Копнин Б.П.
ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России, Москва
Злокачественные новообразования возникают в результате неограниченной пролиферации клеточного клона, выходящего за пределы собственной ткани и способного к росту на территориях других тканей. 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, что описывается термином "опухолевая прогрессия". В результате довольно длительной эволюции первичного неопластического клона формируется опухоль, способная убить организм. В последнее время достигнут значительный прогресс как в идентификации генов, нарушение функции которых ведет к развитию новообразований, так и в выяснении роли белковых продуктов таких генов в физиологии клетки. Все это позволило выделить ряд важнейших свойств, приобретение которых предопределяет способность клетки образовывать злокачественную опухоль.
Способность генерировать внутри себя пролиферативные сигналы, обеспечивающие постоянную инициацию новых митотических циклов. Это важнейшее, основополагающее свойство неопластических клеток, лежащее в основе их способности образовывать неуклонно размножающуюся дополнительную ткань, т.е. опухоль. На всех этапах существования организма (эмбриогенез, постнатальное развитие и поддержание тканей сформированных органов) размножение составляющих его клеток находится под строгим контролем. Процессы деления и дифференцировки стволовых клеток и их потомков регулируются различными внешними сигналами: разнообразными растворимыми факторами (в первую очередь, цитокинами и, кроме того, в некоторых типах клеток гормонами), а также взаимодействием клеток друг с другом и с белками окружающего их внеклеточного матрикса. Опухоли возникают вследствие нарушений такой регуляции в недифференцированных потомках стволовых клеток, обеспечивающих естественный процесс обновления тканей. В результате образуются т.н. «стволовые клетки опухолей», способные к постоянному вступлению в новые акты клеточного деления даже при отсутствии внешних стимулов, в норме инициирующих пролиферацию. Это является следствием генетических изменений, вызывающих либо секрецию необходимых факторов роста самими неопластическими клетками, либо резкое увеличение количества рецепторов для необходимых факторов роста, либо, что наблюдается чаще всего, запуск в отсутствие ростового фактора каскада событий, обычно инициируемого связыванием ростового фактора со своим рецептором. Последний из перечисленных путей приобретения пониженной зависимости от внешних факторов достигается мутациями, приводящими к перманентной активации компонентов передачи митогенного сигнала. В результате вне зависимости от того, присутствуют ли специфические цитокины и активируют ли они соответствующие рецепторы, происходит активация циклинзависимых киназ, ответственных за выход клетки из состояния покоя (G0) и постоянную стимуляцию в ней новых раундов репликации ДНК и митотического деления. К таким последствиям приводят структурные изменения рецепторных тирозинкиназ, активирующие мутации генов семейства RAS, β-катенина; гиперэкспрессия транскрипционных факторов семейства Мус; амплификация генов циклинзависимых киназ; и многие другие генетические нарушения.
Нечувствительность к рост-супрессирующим сигналам, в норме ограничивающим избыточное размножение клеток или пролиферацию в неблагоприятных условиях. В организме существуют множество антипролиферативных сигналов, поддерживающих определенное число клеток в каждой из тканей и предотвращающих размножение аномальных клеток. Они генерируются как нормальными физиологическими факторами (рост-ингибирующие цитокины – TGF-β и др., взаимодействия клеток с внеклеточным матриксом и друг с другом и т.д.), так и неблагоприятными условиями окружающей среды и/или внутриклеточными повреждениями (гипоксия, разрывы ДНК и т.д.). Действие большинства антипролиферативных сигналов основано на активации ингибиторов циклинзависимых киназ семейств Ink4 и Cip/Kip, приводящей к остановке клеточного цикла. В зависимости от типа воздействия и распознающих его молекул наблюдается остановка клеточного цикла в G1, S, G2 фазах или в митозе.
Неопластические клетки, как правило, значительно менее чувствительны к действию различных рост-ингибирующих факторов. Классическим примером здесь может являться отсутствие у них так называемого контактного торможения размножения. Большинство типов нормальных клеток размножаются до тех пор, пока не установятся плотные межклеточные контакты. В отличие от них, неопластические клетки при контактировании друг с другом не останавливают свою пролиферацию, а продолжают делиться и образовывать очаги многослойного роста. Кроме того, во многих опухолевых клетках не происходит остановки клеточного цикла при исчезновении контактов интегринов с внеклеточным матриксом или действии цитокина TGF-β. В неопластических клетках частично инактивированы также системы остановки пролиферации при неблагоприятных условиях – недостатке пула нуклеотидов, гипоксии и т.д. Особое значение для опухолевой прогрессии имеет развитие невосприимчивости к программам/сигналам, ограничивающим число клеточных делений – т.н. иммортализация или приобретение бессмертия.
В основе нечувствительности неопластических клеток к различным рост-ингибирующим сигналам могут лежать разные механизмы. Часто она возникает в результате подавления активности белков семейств Ink4 и Cip/Kip. Так, характерные для многих типов опухолей мутации или эпигенетическая инактивация 16Ink4a ослабляют контактное торможение размножения клеток и отменяют репликативное старение, т.е. ограничение числа возможных клеточных делений. Инактивация другого представителя белков Ink4 – р15Ink4b – вызывает понижение чувствительности к антипролиферативному действию цитокина TGF-β. К сходным последствиям ведет и инактивация белка pRb.
Нечувствительность к сигналам, ограничивающим размножение клеток при неблагоприятных условиях микроокружения (гипоксия и др.) и/или различных внутриклеточных повреждениях, обеспечивается дисфункцией белка р53, приводящей к отмене вызываемого стрессами ингибирования циклин-зависимых киназ. Приспособление к гипоксии, кроме того, связано с переходом на анаэробный путь дыхания, индуцируемым как инактивацией р53, так и повышением активности транскрипционного фактора HIF-1.
Отмена репликативного старения связана не только с инактивацией 16Ink4a, но и с повышением активности теломеразы, обладающей способностью достраивать концевые участки хромосом и предотвращать, таким образом, остановку клеточного деления, вызываемого укорочением теломер. Недавно выяснилось, что у теломеразы есть и другая важная функция, не связанная с синтезом теломерных повторов ДНК – стимуляция пролиферации стволовых и незрелых эпителиальных клеток. Существенную роль в отмене обоих механизмов репликативного старения могут играть изменения активности транскрипционного фактора Bmil, который, с одной стороны, подавляет активность ингибиторов циклинзависимых киназ, а с другой стороны повышает экспрессию гена каталитической субъединицы теломеразы. Увеличение активности теломеразы индуцируется также рядом характерных для опухолевых клеток человека изменений: гиперэкспрессией Мус, инактивацией р53, присутствием онкобелка Е6 вирусов папиллом человека и др.
Подавление программируемой смерти клеток. Важнейшим свойством неопластических клеток является их повышенная жизнеспособность, возникающая вследствие ингибирования апоптоза и аутофагии. Апоптоз – основанная на активации каспаз программа самоубийства клеток, посредством которой в организме поддерживается необходимое число клеток и, кроме того, предотвращается накопление аномальных вариантов. Подавление апоптоза резко повышает жизнеспособность неопластической клетки, делает ее менее чувствительной к неблагоприятным условиям микроокружения, факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям.
Дли опухолевых клеток характерны генетические изменения, ведущие к ослаблению различных путей индукции апоптоза. Так, в них закономерно обнаруживаются: потеря экспрессии на поверхности клетки рецептора смерти Fas; нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям в результате инактивации р53, PTEN и др.; ингибирование проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С и AIF вследствие изменений экспрессии белков семейства Вс12; инактивация каспаз ввиду их связывания с белками IAP, экспрессия которых повышается вследствие мутаций Ras, PTEN и др.
В некоторых типах опухолевых клеток наблюдается подавление и другого способа программируемой смерти – аутофагии – программы лизосомальной деградации белков. В частности, это характерно для раковых клеток молочной железы, яичника и простаты, в которых ингибирование аутофагии связано с делецией одного из генных аллелей Beclin1, белковый продукт которого играет ключевую роль в образовании аутофагосом.
Реорганизация цитоскелета и контактных структур, детерминирующая повышенную двигательную активность клеток – основу опухолевой инвазии. "Асоциальное" поведение злокачественных клеток ряда гистогенетических типов выражается, в первую очередь, в инвазивном росте, т.е. в прогрессирующем проникновении в окружающие здоровые ткани. Инвазия детерминирована не только неконтролируемым размножением, но и нарушениями морфогенетических реакций, приводящими к изменениям морфологии и подвижности неопластических клеток. В основе таких нарушений лежат связанные между собой изменения актинового цитоскелета, адгезионных взаимодействий клеток друг с другом и с внеклеточным матриксом, приводящие к увеличению активности псевдоподий и, как следствие, повышению подвижности клеток. Другим важным фактором инвазии опухолевых клеток является их способность продуцировать протеолитические энзимы, которые, во-первых, разрушают окружающий внеклеточный матрикс (базальную мембрану эпителиальных органов и т.д.), создавая тем самым "дороги" для миграции клеток, а, во-вторых, обеспечивают конверсию неактивных форм мотогенных цитокинов, депонированных на матриксе, в активные формы, стимулирующие миграцию клеток.
Как правило, "локомоторный" фенотип неопластических клеток возникает в результате генетических изменений компонентов сигнальных сетей, которые в норме обеспечивают временное приобретение клетками повышенной миграционной способности (такие программы, в частности "эпителиально-мезенхимальный переход" клеток эпителия, характерны для эмбрионального развития). Часто в основе возникновения локомоторного фенотипа лежат те же самые изменения, которые вызывают перманентную стимуляцию пролиферации. Дело в том, что верхние и средние этажи сигнальных путей, активируемых цитокинами, регулируют не только размножение, но и движение клеток. Поэтому многие из цитокинов являются одновременно и митогенами, и мотогенами. Активация белков семейства Ras и PI3K, находящихся на пересечении сигнальных путей от многих рецепторов, ведет к повышению активности как МАР-киназ и циклинзависимых киназ – ключевых регуляторов клеточного цикла, так и малых ГТФ-аз семейства Rho, играющих центральную роль в контроле полимеризации актина, реорганизации цитоскелета и регуляции движения клеток. Кроме того, вызываемые МАР-киназными каскадами, активированными белками Rho и STAT изменения активности большого набора транскрипционных факторов, приводят одновременно к повышению синтеза различных протеаз и подавлению транскрипции гена Е-кадгерина, что обусловливает разрушение межклеточных контактов. В результате в дополнение к пролиферации стимулируется миграция клеток.
Блокирование специфической дифференцировки клеток. Для многих опухолевых клеток характерны нарушения дифференцировки, т.е. образования специализированных типов клеток, синтезирующих набор определенных белков. Особенно ярко это проявляется при острых лейкозах, при которых клетки оказываются как бы замороженными на той или иной стадии созревания. Следует заметить, однако, что это свойство не является универсальным, и в некоторых типах новообразований (хронический миелоидный лейкоз, плоскоклеточный ороговевающий рак кожи и др.) наблюдается сохранение способности к дифференцировке. При этом в ходе опухолевой прогрессии в клетках высокодифференцированных новообразований могут возникать дополнительные генетические изменения, приводящие к потере способности клеток дифференцироваться или синтезировать отдельные белки дифференцировочного репертуара, в особенности тех, отсутствие которых придает клеткам селективные преимущества. В частности, при развитии многих эпителиальных опухолей закономерно утрачивается экспрессия Е-кадгерина, что способствует эпителиально-мезенхимальному переходу, обеспечивающему инвазивный рост.
В опухолевых клетках могут быть нарушены самые разные компоненты сигнальных путей, ответственных за выполнение различных дифференцировочных программ. Так, развитие острых лейкозов связано с блокированием дальнейшей дифференцировки ранних гемопоэтических клеток-предшественников, происходящим вследствие перестроек генов рецепторов цитокинов (c-Kit, Flt3), сенсоров позиционных сигналов от других клеток (Notch 1) и транскрипционных факторов, ответственных за миелоидную (AML1, RARα, c-EBPα, GATA1) или другие типы дифференцировки.
Индукция изменений микроокружения, обеспечивающих кровоснабжение опухолей и стимуляцию их роста и инвазии. К характерным свойствам неопластических клеток относится также их способность воздействовать на окружающие клетки нормальных тканей и вызывать в них ряд реакций, способствующих прогрессивному росту опухолей. Важнейшей из таких реакций является образование новых кровеносных сосудов. Это необходимое условие для дальнейшего роста опухолевого узелка, достигшего в диаметре 2–4 мм (иначе клетки в центре опухоли, не получая кислород и питательные вещества, будут погибать). Стимуляция ангиогенеза – ветвления уже имеющихся в окружающих тканях мелких сосудов и прорастания их в опухоль – вызывается увеличением содержания в микроокружении специфических ангиогенных цитокинов, которые секретируются неопластическими клетками и стимулируют размножение и миграцию (построение трубчатых структур) эндотелиальных клеток. Ключевая роль в этом процессе принадлежит VEGF и ангиопоэтину-2а, также bFGF, PLGF, PD-EGF и некоторым другим митогенным/мотогенным цитокинам. Кроме того, росту новых сосудов способствует уменьшение содержания в микроокружении белков-ингибиторов ангиогенеза, таких как тромбоспондин-1, ангиостатин и эндостатин, а также секреция опухолевыми клетками протеаз, разрушающих внеклеточный матрикс, что необходимо для прорастания новых сосудов. Увеличение содержания VEGF в опухолевых клетках может быть обусловлено различными факторами: гипоксией, которая вызывает активацию транскрипционного фактора HIF-1, повышающего транскрипцию гена VEGF; повышением внутриклеточного уровня активных форм кислорода, что также активирует сигнальный путь HIF-1/VEGF; активацией функции белка Ras, который увеличивает активность транскрипционных факторов АР-1 и HIF1, осуществляющих позитивную регуляцию гена VEGF; инактивацией р53, репрессирующего ген VEGF и др.
Наряду с классическими сосудами, в опухолях могут формироваться т.н. «мозаичные сосуды», частично состоящие из нормальных эндотелиальных клеток, а частично – из опухолевых клеток. Более того, для некоторых опухолей, в частности для меланом, характерно образование сети кровоснабжающих трубчатых структур, полностью состоящих из опухолевых клеток – т.н. васкулогенная мимикрия неопластических клеток. Приобретение способности формировать такие структуры связано с активацией экспрессии в опухолевых клетках ряда белков эндотелиальной дифференцировки – VE-кадгерина, VEGFR2, CD34 и др.
Другим важным воздействием неопластических клеток на микроокружение является индукция конверсии стромальных фибробластов в миофибробласты, которые, секретируя определенный набор цитокинов и протеаз, стимулируют инвазивный рост опухолей. Транс-дифференцировака фибробластов в миофибробласты индуцируется TGFb, продуцируемым неопластическими клетками. Еще одной характерной модификацией микроокружения является привлечение в опухоль макрофагов и других клеток воспаления. Это связано с активацией в неопластических клетках ряда сигнальных путей, в частности, регулируемых белками Ras и NFkB, стимулирующих продукцию провоспалительных цитокинов (IL1, IL6, IL8). Предполагается, что присутствие клеток воспаления ускоряет опухолевую прогрессию за счет секреции ими цитокинов, стимулирующих размножение неопластических клеток, ангиогенез и образование миофибробластов, продукции металлопротеаз, а также повышения содержания активных форм кислорода и азота, индуцирующих мутагенез.
Метастазирование. Метастазирование – образование вторичных очагов опухолевого роста – наиболее опасное проявление прогрессии большинства форм опухолей. Чтобы дать метастаз, клетка должна приобрести ряд свойств: умение проникать в глубину окружающих нормальных тканей, в т.ч. в кровеносные или лимфатические сосуды, способность выживать после попадания в сосуды, а затем выходить из них и размножаться в несвойственном для данного типа клеток микроокружении, давая новый очаг опухолевого роста. Таким образом, способность к метастазированию складывается из комплекса более простых признаков, таких как приобретение локомоторного фенотипа, способности стимулировать образование новых сосудов, создавая тем самым пути эвакуации опухолевых клеток из первичного очага; возникновения независимости от субстрата, подавления апоптоза и т.д. Появление каждого из этих свойств увеличивает метастатический потенциал клетки.
Важным достижением в понимании механизмов метастазирования стала концепция о предварительном формировании в отдаленных органах «ниш», привлекающих опухолевые клетки и стимулирующих размножение образующихся метастазов. Предполагается, что образование таких ниш детерминировано секрецией клетками первичной опухоли определенных цитокинов и хемокинов (плацентарный ростовой фактор, VEGF и др.), что вызывает ряд реакций в тканях некоторых отдаленных органов, приводящих, в частности, к оседанию в них VEGFR1-позитивных гемопоэтических клеток, которые, продуцируя специфический набор адгезионных молекул, протеаз и т.д. (интегрин α4β1, MMP9 и др.), привлекают опухолевые клетки и стимулируют их дальнейшее размножение.
Нестабильность генома неопластических клеток. Канцерогенез – многоступенчатый процесс накопления мутаций, детерминирующих возникновение вышеуказанных свойств. Вероятность возникновения в одной клетке нескольких генетических изменений, способствующих развитию из нее злокачественной опухоли, резко повышается при нарушениях работы систем, поддерживающих целостность генома. Поэтому мутации, ведущие к генетической нестабильности (т.е. увеличению вероятности возникновения и закрепления в ряду клеточных поколений разнообразных изменений генома) являются неотъемлемым этапом онкогенеза, обеспечивающим неуклонную прогрессию опухолей. Произошедшие в половой клетке инактивирующие мутации генов, продукты которых участвуют в контроле целостности генома, приводят к наследственным синдромам, характеризующимся нестабильностью генома всех клеток организма или клеток отдельных тканей и, как следствие, повышенной вероятностью их злокачественной трансформации и развития опухолей. В основе генетической нестабильности опухолевых клеток лежит 3 типа нарушений: 1) увеличение внутриклеточного уровня активных форм кислорода (АФК) и других эндогенных мутагенов; 2) понижение точности репликации ДНК и сегрегации хромосом во время митоза; 3) нарушения реакции клеток на изменения структуры ДНК или повреждения митотического аппарата (аномалии систем репарации ДНК; инактивация чекпойнтов клеточного цикла, предотвращающих остановку пролиферации аномальных клеток и подавление апоптоза, элиминирующего поврежденные клетки из организма).
Повышенная изменчивость популяций опухолевых клеток связана не только с резким учащением истинных генетических изменений (генных мутаций, рекомбинаций, анеуплоидии и др.), но и со значительным увеличением вероятности возникновения т.н. эпигенетических изменений, связанных с метилированием ДНК и/или ремоделированием структуры хроматина. Так, в результате нарушения процессов метилирования ДНК, обусловленных изменениями уровня экспрессии ДНК-метилтрансфераз (к таким изменениям, в частности приводят наиболее характерные для новообразований человека генетические изменения – мутации генов р53 и Ras) может одновременно измениться транскрипция нескольких сотен генов.
