Hallmarks of cancer, или Шесть крестражей раковой клетки

Введение

Онкогенез - это многоступенчатый процесс, где каждый этап отражает те генетические изменения, которые в конечном итоге приводят к развитию опухоли.

Геном опухолевых клеток характеризуется как малыми повреждениями (точечные мутации), так и значительными (изменения в хромосомном наборе). В целом, процесс развития опухоли аналогичен дарвиновской теории эволюции, где наследование генетических изменений из одного клеточного поколения в другое, приводит к постепенному преобразованию обычных клеток в раковые.

Главная цель опухоли - выжить, бесконечно размножаться и никогда не умирать. Именно на своем пути к бессмертию она приобретает свойства, лежащие в основе канцерогенеза.

Приобретенные способности рака

Все виды рака в ходе своей трансформации из нормальных клеток приобретают шесть важных свойств:

1. Самообеспеченность сигналами роста
2. Нечувствительность к сигналам ингибиторов роста
3. Нечувствительность к сигналам апоптоза
4. Неограниченный репликативный потенциал
5. Поддерживаемый ангиогенез
6. Способность к инвазии в ткани и метастазированию

Свойство №1. Самообеспеченность митогенными сигналами

Митогенные сигналы необходимы для того, чтобы клетка могла перейти из состояния покоя в фазу пролиферации. Они передаются в клетку через трансмембранные рецепторы: ни один тип соматических клеток не может пролиферировать без стимулирующего сигнала.

Раковые клетки в экзогенных факторах роста не нуждаются. Они сами генерируют собственные сигналы пролиферации.

Эта независимость обеспечивается пятью основными способами:

1. Смена гетеротопической сигнализации (когда одни типы клеток стимулируют пролиферацию других) на аутокринную стимуляцию (когда опухолевые клетки стимулируют сами себя). В здоровых тканях синтезом пролиферативных факторов занимаются специальные клетки, воздействующие на окружающие ткани, раковая же клетка синтезирует факторы роста, чтобы самой же быть ими активированной.

2. Изменение внеклеточных сигналов роста. К примеру, раковые клетки изменяют тип экспрессируемых ими рецепторов внеклеточного матрикса - интегринов. Интегрины находятся на поверхности клеток и связывают их внеклеточным матриксом, участвующим в передаче того или иного сигнала. В злокачественных клетках интегрины меняются исключительно на те, что способны воспринимать сигналы роста, что делает клетку более подвижной, резистентной к апоптозу и обладающей повышенным пролиферативным потенциалом.

3. Изменение трансмембранных проводников. Гиперэкспрессия тирозинкиназных рецепторов к факторам роста (EGFR, HER2/neu, etc) характерна для многих видов рака. В результате чувствительность раковых клеток к факторам роста увеличивается, и они приобретают способность реагировать даже на фоновые концентрации стимулирующих молекул. Кроме того, гиперэкспрессия рецепторов приводит к лиганд-независимой передаче сигналов.

4. Изменение внутриклеточных путей. Наиболее важную роль в изменении внутриклеточных каскадов в раковой клетке играет путь SOS-Ras-Raf-MAPK. Ко всем звеньям этого онкогенного пути на данный момент разработаны лекарственные средства, как и ко многим другим. Суть внутриклеточных путей такова: каскад сигналов проводится от клеточной стенки до ядра, в конечном итоге влияя на экспрессию генов и, как следствие, пролиферации клетки. Нарушение этой структуры позволяет проводить внутрь клетки большое количество митогенных сигналов, заглушая при этом тормозящее действие восходящих регуляторов. Внутриклеточные каскады устроены очень сложно и активно пересекаются друг с другом. На данный момент изучено множество внутриклеточных путей, но постоянно обнаруживаются новые элементы и молекулы.

1 of 2

5. Использование раковыми клетками здорового клеточного микроокружения. Такие клетки, не имеющие отношения к опухоли, как фибробласты и эпителиоциты, вносят в онкогенез существенный вклад: все неоплазии существуют благодаря гетеротипическому взаимодействию клеток разных типов. Злокачественная клетка достигает эволюционного превосходства только когда заставляет обычные клетки “работать на себя” — раковые клетки, используя мембранные и внеклеточные сигналы, “вербуют” здоровые, которые помогают им разрастаться и получать питательные вещества. Воспалительные и иммунокомпетентные клетки, мигрирующие в зону опухоли, также зачастую становятся невольными “союзниками” и вместо уничтожения раковых клеток, стимулируют их рост.

1 of 2

Свойство №2. Нечувствительность к сигналам ингибиторов роста

Антипролиферативные сигналы представляют собой растворимые ингибиторы роста, циркулирующие вне клетки, и иммобилизованные ингибиторы, встроенные во внеклеточный матрикс и на поверхность окружающих клеток. Подавлять рост и деление клетки необходимо для тканевого гомеостаза, и осуществляется этот процесс либо с помощью перевода в фазу (глубокого) G0, либо через введение клетки в постмитотическое состояние, близкое к терминальной дифференцировке, когда клетка навсегда теряет свой пролиферативный потенциал.

Одна из важнейших целей зарождающейся раковой клетки - обойти эти антипролиферативные сигналы. В нормальной клетке главный тормозящий деление каскад - это “сторожевой путь” pRb: сигнальная молекула TGFβ в ответ на внешние и внутренние сигналы предотвращает фосфорилирование и деактивацию Rb, что не позволяет клетке переходить из S в G1 и другие фазы клеточного цикла.

В арсенале раковой клетки есть несколько способов нарушения передачи сигналов через pRb путь: подавление экспрессии TGFβ-рецепторов или синтез дефектных рецепторов, элиминация промежуточных белков, таких как Smad4, прямая и опосредованная инактивация pRb. Занимательный факт: вирус папилломы человека инактивирует путь pRb в клетках эпителия шейки матки, что и обуславливает высокую корреляцию носительства ВПЧ и рака этой локализации.

Кроме того, раковая клетка делает все возможное, чтобы не перейти в фазу терминальной дифференцировки. Один из таких способов - активация онкогена c-myc (Mус вместе с другим фактором, Max, контролирует транскрипцию клетки, тормозя дифференцировку клетки и способствуя росту - ему противостоит онкосупрессивная комбинация факторов Mad-Max).

Свойство №3. Нечувствительность к сигналам апоптоза

Апоптоз запрограммирован в геноме всех клеток, являясь основным фактором клеточной убыли и важнейшим элементом гомеостаза. Система, обеспечивающая апоптоз, состоит из сенсоров (осуществляют мониторинг условий внеклеточной и внутриклеточной среды), которые связаны с эффекторами, регулирующими выживание или гибель клетки. Положительным или отрицательным лигандом для сенсора апоптоза может стать тот или иной цитокин, циркулирующий во внеклеточном матриксе (IGF, TNFα). Наряду с наружными сигналами, сенсоры контролируют внутриклеточные сигналы на предмет аномалий (повреждения ДНК, дисбаланс в передаче сигналов, недостаточность факторов выживания и гипоксию). Примерами эффекторов служат важнейшие онкосупрессоры, такие, как p53 и bcl-2 - именно они передают сигнал о необходимости самоубийства в нисходящие структуры клеточных путей.

Другой важный фактор контроля апоптоза - адгезия клетки к клеточному матриксу и соседним клеткам — потеря такого контакта является практически абсолютным сигналом к апоптозу. Но тот факт, что раковые клетки успешно метастазируют, говорит о том, что для них это не принципиально.

Большинство сигналов, активирующих апоптоз, направлены на митохондрии. В случае запуска самоубийства клетки именно митохондрии выделяют мощный катализатор апоптоза - цитохром С. Цитрохром С и другой важнейший рецептор смерти, FAS, активируют каспазы (внутриклеточные протеазы), окончательно запускающие механизм апоптоза, разрушающие органеллы и геном умирающей клетки.

Раковая клетка решает вопрос апоптоза гиперэкспрессией онкогенов, инактивацией онкосупрессоров и нарушением передачи сигнала смерти в пути FAS:

— Наиболее часто встречается потеря проапоптотического компонента в гене р53 или нехватка опухолевого супрессора pTEN;

— Иногда инактивация апоптоза обусловлена активацией молекулярного пути PI3 киназы AKT/PKB, передающей клетке сигнал выживания.

— Кроме того, злокачественная клетка может выделять внеклеточные антиапоптотические факторы (IGF-1/2, IL-2), изменять внутриклеточные каскады (Ras. Raf)

— Еще один возможный механизм - связывание молекул FAS-пути по типу конкурирующего ингибирования, что предотвращает возможность их взаимодействия с рецептором.

Свойство №4. Неограниченный репликативный потенциал

Как выяснил еще дедушка Хейфлик, все клетки, проходя через определенное количество делений, достигают конечного репликативного потенциала и перестают пролиферировать - это называется старением. Даже если отрубить у клетки супрессоры роста, она, хоть и продолжит делиться, но спустя определенное количество циклов войдет в состояние кризиса, которое в культуре клеток проявляется массивной клеточной гибелью и грубыми нарушениями кариотипа. Иногда, в одном из 107 случаев, такие нарушения слияния хромосом приводят к развитию иммортализованного клона, способного размножаться без ограничений. Именно таким клоном, обладающим иммортализацией, является любая популяция раковых клеток.

Большинство клеток достигают предела Хейфлика после 60-70 делений, и субстратом этого предела являются теломеры хромосом (концевые участки хромосом, состоящие из тысяч повторений коротких последовательностей). Постепенно обрезаясь, теломеры в конце концов оказываются неспособны защищать концы ДНК от сшивания, что приводит к нарушениям кариотипа и запуску апоптоза.

Злокачественные клетки преодолевают это с помощью, в первую очередь, гиперэкспрессии фермента теломеразы, добавляющего новые повторы на концы хромосом. Другой вариант - альтернативный путь удлинения хромосом, когда длина хромосом поддерживается при помощи межхромосомной рекомбинации.

Свойство №5. Устойчивый ангиогенез

Чтобы делиться и увеличиваться в размере, зарождающиеся опухоли должны развивать свои ангиогенные свойства для обеспечения себя необходимым объемом питательных веществ.

Примерами молекул, активирующих ангиогенез в здоровой ткани, служат фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), а также кислый и основной факторы роста фибробластов (FGF1/2). Ингибиторами ангиогенеза являются такие вещества, как тромбоспондин-1. Известно более двух десятков различных индукторов и супрессоров ангиогенеза.

Кроме того, клетки растущих капилляров экспрессируют свои интегрины, что тоже влияет на ангиогенез через взаимодействие с внеклеточными протеазами.

Гиперэкспрессия факторов, стимулирующих ангиогенез и угнетение супрессоров этого процесса - один из ключевых моментов выживания молодой опухоли. Этот факт прекрасно подтверждается тем, что таргетный ингибитор опухолевого ангиогенеза бевацизумаб показывает свою эффективность для совершенно разных типов и локализаций рака.

Свойство №6. Инвазия в ткани и метастазирование

Метастазирование является самым фатальным последствием развития опухоли - метастазы оказываются причиной смерти 90% больных раком людей. Способность к инвазии и диссеминации позволяет раковым клеткам покинуть основной опухолевый массив и колонизировать новые места в организме человека.

Для метастазирования опухолевой клетке необходимо, в первую очередь, отделиться от тканевого окружения. За клеточную адгезию ответственно множество молекул, таких как члены семейства иммуноглобулинов, кальций-зависимых кадгеринов, интегрины и другие молекулы субклеточного матрикса. Едва ли не главный белок клеточной адгезии - Е-кадгерин - деактивирован в большинстве эпителиальных опухолей. Другой белок из семейства иммуноглобулинов, N-CAM, переключается с высокоадгезивной формы на низкоадгезивную в некоторых типах опухолей (либо же его экспрессия просто понижается).

В дополнение ко всему клетка-первооткрыватель должна быть способна активно менять спектр субъединиц интегрина - так она сможет “говорить на одном языке” с любой тканевой популяцией, что позволит ей успешно поселиться на новом участке. Для закрепления эффекта инвазии опухоль стимулирует переключение экспрессии интегринов в окружающем матриксе и на соседних клетках с привычной для этого участка ткани на более выгодную для себя.

Кроме того, в процессе метастазирования меняется характер работы внеклеточных протеаз, что обеспечивает разрушение внеклеточного матрикса и инвазию раковых клеток в окружающую строму.

Итоги

Таким образом, в основе канцерогенеза лежит шесть основных факторов, предопределяющих развитие и выживание опухоли. В этих шести аспектах и состоит челлендж лечения онкологических заболеваний - простые и на первый взгляд очевидные для понимания и контроля, эти принципы, переплетаясь между собой и наслаиваясь на сложные молекулярные процессы живой клетки, становятся чрезвычайно сложными для полного устранения, ведущего к излечению от рака.

Литература

1. Hanahan, Weinberg et al. The Hallmarks of Cancer. Cell, VOLUME 100, ISSUE 1, P57-70, JANUARY 07, 2000. DOI:https://doi.org/10.1016/S0092-8674(00)81683-9
2. Ключевые признаки рака. Медач/Medical Channel. https://medach.pro/post/885
3. DeVita, Hellman, and Rosenberg's: Cancer: Principles & Practice of Oncology, 11th Edition, 2019