онкогенетика. коллоквиум онкогенетика. Неограниченныйпролиферативныйпотенциалстволовыхклеток
 Скачать 46 Kb.
|
|
Неограниченныйпролиферативныйпотенциалстволовыхклетокопухолей На всех этапах существования организма позвоночных (эмбрио- генез, постнатальное развитие и поддержание тканей взрослого организма) размножение состав- ляющих его клеток находится под строгим контролем. Опухоли воз- никают вследствие нарушения такого контроля. При этом чаще всего они развиваются у особей среднего и пожилого возраста как результат нарушения естественного процесса обновления тканей. Поддержание нормальной структуры тканей в органах, в которых часть клеток по- стоянно гибнет (слущивание верхних слоев многорядного эпителия кожи, желудочно-кишечного тракта, дыха- тельных и мочевыводящих путей; по- стоянное обновление клеток крови и т. д.), происходит за счет деления так называемых стволовых клеток, т. е. клеток, находящихся в недифферен- цированном состоянии. После деления стволовых клеток, индуцируемого модификациями их микроокружения, часть потомков может оставаться в стволовом состоянии, тогда как другая часть, после непродолжительного уси- ленного размножения, вступает на тот или иной путь диф- ференцировки и замещает гибнущие клетки (рис. 2, А). Неопластические клетки, дающие начало опухолям, образуются из стволовых или незрелых клеток в резуль- тате нарушения в них генетических программ, обеспечи- вающих нормальное обновление тканей. Предполагается, что в долгоживущих и редко делящихся стволовых клетках первичные онкогенные события должны резко увеличи- вать вероятность инициации новых раундов репликации ДНК и деления клеток, тогда как неопластическая транс- формация интенсивно пролиферирующих, но короткожи- вущих «амплифицирующих» или других незрелых клеток должна обеспечиваться, главным образом, в результате приобретения ими способности неограниченно долго давать подобных себе потомков (рис. 2, Б, В). При обоих сценариях может возникать пул пролиферирующих бес- смертных клеток — так называемых стволовых клетокопухолей[СКО; англ.“cancerstemcells”(CSCs),“tumorinitiatingcells”(TICs),“tumor-propagating cells”(TPCs)], в которых накапливаются дополнительные генетические изменения, детерминирующие дальнейшую опухолевую прогрессию [5, 6]. Доля стволовых нео- пластических клеток варьирует в различных опухолевых тканях, т. к. их потомки могут дифференцироваться и/или терять способность к самовоспроизведению (так, при хроническом миелоидном лейкозе и раке молочной железы их доля соответственно может составлять всего 0,1–1 и 2–5 % всех неопластических клеток). Тем не менее присутствие такого незначительного пула СКО, обладающих повышенной устойчивостью ко многим терапевтическим воздействиям, обеспечивает рецидиви- рующий опухолевый рост, а избирательное уничтожение этой фракции опухолевых клеток может приводить к пол- ному излечению [7]. Однако необходимо учитывать, что в популяциях опухолевых клеток (в частности, при раке молочной железы) существуют механизмы, поддержи- вающие определенное соотношение между различными подтипами опухолевых клеток, например в результате формирования СКО из других неопластических клеток с определенной дифференцировкой [8–10]. Следует подчеркнуть также, что в других типах новообразований (меланоме, лимфомах и др.) опухоль-генерирующей спо-   собностью обладает, по-видимому, значительно большая доля неопластических клеток (30–60 %) [11, 12].В норме процессы деления стволовых клеток и диф- ференцировки их потомков регулируются различными внешними сигналами — разнообразными растворимыми факторами (в первую очередь, цитокинамии, кроме того, в некоторых типах клеток гормонами), а также взаимодействием клеток друг с другом и с белками окру- жающего их внеклеточного матрикса. Генетические про- граммы, обеспечивающие стволовое состояние клеток разных типов, пока изучены плохо (в настоящее время лишь идентифицирован ряд секретируемых факторов, трансмембранных и внутриклеточных белков, присут- ствие которых необходимо для длительного функциони- рования некоторых типов нормальных стволовых клеток). Соответственно, неясны и детальные механизмы приоб- ретения клетками свойств, превращающих их в СКО. Тем не менее совокупность имеющихся данных позволяет полагать, что в основе интенсивного и неограниченного во времени размножения таких клеток лежат нарушения регуляции клеточного цикла, приводящие, во-первых, к их постоянному вступлению в новые акты клеточного деления даже при отсутствии внешних стимулов, в норме регулирующих этот процесс, а во-вторых — к отмене ге- нерирования нормальных рост-ингибирующих сигналов или нечувствительности к их действию. Дополнительный вклад в неограниченность репликативного потенциала неопластических клеток вносит повышение активности в них фермента теломеразы, одна из функций которого заключается в поддержании нормальной структуры концевых участков хромосом. Необходимо также от- метить, что избыточное размножение неопластических клеток обусловливается не только их интенсивным и неограниченным во времени делением, но и приоб- ретением ряда других свойств, в частности повышенной жизнеспособности вследствие подавления программи- руемой клеточной смерти и способности стимулировать образование сосудов или сосудоподобных структур для кровоснабжения растущей опухолевой ткани и обеспе- чения ее кислородом и питательными веществами. Пониженнаяпотребностьвовнешнихсигналахдляинициациииподдержанияклеточнойпролиферации Преобразование разнообразных внешних мито- генных стимулов (цитокины, гормоны, контакты клеток с белками внеклеточного матрикса и другими клетками) в генетические программы, реализующие деление клеток, осуществляется с помощью специфических сигнальных каскадов. Общий алгоритм их функционирования заключается в передаче сигналов от специфических рецепторов (в большинстве случаев это трансмембранные белки, реже, как, например, в случае стероидных гормонов, — белки, локализующиеся в цитоплазме или ядре клетки) к ядерным факторам транскрипции. В результате изме- няется интенсивность транскрипции регулируемых ими генов и индуцируется синтез белков, повышающих актив- ность циклинзависимых киназ — ключевых регуляторов клеточного цикла. Для большинства типов клеток наиболее мощными стимуляторами размножения служат цитокины, при- надлежащие к группе факторов роста (PDGF, EGF, VEGF и т. д.). Их связывание со своими рецепторами, обладающими тирозинкиназной активностью (так называемые рецепторныетирозинкиназы), инду- цирует цепь событий, приводящих к активации MAP (Mitogen Activated Protein) киназных каскадов и, как следствие, к повышению активности циклинзависимых киназ. В результате инициируется синтез ДНК и де- ление клетки. Существуют и независимые от МАР-киназ пути передачи митогенных сигналов от рецепторов цито- кинов к транскрипционным факторам, регулирующим экспрессию и активность циклинзависимых киназ. Так, они характерны для рецепторов, которые не содержат «встроенные» тирозинкиназные домены и передают сигналы в ядро через пути Jak-STAT. Пролиферативные сигналы от рецепторов морфогенных цитокинов Wnt и Shh передаются путем перемещения из цитоплазмы в ядро соответственно белков -катенина и Gli, где они, взаимодействуя с другими белками, образуют активные транскрипционные комплексы. Небелковые гормоны (стероидные, тиреоидные) оказывают рост- стимулирующее влияние на специфические клетки- мишени путем связывания в цитоплазме или ядре со своими рецепторами, в результате чего образующийся комплекс приобретает способность связываться со специфическими последовательностями ДНК и регули- ровать активность ряда генов. В частности, комплексы гормон–рецептор повышают транскрипцию генов циклинзависимых киназ (циклинов D, Cdk4, Cdk2) и подавляют экспрессию/активность их ингибиторов — белков CKI. Кроме того, существует взаиморегуляция сигнальных путей, активируемых рецепторами цито- кинов и стероидными рецепторами, в результате чего стероидные гормоны могут активировать МАР-киназные каскады и сигнальные пути Jak-STAT. Наряду с воздействием растворимых факторов (ци- токинов и гормонов) для деления большинства типов нормальных клеток необходимо также и взаимодей- ствие специфических рецепторов клетки (интегринов) с определенными белками внеклеточного матрикса (фибронектином, коллагеном и др.). Например, фи- бробласты могут делиться лишь при взаимодействии с фибронектином. В противном случае пролиферативный стимул, исходящий от цитокинов, не вызывает полно- ценного каскада передачи внутриклеточных сигналов, необходимого для стимуляции размножения клеток. В некоторых типах клеток стимуляция пролиферации может быть инициирована и межклеточными взаи- модействиями, вызывающими связывание трансмем- бранного белка Notch со своими лигандами — транс- мембранными белками других клеток. В результате происходит расщепление белка Notch и перемеще- ние его цитоплазматического домена (NICD/ICN) в ядро, где он модифицирует функцию определенных транскрипционных факторов, что в некоторых кле- точных контекстах приводит к активации циклинзави- симых киназ и инициации деления клеток (см. рис. 3). Основной причиной избыточного размножения неопластических клеток является их пониженнаяпо- требностьвовнешнихсигналахдляинициациииподдержанияклеточнойпролиферации[1–4, 13, 14]. Большинство типов неопластических клеток способно размножаться при содержании ростовых факторов в окружающей среде в десятки и сотни раз меньшем, чем необходимо для стимуляции размножения нормальных клеток. Кроме того, многие типы опухолевых клеток, в отличие от их нормальных предшественников, спо- собны пролиферировать, не прикрепляясь к субстрату и не взаимодействуя с белками внеклеточного матрикса (так называемая независимость от субстрата).Более того, неопластическиеклеткиприобретаютспособностьгенерироватьвнутрисебяпролифе-ративныесигналы,внормеисходящиеотвнешнихстимулов.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 за- висимости от внешних факторов достигается мутациями, приводящими к перманентной активации компонентов передачи митогенного сигнала. В результате, вне за- висимости от того, присутствуют ли специфические цитокины и активируют ли они соответствующие рецеп- торы, происходит активация циклинзависимых киназ, ответственных за выход клетки из состояния покоя (G0) и постоянную стимуляцию в ней новых раундов репликации ДНК и митотического деления (см. рис. 4). К таким последствиям приводят структурные изменения рецепторных тирозинкиназ, активирующие мутации генов семейства RAS,-катенина, гиперэкспрессия транскрипционных факторов семейства Мус, ампли- фикация генов циклинзависимых киназ и многие другие генетические нарушения. Нечувствительностькрост-ингибирующимсигналам В организме существует множество антипролифе- ративных сигналов, поддерживающих определенное число клеток в каждой из тканей и предотвращающих размножение аномальных клеток. Они генерируются как нормальными физиологическими факторами (рост- ингибирующие цитокины — TGF- и др., взаимодей- ствия клеток с внеклеточным матриксом и друг с другом и т. д.), так и неблагоприятными условиями окружа- ющей среды и/или внутриклеточными повреждениями (гипоксия, разрывы ДНК и т. д.). Действие большинства антипролиферативных сигналов основано на активации ингибиторов циклинзависимых киназ (CKI) семейств Ink4 и Cip/Kip (см. рис. 4), что приводит к остановке клеточного цикла. В зависимости от типа воздействия и распознающих его молекул наблюдается остановка клеточного цикла в фазах G1, S, G2 или в митозе (рис. 5). Контрольные механизмы, отслеживающие правильность прохождения клеточного цикла и обеспечивающие его остановку в тех или иных его фазах в случае каких-либо неполадок, полу- чили название чекпойнтов. Опухолевые клетки, как правило, значительно менее чувствительны к действию различных рост- ингибирующих факторов вследствие нарушения в них функции различных чекпойнтов. Классическим примером здесь может быть отсутствие у многих типов неопласти- ческих клеток солидных опухолей так называемого кон- тактного торможения размножения. Большинство типов нормальных клеток в культурах invitroразмножается до тех пор, пока не установятся плотные межклеточные контакты. В отличие от них неопластические фибро- бласты и эпителиальные клетки при контактировании друг с другом не останавливают свою пролиферацию, а продолжают делиться. Кроме того, во многих опухолевых клетках не происходит остановка клеточного цикла при исчезновении контактов интегринов с внеклеточным матриксом или действии цитокина TGF-. В неопласти- ческих клетках частично инактивированы также системы остановки пролиферации при ДНК-повреждающих воздействиях, нарушениях структуры митотического аппарата или неблагоприятных условиях: недостатке пула нуклеотидов, гипоксии и т. д. Особое значение для опухолевой прогрессии имеет развитие невосприимчи- вости к программам/сигналам, ограничивающим число клеточных делений, — так называемая иммортали-зация,или приобретениебессмертия(описание этого феномена и его механизмов дано в следующем разделе). В основе нечувствительности неопластических клеток к различным рост-ингибирующим сигналам могут лежать разные механизмы. Часто она возникает в результате подавления активности белков CKI, осуществляющих не- гативную регуляцию циклинзависимых киназ [13–17] (см. рис. 4 и 5). Так, характерные для многих типов опухолей мутации или эпигенетическая инактивация 16Ink4a (см. разд. 2) ослабляют контактное торможение размножения клеток и отменяют некоторые программы, обеспечивающие так называемое репликативное старение, т. е. ограничение числа возможных клеточных делений. Инактивация дру- гого представителя белков Ink4 — р15Ink4b — вызывает снижение чувствительности к антипролиферативному действию цитокина TGF-. К сходным последствиям ведет и инактивация белка pRb, являющегося основной мишенью действия циклинзависимых киназ Cdk4 и Cdk2, фосфорилирование которого необходимо для перехода из G1-фазы в S-фазу клеточного цикла. Нечувствительность к различным повреждающим воздействиям и внутри- клеточным нарушениям обеспечивается дисфункцией белка р53, приводящей наряду с другими последствиями к подавлению индукции при стрессах активности белка р21Cip1 (CKI из семейства Cip/Kip, ингибирует Cdk2), а также уменьшению экспрессии и активности циклина В и Cdc2 (Cdkl). Повышение активности белка HIF-1 вслед- ствие инактивации его ингибитора VHL или других со- бытий обеспечивает устойчивость опухолевых клеток к условиям гипоксии. Инактивация чекпойнта, оперирую- щего в митозе и предотвращающего образование клеток с неправильным числом хромосом, возникает в результате мутаций, инактивирующих функции белков Chfr, Bubl, BubRl. |