Просто о сложном: генетика и рак. Часть I: Гены и их мутации

В общих словах, рак начинается, когда гены в клетке становятся «ненормальными», и клетка начинает расти и делиться без контроля.

Что такое гены?

Гены - это кусочки ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) внутри каждой клетки, которые говорят ей, что делать, когда расти и делиться. Каждый ген состоит из определенной последовательности ДНК, которая содержит код («инструкции») для создания определенного белка, каждый из которых выполняет свою работу или функцию в организме. В каждой клетке человека около 25 000 генов.

Большинство генов содержится в хромосомах (рис.1). Хромосома - это длинная цепь ДНК, обёрнутая вокруг белка, называемого гистоном. Большинство клеток человека содержат 23 пары хромосом - одну пару половых хромосом (XX у женщин, XY у мужчин) плюс 22 пары неполовых хромосом, которые называются аутосомами. Сперматозоиды и яйцеклетки содержат только половину хромосом (23). Они передаются от родителей к детям: одна хромосома каждой пары наследуется от матери, а другая - от отца. Вот почему дети могут иметь склонность к развитию определенных заболеваний, которые возникают в их семьях.

Клетка использует свои гены выборочно (рис.2), то есть она может включить (или активировать) нужные ей гены в определённый момент и отключить другие. Все клетки организма (кроме яйцеклеток и сперматозоидов) содержат одинаковый набор генов. Включение одних генов и выключение других – это процесс становления клетки специализированной. Так, например, клетка становится мышечной, а не костной. Некоторые гены остаются активными все время, чтобы производить белки, необходимые для основных функций клеток. Другие «закрываются», когда их работа закончена, и, если нужно, «открываются» позже.

Доминантные и рецессивные гены

У нас есть 2 версии (копии) большинства генов - по одной от каждого родителя (рис.3). Для некоторых версий гена требуется только одна копия, чтобы увидеть определенное качество или заболевание (в генетике это называется признаком). Эти гены называются доминантными. Если обе копии должны быть одинаковыми, чтобы увидеть эту черту, эти гены называются рецессивными. Например, ген карих глаз является доминантным, в то время как ген голубых - рецессивен, поэтому если вы получите одну копию гена карих глаз от одного родителя и копию гена голубых глаз от другого, у вас будут карие глаза. Эта классификация относится и к генным мутациям. Если вам нужно унаследовать только одну копию генной мутации, чтобы получить заболевание или синдром, этот ген называется доминантным. Если вам нужно 2 – рецессивным.

Х-сцепленные гены

Ситуация обстоит немного по-другому с точки зрения генов на Х-хромосоме. Обычно у каждого из нас есть 2 половые хромосомы. У женщин две Х-хромосомы, а у мужчин одна Х-хромосома и одна Y-хромосома. Поскольку Y-хромосома содержит гены, отличные от Х-хромосомы, у мужчин есть только одна копия генов на Х-хромосоме. Некоторые заболевания/состояния могут быть обусловлены генами на Х-хромосоме. Для некоторых из них, таких как дальтонизм, женщина должна иметь 2 копии гена (по одной на каждую Х-хромосому), чтобы заболевание проявилось. Мужчина, однако, только в одной Х-хромосоме. Такие заболевания и состояния называются Х-сцепленными. Х-сцепленные заболевания чаще встречаются у мужчин.

Мутации в генах

Мутации - это изменения в ДНК гена. «Строительные блоки» ДНК называются азотистыми основаниями. Последовательность оснований определяет ген и его функцию. Мутации – это изменения в расположении оснований, составляющих ген. Даже изменение только одного среди тысяч оснований, составляющих ген, может оказать существенное влияние (рис.4).

Мутация гена может влиять на клетку разными способами. Некоторые мутации вообще не дают белку вырабатываться. Другие могут изменить белок так, что он больше не работает, как должен, или может вообще не работать. Также мутации могут привести к включению гена, в результате чего образуется избыточное количество белка. Одни мутации не имеют заметного эффекта, но другие могут привести к заболеванию. Например, определенная мутация в гене гемоглобина вызывает болезнь серповидно-клеточной анемии.

У нас есть 2 копии большинства генов, по одной от каждой хромосомы в паре. Чтобы ген полностью прекратил работать и потенциально мог привести к раку, обе копии должны быть «выбиты» мутациями. Это означает, что для большинства генов требуется 2 мутации, чтобы он полностью перестал работать.

Клетки становятся злокачественными в основном из-за мутаций в их генах. Часто для этого требуется большое количество мутаций. Они могут влиять на разные гены, которые контролируют рост и деление клеток. Некоторые из этих генов называются генами-супрессорами опухолей. Мутации могут также привести к тому, что некоторые нормальные гены станут генами, вызывающими рак, известными как онкогены.

Типы мутаций

Существует 2 основных типа мутаций, наследственные и приобретённые (рис.5).

Наследственная мутация присутствует в яйцеклетке или сперматозоиде, которые сформировали плод. После того, как яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом, она создала одну клетку, называемую зиготой, которая затем будет делиться. Поскольку все клетки в организме произошли от этой первой клетки, мутации такого рода присутствуют в каждой клетке организма (включая некоторые яйцеклетки или сперматозоиды) и могут быть переданы следующему поколению. Этот тип мутаций также называется герминогенным (потому что клетки, которые развиваются в яйцеклетки и сперматозоиды, называются герминальными). Наследственные мутации, как полагают, являются прямой причиной лишь небольшой доли онкологических заболеваний.

Приобретенная мутация отсутствует в зиготе и приобретается спустя некоторое время в течение жизни. Это происходит в одной клетке, а затем передается при делении любым новым клеткам. Этот вид мутаций отсутствует в яйцеклетках или сперматозоидах, поэтому он не может быть передан следующему поколению. Приобретенные мутации встречаются гораздо чаще, чем наследственные. Большинство онкологических заболеваний вызваны именно приобретенными мутациями. Этот тип мутации также называется спорадической или соматической.

Мутации и рак

Эксперты сходятся во мнении, что для возникновения рака требуется больше одной мутации в клетке. Когда кто-то унаследовал изменённую копию гена, его клетки уже начинают с одной мутации. Это облегчает (и ускоряет) накопление достаточного количества мутаций, чтобы клетка стала злокачественной. Вот почему онкологические заболевания, которые наследуются, как правило, возникают в более молодом возрасте, чем заболевания того же типа, но без наследственного фактора.

Даже если вы родились со здоровыми генами, некоторые из них могут измениться в течение жизни. Эти приобретенные мутации вызывают большинство случаев рака. Некоторые приобретенные мутации могут быть вызваны тем, с чем мы сталкиваемся в окружающей среде, включая сигаретный дым, радиацию, гормоны и диету. Другие мутации не имеют чёткой причины и, по-видимому, происходят случайно, когда клетки делятся. Чтобы клетка могла разделиться и получились 2 новые клетки, она должна скопировать всю свою ДНК. С таким большим количеством ДНК иногда допускаются «ошибки» в новой копии. Это приводит к изменениям ДНК (мутациям). Каждый раз, когда клетка делится, это еще одна возможность для мутаций. Число генных мутаций растет со временем, поэтому у нас повышается риск развития рака по мере взросления.

Важно понимать, что генные мутации происходят в наших клетках все время. Как правило, клетка обнаруживает изменение и «исправляет» его. Если исправление невозможно, клетка получит сигнал, говорящий ей, чтобы нужно умереть в процессе, названном апоптозом. Но если клетка не умирает, и мутация не устраняется, это может привести к развитию рака. Это более вероятно, если мутация затрагивает ген, участвующий в делении клетки, или ген, который обычно вызывает гибель дефектной клетки.

Пенетрантность

Для доминантных генов и мутаций термин пенетрантность используется для обозначения доли тех, у кого есть мутация и у которых будет признак, синдром или заболевание. Если все люди, которые наследуют мутацию, имеют заболевание, это называется полной пенетрантностью. Если не все - неполной пенетрантностью. В общем, наследственные мутации, ведущие к раку, имеют неполную пенетрантность, а это означает, что не у всех с мутацией будет рак. Это отчасти потому, что, хотя у человека есть мутация в одной копии гена, ему или ей необходимо приобрести по крайней мере ещё одну мутацию, чтобы ген полностью прекратил работать и возник рак. Поскольку не все получают вторую мутацию, не все заболевают раком. Неполная пенетрантность также может быть вызвана тем, что даже если мутация делает так, что ген не функционирует, для возникновения рака могут потребоваться другие факторы.

Генные мутации могут вызывать большие изменения в функции гена. Они могут даже заставить эту копию гена вообще перестать работать. Когда унаследованная мутация оказывает достаточно большое влияние на функцию гена, чтобы вызвать заболевание или заметную проблему у большинства людей, у которых она есть, эта мутация обладает «высокой пенетрантностью». Мутации с высокой пенетрантностью в генах предрасположенности к раку могут привести к тому, что многие люди в семье получат определенные виды рака – наследственные опухолевые синдромы. Считается, что они вызывают лишь небольшую долю онкологических заболеваний. Например, считается, что только около 1/5 рака молочной железы в семьях вызваны мутациями с высокой пенетрантностью в генах, таких как BRCA1 и BRCA2 (рис. 6).

Однако некоторые унаследованные мутации, по-видимому, не сильно влияют на функцию генов и часто не вызывают явных проблем. Эти мутации называются «низкопенетрантными». Мутации с низкой пенетрантностью могут влиять на риск развития рака через тонкие воздействия на такие вещи, как уровень гормонов, обмен веществ или другие момменты, которые взаимодействуют с факторами риска развития рака. Считается, что мутации с низкой пенетрантностью, вместе с вариантами генов, ответственны за большую часть риска рака, который встречается в семьях.

Варианты генов

У людей также могут быть разные версии генов, которые не являются мутациями. Распространённые различия в генах называются вариантами. Эти версии наследуются и присутствуют в каждой клетке организма. Наиболее распространенный тип варианта гена включает изменение только одного азотистого основания (нуклеотида) гена. Они называются однонуклеотидными полиморфизмами (single nucleotide polymorphisms - SNPs, произносится как «снипс»). По оценкам, в ДНК каждого человека содержатся миллионы SNP.

Некоторые варианты не оказывают видимого влияния на функцию гена. Другие склонны тонко влиять на функцию генов, например, делая их немного более или менее активными. Эти изменения не вызывают рак напрямую, но могут повысить вероятность заболевания, влияя на уровень гормонов и обмен веществ. Например, некоторые варианты генов влияют на уровни эстрогена и прогестерона, которые могут влиять на риск рака молочной железы и эндометрия. Другие могут влиять на расщепление токсинов в сигаретном дыме, делая человека более склонным к раку лёгких. Варианты генов также могут играть роль при заболеваниях, которые влияют на риск развития рака, таких как диабет и ожирение.

Варианты и мутации с низкой пенетрантностью могут быть похожими. Основное различие между ними заключается в том, насколько они распространены. Мутации редки, в то время как генные варианты встречаются чаще. Тем не менее, поскольку эти варианты распространены и у кого-то их может быть много, их эффект может складываться. Исследования показали, что такие варианты могут влиять на риск развития рака, и вместе с мутациями с низкой пенетрантностью они могут составлять большую часть риска развития рака, который встречается в семьях.

Другие способы, которыми клетки меняют гены

Хотя все клетки вашего тела содержат одни и те же гены, в разных клетках активны разные гены. Даже в определенной клетке некоторые гены активны в одни моменты времени и неактивны в других. Включение и выключение генов в этом случае основано не на изменениях последовательности ДНК (например, на мутациях), а другими способами, называемыми эпигенетическими изменениями.

Метилирование ДНК. При этом типе эпигенетических изменений молекула, называемая метильной группой, присоединяется к определенным нуклеотидам. Это изменяет структуру ДНК, так что ген не может начать процесс создания белка, для которого он кодирует (этот процесс называется транскрипцией). Это в основном отключает ген. У некоторых людей с мутацией в одной копии гена восприимчивости к раку другая копия гена становится неактивной не в результате мутации, а в результате метилирования.

Модификация гистонов. хромосомы состоят из ДНК, обернутой вокруг белков, называемых гистонами. Гистоновые белки могут быть изменены путем добавления (или вычитания) так называемой ацетильной группы. Добавление ацетильных групп (ацетилирование) может активировать (включить) эту часть хромосомы, в то время как удаление их (деацетилирование) может деактивировать ее (отключить). Гистоновые белки также могут быть изменены путем добавления или вычитания метильных групп (метилирование и деметилирование). Хотя аномальная модификация гистонов, как известно, не вызывает рак, лекарства, которые изменяют модификации гистонов, могут помочь в лечении рака, включая гены, которые помогают контролировать рост и деление клеток.

РНК-интерференция. РНК (рибонуклеиновая кислота) важна внутри клеток как один из шагов, который позволяют генам кодировать белки. Но некоторые малые формы РНК могут мешать экспрессии генов, прикрепляясь к другим частям РНК или даже влияя на гистоны или саму ДНК. Разрабатываются лекарства, которые воздействуют на аномальные гены в раковых клетках посредством РНК-интерференции.

Двумя основными типами генов, которые играют роль в онкологическом процессе, являются онкогены и гены-супрессоры опухолей.

Опухоли возникают в результате накопления мутаций в генах, отвечающих за (рис.7):

● Стабильность генома

● Пролиферацию клеток

● Выживание

● Миграцию

● Дифференциацию

● Взаимодействие с иммунной системой

Онкогены

Протоонкогены (рис. 8) - это гены, которые обычно помогают клеткам расти. Когда протоонкоген мутирует (изменяется) или его копий становится слишком много, он становится «плохим» геном, который может стать постоянно включенным или активированным, когда это не предполагается. Когда это происходит, клетка выходит из-под контроля, что может привести к раку. Этот плохой ген называется онкоген.

Для понимания может быть полезно думать о клетке как об автомобиле(рис.9). Для того, чтобы она работала правильно, должны быть способы контроля скорости. Протоонкоген обычно функционирует так, как педаль газа. Это помогает клетке расти и делиться. Онкоген можно сравнить с застрявшей педалью газа, из-за которой клетка выходит из-под контроля.

Некоторые опухолевые синдромы вызваны наследственными мутациями протоонкогенов, которые вызывают включение (активацию) онкогена. Но большинство канцерогенных мутаций с участием онкогенов приобретаются, а не наследуются. Они обычно активируют онкогены различными путями:

· Хромосомные перестройки: изменения в хромосомах, которые помещают один ген рядом с другим, что позволяет одному гену активировать другой;

· Дупликация генов: наличие дополнительных копий гена, которые могут привести к тому, что он будет производить слишком много определенного белка.

Гены-супрессоры опухолей

Гены-супрессоры опухолей (рис.10) - это нормальные гены, которые замедляют деление клеток, исправляют ошибки ДНК или сообщают клеткам, когда умирать (процесс, известный как апоптоз или запрограммированная гибель клеток). Когда гены-супрессоры не работают должным образом, клетки могут выйти из-под контроля, что может привести к раку.

Ген-супрессор опухолей похож на педаль тормоза в автомобиле. Обычно он предотвращает слишком быстрое деление клетки, точно так же, как тормоз мешает машине двигаться слишком быстро. Когда что-то идет не так, например, мутация, деление клеток может выйти из-под контроля.

Важное различие между онкогенами и генами-супрессорами опухолей заключается в том, что онкогены возникают в результате активации (включения) протоонкогенов, а гены-супрессоры опухолей вызывают рак, когда они инактивируются (выключаются).

Унаследованные аномалии опухолевых супрессорных генов были обнаружены в некоторых наследственных опухолевых синдромах. Они вызывают определенные виды рака в семьях. Но большинство мутаций гена-супрессора опухоли приобретаются, а не наследуются.

Например, аномалии гена TP53 (который кодирует белок p53) были обнаружены более чем в половине случаев рака человека. Приобретенные мутации этого гена появляются в широком спектре онкологических заболеваний.

Диагностика рака и мониторинг лечения

Определенные мутации обычно обнаруживаются в клетках некоторых видов рака. Обнаружение определенных мутаций в клетках может подтвердить диагноз этого рака. Тестирование клеток на наличие мутации также может использоваться после диагностики, чтобы увидеть, как рак реагирует на лечение.

Например, клетки лейкемии пациентов с хроническим миелолейкозом (ХМЛ) содержат мутированный ген BCR-ABL. Для того, чтобы поставить диагноз ХМЛ, эта мутация должна присутствовать, поэтому тестирование на наличие этой мутации используется для подтверждения диагноза. Очень чувствительные тесты могут определить, сколько копий этой мутации присутствует в образце крови (что указывает на количество клеток ХМЛ). Эти тесты могут обнаружить даже крошечные количества, представляющие небольшое количество клеток ХМЛ среди миллионов нормальных клеток. Количество копий определяется в начале лечения, а затем снова через некоторое время, чтобы увидеть, насколько эффективно работает лечение. Если лечение привело к ремиссии лейкоза, этот тест можно использовать, чтобы определить, возвращается ли он и требуется ли новое лечение.

Гены и прогноз

При некоторых онкологических заболеваниях можно использовать специфические генные изменения, чтобы предсказать, у каких пациентов может быть лучший или худший результат. Это может помочь определить интенсивность лечения.

Например, пациенты с острым миелоидным лейкозом (ОМЛ), чьи лейкозные клетки имеют мутацию в гене FLT3, имеют худший прогноз, чем пациенты, у которых лейкозные клетки не содержат этой мутации. Врачи могут порекомендовать более интенсивное лечение, включая пересадку стволовых клеток тем, у кого лейкемические клетки имеют эту мутацию. С другой стороны, люди, чьи лейкозные клетки имеют мутации в гене NPM1 (и никаких других аномалий), по-видимому, имеют лучший прогноз, чем люди без этой мутации. В результате, врачи могут не предполагать, что пересадка стволовых клеток необходима кому-то, чьи лейкозные клетки имеют только мутацию NPM1.

Для некоторых видов рака тесты, которые оценивают активность (экспрессию) многих генов одновременно, могут быть полезны для определения прогноза. Эти тесты, называются панелями экспрессии генов. Они доступны для отдельных видов, включая рак молочной железы, толстой кишки и простаты. Эти тесты могут помочь предсказать, у каких пациентов вероятность рецидива больше. До сих пор, однако, только один, анализ клеток рака молочной железы Oncotype Dx®, как было показано, помогает предсказать, какие пациенты получают наибольшую пользу от определенных видов лечения.

Гены и лечение рака

Таргетные препараты

Были разработаны лекарства (рис. 11), которые нацелены на некоторые генные изменения при определенных видах рака (таргетные препараты). На самом деле эти препараты часто нацелены на белок, вырабатываемый ненормальным геном (а не на сам ген).

Например, ген HER2 является протоонкогеном в нормальных клетках, который помогает им расти. Он становится онкогеном, когда в клетке слишком много копий этого гена. Когда это происходит, клетки вырабатывают слишком много белка HER2, и говорят, что рак является HER2-положительным. При раке молочной железы с клетками, которые являются HER2-положительными, нет ответа на определенные химиотерапевтические препараты. Но новые препараты, такие как трастузумаб, лапатиниб и некоторые другие, были разработаны для специфической атаки на клетки, которые являются HER2-положительными. Эти препараты могут замедлять рост раковых клеток и улучшать результаты у пациентов с HER2-положительным раком. Другие виды рака также могут быть HER2-положительными (анти-HER2-терапия также помогла людям с раком желудка, который является HER2-положительным).

Препараты, нацеленные на определенные мутации, полезны при ряде других видов рака, включая острый лимфоцитарный лейкоз, гастро-интестинальные стромальные опухоли, немелкоклеточный рак легкого, определенный вид неходжкинской лимфомы и меланому.

Лекарства, активирующие гены

Метилирование ДНК является одним из способов выключения генов. Лекарства, называемые гипометилирующими агентами, могут обратить метилирование. Это может быть полезно при лечении некоторых видов рака, при которых некоторые гены неправильно метилированы. Например, при миелодиспластическом синдроме некоторые гены, которые часто метилируются в раковых клетках. Гипометилирующие агенты децитабин и азацитидин могут уменьшить это аномальное метилирование.

Другими лекарственными средствами, которые помогают бороться с онкологическими заболеваниями путем активации генов, являются ингибиторы гистондеацетилазы, такие как вориностат и ромидепсин.

Тестирование генов, чтобы помочь предсказать, будет ли лекарство работать

Некоторые лекарства не помогают пациентам, если раковые клетки имеют определенные генные мутации. Например, цетуксимаб и панитумумаб являются лекарственными средствами, применяемыми для лечения распространенного рака ободочной и прямой кишки. Однако эти препараты не помогают пациентам, у которых есть мутации в гене KRAS, поэтому врачи проверяют наличие этих мутаций в раковых клетках, прежде чем давать какой-либо из этих препаратов.

Некоторые лекарства лучше действуют у людей с определенными мутациями. Например, препарат эрлотиниб, который можно использовать для лечения немелкоклеточного рака легких, лучше работает у пациентов, у раковых клеток которых есть определенная мутация в гене EGFR.

Будущие направления

Многие исследователи очень надеются на будущее лечения рака будет развиваться на основе конкретных изменений генов, обнаруженных в раковых клетках, и это остается очень активной областью исследований. Сегодня проводится множество клинических испытаний, которые могут привести к более эффективному лечению многих видов рака.

*продолжение следует*

Материал подготовила: Катерина Коробейникова

Источники:

1. American Cancer Society Cancer Information Database. Breast Cancer. Accessed at www.cancer.org/content/cancer/en/cancer/breast-cancer.html/DetailedGuide/index on 4/21/14.

2. American Cancer Society Cancer Information Database. Gastrointestinal Stromal Tumor (GIST). Accessed at www.cancer.org/Cancer/GastrointestinalStromalTumorGIST/DetailedGuide/index on 4/21/14.

3. American Cancer Society Cancer Information Database. Leukemia – Acute Myeloid (Myelogenous). Accessed at

4. American Cancer Society Cancer Information Database. Leukemia – Chronic Myeloid (Myelogenous). Accessed at www.cancer.org/Cancer/Leukemia-ChronicMyeloidCML/DetailedGuide/index on 4/21/14.

5. American Cancer Society Cancer Information Database. Stomach Cancer. Accessed at www.cancer.org/cancer/stomach-cancer/DetailedGuide/index on 12/13/2011.

6. Bahcall O. Common variation and heritability estimates for breast, ovarian and prostate cancers. Nature Genetics. Accessed at http://www.nature.com/icogs/primer/common-variation-and-heritability-estimates-for-breast-ovarian-and-prostate-cancers/ on May 30, 2013.

7. Berger AH, Pandolfi PP. Cancer Susceptibility Syndromes. In: DeVita VT, Lawrence TS, Rosenberg SA, eds. DeVita, Hellman, and Rosenberg’s Cancer: Principles and Practice of Oncology. 8th ed. 2011; 161–172.

8. Fearon ER, Bommer GT. Progressing from Gene Mutations to Cancer. In: Abeloff MD, Armitage JO, Lichter AS, Niederhuber JE. Kastan MB, McKenna WG. Clinical Oncology. 4th ed. Philadelphia, PA. Elsevier: 2008: 207-222.

9. Fong PC, Boss DS, Yap TA, et al. Inhibition of poly(ADP-ribose) polymerase in tumors from BRCA mutation carriers. N Engl J Med. 2009 Jul 9;361(2):123-34.

10. National Cancer Institute. Physician Data Query (PDQ). Cancer Genetics Overview. 2/18/2014. Accessed at http://www.cancer.gov/cancertopics/pdq/genetics/overview/healthprofessional on 3/7/2014.

11. National Cancer Institute. Understanding Cancer: Genetic Variation (SNPs). 9/1/2006. Accessed at http://www.cancer.gov/cancertopics/understandingcancer/geneticvariation on 3/20/2014.

12. National Cancer Institute. Understanding Gene Testing. Accessed at http://www.cancer.gov/cancertopics/understandingcancer/genetesting on 3/20/2014.

13. Ringer DP, Schniper LE. Principles of Cancer Biology. In: Lenhard RE, Osteen RT, Gansler T, eds. Clinical Oncology. Atlanta, GA: American Cancer Society; 2001: 25–30.

14. Simmons, D. (2008) Epigenetic influence and disease. Nature Education 1(1):6. Accessed at http://www.nature.com/scitable/topicpage/epigenetic-influences-and-disease-895 on June 18, 2014.

15. Tufts University School of Medicine, Department of Anatomy and Cellular Biology. The somatic mutation theory of cancer: growing problems with the paradigm? Bioessays. 2004; 26:1097–1107.