возникновение наследственного неполипозного рака кишечника, необходим для проверки и последующего исправления ошибок при удвоении ДНК во время деления клетки. Один из белков, производимых этими генами, распознает ошибку, другой - вырезает поврежденный участок и т.д. Каждый из генов необходим на своем месте, потеря любого приведет к порче системы, ремонтирующей ДНК.
А может ли опасный в плане развития опухолей RER-фенотип возникнуть сам по себе, без поломки генов, ответственных за устранение ошибок в ДНК? Да, может. Это происходит, к примеру, в тканях, подвергающихся воздействию таких природных канцерогенов, как гидроксид радикал (ОН·) и пероксид водорода, которые образуются в ходе нормальных биохимических реакций. RER-фенотип нередко встречается при нераковом остром панкреатите - заболевании поджелудочной железы. В этом случае система исправления ошибок в ДНК не справляется с высоким содержанием вызывающих мутации свободных радикалов, что и приводит к повреждению генов-“хранителей клеточного цикла” и последующему образованию злокачественной опухоли. Так, на фоне неракового острого панкреатита может развиться аденокарцинома поджелудочной железы.
Подлинные причины возникновения той или иной разновидности рака изучают вовсе не в погоне за бесполезной информацией и не ради чисто научного интереса. Знание особенностей работы генов-супрессоров опухолевого роста позволяет искать пути восстановления функции этих генов в опухолевой ткани, а значит, и естественные методы лечения злокачественных заболеваний. Обнадеживающие результаты в этой области уже получены - и не только на искусственно культивируемых клеточных линиях, мышах и крысах, но и в клинике.
Так, уже упоминавшийся ген “общего контроля” р53 тем или иным образом поврежден в 50% всех возникающих у человека опухолей, независимо от их происхождения. Когда этот ген - “защитник последней линии” - сдается, опухоль становится намного агрессивнее, начинается быстрый рост, появляются метастазы. Около восьми лет назад в Андерсоновском центре исследования рака начались работы по созданию искусственных конструкций, предназначенных для доставки в опухолевые клетки рака легких нормальной копии гена р53. Конструкции были сделаны на основе ретро-, а затем и аденовирусов. Однако такие вирусные образования нельзя систематически вводить в кровяное русло, поскольку иммунная система человека распознает их и уничтожит как чужеродное вещество. Другими словами, врачам придется инъецировать лекарство прямо в опухоль, что не позволит бороться с еще не распознанными метастазами. Тем не менее тесты на животных показали, что после таких инъекций опухоль уменьшается в размерах, она как бы съеживается, а значит, меньше давит на ткани, и зловещие симптомы отступают [2].
Компания “Интроджин Терапевтикс” использовала эти вирусные конструкции для клинических испытаний на пациентах, больных раком легких, а также чешуйчатоклеточной карциномой головы и шеи. Другая корпорация, “Шеринг-Плау”, тоже проводила подобные клинические испытания. Исследователи комментируют результаты весьма сдержанно, хотя достоверно показано, что по крайней мере некоторые из обработанных опухолей остановили свой рост или даже сократились в размере. Никаких побочных эффектов от применения препарата ни в одном случае не обнаружили.
Интересный подход применили исследователи инновационной компании “Оникс Фармацевтикал”. Они тоже использовали аденовирусы человека, но несколько иным образом. Известно, что при заражении клетки аденовирусы с помощью специального механизма выключают ген р53, одна из функций которого - подавлять размножение этого вируса. Ученые создали дефектный аденовирус, не способный выключать ген-супрессор. Этот вирус не может размножаться в нормальных тканях, зато избирательно поражает опухолевые клетки, в которых р53 не функционирует, и убивает их. Дефектный аденовирус ввели прямо в опухоль 32 больным карциномой головы и шеи. У 12 пациентов размер опухоли резко уменьшился, в некоторых случаях на 90%. Действие нового препарата на другие виды злокачественных новообразований широко изучается.
Как известно, чем раньше поставлен диагноз, чем раньше начата терапия злокачественного заболевания, тем больше шансов достичь успеха. В настоящее время общий диагноз “рак” ни в коем случае нельзя назвать окончательным приговором. Все зависит от тканевого типа возникшей опухоли, вовремя и правильно подобранного лечения и активной позиции самого пациента. В этой ситуации огромное значение приобретает сверхранняя диагностика, выявляющая новообразование на стадии, когда оно еще не причиняет никаких неприятностей и не успело распространиться за пределы очага возникновения. Современные методы позволили разработать системы тестирования мутаций в ДНК пациента. Такая процедура генетического тестирования пока не может охватить все население земного шара, да это и не нужно. Но она уже давно используется для обследования семей, в которых на протяжении нескольких поколений наблюдаются одни и те же, достаточно редкие, разновидности рака - ретинобластома, полипоз кишечника, множественные опухоли эндокринного происхождения.
Генетическое тестирование дает точный ответ на вопрос, унаследовал ли данный потомок мутантную копию гена-супрессора и какова вероятность развития данного вида опухоли. Но это всего лишь вероятность. Пусть она равна 50 или даже 90% (хотя такие высокие цифры встречаются в тестовых отчетах далеко не каждый раз), всегда остается шанс для проявления неких (пока неизвестных) средовых, а может, и генетических факторов, предохраняющих данного индивидуума от рокового диагноза. Другими словами, заведомый носитель мутантного аллеля узнает о возможной передаче “больного” гена потомству и получает рекомендацию регулярно проходить обследование у соответствующего специалиста. К примеру, человеку, унаследовавшему мутацию одной из копий гена-супрессора АРС, а значит и предрасположенность к развитию семейного полипоза кишечника, начиная с 25-летнего возраста необходимо один раз в год делать эндоскопию кишечника. В этом случае обнаруженные полипы немедленно удаляются, они не успевают приобрести злокачественный характер, а значит, риск развития наследственного рака для данного индивидуума сведется практически к нулю.
С некоторыми оговорками генетическое тестирование можно рекомендовать для семей с документально подтвержденной историей неоднократного возникновения в ряду поколений рака молочной железы и яичников. Предрасположенность к этим достаточно распространенным заболеваниям создают мутации генов-супрессоров BRCA1 и BRCA2. Обычно средний риск развития рака молочной железы либо яичников к 70 годам составляет 7%. Это значит, что у 7% женщин, доживших до такого преклонного возраста, регистрируются данные разновидности рака. Для женщин-носительниц мутантного аллеля эта вероятность к тем же 70 годам составляет 80%. Но если в семье зарегистрировано несколько случаев рака молочной железы, это еще не значит, что мутация присутствует в генах каждого ее члена. Тестирование прояснит ситуацию и либо навсегда избавит от необоснованных страхов, либо укажет на необходимость с определенного возраста использовать специальное профилактическое средство (тамоксифен), снижающее вероятность развития рака этих типов [3].
Существует еще одна, относительно новая, область применения знаний о выключении определенных генов-супрессоров опухолевого роста в процессе развития рака. Дело в том, что при хирургическом лечении рака единственную гарантию положительного результата обеспечивает лишь полное удаление всех пораженных участков. К сожалению, зачастую не так-то легко определить, затронут ли опухолью данный участок органа или здоров. Вероятность ошибки велика, а цена ее - огромна. В то же самое время многие органы нельзя удалять целиком - хирургическое вмешательство желательно ограничить. На выручку приходит сама мутация, испортившая ген-супрессор. Она служит прекрасным маркером присутствия опухолевых клеток. В хороших западных клиниках уже проводятся операции “под молекулярным контролем”. Выглядит это примерно так: видимая невооруженным глазом опухолевая ткань удаляется полностью, а по окружности через каждые несколько миллиметров берутся микроскопические пробы, которые с помощью молекулярно-генетических экспресс-методов исследуются в расположенной рядом лаборатории. Если какие-то опухолевые отростки оказались пропущенными при первом прикосновении скальпеля, их удаляют через два часа после анализа. Средняя продолжительность жизни пациентов после “контролируемой” операции значительно выше, чем у оперированных обычным образом. А главное - не так уж редки случаи, когда операция, сделанная на ранней стадии заболевания, приводит к полному излечению.Вероятность развития рака молочной железы или яичников для женщин разного возраста. Сплошная кривая - мутации гена BRCA1 не обнаружено; штриховая - рак молочной железы у нескольких близких родственников (тестирование не проводилось), пунктирная - унаследована мутация гена BRCA1.Еще раз напомним: семейные случаи заболевания раком составляют всего лишь несколько процентов от всех пациентов онкологических клиник. С одной стороны, это хорошо - не так уже много людей с замирающим сердцем следят за своей молекулярной судьбой. Но посмотрим на проблему с другой стороны - пациенты, осведомленные о риске развития опухоли конкретного типа, заботятся о своем здоровье, а значит, менее подвержены “обычным” - но не менее опасным - заболеваниям, которые сваливаются на прочих граждан как снег на голову. Кроме того, семейные случаи злокачественных заболеваний однородны по составу мутаций, повреждающих гены-супрессоры, поэтому легко поддаются ранней диагностике и даже профилактическому лечению. А вот спорадические опухоли, развивающиеся под действием факторов окружающей среды, изменчивые по своей природе, не так просто обнаружить. Для большинства таких опухолей не найдено никакого генетического изменения, однозначно указывающего на то, что процесс злокачественного роста уже запущен. Некоторые распространенные разновидности онкозаболеваний - к примеру, рак легких у курильщиков - вообще не имеют специфичного гена-супрессора. К появлению опухоли в этом случае приводит целый ряд генетических изменений, ни одно из которых не встречается у других больных. Генетическая сложность не позволяет провести ни раннюю диагностику, ни подобрать специфическое лечение. Потому-то рак легких и остается одним из самых опасных злокачественных заболеваний.
Где же выход? Глобальная тенденция развития современной медицины - разделить каждое заболевание на более мелкие типы и подтипы, варианты и субварианты, различающиеся клинической картиной. В соответствии с научными прогнозами, логическим развитием этой парадигмы станет концепция: “Один больной - одна болезнь”. Следовательно, лечение будет строго индивидуальным, т.е. высокоспецифическим. Главным препятствием на пути создания индивидуальной медицины всегда было время, которое необходимо потратить на полное описание заболевания, выяснение его молекулярных основ и создание лекарственного препарата, попадающего точно в цель. Индивидуальная медицина требует столь же тщательного изучения состояния конкретного больного, а это много лет работы для крупной молекулярно-генетической лаборатории мирового класса.
Но выход есть - ученые уже нащупали к нему дорогу. В настоящее время разрабатываются биологические чипы, на поверхности которых находятся тысячи микроскопических площадок, каждая из которых содержит конкретные участки ДНК человеческих генов. Такие чипы позволят одновременно провести тысячи анализов и выполнить исследовательскую работу по каждому заболеванию не за годы, а за неделю. Немаловажно, что все анализы будут сделаны в одном и том же образце ткани, т.е. достоверность полученных результатов увеличится. Работы по созданию биочипов начаты и в России. До наступления эры индивидуальной медицины осталось не так уж много времени! Пройдет 20-30 лет, и подробное молекулярное описание каждой опухоли превратится в рутинную процедуру. Тогда во много раз возрастет эффективность лечения. Вот поэтому-то во всем мире и тратится столько усилий на подробное описание генов, участвующих в развитии опухолей [4].
Итак, рак - заболевание с наследственной компонентой. Но это не значит, что заболеет каждый, у кого имеется родственник, пораженный той или иной злокачественной опухолью. Стоит помнить о том, что на страже здоровья стоит целый ряд генов-супрессоров опухолевого роста. Они препятствуют неконтролируемому клеточному делению, исправляют возникшие в ДНК ошибки и направляют сильно поврежденные клетки на путь апоптоза - запрограммированной клеточной смерти. Изучение этих генов помогает понять причины возникновения рака и искать новые методы борьбы с ним. Сегодня в этой области сделано немало, но работы еще непочатый край. Разработка методов клинического восстановления нормальной функции поврежденных генов-супрессоров опухолевого роста - одно из наиболее перспективных направлений биологии рака.
ЛИТЕРАТУРА 1 Баранова А.В., Янковский Н.К. // Молекуляр. биология. 1998. Т.32. №2. С.206-218.
2 Gomez-Navarro J., Curiel D.T., Douglas J.T. // Eur. J. Cancer. 1999. V.35. №14. P.2039-2057.
3 Sakorafas G.H., Tsiotou A.G. // Br. J. Surg. 2000. V.87. №2. P.149-162.
 Июль 2000 |
